construcción de acero

Marco remachado de un puente

La construcción de acero se refiere a la parte de la ingeniería civil en la que para la construcción de estructuras se utiliza principalmente acero .

Descripción general

En la construcción de acero, las vigas de acero laminado , las láminas y los tubos de acero estructural se conectan entre sí para formar una estructura de soporte mediante atornillado , soldadura o remachado . Otro elemento estructural central de la estructura de acero es la placa de refuerzo , que conecta las barras individuales de la estructura entre sí. Además de la construcción de acero puro, también hay una construcción compuesta de acero , que conecta elementos de acero con hormigón , construcción de estructura de acero y construcción de edificios de acero. El diseño de estructuras de acero se realiza generalmente de acuerdo con el Eurocódigo 3: Diseño y construcción de estructuras de acero (EN 1993)

La construcción de acero combina la ventaja del tiempo de planificación y construcción comparativamente corto con un diseño flexible de la estructura de soporte. Esta flexibilidad resulta, por ejemplo, del uso de componentes relativamente ligeros y delgados, resistentes y de un grado de prefabricación alto y preciso y, por lo tanto , tiempos de montaje más cortos . Los componentes de acero que están expuestos a la intemperie deben protegerse de la corrosión mediante revestimientos superficiales o galvanizado . Si es necesario, la protección contra incendios puede garantizarse mediante revestimientos de protección contra incendios o revestimientos de protección contra incendios. En los últimos años, la importancia de planificar, construir y operar edificios de manera sostenible ha aumentado cada vez más. Los actores de la industria de la construcción e inmobiliaria desarrollan una visión holística de sus proyectos. Casi ningún otro material de construcción es tan adecuado para la construcción sostenible como el acero: debido a su alta resistencia, puede soportar fácilmente edificios enteros de gran altura , incluso con estructuras de filigrana y un peso de construcción bajo . Si se desmontan posteriormente, el acero utilizado se puede separar de la masa de demolición con imanes. El 11% de los aceros de construcción recolectados ya se están reutilizando directamente en nuevos edificios; el resto se puede convertir nuevamente en acero de alta calidad como materia prima secundaria (chatarra). Al nuevo acero se le puede dar incluso una resistencia mayor que el material de partida. El factor de costo ligeramente más alto para el acero estructural a menudo se pone en perspectiva por una fase de construcción rápida, la flexibilidad de la estructura de soporte debido a los anchos vanos y la reutilización o reciclabilidad de las estructuras de acero en comparación con estructuras ostensiblemente más rentables, como p. Ej. los de hormigón armado. En principio, parece que se utilizan con sensatez dondequiera que se impongan requisitos de alta resistencia a la construcción, por ejemplo, en el caso de grandes luces de estructuras de techo en estructuras de acero o, por ejemplo, cuando las razones estéticas y de diseño formal requieren construcciones esbeltas.

La construcción de acero se divide en

Clasificación de la sección transversal según el Eurocódigo 3

En la construcción de acero hay 4 clases de sección transversal, que se pueden calcular de manera diferente, por lo que la clase 1 es tan compacta que no solo es aplicable la teoría de la plasticidad , sino también una capacidad de rotación lo suficientemente grande como para que se pueda usar la teoría de la bisagra plástica , que permite un cálculo económico. Las clases de sección 3 y 4 a menudo permiten un dimensionamiento económico, ya que son más delgadas y, por lo tanto, generalmente permiten brazos de palanca más eficientes con una sección transversal más pequeña (menor consumo de material).

  • Clase 1: Plástico tanto a nivel de sección transversal como de sistema
  • Clase 2: Plástico en la sección transversal, pero no a nivel del sistema
  • Clase 3: Elástico
  • Clase 4: Debido a abolladuras locales, no se permite el cálculo plástico.

Protección contra la corrosión

Garaje de estacionamiento en construcción con estructura de acero galvanizado en caliente o con revestimiento dúplex (galvanizado en caliente + revestido)
Almacén de estantes altos con elementos de acero galvanizado en caliente

Como regla general, las estructuras de acero deben protegerse de la corrosión. Esto generalmente se hace recubriendo la estructura con pintura anticorrosión o mediante galvanizado en caliente . La protección contra la corrosión está regulada en las normas de las series EN ISO 12944 , EN ISO 14713 y EN ISO 1461 . Dado que el acero tiene una alta afinidad por el oxígeno, se produce la oxidación, es decir, una transición de un estado de metal rico en energía a un estado de óxido de baja energía. En el caso de otros metales como el aluminio y el zinc, la formación de una capa de óxido muy densa protege al metal de una mayor oxidación. En el caso de la corrosión atmosférica del acero, se forma óxido o hidróxido de óxido de hierro (III) en presencia de oxígeno y agua (a una humedad superior al 65%) ; FeO (OH) químico , que se acelera adicionalmente en atmósferas agresivas (sales, especialmente cloruros o ácidos). La herrumbre ( FeO (OH) ) tiene 25,37 cm³ / mol, 3,6 veces el volumen molar del hierro (7,1 cm³ / mol). Por lo tanto, el volumen de hierro aumenta al menos en este factor como resultado de la corrosión, consulte la relación Pilling-Bedworth . El aumento de volumen también puede ser significativamente mayor debido a la porosidad y la retención de agua. Este aumento de volumen hace que los materiales de revestimiento se desprendan alrededor de los defectos de un revestimiento .

