Para garantizar la seguridad estructural de cualquier estructura se deben cumplir todos los estados límite de falla establecidos en las especificaciones de diseño estructural en acero tales como el AISC, las NTC de la Ciudad de México y el código ASCE. Además del estado límite de falla es importante que se cumpla también el estado límite de servicio el cual tiene más en consideración en las condiciones funcionales del edificio.

Los diferentes tipos y calidades de acero ayudan a que los miembros que constituyen una edificación no lleguen a tener fallas como fluencia, pandeo, rupturas, etc., para el estado límite de servicio es indistinta la calidad del acero, en este caso la rigidez de los materiales es la que aporta a contrarrestar los desplazamientos ocasionados por cargas gravitacionales en el caso de trabes y vigas y los desplazamientos laterales producto de las cargas accidentales en el caso de las columnas.

 

El comportamiento de una estructura dependerá de los criterios de estructuración que se tengan. Una estructura totalmente contraventeada siempre resultará más económica que una estructura que depende totalmente de los marcos para resistir las fuerzas laterales producidas por cargas accidentales, en el caso de los marcos rígidos además deberemos cumplir con el criterio de columna fuerte y trabe débil, el cual consiste en que los elementos verticales denominados columnas permanezcan en pie durante el proceso de falla de los sistemas permitiendo así un mayor factor de seguridad en las edificaciones.

Para poder establecer un criterio de estructuración contraventeada se deberá estudiar el proyecto arquitectónico y siempre que se pueda se determinará en que posición deberán incluirse dichos dispositivos. En los edificios de tipo industrial es complicado colocar dichos elementos en los ejes interiores ya que con ello se entorpecen los flujos de operación que dependen del destino propio de la edificación. Por eso, las columnas serán las responsables de garantizar que la edificación permanezca dentro de los límites de servicio establecidos en las especificaciones de diseño estructural.

 

Existen diversas secciones estructurales que pueden ocuparse como columnas, tales el caso de los perfiles OR los cuales tienen gran ventaja sobre otras secciones ya que la rigidez que aportan en ambos sentidos de trabajo es igual o muy similar, pero, para garantizar que las estructuras funcionen de acuerdo con un modelo ideal de estructuración con este tipo de secciones deberán desarrollarse conexiones que en la mayoría de los casos encarecen su fabricación cuando es necesario colocar diafragmas por el interior de ellas. Debido a lo anterior, los perfiles IR tiene ventaja por la sencillez con la que se convierten en estructuras, agregándole valor al desarrollo de conexiones debido a que son secciones abiertas y se puede dar continuidad sobretodo en conexiones de trabes con columnas que son rígidas, sin embargo, se encuentran limitadas para poder cumplir con estado límite de servicio debido a su baja rigidez en su sentido débil de trabajo siendo las secciones H las que más convienen para desarrollarse como columnas.

Con los avances tecnológicos en los procesos de los talleres que se dedican a la fabricación de estructuras se han estudiado diversas maneras de cómo hacer productivos sus procesos y uno de los que últimamente se desarrollan es el colocar dos perfiles IR termo fusionados con soldadura para generar secciones IR que son más económicas pero que se acerquen a las secciones huecas siendo una gran ventaja el duplicar sus propiedades geométricas en su sentido débil, este sistema se ha implementado en varios proyectos en los talleres de ESJ, empresa fabricante de componentes estructurales que se convierten sobretodo en edificios industriales. Con este sistema se logran beneficios no únicamente en cumplir con el estado límite de servicio, sin no que también se logra bajar el peso general de las estructuras optimizando los volúmenes de acero necesarios para cumplir con el estado límite de falla.

 

El comportamiento de este tipo de columnas no está definido propiamente en ningún capítulo del AISC, aunque podrán ocuparse las revisiones de las secciones huecas de tipo OR ya que al unirlas entre sí adoptan una especie de cajón con patines no atiesados en alguna parte de la sección las cuales deberán tratarse como lo establecen las de tipo IR. Esto se ha definido en varios proyectos estructurales dentro de la república mexicana, ESJ ha fabricado y suministrado la mayoría de estos proyectos, las fotografías presentadas son de los talleres de ESJ ubicados en Chihuahua, Chihuahua y Juventino Rosas Guanajuato.

