Cómo elegir el tipo de acero más adecuado

Fuente: Revista Mexicana de la Construcción

El acero estructural en la arquitectura contemporánea no debe ser considerado un mal necesario; se integra favorablemente al proyecto arquitectónico, es protagonista y aporta estética singular. Es un material versátil, racional, sustentable y aliado de la infraestructura.


En el mercado nacional e internacional existe una gran variedad de aceros estructurales comerciales para el diseño y construcción de edificios convencionales, industriales y especiales o de características poco comunes: puentes atirantados y colgantes de grandes claros, torres de transmisión de energía eléctrica, de comunicaciones y eólicas, plataformas marinas, tanques, silos, etcétera.

El hecho de que el acero lleve tantos años de ser un elemento básico entre los usados con frecuencia en la construcción de edificios urbanos y naves industriales no significa que haya permanecido estático. Por el contrario, ha evolucionado de forma continua en muchos aspectos: se han logrado mejoras y variaciones en la composición mecánica y química, que permiten características especiales y diversidad de tipos de acero, así como en los métodos para unir entre sí las diversas piezas que constituyen las estructuras; en paralelo, se ha avanzado extraordinariamente en los procedimientos para analizarlas y diseñarlas.

El acero es un material que tiene propiedades mecánicas inherentes de resistencia, tenacidad, ductilidad y capacidad de absorción de energía que lo hacen el más útil de los materiales utilizados hoy en la construcción de edificios de mediana altura y altos, principalmente en estructuras ubicadas en zonas de alta sismicidad, naves industriales y comerciales y estructuras especiales tales como las mencionadas antes.

Tipos de aceros estructurales
En la actualidad, es común encontrar el acero en forma de perfiles laminados, miembros armados o secciones compuestas acero-concreto en la construcción de edificios urbanos altos, naves industriales y comerciales, y estructuras especiales. El mejor sustituto de los aceros estructurales en el futuro inmediato serán los perfiles laminados estructurales de mejor calidad.

Los aceros mexicanos, tornillos de alta resistencia, metales de aportación y fundentes para soldadura que pueden usarse en el diseño y construcción de estructuras para edificios son diseñados de acuerdo con las Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras de Acero de 2017 (Diseño basado en estados límite de falla y de servicio), correspondientes al Reglamento de Construcciones para la Ciudad de México, con la Especificación para el Diseño de Estructuras de Acero del Instituto Mexicano de la Construcción en Acero (IMCA), Diseño por factores de carga y resistencia o Diseño por resistencia permisible, o con las normas del American Institute of Steel Construction, Diseño por factores de carga y resistencia y Diseño por resistencia permisible. Dichos elementos se producen en nuestro país según las normas oficiales mexicanas (NMX) elaboradas por el Comité Consultivo de Normalización de la Industria Siderúrgica de la Cámara Nacional de la Industria del Hierro y del Acero, y oficializadas por la Dirección General de Normas de la otrora Secretaría de Comercio y Fomento Industrial. Las normas para los materiales mencionados anteriormente son las que se describen a continuación.

  • Acero estructural, NOM-B-254-1987 (ASTM A36). Hoy en día, prácticamente obsoleto. Este tipo de acero se utilizó profusamente en estructuras en México durante más de 70 años; fue el acero estructural “de batalla”.
  • Acero estructural, con límite de fluencia mínimo de 290 MPa (29 kg/mm2) y con espesor de 12.7 mm (1/2”), NMX-B-99-1986 (ASTM A529).
  • Acero estructural de baja aleación y alta resistencia, NMX-B-282-1987 (ASTM A242).
  • Acero estructural de alta resistencia y baja aleación al manganeso-vanadio NMX-B-284-1987 (ASTM A441).
  • Planchas, perfiles y barras de acero al carbono para uso estructural con baja e intermedia resistencia a la tensión, NMX-B-281-1987 (ASTM A283).
  • Lámina de acero al carbono laminada en caliente para uso estructural NMX-B-347-1981 (ASTM A570).
  • Lámina de acero de baja aleación y alta resistencia, laminada en caliente y en frío, resistente a la corrosión, NMX-B-277-1981 (ASTM A606).
  • Tubos de acero con o sin costura, negros o galvanizados por inmersión en caliente, NMX-B-177-1989 (ASTM A53).
  • Tubos de acero al carbono, sin costura o soldados, formados en frío, para usos estructurales, NOM-B-199-1989 (ASTM A500).
  • Tubos de acero al carbono, sin costura o soldados, formados en caliente, para usos estructurales, NMX-B-200-1989 (ASTM A501).
  • Acero estructural de alta resistencia y baja aleación ASTM A992 (sin equivalencia todavía con la norma mexicana).

