EL FIERRO EN LA CONSTRUCCION CIVIL

INTRODUCCIÓN

El presente informe muestra un minucioso estudio realizado acerca de la aplicación de fierros en la construcción civil, así como también las diferentes aplicaciones que tienen estas en la obra de construcción de ambientes administrativos académicos que se visito el día sábado 25 de junio en la Universidad Nacional Mayor De San Marcos.


EL FIERRO
RESEÑA HISTORICA DEL USO DE ACEROS EN LA CONSTRUCCION CIVIL

El perfeccionamiento de los métodos de producción industrial de los materiales ferrosos fue, quizá, el acontecimiento más importante de todos los producidos en la gran revolución industrial del siglo XIX
Una manifestación memorable de ese acontecimiento fue la Exposición Universal de París de 1889, que marcó el triunfo de las construcciones metálicas. La construcción que deslumbró al mundo y marcó el verdadero punto de partida en la historia de las construcciones fue la Torre Eiffel. Después de ella se han construido muchos edificios de gran tamaño y notable alarde técnico, pero ninguno la superó en su atrevimiento innovador. Lo que le sucedió a esta torre, fue el proyecto realizado también por Eiffel, la Torre de París, en el Campo de Marte, integrando la Exposición Universal destinada a festejar el primer centenario de la revolución.
Después de construido esta torre se consideró que todos los demás prodigios eran realizables y se proyectaron obras metálicas de todos los géneros. Se construyeron edificios de varios pisos para depósitos, oficinas y casas-habitación, empleando esqueletos completamente de acero. En Norteamérica las construcciones con esqueletos metálicos tuvieron y siguen teniendo gran difusión. Nacieron así numerosos edificios de gran altura llamados rascacielos. Los más célebres son el Woolworth Building, el rascacielos Chrysler y el Empire State Building, todos ellos construidos en Nueva York. La difusión de dichas construcciones ha obligado a los estudiosos a elaborar métodos de cálculo adaptados a las estructuras de muchos pisos, como así también al uso del ordenador o computadora para facilitar los mismos. A fines del siglo XIX, mientras con las grandiosas manifestaciones de París se celebraba la victoria del hierro, comenzaba ya a difundirse un nuevo sistema de construcción que permitía asociar el hierro al cemento. En Francia, después de las primeras y tímidas tentativas de Monnier, se pasó bien pronto a las notables construcciones de Ennebique, y el sistema s difundió rápidamente. Estas estructuras no pueden considerarse como rivales de las de acero porque exigen un notable empleo de hierro para la armazón. Pero el sistema constructivo llamado de “hormigón armado” obtuvo muy pronto el favor de los constructores, porque permite obtener casi las mismas cualidades de resistencia y audacia de las estructuras metálicas conservando, además, la monumentalidad de las construcciones con muros. En Italia, al ser proclamada la autarquía, en 1935, el hierro quedó prohibido y se construyeron en hormigón armado hasta los rascacielos, contra toda conveniencia, como es fácil de constatar si se tiene en cuenta que en una construcción de ese tipo la sección de las pilastras en la base se hace tan grande que absorbe una parte considerable de la superficie utilizable en los pisos bajos. En Bari, excluyendo las industrias para los cuales se han construido numerosos galpones metálicos, puede afirmarse que el empleo de los esqueletos de acero para las construcciones civiles se reduce a dos casos: el palacio del Renacimiento y la sede actual del

U.P.I.M; y el de la casa del estudiante, de 10 pisos, con un ala enteramente construida en esqueleto metálico. En las últimas décadas, la situación ha cambiado mucho, y la elección entre ambos sistemas se inclinó mucho hacia el hormigón (en nuestro medio), debido al alto costo del acero en la construcción

