Una estructura metálica (Estructura construida a base de metal) es aquella que es construida a base de hierro, metal, acero, o materiales silimares, con el objetivo de lograr una mayor fuerza constructiva al momento de ejecutar cualquier tipo de proyecto de construcción.
Las estructuras pueden dividirse en dos grupos principales:
- Estructuras de cascarón: hechas principalmente de placas o láminas, tales como tanques de almacenamiento, silos, cascos de buques, carros de ferrocarril, aeroplanos y cubiertas de cascarón para edificios grandes.
- Estructuras reticulares: las cuales se caracterizan por estar construidas de conjuntos de miembros alargados, tales como armaduras, marcos rígidos, trabes, tetraedros o estructuras reticuladas tridimensionales.
INDICE DE TEMAS
Estructuras Metálicas
Principios generales de diseño de Estructuras de Metal
El propósito fundamental del diseñador de estructuras es lograr una estructura económica y segura, que cumpla con ciertos requisitos funcionales y estéticos.
Para alcanzar esta meta, el diseñador debe tener un conocimiento completo de las propiedades de los materiales, del comportamiento estructural, de la mecánica y análisis estructural, y de la relación entre la distribución y la función de una estructura; debe tener también, una apreciación clara de los valores estéticos con objeto de trabajar en colaboración con otros especialistas y contribuir así al desarrollo de las cualidades funcionales y ambientales deseadas en una estructura.
En gran parte, el diseño estructural es un arte basado en la habilidad creativa, imaginación y experiencia del diseñador. Siempre que el diseño estructural tenga estas cualidades, será un arte. Sin embargo, no debe permanecer como un arte puro, ya que el usuario debe recibir los mayores beneficios dentro de sus posibilidades económicas.
Desarrollo de nuevos tipos de estructuras metálicas
- Esto requiere el desarrollo de nuevos tipos de estructuras y nuevas técnicas de construcción, las que a menudo necesitan soluciones más científicas y rigurosas; así pues, la mecánica y el análisis económico deben intervenir en el arte de crear mejores edificios, puentes, máquinas y equipos.
- En el sentido amplio de la palabra el término “diseño” incluye tanto arte creativo como análisis científico.
- La construcción de los monumentos egipcios, los templos griegos y los puentes romanos era arte basado principalmente en reglas empíricas, intuición y experiencia.
- El enfoque racional del diseño estructural, cuyo desarrollo tuvo comienzo en el siglo diecisiete, representa un acuerdo entre el arte y la ciencia, entre la experiencia y la teoría.
Teoría de las estructuras y la evidencia experimental
La teoría de las estructuras y la evidencia experimental son herramientas valiosas para el diseño estructural, mas no son suficientes para establecer un procedimiento de diseño completamente científico ya que en primer término, para hacer posible un análisis teórico, es necesario idealizar considerablemente el comportamiento estructural por medio de suposiciones ingenieriles bien fundamentadas, de modo que las fuerzas internas y los esplazamientos calculados representen solamente aproximaciones de los que realmente se presentan en las estructuras.
Asimismo, la resistencia de las estructuras reales a las cargas y a las deformaciones pueden determinarse sólo aproximadamente. Además, las estructuras están sujetas frecuentemente a fuerzas y condiciones de servicio que no pueden ser previstas con precisión.
De esta manera, la experiencia y el buen juicio siempre juegan un papel importante en la práctica del diseño estructural, aunque no son suficientes por sí solos, sino que deben ser guiados por el análisis científico, basado en la comprensión completa de la teoría de las estructuras y de la mecánica estructural.
Uniones en una estructura de metal
Las uniones en una estructura metálica se hace mediante:
- Pernos y remaches
- Remaches y ángulos
- Remaches ángulos y placas
- Soldadura, al soldar miembro con miembro o al hacer conexiones mediante el empleo de placas o ángulos.
Pernos y remaches.
Los pernos o remaches se usan en uniones o conexiones para armados y estructuras, por lo general combinados con elementos estructurales, placas y ángulos. Las secciones y los perfiles se producen en forma comercial.
Soldaduras
La soldadura que comúnmente se utiliza es de dos tipos:
- De arco eléctrico
- Autógena (gas)
Actualmente, la primera es la mas usual en las estructuras porque la segunda tiene el inconveniente de debilitar las piezas, debido al adelgazamiento de estas; sin embargo, la autógena es muy útil para cortar piezas estructurales.
