CONSTRUCCIÓN DE ESTRUCTURAS
METÁLICAS
Pascual Urbán Brotóns
Profesor de Construcción de Estructuras de la
Escuela Politécnica Superior de la Universidad de Alicante.
(Arquitectura Técnica).
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estructuras metálicas, Apuntes de Ingeniería de Edificación
Asignatura: Mediciones y Presupuestos, Profesor: Santiago Urrialde, Carrera: Ingeniería Civil, Universidad: UCAM
Tipo: Apuntes
2014/2015
1 / 47
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CONSTRUCCIÓN DE ESTRUCTURAS
METÁLICAS
Pascual Urbán Brotóns
Profesor de Construcción de Estructuras de la Escuela Politécnica Superior de la Universidad de Alicante. (Arquitectura Técnica).
Título: Construcción de estructuras metálicas 4 ª edición
Autor: © Pascual Urbán Brotóns
ISBN: 978-84-8454- 913 - 0 Depósito legal: A- 825 -200 9
Edita: Editorial Club Universitario Telf.: 96 567 61 33 C/ Cottolengo, 25 - San Vicente (Alicante) www.ecu.fm
Printed in Spain Imprime: Imprenta Gamma Telf.: 965 67 19 87 C/. Cottolengo, 25 - San Vicente (Alicante) www.gamma.fm [email protected]
Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de este libro puede reproducirse o transmitirse por ningún procedimiento electrónico o mecánico, incluyendo fotocopia, grabación magnética o cualquier almacenamiento de información o sistema de reproducción, sin permiso previo y por escrito de los titulares del Copyright
INTRODUCCIÓN
El objetivo que se pretende alcanzar con esta publicación es la exposición, de forma sencilla y detallada, de un conjunto de criterios sobre el funcionamiento de las estructuras de acero, enfocado estrictamente hacia su construcción, sin entrar en el estudio de los cálculos. El libro se ha adaptado, en los apartados que ha sido posible, a la Instrucción EA-95, a la Instrucción EAE, al Eurocódigo 3, a la Instrucción EHE y a la Norma Sismorresistente NCSE-O2, y se ha concebido pensando en los estudiantes de Arquitectura Técnica, sin olvidar la posible utilidad para otros estudios relacionados con la Construcción de Edificios. Para resolver con acierto la estabilidad estructural de un edificio, es imprescindible entender el funcionamiento de su estructura, conocer la disposición estructural, las solicitaciones que le llegan y el material utilizado, con el fin de elegir los detalles y disposiciones constructivas más adecuados, así como resolver los puntos singulares de la misma. El acero es el material estructural por excelencia para grandes alturas, puesto que resuelve con éxito los planteamientos estructurales de: soportar el peso con pilares de dimensiones reducidas, resistir el empuje ante el vuelco y evitar movimientos debidos a la acción del viento, auxiliado en ocasiones por algún núcleo de hormigón armado. En el contenido del libro se incluyen gran número de perspectivas y detalles constructivos que, unidos al texto escrito, ayudan a comprender el funcionamiento de la estructura y con ello tener la oportunidad de elegir las opciones idóneas para resolver cada encuentro, de acuerdo a las exigencias estructurales. Se analiza la estructura completa del edificio, tanto si se trata de un edificio industrial como si es para uso administrativo o de viviendas. Se estudia el encuentro del edificio con la cimentación, las placas de anclaje, pilares, jácenas, forjados, vigas de celosía, cubiertas con estructura metálica, analizando y detallando las uniones y arriostramientos, completando su contenido con un amplio apartado sobre estructuras mixtas. Para completar el programa de contenidos del mismo se han utilizado algunas ideas, dibujos y conceptos, similares a los existentes en libros de reconocida prestigio y solvencia relacionados en la Bibliografía y especialmente de las Instrucciones EAE y EA-95 , de Estructuras de Acero , de Ramón Arguelles y otros, de Biblioteca de Detalles Constructivos de CYPE y Los pilares: criterios para su proyecto, cálculo y reparación , de Florentino Regalado. A todos ellos quiero expresar mi
Introducción
especial agradecimiento, ya que sin la valiosa ayuda proporcionada por sus excelentes textos, no hubiese sido posible completar el presente libro. Mi sincero agradecimiento a los alumnos de la Escuela de Arquitectura Técnica de Alicante que han colaborado en la informatización de los dibujos. No puedo dejar de agradecer a mi familia por el tiempo que les he robado, dedicándolo a escribir estas páginas. Finalizo con la esperanza de que este libro pueda serle útil, además de a los estudiantes de Arquitectura Técnica, a los Profesionales, Técnicos y estudiosos, interesados en el atractivo campo del conocimiento técnico. Es mi modesta aportación a su progreso.