ELABORACIÓN DEL HIERRO

Los hierros empleados en construcción se obtienen por los procedimientos de laminación, forja y molde. Predomina el uso de los hierros laminados, como perfiles para vigas, viguetas, correas, columnas, cabriadas, y como parte integrante del hormigón armado, en el cual se emplea en barras de sección redonda. Se aplica también y con muy variadas formas, en sinnúmero de casos (chapas lisas, y onduladas, carpintería metálica, etc.).
Laminado: consiste en el estirado y comprensión del hierro por medio de dos cilindros que giran en sentido contrario y al igual velocidad, procedimiento que también permite aumentar la compacidad del metal. La máquina que trabaja con dos rodillos es llamado dúo. En ella cuando ha pasado el metal, se lo debe hacer pasar nuevamente entre los rodillos para repasarlos hasta conseguir el espesor conveniente, lo cual es largo y engorroso. Se trató de simplificarlo haciendo que los rodillos puedan invertir el sentido de la marcha, con lo cual se mejoró algo. La solución fue dada al colocar un tercer rodillo, trabajando a trío, con lo cual el metal pasa entre los dos primeros y se repasa entre el segundo y tercero sin interrumpir la marcha. El proceso de laminación requiere una serie de pasadas del metal por las laminadoras, tantas veces cuanto más complicados sean los perfiles. De acuerdo a dichos perfiles hay rodillos con su eje horizontal y otro vertical. Cuando se disponen escalonados y graduados los calibres, se compone de lo que se llama un tren de laminado. El hierro, como es de suponer, se lamina calentando al rojo; de esta manera va tomando las formas que le transmiten los rodillos, tratando de hacerlo antes de que se enfríe, en cuyo caso debe ser nuevamente calentado. Los cilindros afectan la forma que debe tener el hierro laminado. Así, por ejemplo, si se trata de una chapa ondulada, los cilindros laminadores tienen la forma y radio de la onda a fabricar; si es lisa, también lo son los cilindros. Para fabricar los alambres se emplean los rodillos de contacto, los cuales dejan solamente las ranuras cada vez menores por donde pasa el hierro al rojo blanco; el diámetro mínimo que se obtiene es de 5 mm, y para obtener los de diámetro menor se parte de éstos, haciéndolos pasar por orificios troncocónicos cada vez más chicos y se van enrollando en carretes.
Forja. Consiste en dar forma por presión o golpes con el martillo, martinetes, máquinas especiales o bien simplemente con prensas. Los lingotes se calientan y se los somete a la acción de martinetes, los cuales elevando martillos por medio de vapor o aire comprimido, los dejan caer desde cierta altura, que depende, así como el peso del martillo, del trabajo a ejecutar. El forjado transmite al hierro una estructura compacta y fibrosa. Fundición o moldeo. Consiste en verter los metales al estado líquido en moldes, donde se enfrían y solidifican, conservando inalterablemente las formas que les dan dichos moldes. Los moldes son hechos con arenas refractarias húmedas, empleando moldeos de madera con la forma que debe tener la pieza a reproducir. Retirando el moldeo se vierte el metal, el cual llenará el espacio vació que viene a formar el negativo de la forma; luego se cubre con arena para evitar que se enfríe rápidamente, lo que podría rajarlo. Una vez frío, solidificado, se retira, quedando solamente una cara perfectamente lisa, la superior; las otras quedan rugosas, debido a los granos de arena. El uso de las fundición es menor hoy en día que de forja y laminado, pese al auge que tuvo en el pasado. Se usa exclusivamente para la fabricación de caños cloacales, rejillas, balcones y columnas de alumbrado. Los caños de fundición pueden moldearse horizontal o verticalmente; en esta última forma resultan mejores, porque el peso propio de la masa los hace más compactos, evitándose así las sopladuras, y resulta más fácil el manejo de moldes. Los caños se fabrican con sus extremos dispuestos para la conexión en forma de enchufe o cordón; los codos con curvas a 45° y a 90° con tapa de inspección, codos de apoyo y tapa de inspección para bajadas verticales, los ramales a 45° con tapa de inspección, todo en hierro fundido o colado, y a veces centrifugado. Las columnas de alumbrado se fabrican de una sola pieza cuando son chicas; las grandes, en tres partes: base, fuste y capitel.

APLICACIÓN DE FIERROS EN LA OBRA visitada

Uno de los materiales mas utilizados en la edificación de obras es el acero y dentro de ellos el fierro. Este material es uno de los mas importantes pues es en base a fierros que se hace el esqueleto de una estructura, como zapatas, columnas, columnetas, vigas, dinteles, placas, viguetas, etc.



La columna: son estructuras hechas en base a fierros, concreto, etc. Estas columnas deben tener en su estructura estribos que son fierros doblados en forma cuadrada o rectangular o según el tipo de columna que se quiera construir. Además estos estribos deben estar amarrados a las columnas por medio de alambres y deben tener una separación de 20 a 25 cm. en la parte central de la columna y una separación menor en los extremos de las columnas.

Las placas: son estructura hechas en base a fierros , alambres, concreto, etc. y que tiene la forma de una columna pero alargada cuya función principal es soportar cargas y fuerzas cortantes. Los fierros que tienen las columnas deben tener una separación de entre 20y 25 cm.


