Propiedades y criterios de diseño del acero estructural: perfiles, esfuerzos y cargas

Desventajas

Acero — en comparación con fibra de carbono en cuanto a resistencia: la fibra de carbono puede ofrecer mayor resistencia específica, pero tiene sus propias limitaciones. La fibra de carbono es más cara. El acero requiere gran energía para fundir y es sensible al fuego. Estéticamente puede resultar disimulado; además, el mantenimiento puede ser costoso. En el caso de puentes, por ser liviano y porque puede soportar más carga de la que aparenta, es necesario colocar refuerzos para evitar el pandeo.

Especificaciones

Con una parte teórica para diseñar. Son normas importantes para el diseño; sirven como referencia para el diseñador y definen qué parámetros usar. Deben contener los siguientes datos:

• Resistencia: σ = fuerza / área. El esfuerzo se especifica por unidad de área.
• Rigidez: es la deformación máxima que puede tener una estructura bajo carga.
• Proporciones: para que el acero no se deforme es necesario respetar dimensiones mínimas (en columnas es esencial).
• Otros criterios de aceptabilidad: existen estándares como el AISC (American Institute of Steel Construction) — Manual of Steel Construction.

¿Qué es una estructura?

Una estructura es el esqueleto que sostiene el edificio. Su objetivo es mantener la forma y transmitir las cargas o fuerzas del edificio al suelo. Se divide en partes y se unen mediante conexiones.

Partes: vigas, columnas y cimientos.

¿Qué es el diseño estructural?

Es la adecuación de los elementos a las condiciones de servicio de acuerdo con especificaciones. Adecuación es determinar el tamaño y forma del elemento para cumplir con las condiciones de servicio.

Esfuerzos en la estructura

Principales esfuerzos: tensión, compresión y cortante.

Perforaciones por uniones

Las perforaciones pueden producirse por punzonamiento (ocurre fatiga por concentraciones de esfuerzos; por eso se redondea el perfil) y mediante taladro. Fatiga es la concentración repetida de esfuerzos que genera fisuras y puede llevar a la falla.

Vigas y columnas

• Vigas: diseñadas para soportar flexión y cortante.
• Columnas: sometidas a cargas axiales en compresión y a cargas transversales que generan flexión.

Compresión frente a tensión

En compresión puede ocurrir pandeo, lo que suele ser más crítico que en tensión (la tensión suele corresponder a la acción directa del peso o carga aplicada).

Características del acero como material estructural

• Características elásticas.
• Características inelásticas: cuánto se deforma antes de la rotura.
• Forma de fractura.
• Fatiga: comportamiento ante cargas repetidas; se busca que la rotura sea dúctil y no frágil.

Propiedades que debe tener el acero estructural

• Elasticidad: capacidad de deformarse y regresar a su forma.
• Ductilidad: capacidad de cambiar de forma sin fisurarse ni dañarse.
• Resistencia a la fatiga.
• Punto de fluencia: donde la curva esfuerzo-deformación deja de ser lineal; es un umbral importante en el diseño (más allá del cual la deformación puede ser tan grande que la estructura deja de ser útil).
• Resistencia última.
• Tenacidad: capacidad para seguir soportando cargas a pesar de que la estructura se esté deformando.

En aceros de alta resistencia, es frecuente que puedan alcanzar hasta un 12 % de elongación antes de fallar.

Fatiga

Fatiga: daño acumulado por la repetición de cargas, que puede generar fisuras y fallo por fractura.

Límite de tenacidad

El límite de tenacidad es un criterio que influye en el tamaño y la sección de las piezas para garantizar un comportamiento seguro.

Perfiles de acero estándar

Las secciones roladas en frío son para elementos pequeños. Entre los perfiles más comunes están:

• W (Wide Flange): son muy comunes como vigas y columnas. Ejemplo: W33 (altura en in) * 152 lb/ft (peso). La mayor corrientemente es W36 * 300 y la más pequeña W4 * 13.
• H / HP: para columnas pesadas; son secciones que suelen usarse en elementos de gran carga (H = altura * peso).
• S: perfiles para vigas livianas (el alma puede ser relativamente alta en comparación con la serie W).
• Canales: usados como costaneras o perfiles abiertos.
• Ángulos: especificados por altura * ancho * espesor.
• Tees: secciones en T; expresadas por wt altura * peso.
• Tubos: cuadrados y redondos, usados en distintos tipos de estructuras.

Cargas estructurales

Se clasifican principalmente en tres:

• Muerta: peso del edificio, estructura, tabiquería y elementos permanentes.
• Viva: carga de ocupación de la estructura. Está determinada por el uso del edificio y, normalmente, viene dada en tablas (por m2 o ft2). El UBC indica las cargas para distintos usos.
• Ambientales: sismo, viento, etc. Para una estructura de 5 niveles, la carga sísmica equivalente estática puede estimarse en aproximadamente el 10 % del peso total del edificio (valor que se usa como aproximación en ciertos procedimientos simplificados).

Desarrollo histórico

En época prehistórica hasta el siglo XIX, los materiales de construcción predominantes fueron la piedra y la madera. ¿Los conceptos se desarrollaron por prueba y error?

Notas finales

El contenido ha sido corregido ortográfica y gramaticalmente, y estructurado para facilitar su lectura; se han resaltado los conceptos clave como resistencia, rigidez, pandeo y fatiga para su rápida identificación.