El proceso siderúrgico del acero es complejo, dependiendo de la manera en que se produce. En el mundo, el acero se produce en altos hornos o a partir de chatarra (material de desecho de rieles de ferrocarriles, de vehículos o de línea blanca).

Clasificación de los aceros de acuerdo con su composición química
Los aceros se clasifican de acuerdo con su contenido de carbono: bajo, medio y alto carbono. Los estructurales se caracterizan por tener un contenido bajo de dicho elemento, del orden del 0.5%. Químicamente el acero es una aleación de hierro y carbono. De acuerdo con la composición química, los perfiles de acero estructural se clasifican en aceros al carbón, alta resistencia y baja aleación, resistentes a la corrosión, templados y revenidos.
En estos aceros varían los porcentajes de los elementos químicos: carbono, manganeso, fósforo, azufre, cobre, níquel, cromo, molibdeno, vanadio, cobalto o niobio. De esta manera, cuando se requiere un acero con alta resistencia debe incrementarse su contenido de carbono (entre 0.25 y 0.60%); a cambio de lo anterior, se afecta su soldabilidad y ductilidad y se propicia la falla frágil indeseable en toda estructura de acero. El carbono es el elemento que actúa más enérgicamente en la dureza del acero.

Cómo elegir el tipo de acero estructural más adecuado
La elección del tipo de acero se basa en las necesidades específicas de la estructura de un edificio y en su ubicación. Por ejemplo, si la estructura se localizará en zonas sísmicas, las principales propiedades mecánicas del material han de ser la alta resistencia, rigidez, ductilidad, capacidad de absorción de energía (tenacidad) y soldabilidad.

La resistencia es la capacidad del acero que le permite soportar las acciones a las que quedará sometida la estructura durante su vida útil.

La rigidez es la propiedad de una estructura de acero que le permite limitar los desplazamientos laterales (distorsiones) ocasionados principalmente por las acciones laterales (en especial viento o sismo).

La ductilidad es la propiedad más importante de un acero estructural; permite exhibir grandes deformaciones inelásticas antes de la falla. La elongación de la probeta de acero durante la prueba de tensión y el área bajo la curva esfuerzo-deformación de los aceros estructurales son indicadores representativos de la ductilidad.

Un acero dúctil es capaz de sobrellevar grandes deformaciones plásticas sin fallar repentinamente. Se ha comprobado en los sismos ocurridos en México el buen comportamiento de los edificios construidos con este material; de allí la importancia de diseñar y construir estructuras dúctiles, logradas con diseños y materiales adecuados que originan que la falla dúctil ocurra antes que la frágil con un factor de seguridad razonable, y así se evitan riesgos o fallas estructurales en las conexiones y en los elementos estructurales.

Al respecto, Michel Bruneau (1997), profesor del Departamento de Ingeniería Civil, Estructural y Ambiental de la Universidad Estatal de Nueva York en Búfalo, afirma lo siguiente: “Muchos ingenieros de la práctica profesional han creído erróneamente por años que la naturaleza dúctil del acero se traslada inherentemente al comportamiento dúctil de las estructuras. Una aproximación al diseño dúctil de las estructuras es necesaria porque la cualidad dúctil del acero sola no es suficiente. Reconocer y evitar situaciones que conduzcan a fallas frágiles y adoptar estrategias de diseño que permitan mecanismos confiables de disipación de energía en ciclos histeréticos: este tipo de pensamiento es relativamente nuevo dentro de la ingeniería estructural.”

La soldabilidad, aptitud del acero que le permite unir dos o más piezas con soldadura que resulten con características suficientes de integridad, seguridad y continuidad metalúrgica, está estrechamente relacionada con la composición química. Por ello, esta propiedad se mide a través de las fórmulas internacionales de “carbono equivalente”, el concepto que sirve de criterio para evitar la falla frágil. El cobre inhibe la corrosión atmosférica; el vanadio, el tungsteno, el molibdeno, el manganeso y el cromo aumentan la resistencia del acero al impacto.

La tenacidad es la medida de la energía por unidad de volumen necesaria para deformar un material hasta el momento de su fractura. Esto significa que en estructuras sismorresistentes el acero, por su gran capacidad de deformación inelástica, ofrece suficiente tiempo entre la deformación plástica y el colapso parcial o total. La presencia de grano grueso en el acero influye negativamente en la tenacidad.

Sin embargo, otras propiedades mecánicas tales como anisotropía, ductilidad, tenacidad, facilidad de formado en frío y resistencia a la corrosión pueden ser también importantes para el comportamiento correcto de algunas estructuras.

