Fundamentos de Ingeniería Estructural: Acero, Hormigón y Sistemas Constructivos

1. Evolución Siderúrgica: del Hierro al Acero

La evolución del hierro al acero no fue solamente cronológica, sino principalmente metalúrgica y energética. La sustitución del carbón vegetal por hulla y, posteriormente, por coque a mediados del siglo XIX, permitió la producción industrial masiva del acero.

Evolución histórica

• Antigüedad (4000 a.C. – siglo XVII a.C.): Primeras evidencias de hierro en Egipto y Sumeria.
• Edad Media: Perfeccionamiento de hornos mediante toberas y fuelles hidráulicos.
• 1855: Surgimiento del proceso Bessemer, que purifica el arrabio mediante soplado de aire a presión.
• 1855 – 1880 (Era del Acero): Perfeccionamiento de los procesos con Martin, Thomas y Gilchrist.
• Siderurgia moderna: Predominio del proceso de oxigenación básica, que produce acero de grano fino con mejores propiedades de soldabilidad, tenacidad y resistencia.

Un caso emblemático es la Torre Eiffel (1889), construida íntegramente en hierro pudelado. Aunque el acero ya existía, el hierro tenía mayor desarrollo técnico y disponibilidad en ese momento.

Diferencia entre hierro y acero

El acero es una aleación de hierro con un porcentaje controlado de carbono (mínimo 78 % de Fe). El agregado de carbono mejora las propiedades físico-químicas y mecánicas, aumentando la resistencia sin perder ductilidad.

Propiedades mecánicas del hierro

• Fusibilidad: Punto de fusión aproximado 1500 °C.
• Forjabilidad.
• Maleabilidad.
• Ductilidad.
• Tenacidad.

2. Diseño de Estructuras de Acero – Reglamentación

En Argentina, el diseño se basa en el método LRFD (Load and Resistance Factor Design), donde la resistencia de diseño debe ser mayor o igual al efecto de las cargas mayoradas.

CIRSOC 301 (2005)

Regula estructuras con perfiles laminados en caliente y adopta criterios de la AISC 1999. Incluye perfiles como IPN, IPE, HEB, W, S, L, C, tubos, secciones huecas, tablestacas, rieles y tees. Concepto clave: zócalo de fluencia, región de la curva tensión-deformación donde la tensión permanece constante mientras aumenta la deformación.

CIRSOC 303 (2009)

Regula elementos conformados en frío a partir de chapas delgadas. Es el marco técnico para sistemas de Steel Frame.

CIRSOC 304 (2007) – Soldadura

Basado en AWS D1.1, establece el control documental y físico de las uniones soldadas.

Documentación obligatoria:

• EPS: Especificación del Procedimiento de Soldadura.
• RCP: Registro de Calificación del Procedimiento.

Ensayos No Destructivos:

• Radiografía.
• Ultrasonido.
• Partículas magnetizables (IRAM 125).
• Líquidos penetrantes (IRAM 760).

Criterios visuales:

• Concavidad máxima: 2 mm.
• Convexidad máxima: 3 mm.

En uniones tubulares tipo T, K y Y, la convexidad es deseable. El personal debe estar certificado bajo IRAM-ISO 9712.

3. Tipologías de Estructuras de Acero

Elementos de alma llena

Mayor peso propio, comportamiento clásico a flexión.

Estructuras reticuladas (cerchas o cabriadas)

Conformadas por barras rectas unidas en nodos. Las barras trabajan exclusivamente a tracción o compresión, evitando flexión individual. Tipos frecuentes: Pratt, Howe, Warren, K y rombo.

Vigas Vierendeel

No poseen diagonales; la estabilidad se logra mediante nudos rígidos capaces de resistir momento flector y corte.

Vigas cajón (Box Girder)

Secciones cerradas con gran rigidez torsional, muy utilizadas en puentes y grandes luces. Incorporan diafragmas internos para mantener la forma y aumentar la resistencia torsional.

4. Sistemas Mixtos Acero-Hormigón

Combinan la resistencia del acero con la rigidez del hormigón.

• Ejecución: Hormigón colocado por bombeo, escotado de cantos para nivelación y uso de conectores de cortante (studs) que aseguran acción conjunta entre viga y losa.

