Fotos y esquemas: cortesía Jaír Antonio Cárdenas Ramírez
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Vigas
siderúrgicas o laminadas Por Ing. Jaír Antonio Cárdenas Ramírez
De la resistencia, peso, forma y composición química del material dependen sus diferentes usos y aplicaciones. Particularidades del proceso de fabricación.
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Proceso de Rolado de Vigas Siderúrgicas (Tren de acabado) Inicio de laminación
Laminación intermedia
vigas estándar americanas
Laminado final
b ss
45° r2
r1 Palanquilla
d
h y Proceso de deformación
Conformación de sección
Ajuste de espesores, alto y ancho
tw
tf
Rodillo horizontal
b 4
Rodillo vertical
z
Vigas S o IPN
L
os perfiles laminados, como también se conocen en el mercado, se obtienen por la deformación plástica a través de cilindros o rodillos verticales y horizontales, los cuales originan fuerzas de compresión sobre el material fundido. La exposición uniforme del metal al calor es fundamental, pues de ello depende que no se presenten problemas de agrietamientos y roturas por posteriores esfuerzos residuales. Durante el proceso de elaboración, se forman los contornos de la sección transversal a partir de la palanquilla (material inicial cuadrado o rectangular), una transformación gradual que resulta de la acción del tren de laminación. Es aquí donde las vigas toman el nombre que les corresponde de acuerdo con su forma: perfil en I o H, en L (ángulos), en doble T, canales en U, chapas, láminas, platinas y barras, entre otros. Para lograr los espesores y anchos requeridos para los diferentes tipos de vigas siderúrgicas, el procedimiento de laminación se divide en tres etapas: 1. Trenes de desbaste: se desbastan los lingotes en caliente para transformarlos
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b ss
en desbastes de sección cuadrada (palanquilla) o rectangular. Las dimensiones de los productos obtenidos en estos trenes oscilan entre 130 y 140 mm de espesor y entre 130 y 550 mm de ancho. 2. Trenes de palanquilla: en esta fase se lamina el material procedente de los trenes de desbaste y se transforma en productos de secciones cuadradas de 40 a 125 mm (palanquilla) o de sección rectangular con dimensiones de entre 11 y 125 mm de espesor y de 200 a 600 mm de ancho (llantones). 3. Trenes de acabado: se obtienen productos a partir de los conseguidos en los trenes de palanquillas. Dependiendo de la forma de los cilindros, pueden obtenerse chapas, platinas, barras macizas y perfiles I, entre otros. Es necesario hacer una distinción entre las vigas estándar americanas, conocidas como S (IPN), y las de patín ancho llamadas W o WF (IPE o HEA), pues ambas tienen la forma de I. La diferencia radica principalmente en que la parte interna del patín o ala de una sección W es recta, mientras que la parte interna de los patines de una sección S tiene una inclinación o pendiente de relación 1 a 6.
45°
r
d hi
y
h
tw
tf
z
Vigas W o IPE
b ss
45°
r
h
y
d hi tw
tf
z
Vigas WF o HEA
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Calidades de acero Las propiedades del acero pueden cambiarse o mejorarse variando las cantidades o porcentajes de carbono (aceros al carbón) y añadiendo otros elementos como manganeso, silicio, níquel y molibdeno (aceros aleados). Los aceros al carbón son los que resultan de una aleación de mineral de hierro (97 %), carbono (0,06 – 0,25 %), y otros componentes como azufre, fósforo, manganeso, silicio. El carbono es el elemento que otorga resistencia al acero, pero del porcentaje usado en la aleación dependen las propiedades mecánicas, el índice de fragilidad y la tenacidad y ductilidad del metal. Los aceros aleados, además de los componentes básicos como el carbono, manganeso, silicio, fósforo y azufre, pueden formar aleaciones con cromo, níquel, columbio, vanadio y molibdeno, con el objetivo de mejorar la resistencia mecánica, la resistencia a la corrosión, la durabilidad y la dureza. Los porcentajes máximos tanto de los aceros estructurales de carbono como de los aleados se especifican en las normas ASTM. Las vigas siderúrgicas funcionan muy bien en zonas sísmicas por su gran rigidez y ductilidad. Además, las conexiones entre una viga y otra son más sencillas de diseñar, detallar y construir que en otros elementos, una cualidad presente
Aplicaciones
especialmente en los perfiles I y W. Estos últimos son altamente recomendados en edificios de gran altura, pues su amplia gama permite una fácil transición de un nivel a otro en la sección de las columnas, lo que significa importantes ahorros en peso de estructura y costos.
