Importancia de la Ductilidad en Materiales Estructurales
La ductilidad es crucial porque permite que un material se deforme plásticamente de manera significativa y sostenida antes de la fractura, incluso después de alcanzar su límite máximo de resistencia. Esto facilita la visualización de fallas o advertencias previas al colapso. Además, la deformación plástica confiere la capacidad de resistir cargas imprevistas e impactos repentinos, previniendo fracturas abruptas.
Diferencia entre Material Dúctil y Frágil
- Un material frágil, al alcanzar su límite máximo, experimenta una ruptura abrupta.
- En contraste, un material dúctil primero se deforma plásticamente y luego se rompe.
Características Clave de Materiales Estructurales para la Construcción
Para ser utilizado en la construcción, un material estructural debe poseer las siguientes características:
- Ser un material homogéneo con propiedades mecánicas cuantificables.
- Haber sido sometido a años de estudio y pruebas a escala real.
- Estar regulado por normas de diseño específicas (para flexión, corte y carga axial).
- Cumplir con los requisitos sísmicos según su perfil de ductilidad.
Fases de un Proyecto de Ingeniería Civil antes de la Construcción
Un proyecto de ingeniería debe pasar por los siguientes procesos antes de su construcción:
- Identificación de la necesidad (producto o servicio), involucrando a inversionistas, arquitectos (para planos) y especialistas.
- Estudio de factibilidad (técnica y económica). Posteriormente, se licita la construcción y se adjudica a la constructora con la mejor combinación de plazo, experiencia y presupuesto.
- Obtención del permiso de edificación por parte de la Municipalidad, tras lo cual se inicia la construcción (el arquitecto presenta la documentación).
Ventajas del Acero en la Construcción Estructural
1. Alta Resistencia y Ligereza
El acero ofrece una alta resistencia con un bajo peso, resultando en una excelente relación resistencia/peso. Esto se traduce en un menor corte basal durante eventos sísmicos y bajas tensiones estáticas en las fundaciones.
2. Uniformidad y Estabilidad Dimensional
Sus propiedades son uniformes y estables a lo largo del tiempo, sin presentar deformaciones a largo plazo (creep).
3. Comportamiento Elástico Predecible
El acero exhibe un comportamiento elástico a grandes esfuerzos. Sus propiedades, como la inercia, se calculan de forma elástica sin reducciones, lo que simplifica el diseño.
Proceso de Creación de Normas Técnicas en Ingeniería
El proceso para la creación de una norma técnica es el siguiente:
- Las normas surgen a petición de gremios u organizaciones privadas para establecer procedimientos que aborden problemáticas específicas, basándose en información científico-técnica.
- Se forma un comité de expertos calificados que recopila investigaciones (papers) y prácticas de normas internacionales, adaptándolas a la realidad nacional.
- El borrador se presenta al Instituto Nacional de Normalización (INN), que abre un período de consulta pública para que cualquier interesado pueda realizar observaciones y recomendaciones.
- Una vez finalizado el plazo de consulta, la iniciativa se transforma oficialmente en norma.
Información Esencial en un Plano de Estructura
Un plano de estructura debe contener la siguiente información:
- Ejes acotados.
- Nomenclatura clara de todos los elementos estructurales.
- Detalle exhaustivo de todas las uniones.
- Indicación de niveles clave: sello de fundación, nivel de piso terminado, nivel de techumbre, entre otros.
- Legibilidad para todos los profesionales involucrados en la construcción (residente, ITO, capataz, maestros, etc.).
Influencia del Carbono en las Propiedades del Acero
- Una alta cantidad de carbono incrementa la dureza y resistencia del acero, pero lo hace más frágil, propiciando una ruptura abrupta.
- Una baja cantidad de carbono resulta en un perfil más débil, pero significativamente más dúctil.
Definiciones Técnicas Clave en Estructuras de Acero
¿Qué es Lb?
