Estruturas Metálicas. Tema 1. A construción metálica. O aceiro estrutural ARTURO NORBERTO FONTÁN PÉREZ Fotografía. Golden Gate Bridge (San Francisco, 1937). Van principal: 1280 m. ETS Enxeñeiros de Camiños, Canais e Portos
Introdución Obxectivo do deseñador/proxectista/construtor Requírense coñecementos de: - Materiais, - Cálculo de estruturas, - Procedementos de fabricación (taller), - Procedementos de construción (montaxe), lograr unha estrutura - segura. - funcional. - estética. - económica. e adoptar unha aptitude racional, creativa e con imaxinación, baseándose en deseños previos (experiencia). O proceso de deseño e construción dunha estrutura consiste en xeral en: - Distribución da estrutura e avaliación de accións. - Predimensionamento de pezas. - Cálculo da estrutura. - Dimensionamento. - Comprobación de seccións e de barras. - Planos e requisitos (prego de condicións). - Planos de taller e detalles (unións, ). - Fabricación. - Montaxe. 2
Contido. Tema 1. A construción metálica. O aceiro estrutural 1. Materiais metálicos na construción. 2. Normativas. 3. Características dos aceiros. 4. Tipos de aceiro. 5. Produtos de aceiro. 6. Fabricación e montaxe en taller. 7. Criterios de plastificación. Fotografía. Ponte Coalbrookdale (Gran Bretaña, 1779). Van principal: 30.5 m. 3
1.1. Materiais metálicos na construción Ferro e as súas aliaxes: - Armas e ferramentas. - Finais s. XVIII: primeiras estruturas (pontes). - 1885: edificio de 12 plantas en Chicago. - 1931: Empire State Building en Nova York (443m). - Avances en metalurxia e soldadura. - Competencia co formigón armado. Campo de aplicación: - naves industriais, - pontes (grandes luces, pasarelas, mixtas, ), - antenas de comunicación e mastros, - cubertas, - depósitos e silos, - comportas de presas, - torres eléctricas, Materiais metálicos: - Composto ferroso: mineral con alto contido en ferro: Ferro: contido de carbono inferior ao 0.03%. Aceiro: contido de carbono inferior ao 2%. Fundición: contido de carbono superior ao 2% (material duro pero fráxil). - Cobre: boas cualidades electroquímicas, maleable. - Zinc: protector anticorrosivo (galvanizado). Aliaxe para chapas corrugadas. - Aluminio: lixeiro, resistente á corrosión, dúctil, maleable. Para exteriores e carpintería. ACEIRO FERRO METALOIDES (C, S, P, Si) METAIS VARIABLES (Mn, Cr, Ni, ) alto forno afino redución % C Mineral de ferro Arrabio ( 4% de C) Aceiro Fundición Lingoteiras Colada continua Laminado en quente Moldeo Forxado Trefilado 4
1.1. Materiais metálicos na construción Vantaxes das estruturas metálicas: - Lixeireza (alta relación resistencia/peso, esbeltez dos elementos, grandes luces, aproveitamento do espazo). - Facilidade de montaxe e transporte (taller, prefabricación). - Rapidez de execución. - Facilidade de reforzos e/ou reformas. - Ausencia de deformacións diferidas (relaxación). - Sustentabilidade (desmontable, adaptable, valor residual como chatarra). - Resistencia ao choque e solicitacións dinámicas (ductilidade). - Material homoxéneo e de calidade controlada (alta fiabilidade, dimensións precisas). Vantaxes das estruturas de formigón: - Menor custe. - Posibilidade de adaptación a formas variadas. - Excelente resistencia a compresión. - Maior peso propio (estabilidade, muros, cimentacións). - Solidez. - Estabilidade fronte a ataques químicos. Inconvenientes das estruturas metálicas: - Alto custe. - Sensibilidade á corrosión (necesaria protección). - Sensibilidade ao lume. - Inestabilidade por esbeltez. - Alta flexibilidade (deseño limitado por deformación). - Sensibilidade á rotura fráxil (fatiga, unións mal proxectadas). - Dificultade de adaptación a formas variadas. Inconvenientes das estruturas de formigón: - Incapacidade de resistir traccións. - Peso e dimensións elevadas. - Mal acabado superficial. - Dificultades e custe de demolición. Obsérvese que moitas das apreciacións anteriores son subxectivas. 5
