El acero en la construcción de obras hidráulicas

Introducción

 Acero es el nombre que se da al hierro que contiene una cantidad determinada de carbono (hasta 3,5%) que le otorga mayos resistencia y dureza. Hacia el 1.000 A.C. se fabricaba acero en el Próximo y Medio Oriente y en la India. Después de forjar el hierro con martillos, los artesanos endurecían la superficie de sus herramientas y armas calentándolas en carbón de leña al rojo vivo. 1

La construcción en acero surgió a partir del siglo XVIII, en el cual se produce un vertiginoso desarrollo de este material.2

El acero se comenzó a utilizar como elemento estructural en obras de arquitectura para la construcción de estaciones ferroviarias y salones de exposición, es decir para cubrir grandes espacios. Tiempo después se empezó a utilizar en la construcción de obras de ingeniería agrícola (obras hidráulicas).2

OBJETIVOS

• Conocer los tipos y el uso de acero en la construcción de obras "hidráulicas".

DESARROLLO DEL TEMA

EL ACERO EN LA CONTRUCION DE OBRAS HIDRAULICAS

Estructura del acero (3)

Las propiedades físicas de los aceros y su comportamiento a distintas temperaturas dependen sobre todo de la cantidad de carbono y de su distribución en el hierro. Antes del tratamiento térmico, la mayor parte de los aceros son una mezcla de tres sustancias: ferrita, perlita y cementita. La ferrita, blanda y dúctil, es hierro con pequeñas cantidades de carbono y otros elementos en disolución. La cementita, un compuesto de hierro con el 7% de carbono aproximadamente, es de gran dureza y muy quebradiza. La perlita es una profunda mezcla de ferrita y cementita, con una composición específica y una estructura característica, y sus propiedades físicas son intermedias entre las de sus dos componentes.

La resistencia y dureza de un acero que no ha sido tratado térmicamente depende de las proporciones de estos tres ingredientes. Cuanto mayor es el contenido en carbono de un acero, menor es la cantidad de ferrita y mayor la de perlita: cuando el acero tiene un 0,8% de carbono, está por completo compuesto de perlita. El acero con cantidades de carbono aún mayores es una mezcla de perlita y cementita.

Al elevarse la temperatura del acero, la ferrita y la perlita se transforman en una forma alotrópica de aleación de hierro y carbono conocida como austenita, que tiene la propiedad de disolver todo el carbono libre presente en el metal. Si el acero se enfría despacio, la austenita vuelve ha convertirse en ferrita y perlita, pero si el enfriamiento es repentino la austenita se convierte en martensita, una modificación alotrópica de gran dureza similar a la ferrita pero con carbono en solución sólida.

Clasificación de los aceros (2)

Los diferentes tipos de acero se agrupan en cinco clases principales: aceros al carbono, aceros aleados, aceros de baja aleación ultrarresistentes, aceros inoxidables y aceros de herramientas.

• Aceros al carbono.

Más del 90% de todos los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen diversas cantidades de carbono y menos del 1,65% de manganeso, el 0,6% de silicio y el 0,6% de cobre.

Entre los productos fabricados con aceros al carbono figuran máquinas, carrocerías de automóvil, la mayor parte de las estructuras de construcción de acero, cascos de buques y horquillas o pasadores para el pelo.

• Aceros aleados.

Estos aceros contienen una proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos, además de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono normales. Estos aceros se emplean, por ejemplo, para fabricar engranajes y ejes de motores, patines o cuchillos de corte.

• Aceros de baja aleación Ultrarresistentes.

Esta familia es la más reciente de las cinco grandes clases de acero. Los aceros de baja aleación son más baratos que los aceros aleados convencionales ya que contienen cantidades menores de los costosos elementos de aleación. Sin embargo, reciben un tratamiento especial que les da una resistencia mucho mayor que la del acero al carbono.

Por ejemplo, los vagones de mercancías fabricados con aceros de baja aleación pueden transportar cargas más grandes porque sus paredes son más delgadas que lo que sería necesario en cada caso de emplear acero al carbono. Además, como los vagones de acero de baja aleación pesan menos, las cargas pueden ser más pesadas. En la actualidad se construyen muchos edificios con estructuras de aceros de baja aleación. Las vigas pueden ser más delgadas sin disminuir su resistencia, logrando un mayor espacio interior en los edificios.