Las ventajas obtenidas por el desarrollo de este tipo de secciones se resumen en lo siguiente:

• Menor costo en secciones de columnas debido al menor costo comparado con otras soluciones a pesar de su mayor peso.

• Procesos de fabricación simple, ya que la soldadura es intermitente.

• Mejor comportamiento en relación con el cumplimiento de los estados límite de falla y los estados límite de servicio.

• Menor tiempo de producción comparado con las secciones formadas por placas, esto se traduce en mayor volumen producido en los talleres, lo que ocasiona optimización en todos los demás recursos.

 

 

Autores: Nina Casas Guzik, Pablo Arredondo Vera.

Orígenes del Acero.

La palabra Acero provienen del latín aciarius, y éste a su vez de la palabra acies, que denomina el filo de un arma blanca. En la antigüedad el acero se usó sobre todo en la fabricación de armas punzocortantes, así como en herramientas de corte. Los orígenes del acero son en gran medida desconocidos por nosotros, sin embargo, se han encontrado algunas piezas de cuchillos en Kaman-Kalehöyük, Anatolia, actual Turquía, con más de 4,000 años de antigüedad, así como ejemplos casi tan antiguos provenientes del este de África, China y de la península ibérica. Tal es el caso de las falcatas que se producían en la Iberia pre-romana y eran codiciadas por romanos y cartagineses por igual, o también, las famosas dagas de Damasco o las katanas japonesas.  

Una vez que los hombres de la Edad de Hierro descubrieron las cualidades de este material, comenzaron a desarrollar nuevas técnicas como el templado, método que consistía en enfriar rápidamente el hierro con agua o aceite para incrementar su dureza.   

_{Ilustración 1. Falcata y otros elementos iberos. Museo Arqueológico de Villena. Alrededor del siglo IV a. C.} 

Procesos siderúrgicos 

Durante la antigüedad se generaron diversos procesos para producir acero en los distintos focos siderúrgicos que aparentemente se desarrollaron de manera independiente. Estos procesos siderúrgicos preindustriales o artesanales se pueden clasificar en dos grupos. Por una parte, están aquellos que se llevaban a cabo dentro de un horno bajo, y por otro lado aquellos que se hacían en crisoles. 

El proceso general para la producción de cualquier acero es la conversión del óxido de hierro en hierro. El hierro no se puede encontrar puro en la naturaleza debido a que con la presencia del oxígeno de la atmósfera se oxida, y por ello, los métodos de extracción de hierro puro tienen su origen en la eliminación del oxígeno en el óxido del hierro. El método básico para lograrlo consiste en calentar el óxido de hierro en presencia de carbón, lo que al combinarse con el oxígeno proporciona dióxido de carbono y le da al hierro cierta pureza, aunque con altas concentraciones de carbono.   

Horno Bajo 

Un horno bajo es capaz de transformar el mineral de hierro extraído de la naturaleza en metal apto para la forja de armas y otros objetos. Estos hornos de reducción estaban dispuestos al aire libre y se caracterizaban porque en sus diversos procesos productivos intervenía directamente la fuerza humana. Los hornos empleados eran de tamaño reducido y por lo general semi-excavados en el suelo. Alcanzaban aproximadamente un metro de altura y su diámetro interior rondaba entre los 40 y 70 centímetros aproximadamente. Estaban construidos con piedras areniscas y arcilla y podían presentar, o no, un agujero o dama inferior para la salida de escorias. Estos hornos aparecieron a comienzos de la Edad de Hierro, aunque se han encontrado herramientas de hierro de épocas anteriores. Su gran concentración de níquel señala que se trata de hierro de asteroides o meteoritos. 

Acero de crisol 

El acero de crisol es un tipo de acero elaborado mediante diferentes técnicas caracterizadas por el lento proceso de calentamiento y enfriamiento del hierro puro en un crisol, siempre en presencia de carbono. El crisol es el contenedor en el que el metal se funde generalmente a temperaturas mayores que los 500°C. Los crisoles se encuentran al interior de los hornos y se elaboran a menudo con grafito y barro para lograr la unión entre ambos materiales. Tradicionalmente se añadía una cierta cantidad de carbón en el crisol, carbón mineral o vegetal durante el procedimiento. 