Contido. Tema 1. A construción metálica. O aceiro estrutural 1. Materiais metálicos na construción. 2. Normativas. 3. Características dos aceiros. 4. Tipos de aceiro. 5. Produtos de aceiro. 6. Fabricación e montaxe en taller. 7. Criterios de plastificación. Fotografía. Home Insurance Building (Chicago, 1885). Altura: 55 m. 6
1.2. Normativas Normativas europeas: Normativas españolas: EC-3 (Eurocódigo 3) (Deseño estrutural) EN1090 (Fabricación + montaxe) EAE (Instrución de Aceiro Estrutural) CTE (Código Técnico da Edificación DB SE-A) EAE Instrucción de Acero Estructural Con comentarios de los miembros de la Comisión Permanente de Estructuras de Acero Ministerio de Fomento, 2012 Comentario: COM A norma EAE está en total sintonía co prescrito pola normativa europea de referencia: o Eurocódigo 3 (a nivel de cálculo e deseño) e a norma EN 1090 (a nivel de fabricación, execución e control de calidade). A norma EAE establece esixencias que deben cumprir as estruturas de aceiro (proxecto + construción + control/mantemento) e proporciona procedementos que permiten demostrar o seu cumprimento. Terminoloxía, notación, unidades (sistema internacional), criterio de signos: Anexo 1. EAE 1 Ámbito de aplicación: a norma EAE é de aplicación en todas as estruturas e elementos de aceiro estrutural de edificación ou de obra civil (ou industrial), coas seguintes excepcións: - aceiros especiais (f y > 460 N/mm 2 ou aceiro inoxidable), EAE 2 - elementos estruturais mixtos, - elementos estruturais de formigón dunha estrutura de aceiro (elementos pretensados segundo EHE). Accións: regulamentación específica (edificación: CTE, pontes: IAP/IAPF, sismo: NCSE/NCSP) e complementariamente EAE. EAE 2 7
1.2. Normativas COM A1.1 COM A1.2 8
1.2. Normativas Para xustificar que unha estrutura cumpre as esixencias da EAE: - Adoptar solucións técnicas conformes cos procedementos da EAE. - Adoptar para o cálculo os Eurocódigos + Anexos Nacionais. EAE 3 - Adoptar solucións alternativas baixo persoal responsabilidade, xustificando documentalmente que se cumpren as esixencias da EAE. Vida útil dunha estrutura: período de tempo dende a finalización da execución durante o que deben manterse as esixencias básicas nuns límites aceptables (CTE: período de servizo). EAE 5 Requisitos Esixencias Seguridade e funcionalidade estrutural Seguridade en caso de incendio Hixiene, saúde e protección ao medio ambiente - De resistencia e estabilidade: non deben xerarse riscos inadmisibles por accións previsibles durante a execución e a vida útil. En eventos extraordinarios non deben producirse consecuencias desproporcionadas. - De aptitude ao servizo: non deben producirse: - Deformacións inadmisibles (limitacións de frecha). - Comportamentos dinámicos inadmisibles (vibracións) - Degradacións inaceptables. A estrutura debe manter a resistencia o tempo necesario para: - Limitar a propagación do lume. - Evacuar os ocupantes Tamén hai que cumprir a regulamentación específica. Cando se estableza o cumprimento deste requisito: esixencia de calidade medioambiental na execución, minimizando a xeración de impactos ambientais, reutilizando materiais, evitando a xeración de residuos. 9
1.2. Normativas EAE 5 Vida útil: t Índice de fiabilidade: β Probabilidade de fallo: P f 10
Contido. Tema 1. A construción metálica. O aceiro estrutural 1. Materiais metálicos na construción. 2. Normativas. 3. Características dos aceiros. 4. Tipos de aceiro. 5. Produtos de aceiro. 6. Fabricación e montaxe en taller. 7. Criterios de plastificación. Fotografía. Torre Eiffel (París, 1889). Altura: 324 m. 11
