Edificación y eficiencia energética en los edificios. ENAC0108

3.2. Estructuras de acero

El acero es un material estructural muy versátil debido a su gran resistencia y ductilidad, lo cual permite que sirva para crear estructuras metálicas muy variadas.

Estructura metálica

Definición

Ductilidad

La ductilidad es una propiedad de los materiales que informa acerca del grado de deformación plástica a la que se puede someter un objeto antes de que se rompa.

Las construcciones realizadas con estructuras metálicas permiten mayores distancias entre pilares y son especialmente interesantes en locales comerciales, edificios industriales y demás estructuras donde no se desee tener pilares intermedios, así como edificios de alturas considerables, sin pilares excesivamente gruesos. De esta manera se consigue maximizar el espacio útil.

Materiales empleados en estructuras metálicas

Los metales más empleados en la construcción de estructuras metálicas son:

1 Acero ordinario: es el más empleado.

2 Acero autopatinable: los aceros autopatinables son muy parecidos a los aceros ordinarios con la excepción de que, en su composición, se incluye una pequeña cantidad de cobre. Estos aceros ofrecen un buen comportamiento frente la corrosión atmosférica, ya que en su superficie está presente una capa de óxido que los protege.

3 Aceros inoxidables: el acero inoxidable se utiliza en estructuras que van a estar sometidas a ambientes agresivos.

4 Aluminio: su utilización en la edificación no está muy extendida y su uso suele estar limitado a la construcción de estructuras y carpas desmontables, ya que el aluminio es un metal muy ligero.

Características mecánicas del acero

Las dos propiedades fundamentales que se tienen en cuenta cuando se diseñan piezas de acero son: el límite elástico y el límite de rotura.

El límite elástico (σE) se define como la carga unitaria aplicada al metal a partir del cual las deformaciones no son recuperables.

Por otro lado, el límite de rotura (σR), también conocido como resistencia a tracción, es la carga unitaria máxima que el acero puede soportar en el denominado ensayo de tracción.

Definición

Ensayo de tracción

En el ensayo de tracción de un material, este es sometido a un esfuerzo axial de tracción. La intensidad de este esfuerzo se va incrementando hasta que se produce la rotura del mismo.

Características tecnológicas del acero

Respecto a las características tecnológicas del acero, las más importantes son:

1 Soldabilidad: la soldabilidad de un acero es la aptitud que tiene para ser soldado sin que se originen fisuras en frío. Por razones obvias, esta es una característica tecnológica de gran importancia de cara a su implantación en cualquier estructura.

Soldaduras en una estructura de acero

1 Resistencia al desgarro laminar: la resistencia al desgarro laminar del acero se puede definir como la resistencia que ofrece frente a la aparición de defectos en piezas soldadas sometidas a esfuerzos de tracción perpendiculares a su superficie.

2 Aptitud al doblado: la aptitud al doblado informa acerca del grado de ductilidad del material y se determina en el ensayo de doblado.

Recuerde

La ductilidad es una propiedad de los materiales que indica el grado de deformación plástica a la que se puede someter un objeto antes de que se rompa.

Tipos de acero

Según la Instrucción EAE, se contemplan las siguientes tipologías de utilizables en perfiles y chapas para estructuras metálicas:

1 Aceros laminados en caliente. Estos aceros no aleados no tienen características especiales de resistencia mecánica ni de resistencia a la corrosión, presentando una microestructura estándar.

2 Aceros con características especiales. Se pueden distinguir las siguientes tipologías de aceros especiales:Aceros normalizados de grano fino para construcción soldada.Aceros de laminado termomecánico de grano fino para construcción soldada.Aceros con resistencia mejorada a la corrosión atmosférica (aceros autopatinables).Aceros templados y revenidos.Aceros con resistencia incrementada a la deformación perpendicular a la superficie del producto.