Armaduras
Empleo de armaduras. Mediante su empleo se pueden salvar grandes claros en forma económica, porque se aumenta la sección resistente por medio del peralte físico a las estructuras, al ligar las barras que absorben los trabajos de tensión y de compresión.
Las estructuras tienen resistencia por carga axial, pero , aisladamente no tienen capacidad pasa tomar esfuerzos horizontales. Para resolver el problema se emplean las piezas de contraventeo, que ligan entre si las armaduras y las hacen trabajar como un conjunto ante los esfuerzos horizontales. Por su tipo, las armaduras se pueden clasificar en rectas o de cuerdas paralelas Warren o Vierendel.
Las armaduras diseñadas para salvar grandes claros se pueden techar con varios materiales, como el siporex; sin embargo, los mas usuales son la lamina acanalada (el mas económico), el aluminio, el fierro de lamina galvanizada o esmaltada, y el asbesto cemento.
Cuando el diseño de una cubierta se desea salvar grandes claros, el techo debe ser lo mas ligero posible. En caso contrario, se incrementara económicamente el costo de las armaduras debido al aumento de las secciones por la techumbre que soporta. Esto convierte a la lamina, ya sea metálica o de asbesto, en uno de los materiales mas usuales.
Los techos para grandes claros presentan serias deformaciones originadas por los cambios térmicos, lo cual hace que la construcción del techo sea a base de material seccionado que permita tomar las diferencias de la estructura, sin perjuicio de causar problemas de infiltración de agua.
Existen dentro de la topología de las estructuras una clasificación que va de acuerdo a su forma, es decir, a la estructuración de sus elementos y a su configuración así como el tipo de carga que va a soportar, se tendrá que diseñar estructuralmente conforme a las normas mínimas de la ASTM (American Society for Testing and Materials) Sociedad Americana para Pruebas de Materiales.
En México también se considera el reglamento de construcciones del DDF, así como las especificaciones y normas con el campo de estructuras metálicas del manual de la fundidora de fierro y acero de Monterrey, N.L.
División de las estructuras en metal
Las estructuras puedes dividirse en dos grupos principales:
Estructuras de cascaron:
Son hechos principalmente de placas o laminas, tales como tanques de almacenamiento, cilos, cascos de buques, carros de ferrocarril, aeroplanos y cubiertas de cascaron para edificios grandes, etc. Son elementos de mínimo espesor y de formas combinadas (rectas, curvas, etc.)
Estructuras reticulares:
Se caracterizan por estar constituidas de conjuntos de miembros alargados, tales como armaduras, marcos rígidos, trabes o estructuras tridimensionales como losas reticulares.
La lamina o placa utilizados en las estructuras de cascaron, desempeñan simultáneamente la doble función de cubiertas y de elemento principal de carga, para ello se le rigidiza mediante bastidores de carga que pueden o no soportar las cargas principales.
En cambio los miembros de las estructuras reticulares no son generalmente funcionales y se usan principalmente para transmitir cargas , tales como muros, pisos, techos y pavimentos, que satisfagan los requisitos funcionales, es decir, esta compuesta de miembros unidos entre si por medio de conexiones; un miembro puede ser perfil laminado estándar. Un miembro puede estar formado laminado o estándar o bien formado por varios perfiles unidos por soladura.
Estructuras de cascaron
Las estructuras de cascaron son mas eficientes que las reticulares, ya que la cubierta o cascaron es usada con doble propósito: funcional y estructural. Hasta la fecha los cascarones no han sido utilizados ampliamente en estructuras metálicas, lo que atribuye varios factores.
- La economía que puede obtenerse con este tipo de diseño se estriba principalmente en el peso de la estructura, y son efectivas únicamente para ciertos claros y distribuciones.
- Los ahorros en peso pueden ir acompañados de correspondientes aumentos en los costos de construcción.
- Para poder resolver los costos en construcción de estas armaduras, remaches y tornillos Los miembros pueden transmitir 4 tipo fundamentales de cargas y se les clasifica de acuerdo con ellos en : a. Tensores, los que absorben y transmiten esfuerzos de tracción o tensión b. Columnas los que transmiten esfuerzos de cargas verticales c. Trabes o vigas, que transmiten las cargas transversales En la practica es raro que un miembro horizontal o diagonal, transmitan un solo tipo de carga, aun en este caso que van sometidos a tensión o conectados por medio de pasadores, este va sujeto a una pequeña flexión debido a su propio peso y la mayoría de miembros transmite una combinación de flexión, torsión, tensión o compresión axial.