Las vigas: Las vigas son piezas de madera, hierro u hormigón armado, que se colocan horizontalmente dentro de la estructura, se apoyan en dos puntos y están destinadas a soportar cargas. Las vigas están sometidas a esfuerzos de flexión, por lo tanto los materiales con los que se construyen tienen que soportar esfuerzos de tracción y de compresión al mismo tiempo. Como ningún material es totalmente rígido, las vigas tienden a doblarse, y así la mitad superior se comprime y la mitad inferior se tracciona.
Las vigas se emplean fundamentalmente en la construcción de grandes puentes y edificios de todo tipo, permitiendo la realización de grandes zonas voladas. En la construcción de edificios, las vigas sirven de apoyo a las viguetas, que son vigas más pequeñas en las que se sujetan elementos de cerámica y hormigón para formar los forjados que dan lugar a los suelos de las distintas plantas.

ESCALERA: Es una construcción diseñada para unir diversos espacios situados en varios niveles en vertical, dividiéndolo en alturas reducidas con un lugar para poner el pie, llamadas escalones

La estructura de estas hecha a base de concretos y fierros armado en forma de malla.




Los dinteles: son estructuras hechas de fierro y concreto, parecidas a las vigas pero son de menor tamaño. Estas se ubican por encima de puertas y ventanas.

DESVENTAJAS DEL USO DE FIERROS EN ESTRUCTURAS
Como se puede ver los fierros son de mucha utilidad en la construcción de estructuras de una edificación sin embargo el uso de estas estructuras también posee algunas desventajas, una de ellas es que los aceros no soportan altas temperaturas.
El acero de los incendios
El acero estructural tiene muy buenas cualidades, como son su alta resistencia, homogeneidad en la calidad y fiabilidad de la misma, soldabilidad, etc., necesitando poca inspección y pudiéndose hacer ésta a posteriori (al contrario que el hormigón armado), resultando en definitiva fácil y rápido el montaje de las estructuras.
El acero da una falsa sensación de seguridad al ser incombustible, pero sus propiedades mecánicas fundamentales se ven gravemente afectadas por las altas temperaturas que pueden alcanzar los perfiles en el transcurso de un incendio.
Densidad del acero
La densidad del acero es prácticamente independiente de la temperatura. Su valor permanece en 7.850 kg/m3.
Diagrama tensión-deformación
La correspondencia entre tensión aplicada y deformación obtenida se ve alterada con el aumento de temperatura interna del perfil. En los gráficos de la figura 1 puede comprobarse que, por ejemplo, en un acero A-42-b a 600° de temperatura interna, aplicándole una tensión de 400 kg/cm2, se obtiene la misma deformación que aplicándole 2.600 kg/cm2 a 20° de temperatura. Fig. 1: Diagrama de tensión del acero

Variación del límite elástico
Con el límite elástico (valor de las tensiones de trabajo a partir del cual las deformaciones que sufre la pieza son permanentes y no recuperables una vez cesada la actuación de la carga) ocurre algo parecido: al incrementarse la temperatura del perfil, el límite elástico desciende notablemente.
Variación de la conductividad térmica
La conductividad térmica del acero disminuye con la temperatura hasta los 750°C, permaneciendo prácticamente constante por encima.
Dilatación térmica
Como es bien sabido, un aumento de la temperatura en un elemento de acero provoca un aumento en la longitud del mismo. Este aumento en la longitud puede valorarse por la expresión: δL = α δ t° L, siendo a el coeficiente de dilatación, que para el acero vale aproximadamente 1,2 · 10-5 (es decir α = 0,000012).
Si existe libertad de dilatación no se plantean grandes problemas subsidiarios, pero si esta dilatación está impedida en mayor o menor grado por el resto de los componentes de la estructura, aparecen esfuerzos complementarios que hay que tener en cuenta.
Así por ejemplo, en el pórtico representado en la figura 2, el dintel ha experimentado un incremento de temperatura δ t° que le ocasiona un incremento total de longitud δ L.