Lb (Longitud no arriostrada) es la distancia entre puntos que restringen el desplazamiento lateral del ala comprimida de un perfil (expresada en cm).
Punto Crítico de un Elemento en Compresión
Los puntos críticos de un elemento sometido a compresión son la esbeltez global y la esbeltez local.
Punto Crítico de un Elemento en Flexión
El punto crítico de un elemento sometido a flexión es la longitud no arriostrada.
Restricciones de Esbeltez en NCh 427: Tracción vs. Compresión
La norma NCh 427 impone una restricción de esbeltez menor para elementos en tracción que para los de compresión porque la tracción es un modo de carga menos crítico para el pandeo en estructuras de acero. Las cargas de tracción tienden a estirar los miembros y aumentar su rigidez, lo que permite una relación de longitud a ancho mayor en elementos traccionados en comparación con los comprimidos.
Aplicabilidad del Capítulo E4: Perfiles Abiertos vs. Cerrados
El Capítulo E4 se enfoca en el pandeo torsional y flexo-torsional de miembros con elementos esbeltos (como alas y almas), lo cual no es aplicable a perfiles cerrados (circulares, rectangulares o cuadrados). Estos perfiles no son susceptibles a pandeo torsional y flexo-torsional de la misma manera. Para los perfiles cerrados, se aplican los Capítulos E7 y E3, que abordan el pandeo por flexión.
Uniones en Elementos a Tracción: Soldadas vs. Apernadas
La unión soldada debilita menos el diseño de un elemento en tracción porque conserva el área bruta de la sección transversal (Ag), es decir, no la reduce. Por el contrario, la unión apernada implica una reducción del área efectiva debido a los orificios de los pernos, lo que debilita la sección.
Diferencia entre Marco Arriostrado y Pórtico Rígido
Un marco arriostrado está diseñado para resistir principalmente cargas axiales, y sus uniones suelen considerarse articuladas o con momentos despreciables. En contraste, un pórtico rígido (o corriente) posee uniones que transmiten momento, lo que le permite resistir cargas laterales mediante la flexión de sus elementos.
Desafíos del Acero Estructural y sus Soluciones
1. Corrosión
El acero es susceptible a la corrosión por exposición al aire, agua y ambientes salinos, lo que reduce su sección transversal y, consecuentemente, su resistencia.
- Solución: Se previene mediante pintura periódica o galvanizado del perfil.
2. Fuego
A altas temperaturas, como las de un incendio, el acero pierde significativamente su resistencia.
- Solución: Se protege con pinturas intumescentes, sistemas de protección pasiva o rociadores automáticos por piso.
3. Pandeo Global
El pandeo global es un fenómeno que afecta a perfiles esbeltos, relacionado con la relación entre el radio de giro y la longitud no arriostrada. Reduce la capacidad nominal resistente a compresión.
- Solución: Se mitiga reduciendo la esbeltez de los perfiles.
Métodos de Diseño LRFD y ASD: Estados Límite e Incertidumbres
Los métodos de diseño estructural, LRFD (Diseño por Factores de Carga y Resistencia) y ASD (Diseño por Esfuerzos Permisibles), se basan en el concepto de estados límite. Estos estados describen condiciones en las que una estructura deja de cumplir su función de manera segura o satisfactoria.
El LRFD se enfoca en los estados límite de resistencia, que definen la capacidad máxima de la estructura para soportar cargas sin fallar (ej. fluencia excesiva, fractura, pandeo, fatiga). Por otro lado, el ASD se relaciona con los estados límite de servicio, que aseguran un comportamiento adecuado bajo cargas de uso normal (ej. deflexión, agrietamiento, vibración).
Incertidumbres que Buscan Reducir
Ambos métodos buscan reducir las incertidumbres inherentes al diseño, que incluyen:
- La magnitud y distribución de las cargas reales que actúan sobre la estructura, que pueden diferir de las supuestas.
