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ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA AERONUTICA

Y DEL ESPACIO

APUNTES DE MATERIALES METLICOS DE USO EN

CONSTRUCCION

Carmen Vielba

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NDICE

1.- MATERIALES METLICOS 2

1.1- Introduccin 2

1.2.- Los metales en construccin.. 3

2.- ACEROS...................................................................................................... 4

2.1.- Productos siderrgicos........................................................................... 4

2.2.- Procesos siderrgicos..................................................... 5

2.2.1.- Fabricacin del acero en horno alto... 5

2.2.2.- Obtencin y sistemas de conformacin del acero y la fundicin.. 7

2.3.- Caractersticas generales de los aceros.................................................. 10

2.4.- Aceros usados en construccin.............................................................. 14

2.4.1.- Aceros para estructuras metlicas.. 15

2.4.2.- Aceros para armaduras de hormigones.. 15

2.5.- Productos y aplicaciones en construccin. 16

2.6.- La corrosin del acero. Sistemas de proteccin. 18

2.7.- Proteccin frente a fuego... 19

3.- ALUMINIO.................................................................................................. 22

3.1.- Obtencin... 22

3.2.- Caractersticas y aplicaciones en construccin.. 23

3.3.- Proteccin frente a intemperie... 24

3.3.1.- Anodizado.. 24

3.3.2.- Lacado 26

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1. MATERIALES METLICOS

1.1. INTRODUCCIN Salvo algunas excepciones los metales no se presentan en la naturaleza en estado nativo o puro sino en forma de mineral.

GANGA (Impurezas)

MINERAL +

MENA (metal en forma de xido o sal)

Para obtener el metal es preciso seguir operaciones fsicas y/o qumicas que separen la

mena de la ganga y reduzcan el mineral a su estado puro.

Sin embargo no todos los metales se utilizan en estado puro (zinc, aluminio) sino que en

muchos casos se emplean aleados con otros metales (bronce) o no metales (acero).

Sus aplicaciones en construccin derivan de sus propiedades. Las ms importantes pueden

resumirse de la siguiente manera:

PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES METLICOS

Presentan altas resistencias mecnicas tanto a compresin como a traccin. Se caracterizan por ser tenaces y presentar un periodo de deformacin elstica muy

importante.

Son fciles de conformar por fusin y moldeo o por procedimientos mecnicos (forja, laminacin)

Se caracterizan por ser conductores elctricos y trmicos.

Son soldables.

Una de sus propiedades ms importantes es su comportamiento frente a oxidacin:

Existen metales inoxidables o muy difcilmente oxidables como el nquel o el cromo.

Otros metales son oxidables pero forman xidos impermeables, como el aluminio o el zinc. En este caso, una vez formada la capa de xido, quedan

protegidos frente al ambiente y la oxidacin no puede extenderse hacia el

interior de la pieza.

Por ltimo hay metales que forman xidos porosos, como el hierro o su aleacin con carbono, el acero. Es este caso el oxgeno y la humedad

penetran por los poros de la herrumbre continuando la destruccin del metal

hacia el interior.

Su dureza mineralgica y mecnica varia en los distintos metales. Existen metales blandos como el plomo o muy duros como el nquel.

Su densidad tambin vara de los 2700 kg/m3 del aluminio a los 8900 kg/m3 de nquel o incluso los 11300 kg/m

3 del plomo.

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1.2. LOS METALES EN CONSTRUCCIN

Son muchas las aplicaciones de los metales en construccin. En el siguiente cuadro se

resumen algunas de las ms importantes:

USOS ESTRUCTURALES ACERO

ALEACIONES LIGERAS DE ALUMINIO

CARPINTERA Y CERRAJERA ALUMINIO ANODIZADO o LACADO

ACERO GALVANIZADO o INOXIDABLE

CUBIERTAS

Planchas de revestimiento COBRE

ZINC

Placas sobre correas ACERO

ALEACIONES LIGERAS DE ALUMINIO

FACHADAS (Paneles de muros cortina, fachadas ventiladas)

ACERO INOXIDABLE

ALUMINIO ANODIZADO o LACADO

CONDUCTOS Y TUBERAS

Fontanera COBRE

Saneamiento ACERO CINCADO o INOXIDABLE

FUNDICIN

RADIADORES

ACERO

FUNDICIN

ALUMNIO

SANITARIOS Baeras

ACERO

FUNDICIN

Lavabos, fregaderos ACERO INOXIDABLE

El Titanio se ha utilizado tambin para fachadas y cubiertas por sus importantes

propiedades: gran resistencia a la corrosin y altas resistencias mecnicas, con la ventaja

de presentar menor densidad que el acero. Sin embargo se trata de un producto muy caro

por lo que su uso queda restringido a edificios singulares.