Gracias a todos.
Alicante, febrero de 2006.
Pascual Urbán Brotóns
Generalidades sobre la construcción en acero
2.- Los elementos estructurales mixtos de acero estructural y hormigón y, en general, las estructuras mixtas de acero y otro material de distinta naturaleza con función resistente. 3.- Los elementos estructurales de hormigón que formen parte de una estructura metálica de acero, como por ejemplo: forjados, núcleos y muros. Dichos elementos deberán ser dimensionados y comprobados de acuerdo con lo que prescribe la Instrucción de Hormigón Estructural (EHE) y la Instrucción para el proyecto y la ejecución de forjados unidireccionales de hormigón estructural realizados con elementos prefabricados (EFHE).
En obras especiales, tales como algunas estructuras industriales, pórticos grúa, etc. se adoptarán las medidas derivadas de las características de la propia obra y de su utilización. Con el fin de no detener el avance de la tecnología del acero y permitir la adaptación de la obra a circunstancias y condicionantes de carácter local, la Instrucción permite que el Autor del Proyecto y la Dirección de obra, que están obligados a conocer y tener en cuenta las prescripciones de la presente Instrucción, en uso de sus atribuciones puedan, bajo su personal responsabilidad y previa justificación de que no se reducen los niveles de prestaciones, emplear sistemas de cálculo o disposiciones constructivas diferentes. En el ámbito de esta Instrucción sólo podrán utilizarse los productos de construcción (acero, productos de acero, etc.) legalmente comercializados en países que sean miembros de la Unión Europea o bien que sean parte del Acuerdo sobre el Espacio Económico Europeo. Dichos productos deberán estar en posesión del marcado “CE” y deberán disponer del correspondiente certificado de conformidad “CE”.
CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES.
Metales empleados en estructuras metálicas.
Los metales que se emplean en estructuras metálicas son principalmente el acero ordinario, el acero autopatinable, el acero inoxidable y el aluminio.
El Acero Ordinario
Es el más empleado. Existen los sigiuentes tipos (según la norma EN 10027):
Construcción de estructuras metálicas
S235JR S235J0 S235J S275JR S275J0 S275J S355JR S355J0 S355J S355K La primera sigla es una “S” (de 'steel' acero en lengua inglesa) La siguiente cantidad numérica es el límite elástico en MPa. en elementos cuyo espesor no supere los 16mm. En espesores superiores la resistencia de cálculo es menor. Las últimas siglas indican su sensibilidad a la rotura frágil y su soldabilidad. JR para construciónes ordinarias. J0 cuando se requiere alta soldabilidad y resistencia a la rotura frágil. J2 cuando se requiere exigencias especiales de resilencia, resistencia a la rotura frágil y soldabilidad. Con objeto de que no sean excesivamente frágiles, uno de los parámetros que se exige a estos aceros es que su alargamiento de rotura sea superior al 15%. En España, excepto el S275JR todos los demás se suministran bajo pedido. Las normas EN 10113 y EN 10137 establecen otros aceros de mayor resistencia: S420 y S460 de raro uso en nuestro país.
Los aceros autopatinables
Los aceros autopatinables tienen la misma nomenclatura y composición que los aceros ordinarios y tienen como característica que en su composición entra una pequeña cantidad de cobre. También se sirven bajo pedido.
