Aceros Estructurales y Riesgo Sísmico

18 MATERIALES Foto: www.boiler-tubes Aceros Estructurales y Riesgo Sísmico Andrés Jiménez Archila Periodista Metal Actual Conozca las propiedades del las barras de acero estructural, sus usos y beneficios. Con un 87% de la población ubicada en zonas de amenaza sísmica alta o media, se hace necesario contar con estructuras capases de resistir un movimiento telúrico. Usar los aceros estructurales indicados y aplicar las Normas técnicas y Reglamentos actualizados minimiza el riesgo de catástrofe en el país. Debido al riesgo sísmico en que se encuentra el planeta en particular la región ubicada en la zona norte del subcontinente americano, a causa de la interacción efectuada debajo de su suelo por las placa tectónicas de Suramérica, Nazca y del Caribe, todas las edificaciones deben estar construidas con materiales que aseguren la protección de la vida; el acero estructural es uno de ellos. La particular condición sísmica de esta zona, ha planteado un enorme reto para ingenieros, arquitectos y, en general, para todos los profesionales involucrados en el proceso de construcción de edificaciones, ya que se ha hecho necesario desarrollar estructuras sismorresistentes que protejan la vida de sus ocupantes, por medio de

MATERIALES 19 diseños y materiales con propiedades y condiciones especificas. Precisamente, con el fin de minimizar los riesgos de catástrofe ante un movimiento telúrico, los constructores hacen uso de sendos materiales que garanticen seguridad gracias a sus características y facilidades de uso, entre ellos se destaca el acero, el cual, solo o combinado con otros materiales como el concreto es fundamental en la construcción de todas las edificaciones actuales. Desarrollado especialmente para la construcción gracias a sus propiedades mecánicas y químicas, el acero estructural es el resultado de la aleación de hierro, carbono y pequeñas cantidades de otros elementos como silicio, fósforo, azufre y oxígeno, que le tributan características específicas, las cuales dependen de la cantidad de carbono (no mayor al 2%) y otros elementos utilizados en el proceso de producción; como níquel, titanio, volframio cromo, o vanadio, entre otros. Elemento A 706 % carbono 0.33 máx. % manganeso 1.56 máx. % fósforo 0.043 máx. % azufre 0.053 máx. % silicio 0.55 máx. Composición química de la barra de acero estructural ASTM A 706 homologable con la barra la NTC 2289. Las formas más comunes del acero estructural en la construcción incluyen la fabricación de perfiles estructurales en forma de I, H, L, T, [, 0, usadas en edificios e instalaciones para industrias; cables para puentes colgantes, atirantados y concreto preesforzado; varillas y mallas electro soldadas para el concreto reforzado; láminas plegadas usadas para techos y pisos. La máxima resistencia y capacidad de tensión, elongación mínima y relación máxima resistencia sobre máxima fluencia, son algunas de las propiedades mecánicas del acero estructural que, además de la composición química con porcentajes Foto www.gatorwelding.com exactos de carbono, magnesio, silicio, fósforo y azufre junto con los parámetros técnicos correctos, hacen del acero un material esencial en cualquier construcción moderna. Construir con acero estructural presenta beneficios que el hormigón armado o concreto reforzado no entrega, como bajo peso, amplios espacios de obra, ya que posibilita mayores distancias entre columnas, agilidad en el montaje y menos tiempo de construcción; haciendo de este material el ideal para edificaciones en las que es muy importante el espacio libre, como aparcaderos y almacenes de grandes superficies; entre otros. Vale señalar, la importancia de un buen diseño estructural sismo resistente, el cual garantiza que los materiales utilizados incluyendo el acero estructural funcionen según sus propiedades mecánicas y químicas. El énfasis del diseño sismo resistente se ha enfocado en diseñar controlando el desempeño de la estructura. La mayoría de los códigos modernos de diseño sismo resistente están basados en una filosofía de diseño por desempeño (PBD, por su nombre en inglés), la que se expresa en niveles de desempeño esperados para un cierto nivel de peligro sísmico. Igualmente, el uso del acero incrementa la rentabilidad y beneficio para el constructor gracias a la facilidad que Foto www.buildpedia.com Como ventajas más reconocidas del acero estructural es su construcción simultánea de cimentación y estructura. ofrece para automatizar procesos de fabricación de estructuras, con la consiguiente reducción de tiempos de construcción y maximización de calidad final de la obra, lo que hace posible construcciones más respetuosas con el medio ambiente (ya que es 100 por ciento reciclable) que aumentan la seguridad de las personas en obra y ofrecen espacios habitables, confortables y seguros para los usuarios. En el caso de la fundición de concreto reforzado, sistema de construcción más usado en Colombia, el acero estructural representado en barras embebidas dentro del concreto ofrece la torsión, flexión y tensión; que unida a la propiedad de compresión del cemento, hacen posible una estructura capaz de soportar cargas y fuerzas suficientes para salvaguardar la vida, ante un movimiento de tierra. Por consiguiente, para construcciones en zonas de mediano y alto riesgo sísmico en concreto reforzados con barras de acero, es necesario el uso de aceros estructurales dúctiles y no quebradizos, que ante una acción telúrica se doblen y no se fracturen. Las barras corrugadas de acero estructural disponen de un alto límite de fluencia, (límite a partir de la cual el material se deforma plásticamente) con muy buena ductilidad y excelente adherencia al concreto; haciendo menos vulnerables las construcciones ante una acción telúrica.