Se distingue entre dos sistemas de protección contra la corrosión:

  1. por recubrimiento y
  2. a través de revestimientos metálicos.

Los recubrimientos consisten en un recubrimiento de producción, un recubrimiento base (en el pasado principalmente cromato de zinc o plomo rojo , hoy en día principalmente recubrimientos de resina sintética pigmentados (polvo de zinc , fosfato de zinc )) y un recubrimiento superior (aplicación de al menos 2 capas, como protección contra humedad y rayos ultravioleta), cuyos materiales de recubrimiento consisten en pigmentos, existen aglutinantes y cargas. Los recubrimientos metálicos consisten en una capa protectora metálica, en el caso del acero estructural principalmente en forma de galvanizado en caliente en baños de inmersión. Debido a la naturaleza del proceso, las piezas de acero que se van a galvanizar deben diseñarse para el galvanizado en caliente antes de sumergirlas en la masa fundida de zinc caliente a aproximadamente 450 ° C. Otra protección contra la corrosión de los componentes de acero son los denominados sistemas dúplex, que combinan el galvanizado en caliente o el laminado con un revestimiento posterior. Los sistemas dúplex se utilizan cuando el acero debe protegerse de la corrosión durante un tiempo extremadamente prolongado.

En el caso de las cuerdas, la protección interna se proporciona rellenando las cavidades durante el trenzado con aceite de linaza y pasta de mina roja, mientras que la protección externa la proporcionan plásticos elastoméricos de capa gruesa que no obstaculizan los movimientos relativos y la flexión de los eslabones individuales.

Además, la forma y disposición de los componentes de acero ya deberían protegerlos de una posible corrosión: prevención de bolsas de agua y depósitos de suciedad, libre acceso a las piezas de acero o sellado hermético al aire y al vapor de agua.

Protección contra incendios

Las estructuras de acero a menudo requieren una protección especial contra incendios , ya que las secciones transversales de paredes delgadas de las vigas y su buena conductividad térmica hacen que se calienten rápidamente en caso de incendio, reduciendo así su resistencia. Dependiendo de la carga de fuego y el uso previsto de la estructura, la falla de la estructura se puede prevenir sobredimensionando los componentes para que coincidan con el período de resistencia al fuego requerido o con un revestimiento especial. Las propiedades mecánicas del acero dependen de la temperatura, de modo que, por ejemplo, el límite elástico a 600 ° C desciende a la mitad del valor a 20 ° C. El módulo de elasticidad también disminuye al aumentar la temperatura del acero. Para la protección contra incendios, se debe observar un “período de resistencia al fuego” requerido por ley para el edificio respectivo , que se define para edificios normales en las regulaciones de construcción estatales de los estados federales. Este período de resistencia al fuego requerido se divide en categorías según la estructura y el uso, de acuerdo con la norma alemana ( DIN 4102 - Comportamiento al fuego de materiales y componentes de construcción) en F30, F60, F90, F120 o F180. Los números indican el valor mínimo que debe soportar la construcción al fuego, expresado en minutos. El "fuego estándar" que se asume para el sobredimensionamiento del componente o para la determinación de las medidas de protección contra incendios aislantes es la curva estándar de temperatura-tiempo, también llamada "ETK" para abreviar . Describe una curva de temperatura-tiempo según la cual la temperatura del gas se calienta en una prueba de componentes. La temperatura del gas que rodea al componente "protegido" aumenta abruptamente a más de 600 ° C en los primeros minutos de acuerdo con las especificaciones del ETK y luego aumenta lenta pero constantemente hasta que el componente falla. El tiempo hasta que falla la construcción se redondea a la clasificación de resistencia al fuego de la norma. De esta forma, todas las medidas adicionales para proteger un componente de acero demuestran su perfil de rendimiento.

Sin embargo, el método de sobredimensionamiento (según la norma europea EN 1993-1-2) se basa en un cálculo. El punto de partida es la determinación matemática de la temperatura del acero en un incendio ETK con la duración requerida (resistencia al fuego). Al determinar la temperatura del acero, se pueden determinar las propiedades mecánicas requeridas para el dimensionamiento . El dimensionamiento real tiene lugar de forma similar al dimensionamiento "frío" con las propiedades mecánicas afectadas por el calor bajo los valores de seguridad adaptados al fuego. Este método de diseño se calibró sobre la base de pruebas.