De todos estos metales nos vamos a centrar en el estudio de los productos siderrgicos,

especialmente de los aceros, dada la importancia de sus aplicaciones entre las que se

encuentran las estructurales. Estudiaremos tambin los aluminios por su amplio uso en

carpinteras, fachadas y cubiertas.

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2. ACEROS

2.1. PRODUCTOS SIDERRGICOS

De forma simplificada el acero puede definirse como una aleacin, o disolucin slida, de

hierro y carbono, en la que el contenido de este ltimo es inferior al 2%. Adems de estos

componentes principales puede contener otros elementos como manganeso, silicio, cromo,

nquel o molibdeno y diversas impurezas en pequea proporcin.

En funcin del porcentaje en que se encuentren los elementos mencionados los aceros se

clasifican en aceros no aleados y aceros aleados. Entre estos ltimos se encuentran los

aceros inoxidables que contienen cromo, nquel y, habitualmente, tambin molibdeno.

Los aceros se obtienen a partir de minerales de hierro a partir de una serie de procesos

industriales que reciben el nombre de procesos siderrgicos. La primera fase consiste en la

obtencin, en horno alto, de un producto intermedio, el arrabio, que es una combinacin

de hierro y carbono en la que este ltimo se encuentra en proporciones superiores al 4%.

A partir del arrabio se obtienen, por procesos sucesivos, los distintos productos

siderrgicos. Estos procesos consisten bsicamente en la reduccin del contenido de

carbono hasta los lmites deseados y la eliminacin de las impurezas que acompaan al

arrabio, procedentes de la ganga o los gases de combustin empleados para calentar el

horno alto.

Los productos siderrgicos usados en construccin (fundicin y acero), se diferencian por

su contenido en carbono, presentando caractersticas y aplicaciones diferentes:

LA FUNDICIN: es una aleacin hierro-carbono en la que el carbono se encuentra en proporciones superiores a las del acero (aproximadamente entre el 2 y el 3%).

Debido a ello la fundicin resulta ser ms frgil, dura e inoxidable. Adems es

insoldable y no admite la conformacin mecnica.

Por su resistencia a la oxidacin se utiliza para la confeccin de tuberas, radiadores

y baeras (revestidas con esmaltes cermicos). Su conformacin por fusin y

colada o moldeo permite obtener formas decorativas por lo que tambin tiene un

amplio uso en rejera.

EL ACERO: se define como la aleacin Fe-C con contenido de carbono menor al 2% (generalmente los aceros de construccin, especialmente los estructurales,

presentan contenidos por debajo del 1%) por lo que participa ms de las

propiedades del hierro que de las del carbono.

Los aceros son elsticos y tenaces, con altas resistencias mecnicas, tanto a traccin

como a compresin. Por el contrario presentan una baja resistencia a la oxidacin y

son de menor dureza que la fundicin.

Presentan fases de reblandecimiento intermedias entre el estado lquido y el slido

por lo que son soldables, y admiten la conformacin mecnica (forja y laminacin).

Se obtienen por afino del arrabio en convertidor L-D (figura 2.2) o por fusin y

afino de chatarra en hornos elctricos. Este segundo procedimiento es el

habitualmente empleado para la obtencin de aceros aleados.

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2.2. PROCESOS SIDERRGICOS

2.2.1. FABRICACIN DEL ARRABIO EN HORNO ALTO

Como ya hemos dicho el arrabio es un producto intermedio obtenido a partir de los

minerales de hierro en horno alto. En la figura 2.1 se puede ver el esquema general de

funcionamiento de un horno de este tipo.

El horno se carga con:

MINERAL DE HIERRO: en la industria siderrgica slo son utilizables los minerales en los que el hierro se presenta en forma de xido o carbonato. Este ltimo se reduce

previamente para obtener el xido.

COMBUSTIBLE: normalmente los hornos altos utilizan carbn vegetal en polvo, concretamente COQUE, como combustible. ste aporta el carbono necesario para

mantener, con su combustin, la temperatura del horno y para que acte como agente

reductor en la descomposicin del xido de hierro.

FUNDENTES: se utilizan para eliminar las impurezas del material. Reaccionan con la ganga formando la ESCORIA, que es un producto de desecho que tiene aplicaciones en

otros campos. Se usa por ejemplo como fertilizante o como adicin de los cementos.

La composicin de los fundentes depende del tipo de impurezas que acompaen al

mineral. Como la ganga suele ser cida el fundente debe ser bsico para reaccionar

con ella. Se utiliza habitualmente piedra caliza.

Los procesos que tienen lugar en un horno alto que pueden resumirse en:

El coque arde en la parte baja del horno al entrar en contacto con el oxgeno del aire insuflado a travs de potentes toberas.

