El acero como material de construcción
Acero es sinónimo de arquitectura moderna. A lo largo del siglo XX este material ha inspirado a arquitectos e ingenieros, ya que combina resistencia y eficiencia junto con infinitas posibilidades de expresión arquitectónica y artística.
La clave del acero reside en su alta resistencia mecánica por kilogramo de material, lo que permite construir estructuras con vanos de grandes luces y capaces de soportar grandes cargas. El acero se presta a los prefabricados: se pueden crear estructuras completas en taller para posteriormente ser construidas in situ.
Los edificios construidos con acero son muy versátiles, ya que sus estructuras son fácilmente modificables. Los costes son bajos, se trata de un material fácilmente reciclable y cuyas posibilidades estéticas y artísticas son muchas y variadas. Los proyectistas, fabricantes y constructores están continuamente rompiendo los límites establecidos en el cálculo de estructuras metálicas, tanto técnicamente como artísticamente. El acero tiene un papel crucial en la arquitectura moderna.
Existen muchas posibilidades de cálculo para las estructuras de edificio de una sola altura, pero no existen limitaciones en su diseño: es habitual desviarse de las normativas, ya que el acero se presta a soluciones innovadoras y creativas.
Las estructuras son elementos constructivos cuya misión fundamental es la de soportar un conjunto de cargas, que podemos clasificar como sigue:
-Peso propio
-Cargas de funcionalidad
-Acciones exteriores varias
Las cargas que pueden actuar sobre una estructura son muy variadas y pueden darse una serie de combinaciones entre ellas, debiendo la estructura soportar la combinación más desfavorable.
Comparativa del uso de diferentes aceros en naves de sección variable
El objetivo fundamental del presente estudio es el de realizar un estudio económico que permita ofrecer una orientación a la hora de seleccionar un material para la ejecución de estructuras porticadas de sección variable. Los materiales más utilizados en la construcción en acero en nuestro país son los denominados S275JR y S355JR.
Se procede al cálculo de 3 tipos de naves con las características que relacionamos y con los dos tipos de acero S 275JR y S355.
- Ubicación: Almendralejo (Badajoz)
- Ancho Nave: 30, 40 y 50 m
- Longitud: 100 m.
- Altura libre: 8 m.
- Inclinación: 10%
- Separación entre pórticos 10 m.
- Fachadas perimetrales: Sí
La normativa empleada es la siguiente:
- Código Técnico de la Edificación Documento Básico Seguridad Estructural (CTE-DB-SE).
- Código Técnico de la Edificación Documento Básico Seguridad Estructural Acero (CTE-DB-SE-A).
- Código Técnico de la Edificación Documento Básico Seguridad Estructural Acciones en la Edificación (CTE-DB-SE-AE).
Los edificios considerados tienen unas dimensiones máximas en planta indicadas en la tabla 1 con una forma sensiblemente rectangular conformándose la estructura mediante pórticos a planos con una altura de cálculo a hombro de 8.0 m y una pendiente del 10%. Los edificios se cubren con 2 aguas mediante pórticos simples.
Por tanto, para las 3 luces consideradas y para los 2 materiales en estudio se analizarán los 6 edificios que se señalan en la siguiente tabla:
Se muestra, a continuación, las vistas tridimensionales con perfil real de los modelos de cálculo.
Fig. 5.1 Nave de 30 m ancho x 100 m longitud
Fig. 5.2 Nave de 40 m ancho x 100 m longitud
Fig. 5.3 Nave de 50 m ancho x 100 m longitud
La solución estructural adoptada es la siguiente:
La estructura principal de la nave está compuesta por 11 pórticos transversales con una separación de 10.00 m entre pórticos intermedios. La pendiente es del 10%. Los pórticos de las alineaciones 1 y 11 llevan 3 o 5 pilares intermedios y el resto de los pórticos carecen de pilares intermedios.
El sistema estructural empleado para los pórticos 1 y 11 es el de perfiles laminados de sección normal tipo HEA e IPE para pilares y dinteles. Los pórticos intermedios se resuelven con perfiles de sección variable fabricados con chapa armada. Los pilares de sección variable de la alineación exterior se colocan con el ala que mira hacia el exterior de la nave recta y la otra ala variando hacia el interior.
