La aparición del acero laminado a finales del último siglo representó la transición del hierro colado y el forjado hacia un material de análogas características resistentes con una mayor garantía de producción y calidad, lo que llevo a colocarlo en manos del proyectista y a dar la sensación de que monopolizaría las estructuras, siendo hoy en día insustituible en la ejecución de obras que implican grandes luces y alturas mayores, manteniéndose en primer plano en el campos estructural, pese a la evidente competencia que le presenta el concreto pretensado y el concreto de alta resistencia.

1) Antecedentes

El primer uso del metal en una estructura se dio en Shropshire, Inglaterra en 1779. En ese lugar se construyó con hierro fundido el puente Coalbrookdale en forma de arco, de 100 pies de claro sobre el río Severn. Este puente fue un punto crítico en la historia de la ingeniería por que cambió el curso de la revolución Industrial al introducir hierro como material estructural.

El acero no se fabricó económicamente en los Estados Unidos hasta finales del siglo XIX. Las primeras vigas de patín ancho no fueron laminadas hasta 1908, desde ese momento, en aquel país y en el resto del mundo, el acero ha sido uno de los materiales más utilizados en la construcción de un gran número de diversas estructuras.

2) Fabricación del acero

El acero se obtiene de la naturaleza, su principal componente es el hierro, el cual no se encuentra en estado puro, sino con unos componentes denominados mineral de hierro. Para llegar al acero, en la calidad que lo conocemos en el mercado, se siguen varios pasos, primeramente se mezclan los minerales de hierro con carbón de coque y piedra caliza, se someten a temperaturas elevadas de aproximadamente 3000° C. Una vez que se encuentre en fusión, se le inyecta aire con el propósito de que se reduzcan los óxidos de hierro. El proceso ocurre en los altos hornos. Existen otros procesos para tratar el mineral de acuerdo al fabricante.

El laminado en barras que se calientan y laminan en el número de procesos deseados aumentará su densidad, de modo que el producto final se obtendrá libre de impurezas y será fácil de trabajar y soldar. Las diversas cualidades de los aceros se determinan por la proporción en que intervengan dichos contenidos al fijar su resistencia, maleabilidad, soldadura, etc. Las impurezas que contenga el hierro alterarán sus cualidades y su comportamiento final y podrán ser perjudiciales, como el azufre y el fósforo, o benéficas como el manganeso, que aumenta su dureza y su resistencia, aunque pueda afectar otros aspecto como es el caso de su maleabilidad, así mismo, el silicio y el carbono confieren dureza a la fundición y este último también agrega tenacidad y temple.

Las secciones empleadas normalmente en construcciones metálicas pueden ser. Planas y perfiles laminados de acero, que quedarán designados por su forma y dimensiones expresadas en milímetros o pulgadas.

Los elementos estructurales pueden estar construidos por perfiles simples o por secciones compuestas o combinadas. El acero es uno de los materiales estructurales más versátiles, cuenta con una gran resistencia, poco peso y facilidad de fabricación entre otras ventajas descritas a continuación.

3) Ventajas del Acero como Material Estructural

A. Alta Resistencia.- La alta resistencia del acero, por unidad de peso, significa que las cargas muertas serán menores. Este hecho es de gran importancia en puente de gran claro, edificios elevados, y en estructuras cimentadas en condiciones precarias.

B. Uniformidad.- Las propiedades del acero no cambian apreciablemente con el tiempo, como sucede con las de concreto reforzado.

C. Elasticidad.- Los momentos de inercia de una estructura de acero pueden ser calculados con precisión, en tanto que los valores obtenidos para una estructura de concreto reforzados son un tanto indefinidos.

D. Durabilidad.- Las estructuras de acero, con mantenimiento adecuado durarán indefinidamente. La investigación en algunos de los nuevos aceros indica que bajo ciertas condiciones, sólo se requieren pintura como mantenimiento.