Los gases producidos ascienden por el horno hasta alcanzar al mineral calentndolo a la temperatura adecuada para que tengan lugar las reacciones de reduccin del xido

de hierro y de formacin de la escoria

El hierro y el carbono liberados en la cuba al alcanzar las altas temperaturas del vientre se combinan formando el arrabio. Como no todas las impurezas del mineral se

eliminan en la escoria parte se combinan con el arrabio en el vientre.

El arrabio fundido y las escorias fluyen hasta el crisol de donde son extradas peridicamente. Al ser las escorias ms ligeras que el arrabio, sobrenadan en l y

pueden ser extradas por la parte superior.

Una vez obtenido el arrabio puede conservarse fundido hasta su utilizacin para la obtencin del acero en convertidor (figura 2.2) o se enfra moldeando lingotes de gran tamao que posteriormente se utilizan para obtener la fundicin

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Figura 2.1 : Esquema de las fases en la obtencin del ARRABIO

- Mineral : Ya reducido a Fe2O3

- Fundente : Compuesto al que se fijan por reaccin qumica las impurezas (ganga), formndose ESCORIA (Como la ganga suele ser cida -arcillas-, el fundente generalmente empleado es caliza)

- Cok Funciones Combustible Agente reductor

Las impurezas se descomponen en xidos y se combinan con el fundente generando la ESCORIA

CO reduce al mineral: 3CO + Fe2O3 3CO2 + 2 Fe + calor

Parte del CO se combina entre s: 2CO + calor CO2 + C

Zona de carburacin o formacin de Arrabio

C + O2 CO2 + calor (Reaccin fuertemente exotrmica) Aqu arde el cok

Abundancia de carbn combustin incompleta: CO2 + C + calor 2CO (Poco endotrmica)

Sube hasta la cuba donde hace de agente reductor

Evacuacin de ESCORIA (sobrenada en arrabio)

Formacin de lingotes Evacuacin del ARRABIO o

A cuchara o mezclador donde se conserva fundido

Se carga con

Al alcanzar el vientre, a las altas temperaturas del

mismo, se combinan formando el ARRABIO

Vientre

Cuba

tragante

Etalaje

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2.2.2. OBTENCIN Y SISTEMAS DE CONFORMACIN DEL ACERO Y LA FUNDICIN

A partir del arrabio, por afino, se obtienen los productos siderrgicos con aplicaciones en construccin: fundicin y acero. En el siguiente

esquema se resumen la obtencin, conformacin, caractersticas y aplicaciones de ambos:

ARRABIO: contenido de carbono > 4% Obtenido en HORNO ALTO Producto intermedio en la obtencin de la fundicin y el acero.

FUNDICIN: contenido de carbono 2 a 4 %

Tipos: Gris, blanca, maleable, dctil, baintica segn estructura y proporcin carbono

Obtencin: por refusin del lingote de arrabio en CUBILOTES Se elimina parte del carbono

Las impurezas se oxidan y se combinan con fundentes

Conformacin : Por fusin y moldeo (Caldo a presin inyectado en moldes de arena prensada)

Caractersticas: Dura, quebradiza, bajo grado de oxidacin, insoldable, no conformable mecnicamente.

Resistencias mecnicas : Compresin 60 MPa / Traccin 15 MPa

Aplicaciones: Baeras, radiadores, tuberas, rejera, fustes de farolas y piezas complementarias o decorativas.

ACEROS: contenido de carbono < 2 %

Tipos: COMUNES (no aleados) , FINOS Y ESPECIALES (aleados)

Sigue

Arrabio

+

Fundentes

Aire Escoria

ARRABIO: contenido de carbono > 4% Obtenido en HORNO ALTO Producto intermedio en la obtencin de la fundicin y

el acero

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ACEROS COMUNES

Obtencin: por afino del arrabio en CONVERTIDOR

1. Se carga con Arrabio fundido, chatarra de acero y fundentes Se elimina gran parte del carbono 2. Se inyecta oxgeno

3. Se deja que arda la carga Las impurezas (S, Si, P ..) se oxidan formando gases (SO3, SO2) o 4. Se descarga volcando la cuba compuestos que se combinan con los fundentes formando escoria (SiO2, P2O5)

Conformacin : Por fusin y moldeo, Forja, Laminacin en caliente, trefilado, conformacin en fro.

Caractersticas: Elsticos, oxidables, soldable, conformable mecnicamente.

Resistencias mecnicas : Compresin y Traccin por encima de los 200 MPa

Aplicaciones: Perfiles estructurales y redondos para hormign, chapas para cubierta y cerramientos, carpintera de puertas, rejera...