1.3. Características dos aceiros Ensaio de rotura a tracción: As características fundamentais para definir a calidade dos aceiros son: - Diagrama tensión-deformación. - Carga unitaria máxima a tracción ou resistencia a tracción (f u ). - Límite elástico (f y ). - Deformación correspondente á resistencia a tracción ou deformación baixo carga máxima (ε máx ). - Deformación remanente concentrada de rotura (ε u ). - Módulo de elasticidade (E). - Estricción (Z) expresada en porcentaxe. - Resiliencia (K V ). - Tenacidade de fractura. COM 26.2 EAE 26.2 O límite elástico f y defínese como a tensión correspondente a unha deformación remanente do 0.2 por 100 (soe coincidir co escalón de cedencia). Os aceiros utilizables deberán cumprir certos requisitos de ductilidade: EAE 26.3 Datos para o proxecto: EAE 32.4 12
1.3. Características dos aceiros Ensaios con cargas cíclicas (ciclos de carga e descarga superando o límite elástico f y ): - Endurecemento por deformación ou acritude: E1 > E - Efecto Bauschinger: O material tracciónase ata a carga máxima e logo descárgase e comprímese ata a mesma carga negativa. Obsérvase que a deformación plástica a compresión sucede antes de acadar o límite elástico negativo, sen embargo, o material soporta o mesmo valor de carga. Sucede en moitos metais. - Histérese: En cada bucle acumúlase enerxía (de histérese) cambiando a estrutura interna do material e producindo calor. 13
1.3. Características dos aceiros Ensaio de resiliencia: EAE 26.5.3 A resiliencia mide a disposición dun material á rotura fráxil ou dúctil. Tamén se pode definir como a enerxía absorbida (K V ) no ensaio de flexión por choque sobre probeta Charpy, que consiste en romper a unha temperatura prefixada unha probeta entallada normalizada mediante o golpe cunha masa e medir a enerxía acumulada na peza. As normas de produto esixen absorber unha determinada enerxía de impacto. Este fenómeno afecta aos aceiros estruturais, pero non ao aluminio ou aos metais non ferrosos. En función da súa resiliencia, a cada tipo de aceiro asígnaselle un grado JR, J0, J2 ou K2: EAE 27.1 14
1.3. Características dos aceiros EAE 32.3 En ausencia de estudos rigorosos, os máximos espesores t do material de base que poden empregarse para garantir a resistencia do material á rotura fráxil poden obterse da táboa seguinte en función do tipo e grado do aceiro, o nivel de tensión de referencia no aceiro σ ref e a temperatura de referencia T ref : 15
1.3. Características dos aceiros Ensaio a torsión: Consiste en someter a un torsor crecente unha probeta cilíndrica de aceiro ata acadar a plastificación. Dado que a sección transversal é circular, a torsión é uniforme e só aparecen tensións tanxenciais. A tensión que produce a plastificación do material pode medirse e vale: τ = 0 56 f. y Factores que favorecen a rotura fráxil: - Temperaturas baixas. - Espesor do produto (a maior espesor, maior probabilidade de rotura fráxil). - Deformación en frío. - Clases de esforzos (dinámicos-estáticos, fatiga). - Concentracións de tensións (evitar estados triaxiais): Entallas. Cambios bruscos de sección. Tensións residuais (soldadura, laminación, ). - Forma e condicións de execución. COM 31.2.3 16
1.3. Características dos aceiros Tensións residuais por arrefriamento (enfriamiento): 1. Arrefríanse antes as paredes exteriores e máis delgadas. 2. As paredes frías retráense e arrastran ás paredes quentes que non se opoñen, pois ao estar quentes teñen un módulo de elasticidade moi baixo. 3. O resultado é que toda a sección se retrae, pero non hai tensións internas. 4. Logo arrefría o resto da sección, que tende a retraerse, pero impídenllo libremente as zonas xa frías no primeiro momento (agora o módulo de elasticidade é elevado). 5. O resultado é que as zonas que primeiro arrefriaron quedan comprimidas e as que arrefriaron máis tarde quedan traccionadas. 17