• Aceros Inoxidables.

Los aceros inoxidables contienen cromo, níquel y otros elementos de aleación, que los mantienen brillantes y resistentes a la herrumbre y oxidación a pesar de la acción de la humedad o de ácidos y gases corrosivos. Algunos aceros inoxidables son muy duros; otros son muy resistentes y mantienen esa resistencia durante largos periodos a temperaturas extremas. Debido a sus superficies brillantes, en arquitectura se emplean muchas veces con fines decorativos.

El acero inoxidable se utiliza para las tuberías y tanques de refinerías de petróleo o plantas químicas, para los fuselajes de los aviones o para cápsulas espaciales. También se usa para fabricar instrumentos y equipos quirúrgicos, o para fijar o sustituir huesos rotos, ya que resisten a la acción de fluidos corporales. En cocinas y zonas de preparación de alimentos, los utensilios son a menudo de acero inoxidable, ya que no oscurezca los alimentos y puede limpiarse con facilidad.

• Aceros de Herramientas.

Estos aceros se utilizan para fabricar muchos tipos de herramientas y cabezales de corte y modelado de máquinas empleadas en diversas operaciones de fabricación. Contiene volframio, molibdeno y otros elementos de aleación, que les proporciona mayor resistencia, dureza y durabilidad.

Características de los aceros de construcción (3)

Tenemos tres aceros a elegir:

• El acero al carbono.- que se empleará cuando trabajemos a temperaturas superiores de -28ºC,

• El acero inoxidable.- cuando trabajemos a temperaturas entre -28ºC y -45ºC. Las principales ventajas del acero inoxidable son:

• Alta resistencia a la corrosión.

• Alta resistencia mecánica.

• Apariencia y propiedades higiénicas.

• Resistencia a altas y bajas temperaturas.

• Buenas propiedades de soldabilidad, mecanizado, corte, doblado y plegado.

• Bajo costo de mantenimiento.

• Reciclable.

• El acero con una aleación de 3,5% de níquel.- que se empleará a temperaturas inferiores a -45ºC.

Como consecuencia de diferentes elementos agregados como níquel, cromo, molibdeno, titanio, niobio y otros, producen distintos tipos de acero inoxidable, cada uno con diferentes propiedades.

Propiedades mecánicas del acero en la construcción (5)

• Resistencia al desgaste. Es la resistencia que ofrece un material a dejarse erosionar cuando está en contacto de fricción con otro material.

• Tenacidad. Es la capacidad que tiene un material de absorber energía sin producir Fisuras (resistencia al impacto).

• Maquinabilidad. Es la facilidad que posee un material de permitir el proceso de mecanizado por arranque de viruta.

• Dureza. Es la resistencia que ofrece un acero para dejarse penetrar. Se mide en unidades BRINELL (HB) ó unidades ROCKWEL C (HRC), mediante test del mismo nombre.

Ventajas y desventajas del acero como material de construcción

• VENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL(5)

• Alta resistencia._ La alta resistencia del acero por unidad de peso implica que será poco el peso de las estructuras, esto es de gran importancia en puentes de grandes claros.

• Uniformidad._ Las propiedades del acero no cambian apreciablemente con el tiempo como es el caso de las estructuras de concreto reforzado.

• Durabilidad._ Si el mantenimiento de las estructuras de acero es adecuado duraran indefinidamente.

• Ductilidad._ La ductilidad es la propiedad que tiene un material de soportar grandes deformaciones sin fallar bajo altos esfuerzos de tensión. La naturaleza dúctil de los aceros estructurales comunes les permite fluir localmente, evitando así fallas prematuras.

• Tenacidad._ Los aceros estructurales son tenaces, es decir, poseen resistencia y ductilidad. La propiedad de un material para absorber energía en grandes cantidades se denomina tenacidad.

• Otras ventajas importantes del acero estructural son:

• Gran facilidad para unir diversos miembros por medio de varios tipos de conectores como son la soldadura, los tornillos y los remaches.

• Posibilidad de prefabricar los miembros de una estructura.

• Rapidez de montaje.

• Gran capacidad de laminarse y en gran cantidad de tamaños y formas.

• Resistencia a la fatiga.

• Posible rehusó después de desmontar una estructura.

• DESVENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL(4)

• Costo de mantenimiento._ La mayor parte de los aceros son susceptibles a la corrosión al estar expuestos al agua y al aire y, por consiguiente, deben pintarse periódicamente.

• Costo de la protección contra el fuego._ Aunque algunos miembros estructurales son incombustibles, sus resistencias se reducen considerablemente durante los incendios.

• Susceptibilidad al pandeo._ Entre más largos y esbeltos sean los miembros a compresión, mayor es el peligro de pandeo. Como se indico previamente, el acero tiene una alta resistencia por unidad de peso, pero al utilizarse como columnas no resulta muy económico ya que debe usarse bastante material, solo para hacer más rígidas las columnas contra el posible pandeo.

Aplicaciones del acero en concreto (3)

Además de los aspectos funcionales y económicos especiales del concreto como material de construcción de puentes, ciertas propiedades mecánicas y físicas son importantes con respecto a la aplicación y el comportamiento del concreto.

Las varillas para el refuerzo de estructuras de concreto reforzado, se fabrican en forma tal de cumplir con los requisitos de las siguientes especificaciones ASTM: A-615 "Varillas de Acero de Lingotes Corrugadas y Lisas Para Concreto Reforzado", A-616 "Varillas de Acero de Riel Relaminado Corrugadas y Lisas para Refuerzo de Concreto", o la A-617 "Varillas de Acero de Eje Corrugado y Lisas Para concreto Reforzado". Las varillas se pueden conseguir en diámetros nominales que van desde 3/8 de pulg. hasta 1 3/8 de pulg., con incrementos de 1/8 de pulg., y también en dos tamaños más grandes de más a menos 1 ¾ y 2 ¼ de pulg. Es importante que entre el acero de refuerzo exista adherencia suficientemente resistente entre los dos materiales. Esta adherencia proviene de la rugosidad natural de las corrugaciones poco espaciadas en la superficie de las varillas. Las varillas se pueden conseguir de diferentes resistencias. Los grados 40, 50 y 60 tienen resistencias mínimas especificadas para la fluencia de 276, 345 y 414 N/mm2 respectivamente. La tendencia actual es hacia el uso de varillas del grado 60.

Tipos de acero para la construcción (4)

• Acero de refuerzo. El acero para reforzar concreto se utiliza en distintas formas; la más común es la barra o varilla que se fabrica tanto de acero laminado en caliente, como de acero trabajado en frío. Los diámetros usuales de barras producidas en México varían de ¼ pulg. a 1 ½ pulg. (algunos productores han fabricado barras corrugadas de 5/16 pulg, 5/33 pulg y 3/16 pulg.) usan diámetros aún mayores.

• Clasificación del Acero para construcción acero estructural y acero de refuerzo:

De acuerdo a las normas técnicas de cada país o región tendrá su propia denominación y nomenclatura, pero a nivel general se clasifican en:

• Barras de acero para refuerzo del hormigón: Se utilizan principalmente como barras de acero de refuerzo en estructuras de hormigón armado. A su vez poseen su propia clasificación generalmente dada por su diámetro, por su forma, por su uso:

• Barra de acero liso

• Barra de acero corrugado.

• Barra de acero helicoidal: se utiliza para la fortificación y el reforzar rocas, taludes y suelos a manera de perno de fijación. Estos pueden ser:

• Malla de acero electrosoldada o mallazo

• Perfiles de Acero estructural laminado en caliente

• Ángulos de acero estructural en L

• Perfiles de acero estructural tubular: a su vez pueden ser en forma rectangular, cuadrada y redonda.

• Perfiles de acero Liviano Galvanizado, estos a su vez se clasifican según su uso, para techos, para tabiques, etc.

Colocación de acero de refuerzo (4)

Las barras de refuerzo se doblarán en frío de acuerdo con los detalles y dimensiones mostrados en los planos. No podrán doblarse en la obra barras que estén parcialmente embebidas en el concreto, salvo cuando así se indique en los planos o lo autorice el Interventor.

Todo el acero de refuerzo se colocará en la posición exacta mostrada en los planos y deberá asegurarse firmemente, en forma aprobada por el Interventor, para impedir su desplazamiento durante la colocación del concreto. Para el amarre de las varillas se utilizará alambre y en casos especiales soldadura. La distancia del acero a las formaletas se mantendrá por medio de bloques de mortero prefabricados, tensores, silletas de acero u otros dispositivos aprobados por el Interventor.

