Morfología

¿Qué es la Morfología Estructural?
La palabra morfología cuando la dividimos en dos, MORFO; tiene el significado de
formas y LOGIA; significa estudio, entonces podemos definir que la morfología
estructural conlleva el estudio de las formas estructurales básicas.
Dentro del estudio y diseño estructural se debe determinar primeramente la forma,
a través de las dimensiones y características detalladas, esto con el objetivo de
observar las solicitudes que se presentan durante las etapas de su existencia.
Un requisito indispensable que se debe tomar en cuenta con vital importancia para
que una estructura o edificación funcione al cien por ciento es que no debe de
presentar fallas o un mal comportamiento provocado por su ineptitud para soportar
cargas; para esto se deben de revisar los elementos que sufren esfuerzos dentro de
la estructura como son: trabes, columnas, losas y cimentaciones.
Para entender lo anterior debemos definir como está formada una estructura, la cual
se compone de elementos mecánicos clasificados en:
•
•
•
Horizontales. (Losas, trabes, armaduras, etc.)
Verticales. (Muros, columnas, etc.)
Inclinados. (Tirantes y puntales)
Debido a lo anterior; se producen dos clases de tensiones o esfuerzos los cuales son:
TENSIONES
SIMPLES
Cuando una fuerza actúa sobre un cuerpo de
manera que tiende a cortarlo o a empujar sus
partes, tendremos un esfuerzo a compresión.
Cuando las fuerzas actúan en un sentido
contrario tratando de estirar el cuerpo, se
genera el fenómeno de atracción.
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TENSIONES
COMPUESTAS
Es cuando un elemento estructural esta
solicitado por una carga y en él se produce
una o más tensiones simples de manera
simultáneas y la tensión resultante serán
esfuerzos compuestos.
EJEMPLO: TORRE LATINOAMERICANA
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Elementos que integran a una morfología estructural
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•
Cargas vivas y muertas.
Estudio de las formas.
Deformación de acuerdo con el tipo de estructura.
Esfuerzos cortantes.
Resistencia del terreno.
Diseño.
Materiales.
Instalaciones.
También se puede considerar que otros elementos que la
componen son:
FUNCIONALIDAD: La forma y la rigidez de la estructura
deben de adaptarse a la función, uso y destino de la
construcción y de sus partes. Para lograr una solución adecuada, el criterio debe
tener en cuenta una graduación de las condiciones funcionales.
DURABILIDAD: La durabilidad junto con la PERDURABILIDAD de la construcción
esta relacionada con la resistencia a fenómenos físicos y químicos, esto debido a que
la estructura posee cualidades de:
✓ Estabilidad
✓ Resistencia mecánica.
✓ Resistencia a agentes ambientales agresivos.
ESTETICA: Subdividida en Estructura Estática que se refiere a la forma del sistema
estructural, la Estructura Funcional que es el sistema estructural que se confunde con
los elementos de la construcción y por ultimo la Estructura Plástica o escultural.
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La morfología estructural en los edificios de acero.
La morfología estructural en los Edificios de Acero afecta directamente en su forma
y por ende en las propiedades de dicho material, puesto que al ser mas flexible se
pueden obtener claros de mayor tamaño, formas mucho más escultóricas, peraltes
más reducidos, una mayor resistencia, mayor elasticidad debido a los componentes
del material.
También, la morfología en dichos edificios proporciona una máxima adaptabilidad
en el cambio de uso de los edificios, ya que se pueden realizar alteraciones
estructurales con facilidad y conexiones a los pórticos existentes con mínimas
molestias y coste.
Los edificios construidos con acero son muy versátiles, teniendo gran facilidad para
unir diversos miembros por medio de varios tipos de conectores como son la
soldadura, los tornillos y los remaches. De igual forma una gran capacidad de
laminarse y en gran cantidad de tamaños y formas; y en zonas que se caracterizan
por ser sísmicas de gran riesgo, la construcción con acero ha demostrado un
comportamiento altamente satisfactorio ante esos fenómenos naturales por la
ductilidad que caracteriza al material siderúrgico. Este comportamiento es muy
superior al del hormigón.
