¿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. 2 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 3 Elementos que integran a una morfología estructural • • • • • • • • 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. 4 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. 5 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. 6 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 7 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. 8 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. 9 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 10 ¿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) 11 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. 12 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. 13 Ventajas y desventajas del acero estructural. VENTAJAS Las ventajas de este material son: • • • • • 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 • • • 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. 14 ¿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. 15