20 MATERIALES Foto: Camacol a. La resistencia a la fluencia debe corresponder a la determinada por ensayos sobre barras de tamaño completo. Los esfuerzos obtenidos por medio del ensayo de tracción deben calcularse utilizando el área nominal de la barra tal como se indica en las Tablas 1 y 2. El acero de refuerzo debe ser corrugado mientras el acero liso sólo puede utilizarse en estribo, espirales o tendones y refuerzos de repartición y temperatura. Barra corrugada usada en Colombia Particularmente para las barras de acero corrugado existen unas especificaciones establecidas por el Instituto Colombiano de Normas Técnicas ICONTEC, el cual formula las características y propiedades que ha de tener este material estructural para uso en Colombia. La NTC 2289, como una Norma Técnica Colombiana, cuya última actualización fue en diciembre del 2007, la cual según ICONTEC se aplica a las barras corrugadas y lisas de acero de baja aleación, rectas o en rollos, para refuerzo de concreto usado en aplicaciones donde las restricciones en las propiedades mecánicas y de composición química son compatibles para la aplicación de propiedades de tracción controlada o requerida que sirvan para mejorar la soldabilidad. Esta norma es homologable con la Norma internacional Standard Specification for Low-Alloy Steel Deformed and Plain Bars for Concrete Reinforcement ASTM A 706 Algunas especificaciones extraídas de la NTC 2289 referentes al acero de refuerzo, son: El acero de refuerzo debe ser corrugado, el liso sólo puede utilizarse en estribos, espirales o tendones, y refuerzos de repartición de temperatura. Para el uso de los aceros planos se debe indicar el refuerzo que vaya a ser soldado junto con el procedimiento de soldadura a utilizar. Las especificaciones para el uso del acero se han de complementar con un informe sobre las propiedades del material necesarias para cumplir las técnicas de soldadura especificados en la norma NTC 4040 (Procedimiento de soldadura para el acero de refuerzo ANSI/AWS D1.4. de la Sociedad Americana de Soldadura). El refuerzo corrugado debe cumplir con las normas de calidad como se indica en las Tablas 1 y 2. La comprobación de la designación de la barra se realiza por medio de su peso por metro de acuerdo con los valores dados en las Tablas 1 y 2. Además deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos: b. No se permite el uso de acero corrugado de refuerzo fabricado bajo las norma NTC 245 (esta Norma establece los requisitos que deben cumplir y los ensayos a que deben someterse las barras trabajadas en frio lisas o corrugadas, para ser usadas en obras de hormigón reforzado), ni ningún otro tipo de acero que haya sido trefilado, a menos que esté explícitamente permitido por la norma bajo la cual se fabrica cualquiera de los materiales permitidos por el Reglamento. Igualmente, la norma hace énfasis en que únicamente se permite el uso de acero corrugado fabricado bajo la norma NTC 248 o la ASTM A615 en zonas