Evolución del Acero y Principios Fundamentales en Ingeniería Estructural

Evolución de los Materiales: Del Hierro al Acero

Primeros Usos del Hierro en Grandes Estructuras

1779: Se construye el primer puente significativo de hierro colado (también conocido como hierro fundido), el Puente de Coalbrookdale en Inglaterra. Es importante notar que el hierro colado tiene una resistencia limitada a la tensión.

Un siglo después, se erige la Torre Eiffel, construida con hierro forjado.

Desarrollo del Hierro Forjado

1783: Comienzan a producirse perfiles de hierro forjado. Los herreros lo fabricaban calentando el material y golpeándolo. Como material dúctil, el hierro forjado ofrece mayor resistencia y tenacidad en comparación con el hierro colado; se deforma visiblemente antes de fallar, lo cual es una propiedad útil en la construcción.

1850: Se inaugura el primer gran puente de hierro forjado, el Britannia Bridge. Posee dos vanos principales (luces) de 460 pies (aprox. 140 m) y dos vanos laterales de 230 pies (aprox. 70 m). Hasta este punto, gran parte del desarrollo se basaba en prueba y error.

La Era del Acero

1856: Se desarrolla el convertidor Bessemer, un avance crucial que permite la producción masiva de acero.

1867: Se introduce el horno de hogar abierto (Siemens-Martin), que permite obtener acero de mejor calidad al controlar de manera más precisa el grado de carbono.

1874: Se completa el primer puente importante construido enteramente en acero, el Eads Bridge, que atraviesa el río Misisipi en San Luis, Misuri (EE. UU.). Su vano central tiene una longitud de 520 pies (aprox. 158 m).

Fundamentos del Análisis Estructural y Pruebas de Materiales

Primeros Principios Teóricos

1660: Robert Hooke demuestra que la carga aplicada a un material elástico y la deformación resultante son proporcionales (Ley de Hooke). Es decir, a mayor carga, mayor deformación, dentro del límite elástico.

1705: Jakob Bernoulli (miembro de la familia Bernoulli, no un físico italiano específico de flujo de fluidos en este contexto) postula que la resistencia de una viga a la flexión es proporcional a la curvatura que sufre (su deformación). A menor carga, menor curvatura.

1744: Leonhard Euler, utilizando los conceptos de Bernoulli, determina la forma matemática de la curva elástica de una columna sometida a carga axial. Desarrolló la fórmula que permite calcular la carga crítica de pandeo, conocida como el límite de pandeo de Euler.

Avances Técnicos y Normalización (Finales del Siglo XIX)

Medición y Desarrollo Teórico

A finales del siglo XIX, surgen instrumentos mecánicos capaces de medir deformaciones con precisión. Esto permite calcular experimentalmente el módulo de elasticidad (la pendiente de la parte lineal de la curva esfuerzo-deformación).

Se consolidan teorías más correctas para el análisis de esfuerzos y deformaciones.

La teoría del pandeo de columnas se extiende para abordar el pandeo de placas y el pandeo lateral de vigas.

Primeras Especificaciones Técnicas

A partir de este período, se comienzan a desarrollar especificaciones formales para el diseño y construcción:

• 1905: Primera especificación para puentes de ferrocarril.
• 1923: Primera especificación del AISC (American Institute of Steel Construction) para la construcción de edificios.
• 1931: Primera especificación para puentes de carretera. (El famoso puente Golden Gate se construiría 6 años después, siguiendo normativas similares).

Propiedades y Pruebas del Acero

Prueba de Tensión

La prueba de tensión en acero es fundamental para determinar propiedades clave:

• Punto de fluencia (o cedencia): Es el punto donde ocurre una deformación brusca de la probeta sin un incremento significativo de la carga aplicada. Marca el inicio del comportamiento plástico.
• Resistencia última: El máximo esfuerzo que el material puede soportar antes de la fractura.
• Módulo de elasticidad (Módulo de Young): Medida de la rigidez del material en la zona elástica.

Esta prueba se realiza típicamente usando una máquina universal de ensayos y una probeta estandarizada de acero.

Deformación plástica: Es la deformación que permanece en el material incluso después de retirar la carga aplicada.

Ejemplo: El acero estructural A36 tiene una resistencia de fluencia mínima especificada de 36,000 lbs/pulg² (psi).

Principios Clave en el Diseño Estructural con Acero

Criterios Fundamentales

Se establecen esfuerzos permisibles (o admisibles) para asegurar que la estructura no falle bajo las cargas de servicio. El criterio básico para aceptar un diseño es que las cargas y los esfuerzos calculados sean menores que los esfuerzos permisibles especificados en las normativas.

Consideraciones Esenciales en el Diseño

Al diseñar estructuras de acero, se deben tener en cuenta varios factores:

• Economía: Buscar la eficiencia escogiendo piezas de sección transversal adecuada (a menudo, las más pequeñas que cumplan los requisitos), favoreciendo diseños simples. La complejidad en la fabricación (ej. colocar una armadura invertida) puede incrementar costos, al igual que el uso de muchas piezas diferentes en lugar de elementos estandarizados.
• Seguridad Estructural: Es el resultado de un buen diseño, combinado con una mano de obra calificada, una fabricación precisa y un proceso de construcción bien estudiado y controlado, incluyendo una inspección adecuada. Ejemplo práctico: prever un drenaje adecuado cerca de las bases de columnas de acero para prevenir la corrosión.
• Planificación e Inspección del Sitio de Construcción: Es necesario realizar un estudio topográfico y un estudio de suelos. Se deben verificar los accesos, la disponibilidad de servicios (agua, electricidad) y si la legislación local (como el uso de suelo: industrial, residencial, etc.) afecta el proyecto.
• Método de Fabricación: Determinar qué partes de la estructura se fabricarán en taller (shop fabrication) y cuáles se ensamblarán en obra (field erection). A menudo, las uniones soldadas se realizan en taller por control de calidad y las uniones atornilladas en obra por facilidad de montaje. La soldadura puede ser más económica en términos de material, pero requiere mano de obra más especializada.
• Método de Construcción: Requiere una supervisión constante para asegurar que la ejecución se ajuste al diseño y a las especificaciones.
• Requisitos de Servicio y Mantenimiento: El diseño debe considerar la vida útil de la estructura y facilitar las labores de inspección y mantenimiento futuras. Es crucial dejar especificaciones claras para estas tareas.