E. Ductilidad.- La propiedad de un material que le permite soportar deformaciones generales sin fallar, bajo esfuerzos de tensión elevados, se conoce como su ductilidad. Cuando un miembro de acero se somete a la prueba de tensión, ocurrirá una reducción considerable de su área transversal y un fuerte alargamiento, en el lugar de la falla, antes de que la fractura real ocurra. Un material que no tenga esta propiedad es probablemente duro y quebradizo, vítreo, y posiblemente se rompa si recibe un choque súbito.

F. Ampliación de estructuras existentes.- Las estructuras de acero se prestan para fines de ampliación. Nuevos tramos y en ocasiones alas totalmente nuevas pueden añadirse a las estructuras de acero de edificaciones ya existentes, y los puentes de acero a menudo pueden ampliarse.

Algunas otras ventajas del acero estructural son:

a) Avisan con sus grandes deformaciones de la posibilidad de colapso.b) Dan lugar a construcciones más ligeras.c) Se construyen con rapidez.d) Se adaptan con facilidad y flexibilidad a las dimensiones del solar.e) Permiten cubrir con facilidad y flexibilidad a las dimensiones del solar.f) Permiten cubrir con facilidad grandes luces.g) Facilitan la integración racional de las instalaciones en la estructura.

h) Son de fácil desmontaje, manteniendo un cierto valor residual.

4) Desventajas del Acero como Material Estructural

A. Costo de mantenimiento.- La mayoría de los aceros se corroen cuando están expuestos libremente al aire y deben pintarse periódicamente.

B. Costo de protección contra incendio.- La resistencia del acero estructural se reduce notablemente a las temperaturas que se alcanzan durante los incendios.

C. Susceptibilidad al pandeo.- A medida que los miembros sujetos a compresión sean más largos y delgados, mayor es el peligro de pandeo.

5) Clasificación

Los aceros estructurales modernos se pueden clasificar según la ASTM (American Society for Testing and Materiales) en: aceros de propósitos generales (A36), aceros estructurales de carbono (A529), aceros de alta resistencia y baja aleación (A572), aceros estructurales de alta resistencia, baja aleación y resistentes a la corrosión atmosférica (A242 y A588) y aceros templados y revenidos (A514 y A852). En la tabla 3-1 se puede observar un comparativo de las propiedades de estos aceros estructurales.

A continuación se muestra la Tabla 1 donde se observan las diferentes propiedades de los aceros estructurales.

6) Diseño con Acero Estructural

La mayor parte de las estructuras de acero que existen actualmente, fueron diseñadas utilizando métodos elásticos. En este método, el proyectista estima las cargas de trabajo o servicio, es decir, las cargas que la estructura tiene que soportar y diseñar los miembros estructurales con base en ciertos

esfuerzos permisibles. Estos usualmente son cierta fracción de esfuerzo mínimo de fluencia especificado para el acero.

El termino diseño elástico se usa comúnmente para describir el método mencionado anteriormente, aunque los términos “diseño por esfuerzos permisibles” o “diseño por esfuerzos de trabajo” son más apropiados. Muchas de las especificaciones para este método se basan en el comportamiento elástico.

En el método de resistencia última, las cargas de trabajo se estiman y se multiplican por ciertos factores de carga y se compara con la capacidad resistente de los elementos. En este trabajo, los problemas presentados se solucionarán utilizando el método de diseño llamado “Diseño por Factores de Carga y Resistencia” de sus siglas en ingles “Load and Resitance Factor Design”.

El diseño por el método LRFD se basa en los conceptos de estados límite, mismo que describe una condición en la que una estructura, o alguna parte de ella, deja de cumplir su función. Este estado límite se puede subcatalogar en dos tipos: los de resistencia y los de servicio.

El primero se basa en la seguridad o capacidad de carga de las estructuras e incluye las resistencias plásticas, de pandeo, de fractura, de fatiga, de volteo, etc. mientras que los estados límite de servicio se refieren al comportamiento de las estructuras bajo cargas normales de servicio, mismas que tienen que ver con el uso y la ocupación como deflexiones excesivas, deslizamientos, vibraciones y agrietamientos.