3 Aceros conformados en frío. El proceso de fabricación de estos aceros consiste en un conformado en frío. Esto hace que adquieran ciertas características específicas relacionadas con la sección y la resistencia mecánica.

Definición

Instrucción EAE

La Instrucción de Acero Estructural (EAE) es una normativa española que establece los requisitos que deben cumplir las estructuras realizadas en acero.

Perfiles

Las secciones o perfiles de acero estructural están estandarizados para optimizar el uso de este material en las estructuras metálicas. A continuación se muestran algunos de ellos:

Perfiles de acero estructural
	Perfil europeo IPE		Sección hueca circular
	Perfil HEB		Sección hueca cuadrada
	Perfil angular doble de lados iguales		Sección hueca rectangular

Aplicación práctica

Imagine que tiene una empresa dedicada a la distribución de alimentos y necesita disponer de una nave para almacenar su producto. ¿Qué tipo de estructura cree que sería más adecuada construir para tal fin, hormigón o acero?

SOLUCIÓN

Lo más adecuado sería decantarse por una estructura de acero. Hay muchas razones que justifican esta elección, siendo una de ellas el hecho de que las construcciones realizadas con estructuras metálicas permiten mayores distancias entre pilares, lo que ayuda a maximizar el espacio útil (algo muy importante en cualquier almacén).

Nave industrial

3.3. Estructuras de madera

La madera es un material que siempre ha estado presente en nuestras vidas. Junto con la piedra, este elemento ha formado parte de la mayoría de las estructuras que se han ido construyendo a lo largo de los siglos, y todavía hoy se sigue utilizando.

Cubierta de madera

Sabía que...

El proceso de obtención de la madera apenas ha variado con el paso del tiempo.

Composición

La madera es una sustancia producida por los árboles. Esto hace que presente ciertas características únicas que la hacen muy diferente a materiales de origen mineral.

Los elementos orgánicos que componen la madera son:

1 Celulosa (40% ~ 50%).

2 Lignina (25% ~ 30%).

3 Hidratos de carbono (20% ~ 25%).

4 Resina, tanino, grasas (5% ~ 15%).

Propiedades

La madera presenta ciertas características que la hacen muy competitiva frente a otros materiales más recientes.

El uso de la madera en la edificación está muy extendido, ya que presenta una serie de ventajas como pueden ser: estética, calidad, resistencia mecánica, comportamiento térmico y acústico, etc. A continuación, se enumeran algunas de las propiedades más significativas de este material.

Anisotropía

La madera puede ser considerada como un material anisótropo, esto quiere decir que no se comporta de la misma manera en todas las direcciones de las fibras que la constituyen.

Resistencia a tracción

Este material ofrece buenas cualidades cuando trabaja a tracción. Esto se debe fundamentalmente a su estructura direccional. La resistencia a este tipo de esfuerzos es máxima cuando las fuerzas son paralelas a sus fibras, mientras que será mínima en el caso en el que los esfuerzos sean perpendiculares.

Recuerde

La tracción es un tipo de esfuerzo que, aplicado a un cuerpo, hace que este tienda a estirarse.

Las fuerzas que hacen que un cuerpo tienda a aplastarse o comprimirse se conocen como fuerzas de compresión.

Resistencia a flexión

La flexión implica esfuerzos de tracción y compresión en las fibras de la madera, por lo que la resistencia en estos casos será máxima mientras que la fuerza ejercida sea perpendicular a sus fibras.

Flexibilidad

La madera es un material que puede ser curvado con relativa facilidad. El grado de flexibilidad que ofrezca dependerá de algunos factores como: la edad del material, la humedad, etc.

Densidad

La densidad de una madera determinada dependerá fundamentalmente del contenido en agua que presente.

Se pueden diferenciar dos tipos de densidades de la madera:

1 Densidad absoluta: es el valor de la densidad de la celulosa y de sus derivados (aprox. 1550 kg/m3).

2 Densidad aparente: es la determinada por los poros y su valor dependerá de la cantidad de agua que contengan.

Recuerde

La densidad de un elemento es la relación (cociente) que existe entre su peso y volumen.