ACEROS ALEADOS

Obtencin: por afino de aceros comunes en HORNO ELCTRICO

Se carga con chatarra de acero y los metales de incorporacin:

- Cr, Ni resistencia a corrosin y reblandecimiento

- Mn tenacidad y menor soldabilidad

- Cu Mayor resistencia a la corrosin

Conformacin : Por fusin y moldeo, Laminacin en caliente, conformacin en fro.

Caractersticas: Elsticos, oxidables o inoxidables segn aleacin, soldable, conformable mecnicamente.

Resistencias mecnicas : Compresin y Traccin por encima de los 200 MPa

Aplicaciones: Chapas para cubierta y cerramientos, carpintera de puertas, perfiles estructurales y redondos para hormign, rejera...

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Figura 2.2: Obtencin del acero en convertidor

(Figura tomada del prontuario ENSIDESA tomo 2)

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2.3. CARACTERSTICAS GENERALES DE LOS ACEROS

Podemos destacar entre otras las siguientes:

ESTRUCTURA

Ya hemos indicado que el acero es una aleacin hierro-carbono. Pues bien, en las

proporciones en las que el carbono se encuentra en esa aleacin, prcticamente en su

totalidad se combina con el hierro (ferrita) formando un compuesto qumico denominado

cementita (carburo de hierro: CFe3). A ello le acompaa un exceso de hierro que no puede

combinarse con el carbono.

La cementita es soluble en hierro por lo que los aceros son combinaciones de ferrita y

cementita.

El siguiente grfico muestra el diagrama de fases de las aleaciones hierro/carbono. En l S es

el punto de solidificacin de la composicin eutectoide que se corresponde con un contenido

de carbono del 0,8%.

Figura 2.3: diagrama de fases del acero

(Figura tomada del Prontuario ENSIDESA tomo2)

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Los aceros estructurales son todos hipoeutectoides, es decir contienen carbono en proporcin

inferior al 0,8%, por lo que su fase slida se caracteriza por la presencia de FERRITA y

PERLITA. Esta ltima es un compuesto en el que se alternan finas laminillas de ferrita y

cementita.

La estructura de los aceros no obstante depende de la velocidad de enfriamiento a la que se

hayan obtenido. Esta determina el tamao de los granos y la concentracin de componentes

en los mismos, dando lugar a variaciones en las propiedades.

Del mismo modo las caractersticas de los aceros pueden variarse modificando su estructura

inicial por tratamientos trmicos o termomecnicos de conformacin en caliente. Por

ejemplo:

- La microestructura martenstica obtenida por un enfriamiento brusco (temple) da lugar a aceros ms duros y resistentes pero ms frgiles

- La microestructura baintica obtenida por un enfriamiento lento a bajas temperaturas da lugar a aceros duros y resistentes pero que mantienen su ductilidad.

Otro aspecto fundamental es la presencia de inclusiones. stas con impurezas inevitables

(azufre, fsforo) o elementos aadidos intencionadamente para mejorar las propiedades de los aceros (metales de aleacin como el nquel, el cromo, el manganeso). La distribucin y naturaleza de las inclusiones en la estructura del acero condiciona las propiedades del

mismo.

RESISTENCIA A TRACCIN

Frente a los materiales ptreos, como el hormign, con alta resistencia a compresin y muy

baja a traccin, el acero se caracteriza por su elevada resistencia tanto a traccin como a

compresin, lo que hace que tenga importantes aplicaciones en construccin como material

estructural.

La grfica tensin-deformacin que muestra el comportamiento a traccin del acero presenta

una primera fase de comportamiento elstico (deformaciones proporcionales a las cargas

aplicadas) con un lmite denominado lmite elstico Re.

A partir de ese momento se entra en una fase de comportamiento plstico con un mximo

que corresponde al instante en el que el material falla, perdiendo la cohesin interna entre

sus partculas y comenzando a fluir. Ese instante se manifiesta por una disminucin de

seccin en la probeta sometida a ensayo que recibe el nombre de estriccin. La rotura fsica

se produce instantes despus.

En ciertos aceros, la transicin entre la zona de deformacin elstica y plstica se produce

con grandes alargamientos sin variacin de tensin o con variaciones muy pequeas. Este

fenmeno se conoce con el nombre de escaln de cedencia.

Ferrita

Perlita (capas alternadas de ferrita y cementita )

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Los aceros se caracterizan generalmente por su lmite elstico que es la tensin que

corresponde al punto a partir del cual las deformaciones dejan de ser proporcionales a las

tensiones aplicadas.

Sin embargo, en la mayora de los casos es difcil apreciar dnde termina la lnea que

representa el comportamiento elstico del acero. En el ensayo es preciso sobrepasar este

punto para apreciar que se producen deformaciones permanentes. Por esa razn se define lo

que se llama:

LMITE ELSTICO CONVENCIONAL Rp: valor de la carga unitaria o tensin que produce una deformacin remanente prefijada (generalmente un 0,2%).