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Los orígenes del acero estructural.
Los primeros artesanos en trabajar el hierro producían aleaciones que hoy se
clasificarían como hierro forjado, esto mediante una técnica que implicaba calentar
una masa de mineral de hierro y carbón vegetal en un gran horno con tiro forzado,
de esta manera se reducía el mineral a una masa esponjosa de hierro metálico llena
de una escoria de impurezas metálicas, junto con cenizas de carbón vegetal.
Esta esponja de hierro se retiraba mientras permanecía incandescente, dándole
fuertes golpes con pesados martillos para poder expulsar la escoria y soldar el hierro.
Ocasionalmente esta técnica de fabricación producía accidentalmente auténtico
acero en lugar de hierros forjado.
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La actual producción de acero emplea altos hornos que son modelos perfeccionados
de los usados antiguamente. El proceso de refinado del arrabio mediante chorros de
aire se debe al inventor británico Henry Bessemer, que en 1855 desarrolló el horno
o convertidor que lleva su nombre.
El acero se utilizaba ya en la
Edad Media para fabricar
objetos muy diversos (armas,
joyas, esculturas, muebles)
pero a partir de mediados del
siglo XVIII se convirtió en un
elemento estructural (vigas y
viguetas de fundición). La
iglesia de Santa Ana (17701772) de Liverpool fue el
primer edificio que se
benefició de esta innovación.
Luego, el desarrollo de los procedimientos de fabricación industrial favoreció el
empleo del acero en gran escala. Así lo atestiguan el puente sobre el río Severn
(1775-1779) primera construcción metálica de este tipo, y también en Inglaterra, el
Pabellón Real (1815-1823) de Brighton, construido en estilo indio por John Nash.
Durante los períodos Gótico y el Renacimiento se le encuentra como material
complementario de componentes de madera (clavos y herrajes hechos en forma
manual) y en la construcción de algunas máquinas y herramientas que facilitaron
tanto la elaboración como el montaje de los elementos y partes de las
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construcciones. El hierro fundido se usa en función de su alta resistencia a la
compresión, pero su escasa capacidad de tomar esfuerzos de flexión debido a su
fragilidad, limitan su aplicación en elementos mayores en la arquitectura. En una
segunda fase de su uso es en la sustitución de estructuras o partes sometidas a
compresión, como el pilar y el arco.
¿Qué entiendes por el acero estructural?
El acero estructural se produce básicamente para construcción de edificios (también
llamado aceros de construcción) y tiene una forma, composición química y
resistencia concretas adaptadas a este propósito. Estos parámetros (y otros como la
forma de almacenaje) están regulados por estándares particulares en la mayoría de
los países industrializados.
Al igual que otros tipos de acero, los componentes principales son hierro y carbono.
Cuanto más carbono se añade a la aleación, mayor es la resistencia y disminuye la
ductilidad del producto acabado.
CARACTERÍSTICAS:
Resistencia: El acero estructural es un material que puede soportar grandes
esfuerzos y dar mayor seguridad a las estructuras sobre todo para aquellas que son
propensas a sufrir esfuerzos por sobrecarga o cambios climáticos extremos como
sismos, huracanes y vientos fuertes.
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Ductilidad: Este tipo de acero puede sufrir
deformaciones sin romperse, sin embargo, el
hecho de que el acero estructural sea dúctil
no significa que la estructura fabricada con
esté lo sea también.
Soldadura: El acero estructural tiene la
ventaja de poder hacer uniones o conexiones
mediante la soldadura.
Tenacidad: Este tipo de acero tiene
resistencia a ser doblado, roto o molido.
Corrosión: La resistencia a la corrosión puede
variar dependiendo de las condiciones
climáticas donde esté situada la estructura.
Es por estas características, que el Acero
Estructural es el más empleado para la
construcción de estructuras como: puentes,
entrepisos, edificios, naves industriales, entre
otros.
Tipos de acero estructural.