La curva carga-deformación del acero tiene las características necesarias para que pueda presentarse la redistribución de momentos flexionantes requerida para la formación del mecanismo de colapso. Para ello, debe tener una zona de fluencia o cedencia, de deformación creciente bajo esfuerzo prácticamente constante, correspondiente a un alargamiento máximo no menor de 1%, seguida de una zona de endurecimiento por deformación, y el alargamiento correspondiente a la ruptura no debe ser menor de 20 por ciento.

Si bien lo que le interesa principalmente al diseñador de estructuras son las propiedades mecánicas de los materiales del acero, la composición química es un índice de calidad de éstos y es posible, a partir de dicha composición, estimar con buena aproximación las propiedades mecánicas.

Elección conveniente de los perfiles de acero estructural
Los criterios que determinan la elección de los perfiles estructurales laminados son: la magnitud de las cargas que han de resistir,
la forma de trabajo del miembro estructural (tensión, compresión, flexión, flexocompresión –flexión y compresión combinadas–, torsión, etcétera), la mayor o menor dificultad con la que puedan unirse al resto de la estructura y su apariencia visual.

En la figura 2 se muestra una gran variedad de secciones laminadas que se usan en los elementos estructurales. No todas tienen características convenientes, pero poseen alguna otra que las hace adecuadas para usos particulares.

Los perfiles de acero estructural disponibles en México que se utilizan en el diseño y construcción de estructuras para edificios se designan de acuerdo con la nomenclatura del IMCA: LI/LM, LD, CE, TR, IE, IR, IC, IS, OR, OC, OS, CF y ZF. La mayoría de los perfiles indicados se fabrican con el proceso de laminación en caliente, y en particular los perfiles CF y ZF se manufacturan a partir de la lámina. La designación del IMCA consta de dos letras, una ideográfica y la otra abreviatura de su descripción, en lugar de las tres o más siglas tradicionales.

Perfiles de acero estructural disponibles en México
La producción de perfiles en México es aún limitada en relación con la de otros países; no todos los perfiles que se producen en Estados Unidos están disponibles en México, pero hoy en día se pueden conseguir perfiles pesados importados tipo jumbo W para la construcción de edificios altos. Los perfiles tipo jumbo pesan alrededor de 1 tonelada por metro lineal.

Placa
Es un producto plano rectangular que se produce en México con ancho que va desde 6.4 mm (1/4”) hasta 51 mm (2”). Las hojas de menos de 3.0 mm (1/8”) de grueso se denominan láminas. La placa tiene una gran variedad de aplicaciones en la construcción con acero: fabricación de vigas o columnas soldadas, de sección transversal “I” o en cajón (tres o cuatro placas soldadas), placas de conexión en uniones trabe-columna, placas base de columnas, cartabones, atiesadores, placas de nudo de armaduras, placas de continuidad o atiesadores horizontales de columnas, etc. El aprovechamiento óptimo de la placa consiste en diseñar miembros estructurales con base en submúltiplos de las medidas comerciales de la placa.

Las trabes y columnas hechas con tres o cuatro placas soldadas tienen la ventaja de que se pueden fabricar con las dimensiones precisas de acuerdo con el diseño de dichos miembros estructurales; sin embargo, ameritan mayor control de calidad, costo y tiempo.

Ángulos LI/LM o LD
Los ángulos de lados iguales que no tienen ningún eje de simetría se utilizan frecuentemente en armaduras ligeras de naves industriales o de edificios comerciales
y en diagonales de contraventeo: sencillos en diagonales o en montantes, y dobles, espalda con espalda, en cuerdas superior e inferior de las armaduras. También se pueden usar en disposición estrella en contraventeos de marcos rígidos, en cubiertas y en fachadas.

Canales CE
Las canales son secciones que solamente poseen un eje de simetría (el eje horizontal X-X) y que se utilizan con poca frecuencia solas. No es muy conveniente usarlas como vigas, ya que tienen el alma bastante gruesa y los patines de espesor variable. Se prefiere formar secciones armadas colocando dos canales frente a frente, separadas o en contacto, para obtener una sección en cajón. También se pueden disponer en espalda y el resultado es una sección “I”, o separándolas y uniéndolas con placas de unión o celosías sencillas o dobles.

Perfil IE
Perfil de sección transversal que asemeja a la letra “I”, con dos ejes de simetría. Su centroide coincide con el centro de torsión, pero es inconveniente como viga en virtud de que sus patines son angostos y el alma muy gruesa, como se señala más adelante. Cabe señalar que en Guadalajara se utilizó durante muchos años en sistemas de piso compuestos acero-concreto de vigueta y bovedilla, sustituyendo la vigueta por el perfil IE de 102 mm (4″), 127 mm (5″) o de mayor peralte, según los claros a salvar.