Observaciones: Estos aceros tienen un buen comportamiento ante la corrosión atmosférica, dado que se produce en su superficie una capa de óxido que es la que los protege. Por tanto hay que procurar que a lo largo de su vida útil no estén en contacto con elementos que les produzcan roces y limpien esta capa. Así mismo en zonas de circulación de personas son susceptibles de manchar a los transeúntes con dicho óxido.
Construcción de estructuras metálicas
grande (40-45%) y por tanto son muy apropiados para uso estructural por la seguridad que ofrecen. Los aceros inoxidables dúplex tienen la misma resistencia mecánica que los aceros ordinarios de uso estructural más resistentes (S420 y S460) y un alargamiento de rotura más que aceptable (20-25%)
Algunas precauciones a tener en cuenta: No emplear herramientas, discos de corte u otro utillaje que sirviera para trabajar otros metales. No poner en contacto directo las partes de hierro o acero de cadenas, ganchos, grúas, camiones, transpalets, etc. con el material. Evitar la suciedad. Evitar diseñar piezas y uniones con superficies susceptibles de acumular suciedad. Los elementos estructurales en forma de cajón cerrado deben tener un desagüe.
Uniones atornilladas: Se deberán hacer obligatoriamente con tornillos de acero inoxidable. (La norma EN ISO3506 indica los tipos de acero a emplear). Uniones soldadas: Se realizarán con material de aporte de acero inoxidable. Si se empleara una atmósfera de gas inerte éste no deberá contener dióxido de carbono. Si los aceros a soldar son dúplex el gas tampoco contendrá nitrógeno.
El Aluminio
Aún que ha tenido un gran desarrollo en la industria aeronáutica, en edificación se limita por el momento a carpas y construciónes desmontables, dada su ligereza.
Características mecánicas de los aceros.
Los dos valores fundamentales para el diseño de las piezas de acero son: 1.- El límite elástico. 2.- El límite de rotura.
Generalidades sobre la construcción en acero
1.- El límite elástico σE es la carga unitaria para la que se inicia el escalón de cedencia, es decir a partir del cual las deformaciones no son recuperables. Esta deformación remanente es del 0,2 por 100. 2.- El límite de rotura σR (también denominado resistencia a tracción) es la carga unitaria máxima soportada por el acero en el ensayo de tracción. El límite de rotura define un índice de la calidad del mismo. La curva tiene una parte recta OP donde las tensiones son proporcionales a las deformaciones, las cuales, a su vez, son recuperables una vez desaparecida la carga. La tensión σP se llama límite de proporcionalidad. La zona PE se caracteriza por el hecho de ser recuperables las deformaciones, aunque no exista proporcionalidad entre éstas y las tensiones. La tensión σE se llama límite elástico. Y a veces es difícil de determinar. En estos casos se define como límite elástico el correspondiente a una deformación permanente del 0,2%.
Al aumentar las tensiones, el diagrama presenta una zona EFF' en la que las deformaciones se incrementan bajo carga prácticamente constante. Todo ocurre como si el material se debilitase de pronto. Al desaparecer la carga en la probeta, ésta presenta una deformación permanente. El valor máximo σF se llama límite de fluencia o cedencia.
Generalidades sobre la construcción en acero
TIPOS DE ACERO.
La Instrucción EAE contempla los siguientes tipos de acero utilizables en perfiles y chapas para estructuras de acero.
- Aceros laminados en caliente. Se entiende por tales los aceros no aleados, sin características especiales de resistencia mecánica ni resistencia a la corrosión, y con una microestructura normal.
- Aceros con características especiales. Se consideran los siguientes tipos: a.- aceros normalizados de grano fino para construcción soldada. b.- aceros de laminado termomecánico de grano fino para construcción soldada. c.- aceros con resistencia mejorada a la corrosión atmosférica (aceros autopatinables) d.- aceros templados y revenidos. e.- aceros con resistencia mejorada a la deformación en la dirección perpendicular a la superficie del producto. - Aceros conformados en frío. Se entiende por tales los aceros cuyo proceso de fabricación consiste en un conformado en frío, que les confiere unas características específicas desde los puntos de vista de la sección y la resistencia mecánica.