1.3. Características dos aceiros Soldabilidade (carbono equivalente): EAE 26.4 Aptitude dun aceiro para ser soldado mediante os procedementos habituais sen que apareza fisuración en frío. O parámetro fundamental dos aceiros dende o punto de vista da soldabilidade é o valor do carbono equivalente (CEV) a partires dos contidos dos elementos químicos indicados en tanto por cen: Mn Cr + Mo + V Ni + Cu CEV = C + + + EAE 26.5.5 6 5 15 O CEV está limitado para cada tipo de aceiro en función do espesor nominal do produto. Resistencia ao desgarro laminar: EAE 26.4 Resistencia á aparición de fisuras en pezas soldadas sometidas a tensións de tracción en dirección perpendicular á súa superficie. Evítase reducindo no posible ditas tensións mediante un proxecto axeitado dos detalles construtivos correspondentes e analizar a posibilidade de empregar aceiros pouco susceptibles a este defecto (ver tipos de aceiro, Z). Un aceiro será resistente ao desgarro laminar se cumpre unhas esixencias de estricción no ensaio de tracción. EAE 26.5.7 COM 26.4 18
1.3. Características dos aceiros Efectos de cargas térmicas. Exemplo: 19
1.3. Características dos aceiros Efectos de cargas térmicas. Exemplo: 20
1.3. Características dos aceiros Efectos de tensións residuais. Exemplo: 21
1.3. Características dos aceiros 22
Contido. Tema 1. A construción metálica. O aceiro estrutural 1. Materiais metálicos na construción. 2. Normativas. 3. Características dos aceiros. 4. Tipos de aceiro. 5. Produtos de aceiro. 6. Fabricación e montaxe en taller. 7. Criterios de plastificación. Fotografía. Empire State Building (Nova York, 1931). Altura: 443 m. 23
1.4. Tipos de aceiro A EAE contempla os seguintes tipos de aceiro utilizables en perfiles e chapas para estruturas de aceiro: - Aceiros sen aliaxe laminados en quente: EAE 27 Nota: As características mecánicas mínimas dependen do espesor do produto. - Aceiros con características especiais (S235, S275, S355, S460): Aceiros soldables de gran fino, na condición de normalizado (N). O laminado normalizado consiste en laminar nun intervalo de temperatura que conduce a un estado do material similar ao que se obtería cun tratamento de normalizado. Alta soldabilidade e alta resiliencia. Aceiros soldables de gran fino, laminados termomecanicamente (M). O laminado termomecánico consiste en laminar nun intervalo de temperatura que conduce a un estado do material que non se pode obter só con tratamento térmico. Alta soldabilidade e alta resiliencia. Aceiros con resistencia mellorada á corrosión atmosférica (aceiros patinables) (W). Presentan na súa composición química, certos elementos de aliaxe, o que fai que se forme unha capa de óxido ou pátina autoprotectora que os protexe ulteriormente da corrosión atmosférica. Precisan de períodos sucesivos alternados de humidade-sequedade que permitan a formación da pátina autoprotectora. Aceiros de alto límite elástico, na condición de templado e revenido (Q). O proceso de templado e revenido consiste nun enfriamento rápido seguido dun quecemento a temperatura especificada e un enfriamento a temperatura controlada. Aceiros con resistencia mellorada á deformación na dirección perpendicular á superficie do produto (Z). Calquera dos aceiros anteriores que ademais cumpra uns valores mínimos de estrición en ensaio de tracción na dirección do espesor. Teñen maior isotropía, pode ser importante nalgunhas construcións soldadas. 24