de amenaza sísmica baja. Tabla 1 Dimensiones nominales de las barras de refuerzo (Diámetros basados en milímetros) Designación Barra* Diámetro Área ² Perímetro Masa Kg/ 6M 6.0 28.3 18.85 0.222 8M 8.0 50.3 25.14 0.394 10M 10.0 78.5 31.42 0.616 12M 12.0 113.1 37.70 0.887 16M 16.0 201.1 50.27 1.577 18M 18.0 254.5 56.55 1.996 20M 20.0 314.2 62.83 2.465 22M 22.0 380.1 69.12 2.982 25M 25.0 490.9 78.54 3.851 32M 32.0 804.2 100.53 6.309 45M 45.0 1590.4 141.37 12.477 55M 55.0 2375.8 172.79 18.638 * La M indica que son diámetros nominales en Tabla 2 Dimensiones nominales de las barras de refuerzo (Diámetros basados en octavos de pulgada) Designación de la barra* Diámetro de referencia en pulgadas Diámetro Área Perímetro Masa Kg/m Nª 2 ¼ 6.4 32 20.0 0.250 Nº 3 3/8 9.5 71 30.0 0.560 Nº 4 ½ 12.7 129 40.0 0.994 Nº 5 5/8 15.9 199 50.0 1.552 Nº 6 ¾ 19.1 284 60.0 2.235 Nº 7 7/8 22.2 387 70.0 3.042 Nº 8 1 25.4 510 80.0 3.973 Nº 9 1-1/8 28.7 645 90.0 5.060 Nº 10 1-1/4 32.3 819 101.3 6.404 Nº 11 1-3/8 35.8 1006 112.5 7.907 Nº 14 1-3/4 43.0 1452 135.1 11.380 Nº 18 2-1/4 57.3 2581 180.1 20.240 * El Nº de la barra indica el número de octavos de pulgada del diámetro de referencia

Aceros antisísmicos? Fin del mito Las fuerzas sísmicas que actúan sobre una edificación deben ser distribuidas por los componentes estructurales que la forman; la combinación de estos elementos, más el tipo de terreno, junto con el diseño arquitectónico y estructural, integran globalmente las características sismo resistentes de una edificación. De allí que no hay ningún metal estructural que sea anti sísmico, puesto que nada evita el fenómeno natural, lo que existe son estructuras que, gracias a su diseño y materiales, soportan mejor un temblor de tierra sin destruirse por completo; con lo cual dan un margen de acción para que los ocupantes puedan evacuarlas sin quedar lesionados o heridos. Ante la constante amenaza sísmica en Colombia, los aceros estructurales que se utilizan en las construcciones deben ser dúctiles y no frágiles, puesto que la finalidad de la estructura ante un movimiento telúrico es que las edificaciones se deformen y no colapsen; con lo cual se necesitan estructuras menos rígidas y más elásticas. Con el fin de lograr estructuras más livianas y flexibles el acero tiene como principales puntos a favor la: Ductilidad o propiedad que tiene un material de soportar grandes deformaciones sin fallar bajo altos esfuerzos de tensión. La naturaleza dúctil de los aceros estructurales comunes les permite fluir localmente, evitando así fallas prematuras. Durabilidad: si el mantenimiento de las estructuras de acero es adecuado durarán indefinidamente. Resistencia a la fatiga o fuerzas repetidas aplicadas sobre el material. Tenacidad: propiedad que tiene un material para absorber energía en grandes cantidades. Foto:www.madeinchina.com Una de las ventajas del acero como material de construcción es que mantiene sus características sin degradarse a lo largo del tiempo.