Acero wootz 

La primera forma de acero acrisolado fue el wootz elaborado en la India en algún período cercano al 300 a.C. Durante su producción el hierro se mezclaba con cristal o hematita y se calentaba lentamente, posteriormente se dejaba enfriar. Como resultado de la aleación ya enfriada, el cristal se enlazaba con las impurezas del acero y éstas brotaban a la superficie de la aleación, haciendo que se purificara. El carbón penetra en el hierro mediante difusión de los átomos de carbón a través de las paredes porosas de los granos del acero. El dióxido de carbono no reacciona con el hierro, pero se mezcla con él en pequeñas cantidades lo que proporciona una forma de control de la concentración. El acero wootz tiene altos contenidos de carbono y es reconocido por su patrón veteado que resulta de este proceso de enfriamiento y consolidación.  

_{Ilustración 2. Ejemplo de acero wootz con su caracterísico patrón trabajado en Damasco} 

_{Ilustración 3. Porus, uno de los reyes de la región india del Punjab, al ser vencido por Alejandro Magno le regaló acero, más preciado en aquel momento que el oro o la plata, en particular para un jefe militar.} 

A partir de este proceso, en el sur de la India y posteriormente en Sri Lanka, se lograba producir una tonelada de acero por cada dos toneladas de material ferroso, lo cual era muy eficiente en ese momento. Fue así, que el subcontinente indio se convirtió rápidamente en un centro de exportación de un acero reconocido por su dureza y por su tenacidad.  

El método wootz también fue exportado tiempo después a Oriente Medio donde se combinó con otras técnicas para producir el acero de Damasco, célebre hasta mediados del siglo XVIII. De acuerdo con las leyendas de la época, las espadas de Damasco eran reconocidas por sus patrones ondulantes en la superficie y por su filo. Hoy en día no se han logrado reproducir las características de este notable acero. Durante siglos la verdadera naturaleza del acero de Damasco o el acero wootz es un tema que ha intrigado a investigadores en Asia y Europa e incluso existe evidencia de una extensa discusión sobre el tema con estudios realizados por varios de los primeros científicos islámicos.  

Para el siglo XII, comenzaron a surgir nuevas tecnologías como los altos hornos ya conocidos en Asia. Uno de los primeros ejemplos se puede encontrar en Lapphyttan, Suecia, en donde las avanzadas técnicas de producción y sus ricos depósitos de material de hierro han convertido al país en uno de los más importantes proveedores de acero de alta calidad en el continente. El estudio del acero wootz y el acero de Damasco en los siglos XVIII y XIX fue un elemento importante en el desarrollo industrial de la siderurgia en el Reino Unido, Francia y Rusia.  

 

Referencias 

https://dle.rae.es/acero 

J. Stephen Jeans, Steel: Its History, Manufacture, Properties, and Uses, E. & F.N. Spon, 1880 

J.‐S. Park, K. Rajan y R. Ramesh, “High‐carbon steel and ancient sword‐making as observed in a double‐edged sword from an Iron Age megalithic burial in Tamil Nadu, India”, 17 October 2019 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/arcm.12503 

Will Durant, The Story of Civilization, Simon and Schuster, 2005 

World Steel Association, The white book of steel, 2012 

 

Dr. Edgar Tapia Hernandez.

Profesor - Investigador.

Universidad Autónoma Metropolitana - Azcapotzalco.

El sismo del 19 de septiembre de 1985, con magnitud Ms=8.1, fue un evento donde un significativo número de estructuras de acero fueron sujetos a un movimiento de gran magnitud y duración (120 seg). Los marcos rígidos eran el sistema usado con mayor frecuencia como sistema momento-resistente. Los edificios tuvieron un buen comportamiento, con sólo pocos casos de daño estructural reportado. De hecho, únicamente el 3.4% de las estructuras colapsadas eran de acero estructural; sin embargo, su comportamiento fue poco uniforme. En este artículo se discute el comportamiento de: i) la Torre Latinoamericana de 44 niveles que no reportó daño; ii) el complejo Pino Suárez, que reportó colapso y al oeste, iii) el edificio Ámsterdam que reportó daño significativo sin colapsarse.  