Adems, considerando el escaln de cedencia se definen otros dos valores:

LMITE ELSTICO APARENTE SUPERIOR Reh : valor de la tensin medida al comienzo del escaln de cedencia correspondiente al primer mximo del grfico

LMITE ELSTICO APARENTE INFERIOR Rel: valor de la tensin medida al final del escaln de cedencia correspondiente al mnimo del mismo.

En la grfica se puede determinar tambin:

RESISTENCIA A TRACCIN Rm: carga unitaria mxima soportada por la probeta. Es la tensin correspondiente a la fuerza mxima medida en el ensayo a traccin.

MDULO de ELASTICICDAD: pendiente de la recta correspondiente a la zona elstica (en los aceros estructurales 2,1.105 MPa).

Figura 2.4 grfica tensin-deformacin

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ENERGA DE ROTURA POR FLEXIN

La anterior grfica muestra como, despus del periodo elstico, el acero presenta un amplio

periodo suave de pre-rotura en el que es capaz de deformarse plsticamente con variaciones

pequeas de tensin. Sin embargo existen circunstancias en las que se produce una rotura

brusca, sin apenas deformaciones plsticas, o rotura frgil.

En la rotura frgil de los aceros influyen factores tales como la temperatura a que se

encuentre o la velocidad de aplicacin de la carga... Sin embargo tiene especial importancia

la presencia de grietas, entallas u oclusiones en las que se pueda producir una concentracin

de tensiones originando estados bi o triaxiales de solicitacin.

Los aceros, en funcin de su composicin y estructura, sern ms o menos sensibles a

presentar rotura frgil cuando exista un defecto prexistente o producido durante la puesta en

obra.

La sensibilidad de un acero a la rotura frgil se define por su Energa de Rotura por Flexin

determinada por el ENSAYO CHARPY o DE FLEXIN POR CHOQUE. Consiste en

romper de un solo golpe una probeta prismtica con una entalla en el centro. Se define as la

Resilencia o Energa de Rotura:

[p x l x cos (-)]/S

(p y l masa y longitud del pndulo y S seccin central de la probeta considerando la entalla)

Figura 2.5: pndulo de Charpy

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Los aceros estructurales generalmente se caracterizan por su lmite elstico, distinguindose

entre ellos varios grados que corresponden a distintas energas de rotura por flexin a

determinadas temperaturas.

DUREZA MECNICA

Es la resistencia de un material a ser deformado por la penetracin de un til de acero, que

puede tener forma de bola (dureza Brinell), cono (dureza Rockwell), etc., bajo la accin de

una carga.

La dureza del acero tiene una gran importancia por ejemplo en la fabricacin de piezas de

maquinaria, sin embargo en los aceros de construccin slo se utiliza ocasionalmente como

un valor que pueda ser indicativo de la resistencia a traccin.

Figura 2.6: ensayo para la determinacin de la dureza Brinell

2.4 ACEROS USADOS EN CONSTRUCCIN

Los aceros presentan mltiples aplicaciones en construccin: estructuras, conducciones,

cerrajera, carpintera de puertas y ventanas, cubiertas, fachadas, etc.

En funcin de su composicin se clasifican en aceros aleados (los que incorporan otros

metales para mejorar algunas de sus propiedades) y no aleados.

Dentro de cada grupo se distinguen a su vez tipos de aceros en funcin de sus caractersticas

mecnicas, resistencia a la corrosin, soldabilidad, etc.

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2.4.1. ACEROS PARA ESTRUCTURAS METLICAS

Los aceros a emplear para este tipo de estructuras son aceros no aleados. Vienen

determinados en el Cdigo Tcnico de la edificacin en el Documento Bsico Seguridad Estructural - Estructuras de acero DB SE-A por referencia a la norma, actualmente en vigor, UNE EN 10025 de productos laminados en caliente.

Segn sta, los aceros estructurales se designan con la letra S seguida de tres dgitos que

indican el valor mnimo garantizado del lmite elstico para espesor 16 mm, en N/mm2. A continuacin aparecen unas letras y nmeros que indican el grado de soldabilidad y el nivel

que debe alcanzarse en el ensayo de flexin por choque.

Los aceros contemplados en SE-A son S 235, S 275 y S 355, con grados JR, J0, J2 y K2 que

suponen una energa de rotura de 27 J, a 20, 0, -20 y -30 C respectivamente, y aptitud para

el soldeo por todos los procedimientos. Tambin se incluye el S 450 J0. La soldabilidad es

creciente del grado JR al K2.