• Edificios residenciales, institucionales, comerciales y oficinas de gran altura • Edificios industriales como bodegas y centros de acopio • Edificios para parqueaderos • Sistemas de entrepiso, mezzanines y escaleras • Reforzamiento de estructuras y estructuras para ascensores • Puentes vehiculares y peatonales • Vigas carrilera y puentes grúa • Estructuras de fachada y cubierta
Algunos tipoS de conexiones viga-columna precalificadas
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Camino a la estandarización Los primeros perfiles siderúrgicos fueron laminados en Estados Unidos en 1884, y tan solo un año después ya eran usados en grandes obras como el Home Insurance Company, en Chicago. Este proyecto de 42 metros de altura, concebido por William Le Baron Jenney, fue el primer rascacielos construido en estructura reticular, rompiendo con el tradicional sistema de muros de carga en ladrillos de gran espesor.
Normatividad Existe un gran número de aceros estructurales, los cuales se clasifican según las normas ASTM conforme a su resistencia y aleación. Los siguientes son los más usados en la industria: • Acero ASTM A36 (fy 36 000 psi, 250 Mpa): es un acero al carbón, que fue el más utilizado en la construcción de edificios, puentes y estructuras soldadas y atornilladas. La baja resistencia y desempeño sísmico, y el alto costo de sus conexiones disminuyeron su demanda en obras de gran infraestructura. • Acero ASTM A572 Grado 50 (fy 50 000 psi, 345 Mpa): es un acero aleado con un bajo porcentaje de columbio y vanadio. De alta resistencia, su uso se recomienda específicamente
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para edificios y otros sistemas soldados y atornillados, exceptuando puentes, ya que para estos se recomienda usar aceros con fy mayor a 60 000 psi. • Acero ASTM A992 Grado 50 (fy 50 000 psi, 350 Mpa): esta especificación aplica para perfiles W (ala ancha), los cuales tienen una buena ductilidad y soldabilidad, y se utilizan en edificios y puentes con requerimientos sísmicos. Sustituyeron a los aceros A36 y A572. • Acero ASTM A588 Grado 50 (fy 50 000 psi, 350 Mpa): es un acero aleado con cobre y níquel. Esta especificación aplica para aceros con fy mínimo de 50 000 psi. Se caracteriza por dejar una capa de óxido denso y duro como agente protector a la corrosión. Es utilizado en la construcción de puentes.
Gracias a la edificación de este referente arquitectónico y a los aportes hechos por el arquitecto e ingeniero norteamericano, las construcciones de gran altura se convirtieron en una tendencia que permaneció por los siguientes cien años. Durante el periodo de ese boom constructivo, diversas laminadoras fabricaron sus propias vigas y publicaron catálogos con las dimensiones, pesos y otras propiedades de esas secciones. En 1896, la Asociación Americana de Fabricantes de Acero, actualmente llamada Instituto Americano del Hierro y el Acero (AISI), realizó los primeros esfuerzos para estandarizar los perfiles estructurales, por lo que hoy la mayoría están tipificados y regulados por normas internacionales.
FUENTES 1. Nippon Steel & Sumitomo Metal 2. Arcelor Mittal
Jaír Antonio Cárdenas Ramírez Ingeniero civil especializado en Diseño de Estructuras de la Universidad Nacional de Colombia y director del Área Técnica y Proyectos del Consorcio Metalúrgico Nacional Ltda. (Tubos Colmena).
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