- Las simplificaciones y suposiciones del modelo, que pueden llevar a que los momentos, cargas axiales y cortantes calculados difieran de los esfuerzos reales.
- La capacidad resistente real de la estructura (estados límite), ya que las dimensiones y resistencias de los materiales pueden variar respecto a las especificadas, y el refuerzo puede no estar en su posición exacta.
El objetivo común es establecer un margen numérico entre la resistencia y la carga, garantizando una probabilidad aceptablemente baja de una respuesta estructural inaceptable.
Conclusión sobre Incertidumbres
En resumen, tanto LRFD como ASD reconocen las incertidumbres en las cargas y resistencias reales frente a las supuestas y especificadas. Por ello, incorporan un margen de seguridad para mitigar el impacto de imprevistos o desviaciones que puedan exceder las condiciones de diseño.
Restricciones de Desplazamientos Laterales en NCh 433
La norma NCh 433 (Diseño Sísmico de Edificios) impone desplazamientos laterales restrictivos con el fin primordial de garantizar la seguridad de las personas y la integridad estructural de los edificios durante un evento sísmico.
Reducción de Sobrecargas en NCh 1537: Uso y Techo
La NCh 1537 establece las bases para la determinación de cargas permanentes y sobrecargas mínimas de uso y techo en el diseño de edificios. La razón para permitir la reducción de sobrecargas de uso y techo se basa en la baja probabilidad de que todas las áreas de un edificio o la totalidad del techo estén sometidas simultáneamente a su carga máxima de diseño. Esta reducción considera la naturaleza probabilística de las cargas vivas y busca optimizar el diseño sin comprometer la seguridad.
Definición del Coeficiente de Flexión Cb
Cb (Coeficiente de Flexión) es un factor de modificación utilizado en el diseño de elementos sometidos a flexión. Su propósito es ajustar la resistencia al pandeo lateral torsional cuando el diagrama de momentos a lo largo del segmento no arriostrado de una viga no es uniforme. Las ecuaciones de diseño suelen basarse en un momento constante, pero en la realidad, las variaciones del momento permiten que la viga resista cargas mayores antes de que ocurra la inestabilidad lateral. Cb cuantifica este beneficio, especialmente cuando ambos extremos del segmento están restringidos contra el volcamiento, considerando el efecto de los gradientes de momento.
Modos de Falla en Elementos Sometidos a Flexión
Los principales modos de falla en miembros sometidos a flexión son:
- Fluencia o plastificación.
- Pandeo local de los patines o del alma.
- Pandeo lateral.
- Pandeo lateral torsional.
Modo de Falla por Plastificación en Perfiles a Flexión
El modo de falla por plastificación en un perfil sometido a flexión ocurre cuando el material excede su límite elástico y entra en una fase de deformación plástica permanente. Esto significa que, al retirar la carga, el perfil no recupera su forma original. Es un indicio de que el elemento ha alcanzado su capacidad máxima y no puede soportar cargas adicionales de forma segura. Cuando una viga se flexiona, las fibras más alejadas del eje neutro experimentan las mayores tensiones (tracción en la parte inferior y compresión en la superior). Si estas tensiones alcanzan el límite de fluencia del material, comienza la plastificación. Esta deformación plástica se manifiesta como curvaturas excesivas o deformaciones locales en las zonas críticas, reduciendo la capacidad de carga y la resistencia estructural, lo que podría conducir a la inestabilidad o colapso.
Falla por Pandeo Lateral Torsional en Perfiles a Flexión
La falla por pandeo lateral torsional es un fenómeno de inestabilidad que afecta a perfiles sometidos a cargas de flexión. Se produce cuando la combinación de las fuerzas de flexión y la falta de arriostramiento lateral adecuado provoca que el perfil se desplace lateralmente y gire sobre su eje longitudinal (torsión), perdiendo su estabilidad. Si la rigidez del perfil no es suficiente para contrarrestar estas fuerzas, se genera una deformación lateral y una pérdida abrupta de la capacidad portante.