Ventaja económica comprobada en el caso Finsbury (Londres), donde el uso de acero permitió ahorrar 40 semanas de obra. Se destaca el uso de escoria de acería reciclada en cimentaciones como ejemplo de economía circular.

5. Hormigón Estructural – CIRSOC 201

El diseño actual busca asegurar una vida útil mínima de 50 años. El hormigón es un material compuesto no homogéneo cuya resistencia característica (f’c) se verifica a los 28 días. El Director de Obra es responsable del control de calidad.

Hidratación

• Etapa de inducción: 2–4 horas (límite para transporte y colocación).
• El curado debe ser inmediato para evitar fisuración por contracción plástica.
• Puede evaluarse el endurecimiento mediante el método de madurez (relación tiempo-temperatura).

Patologías

• Carbonatación: Ingreso de CO₂ que reduce el pH y provoca corrosión del acero.
• Reacción árido-álcali (RAS): Fisuración en mapeo.
• Ataque por sulfatos: Formación de etringita expansiva; se previene con cementos ARS y baja relación agua/cemento.

En ambientes agresivos, los recubrimientos deben incrementarse entre 30 % y 50 %.

6. Construcción con Madera

La madera es un material anisotrópico, con mayor resistencia paralela a la fibra, higroscópica y excelente aislante térmico natural.

Secado

Puede ser natural o en autoclave. Un secado defectuoso produce abarquillado, arqueado o retorcido, y favorece ataques biológicos.

Sistemas

• Madera maciza: Piezas naturales.
• Madera Laminada Encolada (MLE): Permite luces de hasta 60 m y formas curvas.

Uniones mediante encastres o elementos metálicos (pernos, chapas, clavos).

7. Steel Frame

Sistema industrializado de perfiles galvanizados livianos (PGC y PGU) con montantes separados 40–60 cm.

Corte típico del muro (interior a exterior): Placa de yeso → barrera de vapor → lana de vidrio → OSB → barrera agua-viento → EPS → base coat con malla → terminación.

Transforma la obra en un proceso de ensamblaje rápido, permite control climático temprano y facilita el paso de instalaciones.

8. Funcionamiento Bioambiental

Acústica

La aislación de sonidos aéreos en materiales homogéneos sigue la Ley de Masas. En sistemas livianos es más eficiente el sistema Masa-Resorte-Masa. El acondicionamiento acústico se logra con materiales porosos.

Térmica

Se basa en la transmitancia térmica (K). A menor valor de K, mejor aislamiento. Es necesario calcular resistencias térmicas, verificar condensación superficial e intersticial y evitar puentes térmicos. El muro Trombe es una estrategia solar pasiva que utiliza masa térmica y efecto invernadero.

9. Sistemas de Grandes Luces y Estabilidad

Camino de cargas

Cubierta → correas → nudos → vigas principales → columnas → base. Las correas deben coincidir con los nudos para evitar flexiones locales.

Acción del viento

Genera presión y succión. Se rigidiza el plano de cubierta mediante triangulación formando una viga horizontal. Las cruces de San Andrés utilizan diagonales diseñadas solo a tracción.

Reticulados espaciales

Mallas tridimensionales con módulos piramidales. Altura óptima entre L/13 y L/17.

Tensoestructuras

Trabajan por tracción estabilizada por pretensado. Deben ser superficies anticlásticas (doble curvatura opuesta). Componentes: mástiles (compresión), cables (tracción), membranas resistentes y anclajes.

Arcos

Trabajan principalmente a compresión. La forma ideal coincide con el antifunicular de cargas. El viento introduce flexocompresión y las fundaciones deben absorber el empuje horizontal.

10. Verificación de Pounding

En cubiertas de gran luz se controla la acumulación de agua mediante índices Up y Cp. Si el Cp normativo es mayor que el calculado, la rigidez es suficiente; de lo contrario, se debe rigidizar la estructura.

11. Marco Profesional y Armonización

El programa ESDEP y los Eurocódigos 3 y 4 buscaron la armonización técnica europea y la eliminación de barreras comerciales.

• Arquitecto: Proyecto, planos, permisos, estado de mediciones.
• Director de Obra: Vigilancia técnica, planificación y seguridad.
• Contratista: Calidad de ejecución e inspección visual.