ACERO INOXIDABLE
Material compuesto por una aleación de Acero, cromo y níquel, de gran resistencia
química especialmente a la corrosión. Se denomina Acero Inoxidable a cualquier tipo
de Acero aleado cuyo peso contenga como mínimo 10,50 % de Cromo, pero no más
de 1,20 % de Carbono, con cualquier otro elemento de aleación o sin él.
El Acero Inoxidable contiene cromo, níquel y otros elementos de aleación, que lo
mantienen brillantes y resistente a la corrosión a pesar de la acción de la humedad
o de ácidos y gases.
Algunos Aceros Inoxidables son muy duros; otros son muy resistentes y mantienen
esa resistencia durante largos periodos a temperaturas extremas.
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ACERO LAMINADO
Veamos una barra de acero sometida a
tracción, con los esfuerzos se deforma
aumentando su longitud. Si se quita la
tensión, la barra de acero recupera su posición
inicial y su longitud primera, sin sufrir
deformaciones remanentes.
ACERO AL CARBONO
Acero constituido por un mínimo no especificado de elementos de aleación; el
aumento de la proporción de carbono reduce su ductilidad y soldabilidad, aunque
aumenta su resistencia.
ACERO CORTEN
El Acero Corten es un Acero común al que no le afecta la corrosión.
Es una aleación de Acero con níquel, cromo, cobre y fósforo que, tras un proceso de
humectación y secado alternativos forma una delgadísima película de óxido de
apariencia rojizo-púrpura.
El Acero Corten es un tipo de acero realizado con una composición química que hace
que su oxidación tenga unas características particulares que protegen la pieza
realizada con este material frente a la corrosión atmosférica sin perder prácticamente
sus características mecánicas.
ACERO GALVANIZADO
El Acero Galvanizado por inmersión en
caliente es un producto que combina
las características de resistencia
mecánica del Acero y la resistencia a la
corrosión generada por el Cinc.
Propiedades del Acero Galvanizado:
•
•
Resistencia a la abrasión
Resistencia a la corrosión
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¿Qué norma rige a los aceros estructurales y cuáles son sus
propiedades?
Normas de Acero Estructural.
NBE EA 95: Estructuras de Acero en Edificación:
El objeto de esta norma es establecer las prescripciones técnicas suficientes para
proporcionar la confianza adecuada respecto a la seguridad de las estructuras de
acero en la edificación. Se refunden y ordenan en esta norma NBE EA-95 la serie
completa de normas relativas a estructuras de acero NBE- MV 102 a NBE-MV 111.
No está contemplada en esta norma la protección contra el fuego, que es objeto de
la Norma Básica de la Edificación NBE CPI-91. "Condiciones de protección contra
incendios en los edificios".
Especificaciones del Instituto
(Especificaciones IMCA-2003)
Mexicano
de
la
Construcción
en
Acero
Normas Técnicas Complementarias de ACERO del Reglamento de Construcciones de
la Ciudad de México, 2020.
Specification for Structural Steel Buildings del American Institute of Steel
Construction (Specifications AISC 2005)
Normas aprobadas por la ASTM para placas y perfiles laminados en caliente son:
A36, A529, A992, A53, A500, A501. (Martin, 2018)
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PROPIEDADES DEL ACERO
Las propiedades del acero estructural resultan tanto de su composición química
como de su método de fabricación, incluido el procesamiento durante la fabricación.
Las propiedades del acero se pueden clasificar en 2 grandes ramas:
PROPIEDADES MECÁNICAS: Se refiere a la resistencia, la ductilidad y la dureza y
estos a su vez, dependen enormemente del tipo de aleación y composición del
propio acero.
Plasticidad: Es la capacidad que tiene el acero de conservar su forma después
de ser sometido a un esfuerzo. Los aceros que son aleados con pequeños
porcentajes de carbón son más plásticos.
Fragilidad: Se refiere a la facilidad con la que el acero puede ser roto al ser
sometido a un esfuerzo. Cuando el acero es aleado, con un porcentaje alto de
carbón, tiende a ser más frágil.