La entrega a la cimentación se modeliza mediante nudos articulados para los pilares de sección variable y como nudos empotrados para el resto. Los primeros se resuelven con anclajes de 4 pernos separados 150 mm para no transmitir momentos a la cimentación. Los segundos se resuelven con anclajes rigidizados y pernos cercanos a los bordes de la placa base. Los pernos son pernos roscados en su parte superior y lisos en el resto con el extremo inferior con patilla a 180º. Van embutidos en el hormigón y sobre ellos se apoyan los pilares metálicos. Los anclajes se colocan en la cimentación con plantillas provisionales.
La estructura secundaria está formada, fundamentalmente, por correas que son perfiles en C de chapa conformada en frío, en cubierta y fachadas, calculadas como vigas continuas. Para garantizar dicha continuidad se disponen cubrejuntas en los apoyos de dichas correas.
El arriostramiento longitudinal de la nave queda garantizado por la utilización de cruces de San Andrés conformadas por barras tensoras de sección circular en cubierta y fachada resistentes a tracción.
La estructura se completa con las tirantillas de correas, casquillos de soporte, estabilizadores de cubierta y fachada y angulares de borde adecuados para responder al cálculo y a las necesidades constructivas.
Se dimensiona los elementos metálicos de acuerdo a la norma CTE SE-A (Código Técnico de la Edificación), determinándose las tensiones y deformaciones, así como la estabilidad, de acuerdo a los principios de la Mecánica Racional y la Resistencia de Materiales. Se realiza un cálculo lineal de primer orden.
La estructura se supone sometida a las acciones exteriores, ponderándose para la obtención de las tensiones y comprobación de secciones, y sin mayorar para las comprobaciones de deformaciones, de acuerdo con los límites de agotamiento de tensiones y límites de flecha establecidos.
Para el cálculo de los elementos comprimidos se tiene en cuenta el pandeo por compresión, y para los flectados el pandeo lateral, de acuerdo a las indicaciones de la norma.
Los cálculos han sido realizados mediante ordenador utilizando el programa Cype 3D de CYPE Ingenieros, S.A. que realiza las siguientes comprobaciones:
-Comprobaciones Dimensionales de los Elementos de la Sección Transversal.
-Cálculo de Tensiones: El cálculo de tensiones se hace mediante el criterio de plastificación de Von Mises.
-Cálculo de esbelteces.
-Cálculo de flechas.
Las cargas sobre la estructura han sido las siguientes:
-Peso propio, sobrecarga de uso y nieve:
-Viento: se considera edificación situada zona B con un grado IV de aspereza y una altura de cálculo de 8.0 m, resultando una presión básica de 456 N/m2, equivalente a una velocidad básica de viento de 27 m/s. Se calcula como nave cerrada. Se adjuntan, en el anexo I, las cargas de viento detalladas.
-Sismo: la aplicación de la Norma NCSE-02 se ha desestimado por tratarse de un edificio de importancia normal y ser la aceleración sísmica básica de 0.04g en Almendralejo (Badajoz).
Resultados
En la tabla siguiente se observan los resultados obtenidos para la estructura primaria en cada caso:
Estudio económico
PRECIO MEDIO ACERO S 275JR EN CHAPA JUNIO DE 2023
PRECIO: 990 €/TM €/TM
PRECIO MEDIO ACERO S 355 EN CHAPA DICIEMBRE 2023
PRECIO: 1050 €/TM
Diferencia peso aceros
Conclusiones
Del estudio de los gráficos anteriores se obtienen las siguientes conclusiones:
- Se observa que, evidentemente, hay una disminución de kg al utilizar la calidad del acero S-355 respecto al S-275.
- Esa variación aumenta proporcionalmente a la luz del pórtico siendo la variación muy pequeña en naves de 30 m. de luz y alcanza su mayor diferencia en las naves de 50 m de luz.
- Existe una variación de coste del acero S-275 y S-355 de un 6% aproximadamente.
- Por lo tanto, de este estudio se puede inferir:
- Naves de 30 m. de luz. Utilizar el acero S 355 no es rentable ya que el ahorro en kg que supone utilizar este acero no compensa su diferencia de precio con el acero S-275
- Naves de 40 m. de luz. Empieza a ser rentable su utilización, pero no es muy apreciable (un 2,67%)
- Naves de 50 m. de luz. Alcanza la máxima rentabilidad con una diferencia del 4,21%.