22 MATERIALES En este sentido, afirma Zulma Pardo Vargas, Vicepresidenta de la Comisión de Estructuras de la Sociedad Colombiana de Ingenieros y miembro de la American Institute of Steel Construction (AISC), que una de las principales propiedades del acero estructural es la capacidad de deformarse inelásticamente sin perder resistencia, con lo cual, ante la acción de una fuerza, pueden deformarse sin que se presente la fractura. Los aceros que se fracturan fácilmente corresponden a aleaciones frágiles con alto contenido de azufre, fosforo y magnesio y las dúctiles contienen los elementos anteriores más molibdeno, manganeso, columbio y/o vanadio, en porcentajes controlados Todas las barras corrugadas producidas en Colombia bajo la norma NTC- 2289 son aptas para ser usadas como refuerzo de concreto en construcciones sismo-resistentes, pero hay que tener cuidado, porque no todas las barras importadas tienen propiedades de sismo-resistencia. La razón es que en muchos casos, el país de origen de esos productos no posee riesgo sísmico. El constructor debe verificar que su barra este bajo la norma NTC 2289. Si es venezolana con norma Covenin, debe asegurarse que tenga la letra W. Si tiene otra letra, evite que la usen como barra de refuerzo, pues esta podría tener problemas de ductilidad y no cumplir con la Norma de Sismo Resistencia en su última versión NRS-10. En este aspecto, Pardo Vargas afirma que: según las propiedad especificas de cada barra se genera su uso y nunca según su precio, por lo cual se debe comprar las barras de aceros estructural según lo que este estipulado en cada ficha técnica, dependiendo del uso que se le de al material y la norma o disposición a que este sujeta. De esta forma se hace imperativo tanto para el vendedor como el constructor conocer y aplicar la normatividad vigente, junto con sus actualizaciones e innovaciones. Nuevo Reglamento de Sismo Resistencia en Colombia Desde el 15 de diciembre de 2010 rige el nuevo Código Colombiano de Sismo Resistencia, renovado recientemente por el Decreto 926 del 2010 el cual remplaza al Decreto 33 de 1998 y más conocido como NSR- 10 que tiene por objeto amparar las vidas humana ante un sismo fuerte y proteger el patrimonio del Estado y de los ciudadanos en caso de un movimiento telúrico. Las estructuras construidas bajo la NSR-10 tienen por objeto ser capaces de resistir temblores de poca intensidad sin daño, temblores de mediana intensidad sin daño estructural y un temblor fuerte sin colapsar. Según la Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, el nuevo regla- mento actualiza diversos aspectos con el fin de que con la aplicación de tecnología en el análisis, diseño y construcción, cada día las edificaciones sean más seguras en un país donde el 87 por ciento de su población se encuentra ubicadas en zonas de amenaza sísmica alta e intermedia. En el momento de construir, Manuel Ramírez, profesional de Normalización de ICONTEC, afirma que el reglamento NSR-10 exige que un supervisor garantice el cumplimiento de los requisitos y materiales indicados en la NSR-10, las curadurías urbanas otorgan la licencia de construcción en la que se evalúan el cabal cumplimiento del reglamento de sismo resistencia en los diseños. Cualquier anomalía o incumplimiento se resuelve ante el Ministerio de Ambiente y Desarrollo Territorial. Distribución de la Amenaza Sísmica en Colombia Fuente: AIS

Un diseño estructural confiable garantiza la efectividad sismo resistente de cualquier construcción. Foto: www.verkaufsbüro-brauch.com El Código colombiano de Sismo Resistencia NSR-10 (Reglamentado por el Decreto 926). Es el que establece como se debe construir, y hace alusión a la estructura o construcción con todos sus componentes (acero, cemento, mampostería estructural, entre otros) y la NTC 2289, únicamente a las condiciones de calidad que tienen las barras corrugadas como producto, afirma la Ingeniera Zulma Pardo Vargas. Asimismo Ramírez recuerda que El reglamento que regula las funciones y usos de los aceros estructurales para construcciones sismorresistentes es el NSR-10, el cual fue desarrollado en el seno de la comisión Asesora del Régimen Sismo Resistente del Ministerio de Ambiente Vivienda y Desarrollo Territorial y comenta que, en la actualidad, se adelanta el desarrollo de un reglamento técnico por parte del Gobierno para la comercialización de refuerzos de acero. Según Hernán Zúñiga, miembro del Comité Técnico de Resoluciones del Ministerio de Industria, Comercio y Turismo este proyecto de Resolución Por la cual se expide el Reglamento Técnico aplicable a barras corrugadas para refuerzo de concreto en construcciones sismo resistentes que se fabriquen, importen o comercialicen en Colombia está en ciernes y aun no se puede asegurar su aplicación. Por el momento, el tema de aceros estructurales sigue estando regulado por el Decreto 926, expedido por el Ministerio de Ambiente Vivienda y Desarrollo Territorial Por el cual se establecen los requisitos de carácter técnico y científico para construcciones sismo resistentes NSR-10 realizada para establecer criterios y requisitos mínimos para el diseño, construcción y supervisión técnica de edificaciones nuevas enmarcadas en la Ley 400 de 1997.