 

_{Figura 1. Elevación de Torre Latinoamericana (Tapia y Tena 2001)} 

La Torre Latinoamericana se encuentra ubicada en Zona de Lago con 183 m de altura. Se trata de un edificio con un alto grado de redundancia con una base rígida de concreto con 361 pilotes como se muestra en la figura 1. Las columnas se fabricaron con secciones H con cubreplacas y las vigas son de secciones I con pequeños canales soldados al patín superior para lograr la acción compuesta con la losa de concreto. Considerando la reserva de resistencia de los elementos estructurales y el hecho que el periodo fundamental del edificio está entre los 3.5 y 4.5 segundos, incluso el registro del SCT de 1985 causa sólo demandas de aceleración moderadas en el edificio.  

El edificio Ámsterdam, ubicado en zona de Lago, fue construido alrededor de 1970, con base de marcos momento-resistente. El daño reportado se debió a fallas en las conexiones de los primeros cuatro pisos de los marcos transversales sin presentar colapso. Las columnas de los marcos eran tipo cajón a partir de dos canales y dos cubreplacas. Los patines de las vigas estaban soldadas a las columnas con placas, que a su vez se soldaron continuamente a la columna. La conexión constituía ligas muy débiles en los marcos que experimentaron fracturas en los primeros seis pisos en la soldadura durante el sismo. Dado que ninguno de los marcos colapsó durante el sismo, se concluyó que la fractura en la soldadura de las conexiones permitió desarrollar deformaciones plásticas significativas a través de la cubreplaca (Osteraas y Krawinkler 1989).  

 

_{Figura 2. Planta y elevación del complejo Pino Suárez (Tapia y Tena 2001)} 

Finalmente, el complejo Pino Suárez consistía en cinco edificios con base en marcos momento-resistente con armaduras planas, reforzados en dos niveles iniciales por concreto reforzado que continuaba desde la cimentación. Un edificio de 21 niveles colapsó debido a la falla en tres de cinco columnas exteriores de los primeros cuatro niveles. Las columnas experimentaron sobrecargas significativas, que ocasionaron el colapso por la redistribución de carga, después de que ocurrió el pandeo local en las placas que conformaban las columnas. Los efectos de volteo sísmico, adicionados a la carga gravitacional, causaron una mayor carga axial en las columnas que no habían sido estimadas en el proceso de diseño. En las columnas exteriores la sobrecarga y la fluencia provocaron el pandeo inelástico, la columna perdió mucha de su capacidad y la carga fue transmitida a las columnas adyacentes en las cuales el pandeo ya había ocurrido (Osteraas y Krawinkler 1989).  

El sismo de 1985 fue una dura, pero no excesiva prueba para estructuras de acero con periodo fundamental en el intervalo de 1.0 a 2.5 segundos. Los edificios bien diseñados soportaron el terremoto sin daño considerable, incluso, estructuras con problemas evidentes de diseño, como el caso de las conexiones del edificio Ámsterdam, resistieron el sismo sin colapso. El mayor colapso de estructuras modernas de acero, en el complejo Pino Suárez, fue causado por problemas de diseño que no había sido reconocido en ediciones de reglamentos sísmicos previos y que ahora están definidos en el Capítulo 12 de las Normas Técnicas Complementarias para el Diseño y Construcción de Estructuras de Acero del Reglamento de Construcciones de la Ciudad de México. 

 

_{Puede conocer más información en:}  

1. _{Osteraas, J. y Krawinkler H., (1989), “The Mexico earthquake of september 19, 1985 behavior of steel buildings”, Earthquake Spectra, Vol. 5, No. 2, pp. 51-88.} 

2. _{Tapia H. Edgar y Arturo Tena C. (2001), “Comparación de los efectos observados durante los sismos de México (1985), Northridge (1994) y Kobe (1995) y su impacto en las Normas de Diseño para Estructuras Metálicas del RCDF-2001”, Memorias, XIII Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica, ID. IV-08. Guadalajara, Jal. Noviembre.} 

 

Autores: Nina Casas Guzik y Pablo Arredondo Vera

El puente Eads, comisionado por Andrew Carnegie en 1867, e inaugurado en 1874, se convirtió en la primera construcción en utilizar Acero estructural, así como el primer puente en cruzar el Mississippi al sur de su confluencia con el río Missouri. Además de esto, su construcción revolucionó la tecnología de los cajones a presión: se construyeron cajones presurizados los cuales se desplantaron en el lecho marino con una fuente constante de aire a presión para no permitir la entrada del agua. Dentro de estas grandes cajas trabajaban hombres excavando el suelo hasta llegar a la profundidad proyectada. Ahí, las cajas eran rellenadas con concreto y tabique y así se logró construir la cimentación de los soportes del puente. 