En ningún caso se permitirá el uso de piedras o bloques de madera para mantener el refuerzo en su lugar. La separación mínima recomendable para varillas redondas debe ser de una (1) vez el diámetro de las mismas, pero no menor de 25 mm. ni de 1-1/3 veces el tamaño máximo del agregado.

Las varillas de refuerzo, antes de su colocación en la obra e inmediatamente antes de la colocación del concreto, serán revisadas cuidadosamente y estarán libres en lo posible de óxido, tierra, escamas, aceites, pinturas, grasas y de cualquier otra sustancia extraña que pueda disminuir su adherencia con el concreto. Durante la colocación del concreto se vigilará en todo momento, que se conserven inalteradas las distancias entre las varillas y la de éstas a las caras internas de la formaleta.

No se permitirá el uso de ningún elemento metálico o de cualquier otro material que aflore de las superficies del concreto acabado, distinto a lo indicado expresamente en los planos o en las especificaciones adicionales que ellos contengan.

• Recubrimiento para el Refuerzo. El recubrimiento mínimo para los refuerzos será el indicado en los planos, y donde no se especifique, será como sigue:

• Cuando el concreto se coloque directamente sobre el terreno, en contacto con el suelo: 8 cm.

• En superficies formaleteadas que han de quedar en contacto con el suelo y en sus superficies que han de quedar expuestas a la intemperie o permanentemente sumergidas: 5 cm. 

Cimentación de las obras de construcción (4)

Es la parte estructural de las obras de construcción (subestructura), encargada de transmitir las cargas de ésta al terreno. Se clasifican en:

• Cimentaciones profundas. Las Cimentaciones Profundas son un tipo de Cimentaciones; pueden estar constituidas por muros verticales profundos de hormigón y acero, llamados Muros Pantalla o por pilares hincados en el suelo, conocidos como Pilotes. se utilizan:

• Cuando los esfuerzos transmitidos por las obras de construcción no pueden ser distribuidos suficientemente a través de una cimentación superficial, y en la solución probable se sobrepasa la capacidad portante del suelo.

• Cuando el terreno tiende a sufrir grandes variaciones estacionales: por hinchamientos y retracciones.

• Cuando los estratos próximos al cimiento pueden provocar asientos imprevisibles y a cierta profundidad, caso que ocurre en terrenos de relleno o de baja calidad.

• En construcciones sobre el agua.

• Para resistir cargas inclinadas, como aquellos pilotes que se colocan en los muelles para resistir el impacto de los cascos de barcos durante el atraque.

• Cimentaciones superficiales.- son los elementos verticales de la superestructura se prolongan hasta el terreno de la cimentación.

• Zapatas corridas

• Forma una losa continua de concreto armado, recibe las cargas de los muros o de una serie de columnas.

• Su uso es cuando sea menor del 50% del área de la construcción.

• Pueden tener sección rectangular, escalonada o estrechada cónicamente

• Su dimensión es relación con la carga que ha de soportar, resistencia a la compresión del material y presión admisible sobre el terreno.

• Es un elemento resistente uniendo las columnas por medio de contra trabes.

• Zapatas aisladas

• Soporta la carga de la columna y la forma en que trabaja es individual, puede originar asentamientos diferenciales.

• Se utiliza en suelos de baja compresibilidad y alta resistencia.

• Pueden ser cuadradas o rectangulares

• La relación L/B no exceda de 1.5 L (longitud) y B (ancho)

• Losas de cimentación

• Es una zapata combinada que puede cubrir el área entera bajo una estructura que soporta varias columnas y muros.

• Se usan en suelos que tienen poca capacidad de carga y comprensibilidad media y alta.

• Cuando cubren mas del 50 % del área de la construcción

• soportar todo el edificio sobre una losa de concreto armado

• De espesor constante, con refuerzos, Nervada y/o Aligerada, en forma de cajón

• Cajón de cimentación

• Elementos estructurales de concreto armado que se construyen sobre el terreno.

• Elementos de concreto reforzado, de sección transversal cilíndrica, rectangular, elipsoidal o similar.

• se introducen en el terreno por su propio peso al ser excavado el suelo ubicado en su interior.

• Se usan para cargas altas y en terrenos de alta compresibilidad.

• Pared de concreto reforzado (que constituye el cuerpo principal del elemento).