PRODUCTOS LAMINADOS.
Los productos laminados se clasifican en función de sus características de forma en:
- Productos longitudinales.
- Productos planos.
Los productos longitudinales son aquellos en los que una dimensión es determinante sobre las dos restantes. Se subdividen a su vez en:
- Perfiles estructurales. Son los perfiles I, H, L, T, O, con una altura o anchura igual o mayor a 80 mm., en ocasiones denominados perfiles pesados.
Construcción de estructuras metálicas
- Perfiles comerciales. Incluyen los del grupo anterior con dimensión inferior a 80 mm. e igualmente redondos, cuadrados, hexagonales y pletinas. También se denominan perfiles ligeros. Los productos planos son aquellos en los que dos de sus dimensiones predominan sobre la tercera. El producto plano utilizado normalmente es la chapa laminada en caliente, que puede ser obtenida por procedimientos discontinuos o bien por troceo de bobinas.
La chapa laminada se clasifica según su espesor en: Fina: espesor inferior a 3 mm. Media: espesor igual o superior a 3 mm. hasta 4,75 mm. Gruesa: espesor superior a 4,75 mm.
PERFILES Y CHAPAS DE SECCIÓN LLENA LAMINADOS EN
CALIENTE.
Perfiles y chapas de sección llena laminados en caliente, a los efectos de esta Instrucción, son los productos obtenidos mediante laminación en caliente, de espesor mayor o igual a 3 mm., de sección transversal llena y constante, empleados en la construcción de estructuras o en la fabricación de elementos de acero estructural. Las series de perfiles y chapas de sección llena laminados en caliente son: Perfil IPN, Perfil IPE, Perfil HEB (base), Perfil HEA (ligero), Perfil HEM (pesado), Perfil U Normal (UPN), Perfil U comercial (U), Angular de lados iguales (L), Angular de lados desiguales (LD), Perfil T, Redondo, Cuadrado, Rectangular, Hexagonal y Chapa.
PERFILES HUECOS LAMINADOS EN CALIENTE.
Son los perfiles huecos estructurales de sección transversal constante, de espesor igual o mayor que 2 mm. Producidos por laminación en caliente, o por conformado en frío seguido por un tratamiento térmico para obtener unas condiciones metalúrgicas equivalentes a las del laminado en caliente, empleados en la construcción de estructuras.
Las series de perfiles huecos laminados en caliente son: Sección circular, sección cuadrada, sección rectangular y sección elíptica
Construcción de estructuras metálicas
adoptando medidas específicas en función de la agresividad a la que se encuentre sometido cada elemento.
Deberán incluirse, al menos, los siguientes aspectos:
- Selección de la forma estructural, definiendo en proyecto los esquemas estructurales, las formas geométricas y los detalles que sean compatibles con la consecución de una adecuada durabilidad de la estructura. Se facilitará la preparación de las superficies, el pintado, las inspecciones y el mantenimiento.
- Se procurará evitar el empleo de diseños estructurales que conduzcan a una susceptibilidad elevada a la corrosión, eligiendo formas de los elementos sencillas.
- Se reducirá al mínimo el contacto directo entre las superficies de acero y el agua.
- Cuando la estructura presente áreas cerradas (interiores inaccesibles) o elementos huecos, debe cuidarse que estén protegidos de manera efectiva contra la corrosión, mediante soldadura continua.
En casos de especial agresividad, cuando las medidas normales de protección no se consideren suficientes, se podrá recurrir a la disposición de sistemas especiales de protección (materiales de recubrimiento en polvo, productos para tratamiento químico de las superficies, protección catódica, etc.)
La Instrucción EHE recomienda evitar los detalles constructivos indicados como INADECUADOS en las figuras siguientes, empleando los considerados ADECUADOS en las mismas.
Generalidades sobre la construcción en acero
1.- Prevención de la acumulación de agua y suciedad
Inadecuado
Suciedad y agua retenidas (^) Apropiado
Discontinuidad para salida del agua