En el método LRFD las cargas de servicio son multiplicadas por los llamados factores de carga o seguridad. Con esto se obtienen las cargas factorizadas, mismas que serán utilizadas para el diseño de la estructura. Esta estructura deberá tener un diseño lo suficientemente fuerte que permita resistir estas cargas facotrizadas. Esta resistencia se considera igual a la resistencia teórica o nominal del miembro estructural, multiplicada por un factor de resistencia que es normalmente menor a la unidad. Con esto se busca tomar en cuenta las incertidumbres relativas a las resistencias de los materiales, dimensiones y mano de obras. En resumen puede decirse que para este tipo de diseño:

(Suma de los productos de los efectos de las cargas)(factor de carga)≤ (factor de resistencia) (resistencia nominal)

A continuación se muestra la Tabla 2, los diferentes factores de resistencia especificados para el método LRFD. Estos valores están basados en investigaciones realizadas en la Universidad Washington en Missouri.

7) Productos de AceroA. Perfiles y chapas de sección llena laminados en caliente

Son los productos obtenidos mediante laminación en caliente, de espesor mayor o igual a 3 mm, de sección transversal llena y constante. a) Perfil IPNb) Perfil IPEc) Perfil HEB (base)d) Perfil HEA (ligero)e) Perfil HEM (pesado)f) Perfil U normal (UPN)g) Perfil U comercial (U)h) Angular de lados iguales (L)i) Angular de lados desiguales (LD)j) Perfil Tk) Redondol) Cuadradom) Rectangularn) Hexagonalo) Chapa media (3 mm≤ t ≤ 4.75 mm)p) Chapa gruesa (t > 4.75 mm)

B. Perfiles huecos laminados en caliente

Son los perfiles huecos estructurales de sección transversal constante, de espesor igual o mayor que 2 mm, producidos por laminación en caliente (con o sin tratamiento térmico posterior) o por conformado en frío seguido por un tratamiento térmico para obtener unas condiciones metalúrgicas equivalentes a las del laminado en caliente.

Perfiles huecos laminados en caliente

a) Sección circular b) Sección cuadrada c) Sección rectangular d) Sección elíptica

C. Perfiles huecos conformados en fríoSon los perfiles huecos estructurales soldados conformados en frío sin tratamiento térmico posterior, de espesor mayor o igual que 2 mm, de sección transversal constante.

Series de perfiles huecos conformados en frío:

a) Sección circular b) Sección cuadrada c) Sección rectangular d) Sección elíptica

D. Perfiles de sección abierta conformados en fríoSon los perfiles de sección constante, con formas diversas, producidas por conformado en frío de chapas planas laminadas en caliente o en frío. Secciones:

a) Perfil L b) Perfil U c) Perfil C d) Perfil Z e) Perfil Omega f) Perfil Tubo abierto

Además de los perfiles y chapas que corresponden a series normalizadas, podrán emplearse en la construcción de estructuras perfiles y chapas no normalizados, bien sean de formas abiertas especiales, o variantes de series normalizadas, siempre que se cumplan las condiciones: - Los perfiles y chapas están elaborados con aceros especificados en la EAE. - El fabricante garantiza las dimensiones y tolerancias, dimensionales y de forma, de los perfiles y chapas. - El fabricante suministra los valores de los datos de la sección necesarios para el proyecto (área de la sección transversal, momentos de inercia, módulos resistentes, radios de giro, posición del centro de gravedad).

Contenido1) Antecedentes...............................................................................................................2

2) Fabricación del acero..............................................................................................2

3) Ventajas del Acero como Material Estructural.........................................3

4) Desventajas del Acero como Material Estructural.................................4

5) Clasificación..................................................................................................................4

6) Diseño con Acero Estructural.............................................................................4

7) Productos de Acero..................................................................................................6