Los grados habitualmente exigidos por el CTE al acero en funcin de su aplicacin son:

JR: estructuras ordinarias

J0: estructuras con alta exigencia de soldabilidad

J2 y K2: estructuras con altas exigencias de resistencia, resilencia y soldabilidad

2.4.2. ACEROS PARA ARMADURAS DE HORMIGONES

- Aceros para armaduras pasivas: se caracterizan por el valor de su lmite elstico.

Se designan por la letra B seguida de tres dgitos, que indican el valor mnimo

garantizado del lmite elstico, y de la letra S que indica que son soldables.

La Instruccin de hormign estructural EHE contempla la utilizacin de dos tipos de acero: B 400 S y B 500 S.

Pueden utilizarse tanto barras, como alambres corrugados, obtenidos por laminacin, en

caliente y en fro respectivamente.

- Aceros para armaduras activas: se caracterizan por su tensin de rotura (tensin mxima soportada en el ensayo a traccin).

Son aceros de alta resistencia empleados en piezas pretensadas.

Se designan por la letra Y seguida de cuatro dgitos, que indican el valor mnimo

garantizado de la tensin de rotura, y de la letra C, en el caso de que se trate de barras o

alambres, o la letra S, en el caso de que se trate cordones.

La Instruccin de hormign estructural EHE contempla la utilizacin de los aceros Y 1570 C, Y 1670 C, Y 1770 C e Y 1860 C para alambres; los Y 1770 S2, Y 1860 S3,

Y 1960 S3 e Y 2060 S3 para cordones constituidos por 2 3 alambres; y los Y 1760 S7

e Y 1860 S7 para cordones constituidos por 7 alambres.

Se usan armaduras lisas o cordones constituidos por alambres enrollados

helicoidalmente.

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2.5. PRODUCTOS Y APLICACIONES EN CONSTRUCCIN

La mayor parte de los productos de acero usados en construccin se obtienen por

conformacin mecnica.

El procedimiento ms empleado es la laminacin que consiste en hacer pasar al material

entre pares de cilindros, estirndolo, hasta hacerle alcanzar deformaciones plsticas

irreversibles. Con ello se produce un alargamiento de los cristales generando una estructura

en la que la resistencia a traccin en la direccin del laminado aumenta considerablemente.

Figura 2.7: Paso sucesivo entre pares de rodillos hasta obtencin de perfil IPN

La laminacin puede realizarse en caliente (aprovechando el reblandecimiento del material a

altas temperaturas, aproximadamente 1000C), o en fro (a temperatura ambiente). El primer

procedimiento es el empleado para la obtencin de chapas, bandas y perfiles estructurales:

IPN, IPE, UPN, L, etc. o perfiles tubulares huecos, tanto para usos estructurales como para

conducciones.

Figura 2.8: ejemplo de perfiles laminados

Con posterioridad las chapas y bandas pueden sufrir un segundo proceso de plegado o

doblado en fro. Se obtienen as por ejemplo los perfiles estructurales conformados en fro

(figura 2.9) o las chapas plegadas para cubiertas (figura 2.10). Por el conformado en fro

tambin pueden obtenerse perfiles tubulares por doblado y soldadura continua.

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Figura 2.9: ejemplo de perfiles conformados en fro

Figura 2.10: distintos tipos de chapas y ejemplo de aplicacin de las mismas

Un producto importante son los redondos para hormigones que se obtienen por trefilado y

laminacin. Para mejorar la adherencia entre los dos materiales se les pueden imprimir

resaltos o corrugas, obteniendo el llamado acero corrugado.

Figura 2.11: redondos corrugados

Otros productos con aplicaciones en construccin son los elementos de unin (tornillos,

clavos, pasadores...), los herrajes para carpinteras, etc. Adems se utilizan aceros para la

fabricacin de conductos, baeras, radiadores, griferas, etc.

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2.6. LA CORROSIN DEL ACERO. SISTEMAS DE PROTECCIN

El hierro se corroe, en ambientes hmedos, por la accin del oxgeno disuelto con formacin

de herrumbre (Fe2O3.nH2O) que se deposita sobre la superficie de la pieza afectada. El

problema es que la herrumbre constituye una capa porosa que no impide que la corrosin

prosiga hacia el interior de la pieza.

La corrosin se produce ms rpida y fcilmente en medio cido. En el proceso el hierro

acta como nodo perdiendo electrones. Resumidamente sera:

Fe Fe3+ + 3e

2Fe3+

+ 3H2O Fe2O3 + 6H+

Fe2O3 + nH2O Fe2O3.nH2O

Para proteger los aceros de la corrosin existen diferentes mtodos:

PINTURAS Y REVESTIMIENTOS

Se trata de crear una barrera protectora por aplicacin de una pelcula impermeable. Hoy en

da es muy frecuente el uso de pinturas y lacas sintticas. Tambin se pueden usar pinturas

ricas en metales que se oxiden preferentemente al hierro formando capas impermeables

(pinturas a base de zinc por ejemplo).