Fig. 2: Esfuerzos provocados en un pórtico por la dilatación térmica del dintel
Los pilares se resisten a este aumento de longitud, lo que provoca un empuje en su cabeza Ft que crea en su base un momento flector Ft · h. A su vez la viga sufre un esfuerzo axial de compresión Ft.
Conclusiones
Las conclusiones que se derivan de lo expuesto son las siguientes:
El acero es incombustible, pero el aumento de su temperatura supone importantísimas pérdidas en su capacidad mecánica.
Suele denominarse temperatura crítica aquella en la que la capacidad mecánica del elemento estructural desciende por debajo de la necesaria para soportar las cargas que actúan sobre él.
En contraposición, carga crítica es la que puede soportar un elemento estructural a una determinada temperatura y de acuerdo con el cuadro de capacidades mecánicas que presenta a esa temperatura.
Que un elemento estructural de acero alcance la temperatura crítica en un tiempo determinado depende, además de factores que consideraremos fijos (carga de fuego, aberturas, etc.), de la superficie que expone al fuego y de la sección o espesor del perfil, denominándose factor de forma a la interrelación entre ambos.
Por este motivo, piezas de gran sección se muestran más estables (permanecen más tiempo en "pie") que piezas de poca sección, como suelen ser las cerchas, vigas de celosía, etc.
A igualdad de sección, la absorción de calores más lenta en perfiles tubulares o en cajón que en secciones abiertas.
La dilatación producida por la elevación de temperatura en elementos lineales puede contribuir al derrumbe o colapso de la estructura.
Ya se ha visto el caso de un pórtico metálico. Otro caso típico es el de la viga de gran luz apoyada en un muro de fábrica de ladrillo. La dilatación de la viga ocasiona un empuje que se suma a la deformación experimentada por el muro curvándose hacia fuera (fuego interior).
Otro aspecto importante que interviene en la estabilidad de la estructura considerada como conjunto es la continuidad de la misma.
Una estructura de nudos rígidos o de vigas continuas resulta siempre más estable que otra puramente isostática. La razón está en que se produce una rótula plástica o articulación en el punto de la viga donde se alcanza la temperatura crítica, convirtiéndose las vigas continuas en una especia de vigas Gerber, quedando posiblemente inutilizadas a efectos de uso posterior, pero permaneciendo en su sitio más tiempo que si se tratasen de vigas simplemente apoyadas, y esto es de lo que se trata.
El acero enfriado recupera gran parte de su resistencia inicial, aunque es un problema delicado dictaminar si la estructura puede seguir en servicio, siendo en muchas ocasiones la imposibilidad de corregir las deformaciones el factor determinante de desecho.
Acero
Los principales defectos que puede presentar un acero para hormigón armado, son fundamentalmente:
· Las impurezas.
· Los defectos superficiales.
· La corrosión superficial.
Corrosión del acero

Entre los fenómenos que afectan de forma negativa a las armaduras del hormigón armado, encontramos los que son producidos por los efectos de la humedad. Estos fenómenos, como la corrosión y la acritud afectan a las barras de acero en contacto con el medio ambiente.
· La acritud en las barras de acero no suele ser un fenómeno muy importante, pero en aceros de pretensados puede ser determinante. Es un fenómeno que se produce por la introducción de hidrógeno en el cuerpo del acero. El hidrógeno puede introducirse y atacar al acero debido a un proceso de decapado del hierro en ácidos o bien por estar expuesto en un ambiente que contenga gases como el cianhídrico, sulfhídrico, etc. Las barras de acero afectadas por la absorción de hidrógeno se vuelven frágiles y se rompen ante la mínima solicitud de tracción.
· La corrosión se produce por la formación de óxido de tipo laminar que al ser expansivo puede generar la rotura del hormigón circundante.
El deterioro del acero afecta al aspecto, a la sección y por consiguiente a la resistencia de dicho material.
Protección
En los hormigones, la corrosión se produce en las barras de acero, por lo cual la protección de las mismas es de gran importancia. Esta se realiza por medio del recubrimiento y por la incorporación de productos industriales que impidan el paso de humedad por capilaridad al interior de la masa del hormigón.
La disminución de la sección de las barras de acero del hormigón por el efecto de la corrosión afecta decisivamente su resistencia mecánica, por lo tanto las armaduras en el hormigón armado deben estar protegidas por el recubrimiento.
La alcalinidad del hormigón permite la formación sobre la superficie del acero, de una película pasivadora. Una vez que se ha formado esta delgada película de oxígeno y debido a su baja permeabilidad, evita el desarrollo del proceso electroquímico. Esta película es muy sensible con lo cual puede destruirse fácilmente si el hormigón es permeable, ya que el CO del aire puede entrar y reaccionar con el Ca, reduciendo la alcalinidad del hormigón