Actividades

4. ¿Cree que un trozo de madera será más denso conforme contenga más agua? Justifique su respuesta.

Dureza

Esta propiedad está directamente relacionada con la densidad que presente la madera en cuestión. Conforme sea más densa también tendrá más dureza.

Conductividad térmica

Una vez que la humedad contenida en los poros se seca, estos quedan llenos de aire en lugar de agua. Esto hace que la madera se comporte como un buen aislante térmico.

Importante

Putrefacción de la madera

A pesar de las muchas ventajas que ofrece la madera, también es importante tener en cuenta los inconvenientes que pueden surgir con su uso. Algunos de ellos son:

1 Combustibilidad.

2 Inestabilidad volumétrica.

3 Putrefacción.

Tipos de madera en la edificación

En este apartado se van a estudiar los tipos de madera que más se utilizan en edificación. Los más usuales son:

1 Madera aserrada estructural.

2 Madera laminada encolada.

3 Madera microlaminada.

4 Tableros estructurales.

Madera aserrada estructural

Este tipo de madera consiste en piezas de madera maciza que se obtienen por aserrado del árbol. Normalmente son escuadradas, es decir, presentan caras paralelas entre sí, con sus cantos perpendiculares a las mismas.

Piezas de madera aserrada estructural

Debido a que la madera aserrada estructural constituye la base de cualquier producto maderero, existen infinidad de aplicaciones a las que está destinado su uso: puertas, ventanas, suelos, revestimientos, fachadas, tabiques, viguetas, etc.

Definición

Cara

Es la superficie de la pieza que presenta una mayor dimensión de la sección transversal.

Canto

Es la que tiene la menor dimensión de dicha sección.

Madera laminada encolada

Consisten en grandes piezas que se obtienen a partir de tablas o láminas de madera de dimensiones no muy grandes comparadas con las de la pieza final (con grosores de alrededor de 4,5 cm).

Piezas de madera laminada encolada

Estas láminas se unen, tanto longitudinal como transversalmente, con colas sintéticas. Para ello, se emplean adhesivos de resorcina, melamina, urea o acetato, aunque únicamente los dos primeros son aptos para su uso en exteriores.

Importante

En el encolado de esta madera, las láminas se han de disponer de manera que sus fibras queden paralelas unas con otras.

Este tipo de madera se suele utilizar en vigas, cargaderos, pilares y demás elementos estructurales en casos en los que se desee cubrir grandes luces.

Definición

Luz

En la arquitectura, se conoce como luz a la distancia horizontal que existe entre los apoyos de un arco, viga, etc.

Madera microlaminada (LVL)

La madera microlaminada o LVL (en inglés, Laminated Veneer Lumber) se fabrica con chapas de madera de espesor reducido (entre 3 y 5 mm), las cuales se encolan en la misma dirección de sus fibras.

Panel de madera microlaminada

Con el fin de mejorar sus características, en ciertos tableros y perfiles especiales se suelen incorporar una serie de chapas encoladas dispuestas paralelamente respecto a la dirección de sus fibras y perpendiculares a las de las chapas de la cara y contra cara.

Debido a su ligereza, uniformidad de sus propiedades y a su gran resistencia, la madera microlaminada es un material ideal para ser utilizado en elementos estructurales, siendo sus aplicaciones fundamentales: vigas, estructuras de carga, escaleras, casas prefabricadas, etc.

Tableros estructurales

Existen varios tipos de tableros estructurales. Los más importantes son:

1 Tableros de madera aglomerada: estos tableros se obtienen por prensado de partículas de madera impregnadas previamente de una resina adhesiva.Tableros de madera aglomeradaLos tableros de madera aglomerada poseen propiedades mecánicas muy parecidas a las de la madera que se utilizó para fabricarlos. Por lo general, no se deterioran ni se encorvan con la humedad ambiental, aunque sí que se estropean al entrar en contacto directo con el agua. Estas piezas se suelen utilizar para elaborar tabiques que se vayan a implantar en zonas secas. También se usan en instalaciones comerciales, muebles, utilería y escenografía.