Métodos de aportación para soldadura
En la soldadura se utilizan aceros para unir los metales, los hay de alta resistencia, de acuerdo a los metales que se pretende unir, en construcción el electrodo es el elemento que mas se utiliza en la soldadura de arco eléctrico, este consiste en la fundición del metal por efectos eléctricos con el metal base, en el que existe una combinación de nitrógeno y oxigeno.
Después de enfriarse las soldaduras quedaran relativamente porosas debido a bolsas formadas por los gases. Economía en la selección del material. Para la mayoría de la gente la primera ventaja esta en el área de la economía porque el uso de la soldadura permite grandes ahorros en el peso del acero utilizado en las estructuras soldadas y eliminar un gran porcentaje de las placas de unión de empalme.
En algunas estructuras de puentes es posible ahorrar hasta un 15% mas en el peso de acero con el uso de la soldadura. La soldadura también requiere un trabajo apreciablemente menor que el necesario para remachado, para que un soldador pueda reemplazar a la cuadrilla normal remachadora de 4 miembros.
La soldadura tiene una zona de aplicación mucho mayor que el remachado o el atornillado. Las estructuras soldadas son mas rígidas porque los miembros están soldados directamente uno a uno. En el proceso de soldado se fusionan ambas partes por lo que la piezas quedan realmente continuas, como si formaran una sola pieza, es mas fácil realizar cambios en el diseño y corregir errores durante el montaje a menor costo si se usa soldadura.
Ejecución de Estructuras Metálicas
Construcción de una estructura metálica
Para llevar a cabo la construcción de una edificación en base a una estructura metálica el diseño de la misma debe constar en los planos técnicos entregados para el inicio de la ejecución, en los que se especificaran con alto grado de exactitud cada una de las características de la misma, como dimensiones y la descripción de los elementos que la componen.
En estos planos también se especifican las dimensiones y distancias consideradas para los cimientos en el caso específico de la estructura a ejecutar, estos permiten la colocación correcta de los cimientos, que son los primeros elementos que se posicionan en obra, estos deben dejarse ya listos para recibir sobre ellos la estructura que se ejecutara disponiendo de los medios de unión apropiados entre ellos y la estructura dependiendo del sistema elegido.
Los demás detalles que deben ofrecer estos planos técnicos son los relacionados a el replanteo, y las especificaciones técnicas del tipo de estructura de acero, las marcas, el peso y el perfil de los elementos constituyentes de la estructura, con relación a las uniones debe especificar la disposición de las mismas y la forma de unión a utilizar, en el caso de uniones soldadas se especificaran la forma y dimensión de las mismas, el método usado, materiales y el orden en que serán ejecutadas, si la unión se realizara mediante tornillos lo detalles comprenderán el diámetro del hueco de tornillos y del mismo tornillo en sí, la case de tornillo que se usara y la forma en la que serán ejecutados.
Las tareas previas ya están realizadas, es hora de iniciar la ejecución de la estructura propiamente dicha, esta tarea se divide en dos fases, la fabricación en taller y el montaje en obra. Las estructuras metálicas son prefabricadas, no se fabrican in situ, o sea, en el lugar de la obra, si no que son previamente confeccionadas en taller y luego son trasladadas a la obra.
Proceso de fabricación
El proceso de fabricación inicia con la fase de Plantillaje donde se fabrican las plantillas a escala real en un material que no se deforme durante la manipulación de la misma, estas deben contener el numero asignado en los planos al elemento representado, así como las especificaciones del mismo.
A esta le continua la fase de preparación, enderezado y conformación, en esta fase se obtienen las formas básicas para cada elemento, se preparan las superficies, se limpian, dejándolas aptas y listas para los posteriores pasos, en esta fase se llevan a cabo operaciones de enderezado, planeado, plegado o curvado dependiendo de la pieza, estas operaciones son recomendables realizarlas en frio, se emplean para ello prensas y rodillos, en caso de que no sean ejecutadas en frío deben considerarse que el calentamiento no debe ser efectuado de forma directa, sino que debe realizarse sin acelerarlo artificialmente, de ser posible es preferible realizarlo en horno o en su defecto fragua u hornillo.