Perfil IR
Perfil ideal para vigas o miembros en flexión; tiene dos ejes de simetría y su centroide coincide con el centro de torsión (véase figura 3). En vigas, se prefiere el uso de perfiles IR 406 (W16), 457 (W18), 525 (W21) y 687 (W24), que son secciones estructurales con una relación grande de momentos de inercia alrededor del eje X-X (eje fuerte) respecto al eje Y-Y (eje débil). En estos miembros la flexión es uniaxial y la carga está aplicada en un plano paralelo al eje de menor momento de inercia para que la flexión ocurra alrededor del eje fuerte.

Sección cruciforme
Sección estructural semiabierta que se obtiene uniendo dos perfiles IR para constituir un miembro armado para columna flexocomprimida. Tiene dos ejes de simetría y sus propiedades geométricas son las mismas alrededor de sus dos ejes principales y centroidales. Otra ventaja importante es que permite conectar las trabes que recibe en los dos sentidos por sus patines.

Los patines en estos perfiles son de aproximadamente la mitad del peralte. El acero de los patines representa 60% del total de la sección transversal y el alma, el 40% restante. Los patines resisten la flexión y el alma la fuerza cortante. El alma queda sobrada para la fuerza cortante que se genera en las vigas típicas de sistemas de piso compuestos acero-concreto. Este hecho dio origen a las vigas expandidas, que se fabrican a partir de perfiles IR, se cortan, desfasan y sueldan para obtener vigas con un 50% mayor de peralte, y que se usan como elementos secundarios en cubiertas ligeras de centros comerciales y naves industriales.

En la figura 4 se comparan los perfiles IE e IR. Los patines del perfil IE son angostos y de espesor variable. El patín se hace más ancho y de grueso uniforme para obtener una sección más eficiente como viga y columna. El grueso del alma del perfil IE es excesivo; se adelgaza esta placa y el material se distribuye en los patines del perfil IR.

Los perfiles TR que se obtienen cortando un perfil IR a la mitad de su peralte se emplean en cuerdas de armaduras, pues se facilita la unión de las diagonales y montantes, soldándolos al alma.

En el caso de columnas, que están sujetas a flexocompresión (flexión en una o en dos direcciones) y a compresión axial, conviene que el acero se aleje de los ejes principales y centroidales (ejes de flexión) para obtener, con una determinada área de acero, un radio de giro grande. Además, es apropiado que los momentos de inercia que corresponden a los dos ejes principales y centroidales sean similares, o tengan valores cercanos, en virtud de que el pandeo de la columna suele presentarse en el plano de menor rigidez. Consecuentemente, conviene elegir perfiles laminados de 356 mm (14”) de peralte, que se caracterizan por que tienen sus anchos de patines similares a su peralte. Son estos los que resultan más propicios en columnas de edificios de acero.

Es evidente que la sección transversal ideal para columnas son los tubos circulares o cuadrados huecos, que cuentan con los mismos momentos de inercia respecto a sus dos posibles ejes de flexión. No obstante, estos perfiles, al tener sus secciones transversales totalmente cerradas, presentan el inconveniente de que las conexiones son difíciles de hacer.

Los perfiles laminados descritos anteriormente se pueden combinar con otros de la misma sección transversal u otros de sección transversal distinta, unidos con soldaduras de filete o con tornillos de alta resistencia, y dan como resultado una gran variedad de miembros armados.

Conclusión
Uno de los primeros pasos en el diseño y construcción de una estructura de acero para edificios urbanos convencionales, industriales o de características poco comunes es la elección correcta de los materiales, tipos y calidades de los aceros estructurales.

El acero estructural, material ideal por sus propiedades inherentes y ventajas competitivas, tiene un futuro prometedor en México, siempre y cuando su costo no sea elevado debido a los aranceles impuestos por las autoridades de Estados Unidos.

En el próximo gobierno de México, con la propuesta de megaproyectos para mejorar la economía y la calidad de vida de los mexicanos, el acero estructural será un material aliado de la infraestructura nacional futura.

Se invita a los lectores a participar en la primera Reunión Nacional de Vivienda Sismorresistente y Sustentable del Centro Regional de Desarrollo en Ingeniería Civil, en Morelia, del 5 al 7 de diciembre de 2018.

Referencias
Bruneau, Michel (1997). Earthquake-resistant steel bridges: Canadian design, research and expectations based on observations from the 1995 Kobe earthquake. V Simposio Internacional de Estructuras de Acero. Guadalajara, México. 18-21 noviembre.

Estimado lector, éste y otros artículos de interés los podrá encontrar en la Revista Mexicana de la Construcción No. 636 Noviembre-Diciembre 2018

2019-01-08T13:32:58+00:00diciembre 1st, 2018|Revista Mexicana de la Construcción|