2 Tableros de madera prensada: estos tableros están fabricados a partir de fibras de madera prensadas y se pueden diferenciar dos tipos: los tableros de alta densidad HDF (High Density Fiber) o Hardboard y los de densidad media MDF (Medium Density Fiber). Estos se describen a continuación:Tableros HDF: se fabrican con fibras de madera prensadas a temperaturas muy elevadas y sin añadir aglomerantes.Tableros HDFTableros MDF: se fabrican prensando a altas temperaturas fibras de madera reciclada de procesos industriales, junto con un añadido de urea formaldehído. Estos tableros consisten en planchas de superficie suave y uniforme, y presentan mayor resistencia, flexibilidad y homogeneidad que la madera aglomerada.Tableros MDFLos tableros MDF son muy utilizados en la industria del mueble y en la construcción gracias a la gran facilidad que tienen para ser trabajados, moldeados, pintados o laminados. Con ellos se pueden conseguir fijaciones y ensambles de extraordinaria firmeza.

3 Tableros de madera contrachapada: estos tableros se obtienen mediante la unión de varias capas de chapas de madera colocadas con sus fibras en un ángulo de 90°, es decir, perpendiculares entre sí. De esta manera se consigue compensar las tensiones internas del material, obteniéndose tableros resistentes y relativamente indeformables.Tableros de madera contrachapadaLos tableros se elaboran con diferentes clases de madera y con dos tipos de adhesivos, según sea el lugar donde se coloquen (para interiores o exteriores). En edificación son muy usados para moldaje, estructuras y revestimientos interiores y exteriores. También se utilizan en mueblería, ya que permiten crear superficies curvas.

4 Tableros OSB: los tableros OSB (Oriented Strand Boards) son piezas estructurales construidas con virutas rectangulares de madera, las cuales, para incrementar su fortaleza y rigidez, se orientan formando capas cruzadas y unidas entre sí. Esto se consigue gracias a la aplicación de una resina fenólica a presiones y temperaturas elevadas. Estas virutas no provienen de residuos de otros procesos de fabricación, sino que se elaboran especialmente con el fin de maximizar el rendimiento del panel.Panel de madera OSBEn la edificación, se utilizan para cubiertas de techos, revestimiento de tabiques, escalas, vigas doble T, etc. Es importante saber que no deben ser usados en exteriores ni en moldaje.

Definición

Sistema de moldaje

Consiste en un conjunto de elementos que tienen el cometido de moldear el hormigón fresco a la forma y dimensiones que se especifiquen, controlando su colocación y alineación dentro de las tolerancias que se exijan.

Estos sistemas constituyen estructuras temporales que son capaces de soportar la carga del propio hormigón fresco, así como las sobrecargas de personas, equipos y demás elementos que se especifiquen.

Actividades

5. Elabore una tabla e indique en ella las ventajas e inconvenientes que supone la utilización del hormigón, acero y madera como materiales en la edificación.

4. Nociones básicas de cimentación en la edificación

A grandes rasgos, la cimentación se puede definir como el conjunto de elementos, presentes en cualquier edificación, que tienen el cometido de transmitir al terreno las cargas que soporta una estructura. Su diseño dependerá fundamentalmente:

1 De las características del edificio.

2 De la naturaleza del terreno.

Sabía que...

Una cimentación mal ejecutada, planificada, diseñada o calculada puede hacer que, tanto el edificio como las fincas adyacentes, sufran deterioros muy graves.