Es un sistema de proteccin barato pero requiere un mantenimiento sistemtico ya que trata

de capas finas que se alteran a intemperie.

Tambin se realizan revestimientos con esmaltes cermicos o materiales plsticos.

METALIZACIONES

Consiste en recubrir la pieza con un metal que se oxide con mucha dificultad (metal

inoxidable). El metal suele depositarse mediante un proceso electroltico a partir de una de

sus sales, actuando como una camisa protectora sobre el acero. Las metalizaciones ms

usuales suelen ser el cromado y el niquelado.

De ellas resulta mejor el cromado ya que el cromo es ms reductor que el acero (se oxida

ms fcilmente que el acero). En caso de que el recubrimiento se quebrada o rompiera sera

el cromo quien se convertira en el nodo del par galvnico y el acero no se oxidara.

GALVANIZADO

Consiste en recubrir el acero con zinc, que, por ser un metal ms reductor, se oxida

preferentemente al hierro.

Expuesto a la intemperie el zinc se combina con el oxigeno y el CO2 atmosfrico formando

una capa de hidrxido y carbonato (Zn(OH)2.ZnCO3) que es altamente impermeable y que

acta como proteccin del acero.

El galvanizado se consigue por inmersin de las piezas en un bao de zinc fundido.

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ACEROS DE RESISTENCIA MEJORADA A LA CORROSIN

Se trata de aceros aleados con pequeas cantidades de cobre (aceros COR-TEN). El efecto de

esta aleacin es la formacin de una capa de xido de hierro enriquecido en cobre, que es

muy adherente y de baja permeabilidad.

A medida que progresa la oxidacin aumenta la concentracin de cobre en la capa de xidos,

hacindose cada vez ms impermeable y con mayor capacidad de proteccin.

ACEROS INOXIDABLES

Se trata de aleaciones con cromo y nquel, que dotan al acero de resistencia a la corrosin, o,

para ambientes muy agresivos como los marinos, con cromo, nquel y molibdeno.

Son aceros ms caros, pero muy resistentes a la corrosin, que se utilizan en construccin

para carpinteras o paneles de muros cortina.

PROTECCIN CATDICA

Consiste en suministrar a la pieza a proteger una corriente de electrones que impide que el

hierro se convierta en el nodo de las reacciones que originan la corrosin.

Generalmente esto se consigue conectando el acero con un metal que se oxide ms

fcilmente, y acte como nodo enviando sus electrones al hierro. Este metal recibe el

nombre de nodo de sacrificio, ya que se va desgastando por su oxidacin progresiva y debe

reemplazarse peridicamente.

Por este sistema se protegen las plataformas petrolferas o las tuberas de gas enterradas.

2.7. PROTECCIN FRENTE A FUEGO

El acero sometido a altas temperaturas reblandece y pierde resistencia por lo que es

especialmente importante asegurar su proteccin frente a fuego en el caso de aplicaciones

estructurales.

Existen diversos mtodos para conseguirlo. A continuacin se presentan los ms

habitualmente empleados:

PROTECCIN MEDIANTE TABICADO

En este caso los elementos estructurales se rodean por un tabique constituido por materiales

inertes frente a fuego capaces de aislar al acero.

Se puede utilizar ladrillo cermico, bloque de hormign, placas cartn-yeso, paneles de lana

de roca, etc.

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Figura 2.12: proteccin mediante una doble

capa de placas cartn-yeso (Figura tomada

de catlogos Pladur)

PROYECCIN DE MORTEROS

En un principio este sistema consistira en un GUNITADO: aplicacin de una capa de

hormign proyectado sobre la superficie de la pieza creando una barrera inerte protectora.

Con el uso de ridos ligeros, como la perlita y vermiculita, se mejora adems el aislamiento

trmico creando un mayor nivel de proteccin

Tambin se utilizan morteros de lana de roca compuesto por fibras minerales, cemento,

aditivos y agua que, frente al gunitado convencional, tienen la ventaja de tener una alta

capacidad de aislamiento trmico y ser ms ligeros.

Con estos revestimientos se consigue tambin proteccin frente a oxidacin, aunque es

aconsejable aplicar previamente pinturas protectoras. Sin embargo tienen el inconveniente de

crear una capa rugosa irregular con un efecto poco esttico. La mayor parte de las veces

requiere revestimientos de acabado impidiendo dejar la estructura vista.