Maleabilidad: Es la propiedad que tiene el acero para ser laminado. De esta
manera, algunas aleaciones de acero inoxidable tienden a ser más maleables
que otras.
Dureza: Es la resistencia que opone un metal ante agentes abrasivos.
Mientras más carbón se adiciones a una aleación de acero, más duro será.
Para verificar el grado de dureza generalmente se utilizan las pruebas en
unidades Brinel (HB) ó unidades Rockwel C (HRC).
Tenacidad: Es el concepto que denota la capacidad que tiene el acero de
resistir la aplicación de una fuerza externa sin romperse. En el caso del acero
con una concentración mediana de carbón, la tenacidad tiende a ser más alta.
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PROPIEDADES FÍSICAS: corresponden a la densidad, conductividad eléctrica y
térmica no varían mayormente de una aleación a otra.
Cuerpo: Incluyen lo relacionado al peso, volumen, masa y densidad del acero.
Térmicas: Son tres aspectos fundamentales del acero: su capacidad para
conducir la temperatura (conducción), su potencial para transferir calor
(convección), y su capacidad de emanar rayos infrarrojos en el medio
(radiación).
Eléctricas: Se refiere a la capacidad que tiene el acero para conducir la
corriente eléctrica.
Ópticas: En el caso del acero denotan su capacidad de reflejar la luz o emitir
brillo. Ejemplo de ello es con la aleación requerida para lograr el acero
inoxidable, cuanto mayor es su porcentaje de aluminio, mejor será la
propiedad óptica.
Magnéticas: Es su capacidad para ser inducido o para inducir a un campo
electromagnético. Mientras más alto es el porcentaje de hierro en la aleación
del acero, mayor será su capacidad de actuar como un imán.
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Ventajas y desventajas del acero estructural.
VENTAJAS
Las ventajas de este material son:
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•
Posee gran firmeza: la firmeza del acero por cada unidad de peso significa
que el peso de la estructura se encontrará al mínimo necesario, esto es un
factor de vital importancia en puentes con amplios claros ya que se consigue
una gran eficacia estructural.
Inalterable: las propiedades del acero prácticamente no cambian con el
tiempo.
Durabilidad. - Con un mantenimiento adecuado las estructuras de acero
pueden durar por tiempo indefinido.
Ductilidad. - La ductilidad es la propiedad de soportar grandes deformaciones
sin fallar al estar sometido a altos esfuerzos de tensión. La naturaleza dúctil
del acero estructural hace que puedan fluir localmente, evitando así fallos
tempranos.
Tenacidad. - La tenacidad del acero es elevada, por tanto, poseen buena
resistencia y ductilidad. La tenacidad es aquella propiedad de un material para
absorber grandes cantidades de energía.
DESVENTAJAS
Como desventajas se encuentran
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Coste de mantenimiento: la mayor parte de los aceros son susceptibles a la
corrosión si están expuestos continuamente al agua y al aire y, por
consiguiente, deben pintarse periódicamente.
Costo de la protección contra el fuego: aunque algunos miembros
estructurales son incombustibles, sus resistencias se reducen
considerablemente durante los incendios.
Pese a estas desventajas que presenta el acero, es el material preferido a la
hora de realizar cualquier tipo de estructura, desde un edificio de viviendas
hasta un puente.
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¿Cuáles son los factores de resistencia del acero estructural?
Para estimar con precisión la resistencia ultima de un elemento estructural se debe
tomar en cuenta la incertidumbre que se tiene en las hipótesis de diseño, resistencia
de materiales, dimensiones de cada sección, mano de obra, aproximación de los
análisis, etc.
Factores de Resistencia:
Aplastamiento en zonas de pernos, fluencia del alma bajo cargas concentradas,
cortante en tornillos o en juntas tipo fricción.
Vigas sometidas a flexión y cortante, soldaduras tipo filete con esfuerzos permisibles
paralelos a su eje.
Columnas, aplastamiento del alma, aplastamiento en agujeros.
Tornillos a tensión soldaduras de tensión o muesca, fractura de la sección neta de
miembros a tensión.
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