Grietas en edificios debidas a una mala cimentación

Por lo general, se puede afirmar que existen dos tipos de cimentación según sean los tipos de esfuerzos que van a soportar: de compresión pura o compresión y tracción. Esto influirá en el tipo de material que se empleará para constituir la cimentación.

Las cimentaciones que únicamente soportarán esfuerzos de compresión se usan en estructuras de escasa complejidad que están basadas fundamentalmente en muros de carga. Para este tipo se suele utilizar hormigón sin armadura, siendo el hormigón armado el material que se usa para construir las cimentaciones en el resto de los casos.

Obra de cimentación

Definición

Muro de carga

Paredes que soportan otros elementos de la construcción.

Existen dos tipos fundamentales de cimentación: las cimentaciones superficiales y las profundas. A continuación veremos detalladamente en qué consisten.

4.1. Cimentaciones superficiales

En el caso en el que debajo de la estructura que se va construir, el terreno presente características técnicas y económicas adecuadas para cimentar sobre el mismo, la cimentación a ejecutar será la superficial o directa. Estas cimentaciones están constituidas por: zapatas, vigas y placas.

Importante

Antes de elegir el tipo de cimentación a ejecutar, y como tarea previa a la redacción del proyecto correspondiente, es necesario realizar un estudio geotécnico del suelo para determinar el tipo de cimentación a utilizar.

Zapatas

Una zapata consiste en una extensión de la base de una columna o muro que tiene la misión de transmitir la carga al subsuelo a una presión adecuada según sean las características del terreno.

Zapata

Las características que debe tener cualquier zapata son las siguientes:

1 Deben transmitir las cargas al terreno a través de sus elementos estructurales.

2 Deben repartir uniformemente las cargas para que no se sobrepasen las tensiones superficiales del terreno.

3 No deben tener dimensiones dispares. Esto evitará que se produzcan asientos diferenciales.

4 Deben quedar ocultas.

Definición

Asientos diferenciales

Consisten en cedidas irregulares que puede sufrir la estructura de una edificación y pueden dar lugar a que se produzcan efectos muy graves.

Actividades

6. ¿Qué efectos negativos cree que pueden producirse en una estructura (y en sus alrededores) debido a la aparición de asientos diferenciales?

Existen muchos tipos de zapatas, las cuales se diferencian atendiendo a dos criterios de clasificación fundamentales:

1 Según la forma de trabajo:Aislada.Combinada.Corrida o continua.Arriostrada o atada.

2 Según la forma en planta:Rectangular.Cuadrada.Circular.Anular.Poligonal.

A continuación se describirán brevemente algunos de estos tipos.

Zapata aislada cuadrada

El elemento que transmite las cargas en este tipo de zapata es un pilar, ya sea de hormigón o acero. El pilar partirá siempre desde el centro de la base de la zapata.

Cuando los pilares son de hormigón armado es necesario dejar en la zapata una armadura vertical saliente (conocida como armadura de espera) para unirla con la armadura del pilar. De esta manera se producirá la transferencia de esfuerzos desde el pilar hasta la zapata. Cuando los pilares sean metálicos no existirá esta armadura de espera.

Zapata aislada cuadrada

Recuerde

El hormigón armado es el resultado de unir adecuadamente hormigón con armaduras de acero. Esto da lugar a estructuras que resisten acciones que provocan esfuerzos de compresión y de tracción.

Zapata corrida o continua

La zapata corrida o continua es un tipo de zapata que se utiliza, por lo general, para cimentaciones de muros de hormigón armado. Por lo tanto, el elemento estructural encargado de transmitir los esfuerzos en este caso será un muro en lugar de un pilar, ejerciendo una carga de tipo lineal a la zapata.

Zapata corrida

Zapata combinada

Estas zapatas se caracterizan por soportar dos o más pilares. Se suele optar por esta solución en los casos en los que se tengan columnas muy juntas y, al calcular el área de las zapatas, se obtiene como resultado que sus áreas se superponen.

Zapata combinada