24 MATERIALES Foto www.tettafa.com Consumo de acero estructural La constante demanda de aceros estructurales para uso en los diversos sistemas de construcción, se ha visto evidenciada en datos de ILAFA (Instituto Latinoamericano del Fierro y el Acero), en lo que del 100 por ciento del acero consumido en América Latina, es la construcción, el sector que demanda mayor cantidad de aceros con un 44% frente a otros sectores como los materiales mecánicos, con un 18% y automóviles, con sólo el 16%. Las siderúrgicas colombianas generan productos de acero para atender principalmente la demanda del sector de la construcción, las cuales hacen un suministro de acero para concreto equivalente al 52% de la producción total, y en menor medida alambrón en un 8%, perfiles al 8%, barras al 2% y el resto de la producción (30%) está destinada para el consumo industrial (principalmente productos planos). En el caso del consumo per cápita de acero, Colombia ha tenido un consumo bajo, pero ha sido el país con el más alto incremento en un periodo de 10 años; con un aumento del 86.2% entre 1998 y el 2008 y un promedio de crecimiento de aproximadamente el 60%. Las barras corrugadas de acero estructural constituyen un materia indispensable para la construcción en concreto reforzado; éstas deben cumplir con los estándares de calidad y requisitos técnicos. Asimismo, el consumo aparente de acero evidenciado en miles de toneladas, presenta un incremento entre los años 2001 y 2008, con un promedio de 2000 toneladas por año. Según datos suministrados por el DANE frente al área de construcción aprobada con licencia en 77 municipios colombianos, entre el periodo de enero - abril del 2009 y el 2010 estas crecieron en un 14,72%. Asimismo entre los meses de junio del 2009 a junio del 2010, la variación del índice de costos de construcción pesada ICCP se incrementó en 0.63 puntos porcentuales, el registro del presente año es de 0.21% frente al -0,42% del mismo periodo del año anterior. La variación que más influyó en el resultado del índice fue materiales (0,34%), con una contribución de 0,19 puntos porcentuales a la variación total (0,21%). En este grupo de costos, las principales alzas se registraron en almohadilla de neopreno (2,16%), acero de refuerzo (2,12%), alambre de amarre (1,94%), ángulo (1,92%), lámina de acero (1,64%), platina (1,38%), alambre de púas (1,21%) y rejilla (1,15%). En relación al comportamiento de los precios locales del acero, estos han sido demasiado vulnerables ante cambios en la oferta y la demanda del mercado. En épocas donde la demanda por productos de acero ha caído y con ellas los precios, los productores recortan la producción con el fin de equilibrar la oferta y la demanda de acero; pasa lo contrario cuando la oferta se incrementa, aumentan los precios y aumenta la producción para poder suplir la demanda y equilibrar nuevamente el mercado. El mercado del acero, siempre en constante crecimiento, muestra un consumo aparente de acero a lo largo de los años, el cual ha presentado en promedio crecimientos alrededor del 10,1% desde el 2005, además este sector es uno de los más importantes en la economía del país al aportar aproximadamente un 11,5% al PIB industrial y un 13% al empleo industrial. El precio internacional del acero, resultado de una gran oferta, se ha mantenido bajo respecto de otros insumos de la construcción, lo cual ha generado una importante competencia en el mercado de materiales y estructuras de acero, además, los modernos sistemas de cálculo de los proyectos, que permiten economías considerables en cuanto a peso y costos de construcción, también han impulsado un mayor uso del acero por parte de los profesionales de la construcción en Colombia. Fuentes Zulma Stella Pardo Vargas. Vicepresidenta de la Comisión de Estructuras de la Sociedad Colombiana de Ingenieros y miembro de la American Institute of Steel Construction (AISC). apardo@et.net.co Hernán Zúñiga. Comité Técnico de Resoluciones del Ministerio de Industria, Comercio y Turismo. Manuel Ramírez. Profesional de Normalización de ICONTEC. nholguin@icontec.org ACIS.Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica. www.asosismica.org.co www.andi.com.co www.camacol.org.co, www.dane.gov.co, www.icontec.org.co, www. ilafa.org, www.minambiente.gov.co, www. mincomercio.gov.co, www.sci.org.co, www. manizales.unal.edu.co, www.arqhys.com.