El puente de Brooklyn. 

Varias de estas tecnologías se recuperaron en la siguiente gran obra de ingeniería con acero estructural: el puente de Brooklyn. Casi desde la fundación de Brooklyn y Nuevas York como ciudades separadas, se había pensado en un puente que las conectara a través del East River. Antes del puente de Brooklyn la única manera de viajar entre las dos ciudades era en ferry. El puente de Brooklyn comenzó su construcción en 1869 y tomó 13 años su inauguración hasta 1883. El puente de Brooklyn es un híbrido entre un puente suspendido y un puente atirantado, cuya estructura en su claro central, los tirantes y los elementos laterales están completamente hechos de acero. Los soportes y las torres fueron construidas en mampostería y sus cimientos se resolvieron con la misma tecnología de cajones a presión del puente Eads, pero con unas proporciones mucho mayores y a mayor profundidad. 

_{Ilustración 1. Puente de Brooklyn (Ilustración de Currier & Ives)} 

La expansión de la industria acerera y el rascacielos. 

En 1871 el Gran Incendio de Chicago consumió la mayor parte de los edificios de madera que estrepitosamente habían sido levantados en unos pocos años volviendo a Chicago la ciudad con el crecimiento más rápido del mundo. Las autoridades modificaron el código de construcción de la ciudad para evitar otra catástrofe similar pidiendo que los edificios fueran construidos con materiales no inflamables como mampostería, hierro forjado, concreto y acero. Esto, junto con la posición central en la red de transporte ferroviario y fluvial que Chicago ocupaba -y todavía ocupa hasta nuestros días- así como al rápido crecimiento económico que exigía remplazar, lo más pronto y de la manera más barata, las construcciones perdidas por el incendio posibilitaron la incorporación del acero como la materia prima esencial de las nuevas construcciones. 

Estados Unidos pasó de producir 380,000 toneladas al año en 1875 a 60 millones de toneladas en 1920. El gran crecimiento de la producción acerera volvió a Carnegie el hombre más rico del mundo en 1900 cuando vendió Carnegie Steel a J.P. Morgan, al mismo tiempo que convirtió a los Estados Unidos en el mayor productor mundial de acero. Con el crecimiento exponencial de la oferta del acero se abarató en la misma escala su precio, permitiendo que incursionara en otros mercados, más allá del hasta entonces su mayor consumidor, la industria ferroviaria. Fue así cuando en Chicago durante el entresiglo se conjugaron todos los elementos; jurídicos, económicos, tecnológicos y sociales que posibilitaron no sólo la normalización de la construcción con acero estructural sino la aparición de uno de los elementos esenciales de la modernidad y una de las mayores aportaciones de los Estados Unidos a la arquitectura mundial: el rascacielos. 

Los primeros rascacielos. 

Tradicionalmente se reconoce al Home Insurance Building, completado en Chicago en 1885, como el primer edificio en usar un esqueleto de acero con concreto reforzado. Al pesar un tercio de lo que hubiera pesado de haber sido construido en mampostería, llamó las suspicacias de los inspectores de estructuras de la ciudad. Demolido en 1931, se le recuerda como el antecedente inmediato del rascacielos. El Rand McNally Building, construido en Chicago en 1890, fue el primer edificio del mundo cuya estructura estaba enteramente fabricada con acero. Fue demolido en 1911. Para 1913 Chicago perdió su primacía en la construcción de rascacielos con el levantamiento del edificio Woolworth en Nueva York, al extremo este de la red industrial norteamericana. Este edificio de 60 pisos fue el edificio más alto del mundo y un modelo de la nueva ingeniería norteamericana de marcos en acero. A este siguieron otros edificios como el Chrysler y el Empire State en 1928 con sus respectivos 319 y 373 metros de altura. El edificio Chrysler sigue siendo el edificio soportado en acero con muros de mampostería más alto del mundo.  

_{Ilustración 2. Home Insurance Building} 

_{Ilustración 3. Rand McNally Building}