1.4. Tipos de aceiro Os medios de unión contemplados na EAE son os constituídos por: - Parafusos, porcas (tuercas) e arandelas, para unións aparafusadas (tamén bulóns). - Material de achega (aportación), para unións soldadas. EAE 29 Os parafusos utilizables corresponden aos grados seguintes: Poderán pretensarse os parafusos de alta resistencia. Tipos especiais de parafusos: - De cabeza avelanada. Teñen tal forma que quedan igualados coa cara exterior da chapa externa. - Calibrados. O diámetro da espiga do parafuso é igual ao do burato. - De inxección. Inxéctase unha resina por unha perforación na cabeza para reencher a folgura entre espiga e burato. O material de achega utilizable para a realización de soldaduras deberá ter unhas características mecánicas non inferiores ás correspondentes ao material de base que constitúe os perfiles ou chapas que se pretende soldar. 25
1.4. Tipos de aceiro Equivalencia de aceiros: EAE 27 Compatibilidade de uso de parafusos, porcas e arandelas: EAE 29.2 26
Contido. Tema 1. A construción metálica. O aceiro estrutural 1. Materiais metálicos na construción. 2. Normativas. 3. Características dos aceiros. 4. Tipos de aceiro. 5. Produtos de aceiro. 6. Fabricación e montaxe en taller. 7. Criterios de plastificación. Fotografía. Dispensario Central Antituberculoso (Barcelona, 1935-8). Altura: 16 m. 27
1.5. Produtos de aceiro Series de perfiles e chapas de sección chea laminados en quente (t 3mm e sección constante): COM A1.2 EAE 28.1 28
1.5. Produtos de aceiro Series de perfiles de sección oca (hueca) acabados en quente (ou conformados en frío con tratamento térmico posterior) (t 2 mm e sección constante) : EAE 28.2 Series de perfiles de sección oca conformados en frío (t 2 mm e sección constante) : EAE 28.3 Series de perfiles de sección aberta conformados en frío (UNE EN 10162): L, U, C, Z, Omega, perfil tubular con bordes rexuntados. EAE 28.4 Perfiles e chapas non normalizadas: poderán empregarse se o fabricante garante dimensións e tolerancias. EAE 28.5 Outros: paneis (grecados, ondulados, sandwich,...), cables, raís (railes), pezas moldeadas para apoios,... 29
Contido. Tema 1. A construción metálica. O aceiro estrutural 1. Materiais metálicos na construción. 2. Normativas. 3. Características dos aceiros. 4. Tipos de aceiro. 5. Produtos de aceiro. 6. Fabricación e montaxe en taller. 7. Criterios de plastificación. Fotografía. Terminal T4 (Barajas, 2006). Peso: 21.000 Tm. 30
1.6. Fabricación e montaxe en taller Procesos básicos de fabricación e montaxe en taller: - Elaboración de planos de taller. - Preparación do material: Marcado, manipulación e almacenamento. Endereitado (enderezado) (prensas ou máquinas de rodillos). Corte (serra, cizalla ou oxicorte). Conformación (dobrado ou pregado). Perforación (taladrado ou punzonado). - Ensamblado previo en taller. - Fixación con elementos mecánicos: Buratos. Utilización de parafusos, porcas e arandelas. Apretado de parafusos (pretensados e sen pretensar). Superficies de contacto. Fixacións especiais (pernos). Parafusos especiais. - Soldadura: Plan de soldadura. Proceso de soldadura. Cualificación do proceso de soldadura. Preparación e execución da soldadura. Criterios de aceptación de soldaduras. EAE 75 EAE 76 EAE 77 31
Contido. Tema 1. A construción metálica. O aceiro estrutural 1. Materiais metálicos na construción. 2. Normativas. 3. Características dos aceiros. 4. Tipos de aceiro. 5. Produtos de aceiro. 6. Fabricación e montaxe en taller. 7. Criterios de plastificación. Fotografía. Burj Khalifa (Dubai, 2010). Altura: 828 m. De aceiro só dende a planta 156 (586 m de altura) ata o cumio. 32