Luego de que nuestros elementos poseen las formas básicas requeridas se procede a marcar los lugares en que se les realizarán perforaciones o cortes, definiendo esta actividad lo que es la fase de marcado de ejecución, concluida esta parte entonces se procede a realizar las perforaciones y cortes contemplados en los lugares que previamente han sido marcados para obtener la configuración definitiva de la pieza.
Para llevar esta tarea a cabo es necesario auxiliarse de herramientas especiales de las cuales se permite el uso de sierras, disco, cizalla y maquinas de oxicorte.
Con las piezas listas, en taller se realiza un ensayo del armado de la estructura con la finalidad de que cada elemento se comporte de la forma prevista y se prueba su resistencia y su adecuado acoplamiento.
Luego de esta paso las superficies vuelven a limpiarse y ser pintadas con un revestimiento rico en zinc de silicato de etilo con 70 a 75 µm de espesor, antes de ser entregados los elementos para ser montadas en obra.
El último paso antes del traslado de las piezas para el montaje es la debida identificación de cada una de ellas imprimiendo en las mismas el número con el que son nombradas en los planos para su fácil identificación en el proceso de ensamblaje.
Lo correspondiente es pasar a la segunda fase del proceso global de la ejecución, el montaje en obra, que se inicia con la confección del programa de montaje en el que se detallan cada una de las actividades del montaje, tiempo y orden designado para cada una, el equipo empleado para su ejecución, el personal responsable, y los controles y verificaciones que se entiendan necesarias para garantizar el correcto funcionamiento de la estructura.
Etapa final del proceso constructivo
Finalizada esta etapa inicia la de recepción, almacenamiento y manipulación, ya hemos mencionada varias veces que las piezas se rotulan de acuerdo a un número de identificación contemplado en los planos, pues el almacenaje de los elementos debe hacerse siguiendo este mismo patrón de orden, ya que esto facilita y agiliza el montaje posterior, es importante que durante esta fase se realice la reparación de cualquier desperfecto que pudiera haber sufrido alguna pieza durante el traslado.
Finalmente se procede al montaje, sobre los cimientos se colocan los pilares cuyas bases deberán ser acuñadas, luego son colocadas las vigas y se aploman y se alinean los pórticos, el espacio que queda entre las bases de los pilares y los cimientos se rellenan con cemento u hormigón, y se colocan todas las piezas de la forma en la que se concibió la estructura sin soldar ni atornillar de manera definitiva hasta que se compruebe que todo está tal como se indicó en los planos de la obra.
Galeria de fotos de Estructuras Metálicas
Conclusiones Técnicas
- La lámina o placa utilizada en las estructuras de cascarón desempeña simultaneamente el doble papel de cubierta funcional y de elemento principal de carga; para ello se le rigidiza mediante bastidores que pueden o no soportar las cargas principales, un ejemplo de este tipo de estructuras sería el Palacio de los Deportes en la Ciudad de México.
- En cambio, los miembros principales de las estructuras reticulares no son generalmente funcionales y se usan únicamente para la transmisión de las cargas; esto obliga a colocar elementos adicionales, tales como muros, pisos, techos y pavimentos, que satisfagan los requisitos funcionales. Por tanto, puede parecer que las estructuras de cascarón son más eficientes que las reticuladas, ya que la cubierta o “cascara” es usada con un doble propósito: funcional y estructural.
- Hasta la fecha los cascarones no han sido utilizados ampliamente en estructuras metálicas, lo cual es atribuible a varios factores: a) la economía que puede obtenerse con este tipo de diseño estriba principalmente en el peso de la estructura y son efectivas únicamente para ciertos claros y distribuciones;
- Los ahorros en peso pueden ir acompañados de correspondientes aumentos en los costos de construcción, y c) para poder reducir los costos de construcción de estas estructuras, se requiere una reorganizazión y una renovación del equipo, tanto en los talleres como en las cuadrillas de construcción.
- Estos factores se están resolviendo en la actualidad, con lo cual se obtiene una gran variedad de sistemas estructurales metálicos. El famoso puente Varrazano-Narrows en Nueva York utiliza la alta resistencia a la tensión de los alambres de acero en sus cables y soportes; cada una de las torres de acero, de 210.30 mts. de altura, soporta una carga vertical de 95,255 toneladas, al mismo tiempo que resiste las cargas horizontales. Las armaduras colocads a lo largo de la calzada rigidizan el puente contra el tráfico movil y contra las fuerzas dinámicas de viento y sismo.