Las medidas de protección contra incendios aplicadas posteriormente al componente de acero tienen un efecto aislante, apantallador o disipador de calor .

  • Medidas aislantes de protección contra incendios: la forma del perfil tras el revestimiento y el revestimiento de perfiles de acero de yeso proyectado cementado con vermiculita o fibras minerales, en su mayoría con la base de yeso necesaria. Los sistemas de columnas compuestas (construcción a partir de construcción compuesta ) cumplen en su mayoría los requisitos sin medidas adicionales. Además, revestimiento en forma de caja (placa de yeso, espesor y fijación según la aprobación del fabricante) [⇒ F90 posible] de los perfiles de acero con una aplicación adicional de protección contra la corrosión. Los formadores de capas aislantes en forma de recubrimientos (aplicación con spray / brocha / rodillo) se pueden realizar con espesores de capa económicamente interesantes (aprox. 300 a 1400 µm, correspondientes a aproximadamente 2-4 pasos de trabajo) hasta F60. Con espesores de capa de hasta más de 3 mm (> 5 pasos de trabajo ), ahora también se pueden aplicar capas intumescentes para la clase de resistencia al fuego F90 (ver aprobación DIBt Z-19.11-1794 - enlaces web). La definición del espesor de capa necesario depende de la relación entre la circunferencia de la sección transversal expuesta a la llama y el área de la sección transversal (valor U / A), el tipo de perfil (abierto o cerrado) y el tipo de componente. Dado que los recubrimientos intumescentes forman una superficie similar a la piel de naranja debido a su gran espesor, si se requiere una alta calidad superficial, también se debe realizar un postprocesado complejo (esmerilado, relleno). La piel de naranja se puede evitar en gran medida mediante el uso de sistemas modernos a base de agua (consulte la aprobación Z-19.11-1461).
  • Medidas de protección contra incendios: en su mayoría, sistemas de cerramiento de espacios existentes, como falsos techos.
  • Medidas de protección contra incendios disipadoras de calor: Relleno de las cavidades del perfil de acero (soportes) con agua de circulación libre térmica independiente de la bomba. Particularmente adecuado en construcciones de gran altura.

Cada medida de protección contra incendios tiene sus ventajas y desventajas. Por lo tanto, al planificar, los factores estéticos, económicos, técnicos y de seguridad deben sopesarse cuidadosamente entre sí.

El Cruise Center Baakenhöft en HafenCity de Hamburgo es probablemente el primer edificio en Alemania en el que se implementó la protección contra incendios R30 utilizando galvanizado en caliente.

Recientemente, la protección contra la corrosión mediante galvanizado en caliente también se ha utilizado en aspectos de protección contra incendios. Un proyecto de investigación completado por la Universidad Técnica de Múnich en 2019 ha demostrado que el galvanizado en caliente mejora la resistencia al fuego del acero. Esto significa que a menudo es posible una duración de la protección contra incendios de 30 minutos con estructuras de acero galvanizado en caliente sin protección.

Estructuras conocidas de acero

Torre Killesberg en Stuttgart de acero galvanizado en caliente

Estructuras conocidas de hierro forjado.

Todo el hierro maleable se ha llamado acero desde principios del siglo XX, después de que el hierro forjado , que estaba muy extendido en el siglo XIX, ya no se fabrica. Por esta razón, las estructuras más antiguas hechas de hierro forjado a menudo se denominan estructuras de acero, lo cual es correcto según la definición actual de acero porque el hierro forjado contiene menos del 2% de carbono, pero es históricamente incorrecto porque el hierro forjado de esa época contenía mayores cantidades de elementos acompañantes indeseables que el acero. Estas estructuras de hierro forjado incluyen:

Ver también

literatura

  • Frank Werner y Joachim Seidel : La construcción de hierro. Desde el desarrollo de un método de construcción . Berlín / Múnich: Verlag für Bauwesen 1992, ISBN 3-345-00466-6 .
  • Karl-Eugen Kurrer : desde la construcción con hierro hasta la moderna estructura de acero . En: Historia de la Teoría de las Estructuras. Buscando el equilibrio. Berlín: Ernst & Sohn 2018, págs. 530-639, ISBN 978-3-433-03229-9 .

enlaces web

Evidencia individual

  1. ↑ Protección contra incendios R30 mediante galvanizado en caliente - Cruise Center Baakenhöft es el primer proyecto de Alemania. (PDF) En: Feuerverzinken Magazin 1-2020 p. 6. Consultado el 16 de mayo de 2020 .
  2. ↑ Gaigl, Ch., Mensinger, M.: Resistencia al fuego de estructuras de acero portantes galvanizadas en caliente en caso de incendio. Consultado el 6 de mayo de 2020 .