1.7. Criterios de plastificación O tensor de tensións representa o estado tensional dun corpo nun punto. Nuns eixos coordenados calquera: σx τ yx τ zx T = τxy σ y τzy τxz τ yz σ z Se os eixos son principais de inercia: σ 1 0 0 T = 0 σ 2 0 0 0 σ 3 O tensor de tensións pode descompoñerse en esférico máis desviador: σoct 0 0 σ1 σoct 0 0 σ1 + σ2 + σ3 T = Tesf + Tdesv = 0 σoct 0 + 0 σ2 σoct 0 ; σoct = 3 0 0 σ oct 0 0 σ3 σ oct Bridgman comprobou que o aceiro resiste tensións esféricas (presións hidrostáticas) moi grandes sen plastificar, e propuxo que só influía na plastificación o tensor desviador. As curvas e as superficies de plastificación representan, nuns eixos de tensións principais σ i, os puntos xeométricos que producen a plastificación do material. Proporcionan o lugar xeométrico dos estados tensionais nos que se inicia a plastificación. Poden obterse: - Experimentalmente: ensaios de Lode. - Teoricamente: criterios de plastificación. 33
1.7. Criterios de plastificación Ensaios de Lode: Os ensaios consisten en someter un cilindro de parede delgada, oco, pechado e de aceiro a unha presión interna p e a un torsor uniforme no eixo lonxitudinal M T de forma controlada ata acadar a plastificación no material. O ensaio repítese para distintas parellas de presión-torsor ata plastificación. Mediante axuste por puntos obtense a curva de plastificación: τ f y p R p R MT σl = σl = 2 σl = τ = 2 2 t t 2 π R t σ f y Criterios de plastificación: Enúncianse formas de comportamento do material que hai que contrastar cos datos empíricos. - Criterio de Rankine-Lamé. Este criterio considera que ningunha tensión principal pode superar o límite elástico: σ i Validación a tracción simple: σ1 0, σ2 = σ3 = 0 σi fy OK Validación a tensión tanxencial pura: τ = σ = σ, σ = 0 τ f NON, pois τ 0. 56 f f y 1 3 2 y y 34
1.7. Criterios de plastificación - Criterio de Beltrami-Haig. Este criterio considera que a enerxía de deformación acumulada ata plastificación é invariante e independente do estado tensional que a produza: 3 1 2 1 Edef = σi εi = k ε1 = 1 ( 2 3 ) i 12 E σ ν σ + σ = 1 2 2 2 2 Edef = σ1 + σ2 + σ3 2 ν ( σ1 σ2 + σ1 σ3 + σ2 σ3 ) = k 2 E 2 f y 2 En tracción pura pódese obter k: σ1 = fy 0, σ2 = σ3 = 0 Edef = = k 2 E e substituíndo: ( ) σ = σ + σ + σ 2 ν σ σ + σ σ + σ σ f 2 2 2 co 1 2 3 1 2 1 3 2 3 y Validación a tensión tanxencial pura: ( ) ( ) τ = σ = σ, σ = 0 σ = τ 2 1+ ν f ν = 03. 1 3 2 co y τ = 0. 62 f valor inseguro, pois τ 0. 56 f y y - Criterio de Von Mises-Hencky. Seguindo as suxestións de Bridgman, este criterio supón que a enerxía de deformación acumulada ata plastificación é invariable e independente do estado tensional que a produza, pero considerando só a contribución do tensor desviador, que da lugar a: 1 2 2 2 σco = ( σ1 σ2 ) + ( σ1 σ3 ) + ( σ2 σ3 ) f y 2 Validación a tracción pura: σ1 0, σ2 = σ3 = 0 σco = σ1 fy OK Validación a tensión tanxencial pura: τ = σ = σ, σ = 0 σ = τ 3 f 1 3 2 co y τ = 0. 577 f 0. 56 f OK y y 35
1.7. Criterios de plastificación - Criterio de Von Mises-Hencky ( ) Expresando nuns eixos calquera (non principais de inercia) e nun plano: σ = σ + σ σ σ + 3 τ f 2 2 2 co x z x z xz y É o criterio aceptado internacionalmente e empregado pola instrución EAE. Segundo a EAE, para comprobar o esgotamento da resistencia dunha sección con criterios elásticos pode empregarse o criterio de Von Mises para o punto crítico da sección transversal: EAE 34.1.1 A EAE tamén usa o mesmo criterio para comprobar o estado límite de plastificacións locais: EAE 41.2 Nota: en moitos casos o criterio de Von Mises é folgadamente conservador ao non considerar posibles aumentos de resistencia por plastificación ou outros factores. 36