Columnas en obras de construcción (4)

Es el elemento estructural vertical empleado para sostener la carga de las construcciones. Utilizado por la libertad que proporciona para distribuir espacios al tiempo que cumple con la función de soportar el peso de la construcción. Pueden ser:

• Columna de Tabique.- Se construye a base de este material, la dimensión de la columna se logran acomodando el tabique en diferentes formas. El mortero se usa para asentarlos (cal, arena), (cemento, arena); debiendo quedar alternado o cuatrapiado.

• Columna de Piedra.- La piedra debe ser fácil de labrar y en trozos regulares que faciliten su colocación. Se utiliza mortero, las juntas deberán ser cuatrapiadas.

• Columna de Acero.- Pueden ser sencillas, fabricadas directamente con perfiles estructurales, empleados como elemento único, o perfiles compuestos. Puede ser hueca, cuándo se rellena de concreto. El empleo depende del diseño estructural y constructivo.

• Columna de Concreto.- Son estructuras producto de una combinación o mezcla de materiales con características diferentes como el concreto y el acero de refuerzo. compuesta de acero y concreto.

• Columna de Concreto Armado.- Es la combinación del concreto y el acero como material compuesto. En estos casos, el acero se coloca en la parte inferior porque es la zona de tracción (donde se rompería).

• Elemento reforzados con barras longitudinales

• Elementos reforzados con barras longitudinales y estribos

• Elementos reforzados con tubos de acero estructural, con o sin barras longitudinales, además de diferentes tipos de refuerzo transversal.

• Columna de Concreto Reforzado.- Es una combinación de concreto simple y con refuerzo. La carga actúa a una distancia del eje longitudinal del miembro estructural. La resistencia en compresión, durabilidad, resistencia al fuego y moldeabilidad del concreto, alta resistencia en tensión y ductilidad del acero.

Vigas de acero (4)

En ingeniería y arquitectura se denomina viga a un elemento constructivo lineal que trabaja principalmente a flexión. En las vigas la longitud predomina sobre las otras dos dimensiones y suele ser horizontal. Una de las obras hidráulicas en las q se usan son los tanques elevados.

El esfuerzo de flexión provoca tensiones de tracción y compresión.

Estructuralmente el comportamiento de una viga se estudia mediante un modelo de prisma mecánico.

Las cargas que actúan en una estructura, ya sean cargas vivas, de gravedad o de otros tipos, tales como cargas horizontales de viento o las debidas a contracción y temperatura, generan flexión y deformación de los elementos estructurales que la constituyen. La flexión del elemento viga es el resultado de la deformación causada por los esfuerzos de flexión debida a la carga externa.

Conforme se aumenta la carga, la viga soporta deformación adicional, propiciando el desarrollo de las grietas por flexión a lo largo del claro de la viga.

Para evitar grietas y fallas en el funcionamiento de las vigas es necesario realizar un buen diseño del armado de acero ya que este proporcionara mayor rigidez resistencia y seguridad al elemento.

Resultados

Conclusiones

Al desarrollar este aprendí en que partes de algunas obras hidráulicas se usa el acero. También identifique los tipos de aceros para las construcciones y sus propiedades.

El acero de construcción constituye una proporción importante de los aceros producidos en las plantas siderúrgicas.

Anexos

Bibliografía

• 1. PAMELA K. CASTRO GONZÁLEZ.

• 2. AGUSTÍN GUTIÉRREZ

• 3. ING. RAÚL CAMANIERO – Universidad Central de Ecuador.

• 4. COPYRIGHT 2003 ASTM – Creada por RS. Aprobada por KMK. Última actualización: 9 de febrero 1998.

• 5. Cámara Peruana de la Construcción (CAPECO); "Reglamento Nacional de Construcciones" – Reglamento Provincial de Construcciones de Lima; décima sexta

Edición; Lima, 1997.

Autor:

Moreno Chiroque Raúl

PROFESOR : WUALTER RAMIREZ CHANCÓN.

"AÑO DE LA INTEGRACIÓN NACIONAL Y RECONOCIMIENTO DE NUESTRA DIVERSIDAD"

FACULTAD DE AGRONOMÍA

ESCUELA DE INGENIERIA AGRÍCOLA

TRABAJO ENCARGADO

CURSO : MATERIALES DE CONSTRUCCION

Piura, 03 de enero del 2012