Perfil

Mortero

Figura 2.13: proteccin con mortero proyectado

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PINTURAS INTUMESCENTES

Se trata de pinturas capaces de transformarse en una gruesa capa aislante con las primeras

elevaciones de temperatura del incendio. De ese modo crean una barrera protectora en torno

de los perfiles de acero impidiendo su calentamiento y reblandecimiento.

A partir de los 200 C aproximadamente la pintura se descompone formando una espuma

carbonosa de grosor 50 veces superior al inicial y con un coeficiente de transmisin trmica

casi mil veces inferior al del acero.

Se aplican por pulverizacin y estn compuestas fundamentalmente por dos tipos de

componentes:

un producto capaz de gasificar

un producto orgnico que aporta el carbono necesario para las reacciones de formacin de la espuma carbonosa

Aunque suelen ser blancas y mates se puede aplicar sobre ellas esmaltes ignfugos de color.

Figura 2.14: seccin de una intumescencia producida tras un incendio

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3. ALUMINIO

3.1. OBTENCIN

El aluminio es uno de los metales ms abundantes en la corteza terrestre. Se obtiene de la

bauxita por un proceso doble: primero se extrae la almina separndola de la ganga y a

continuacin se extrae de ella el aluminio sometindola a un proceso de electrlisis tal y

como se muestra en la siguiente figura.

Figura 3.1: esquema de la cuba para la obtencin de aluminio por electrlisis

La cuba se carga con la almina ms un fundente (criolita) ya que su punto de fusin

es muy elevado, en torno a los 2000 C, y es preciso rebajarlo para abaratar el coste

de obtencin del aluminio.

Al pasar la corriente elctrica la criolita fundida con la almina se comporta como un electrolito favoreciendo la descomposicin de esta ltima en aluminio y oxgeno.

El oxgeno, cargado negativamente se dirige a los nodos que son de carbono puro y reacciona con ellos produciendo CO2 que se elimina a travs de una chimenea de

evacuacin de gases.

El aluminio cae hasta el ctodo, situado en el fondo de la cuba, extrayndose por un orificio situado en la parte baja de la misma.

El producto as obtenido tiene de un 93 al 99% de aluminio. Las principales impurezas que

le acompaan son hierro y silicio procedentes de la materia prima.

A la salida de la cuba se moldean en forma de tochos o lingotes.

Los lingotes se utilizan para la obtencin de aleaciones de aluminio por refusin junto con

los metales de aportacin. Tras ello se moldean tambin en forma de tochos (figura 3.2).

Los tochos se utilizan para el moldeo posterior de perfiles por extrusin, haciendo pasar el

tocho a presin a travs de un disco perforado con la forma que se quiere obtener. Tras ello

se puede proceder a un doblado para terminar de conformar el perfil (figura 3.3).

+

nodos

Ctodo

Almina y criolita fundidos (~1000C)

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Figura 3.2.: tochos de aluminio

Figura 3.3.: ejemplo de perfiles para carpintera de ventanas

3.2. CARACTERSTICAS Y APLICACIONES EN CONSTRUCCIN

Es blando y maleable (dureza mineralgica de 3 en la escala de Mohs).

Presenta baja densidad, en torno a los 2700 kg/m3.

Baja temperatura de reblandecimiento, en torno a los 600 C.

A intemperie se oxida con formacin de una capa superficial de almina muy dura y de gran resistencia a la corrosin por su impermeabilidad.

Sin embargo se puede producir su corrosin por cidos o lcalis que atacan a la

almina. Cuando va a estar expuesto a ambientes muy agresivos se puede mejorar la

resistencia a corrosin usando aleaciones con magnesio o magnesio y silicio.

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Conductor trmico y elctrico.

Presenta etapas de resistencias elstica y plstica con una buena tenacidad.

- Resistencia a traccin en torno a los 90 MPa sin alear. - Cuando se alea se pueden conseguir valores del lmite elstico de hasta 500 MPa

Las mayores resistencias se consiguen con aleaciones de cobre y zinc.

Las propiedades del aluminio como hemos visto se pueden modificar alendolo con diversos

metales pero tambin se le pueden aplicar tratamientos trmicos como el temple que consiste

en someterlo a temperaturas en torno a los 200C durante unas horas. Se consigue con ello

reforzar las aleaciones y mejorar sus propiedades mecnicas.

En aluminio se usa en construccin en forma de:

perfiles extruidos para carpinteras de puertas y ventanas

placas lisas o grecadas para paneles de fachada o cubiertas

chapas lisas para revestimiento de cubiertas

productos moldeados por fusin como perfiles para estructuras de muros cortina o paneles y piezas decorativas.

Se emplea sin alear o ms comnmente aleado con magnesio y silicio. Con esta aleacin se

consigue mayor dureza, soldabilidad y resistencia a la corrosin as como una mejora de las

resistencias mecnicas (lmite elstico en torno a los 300 MPa)

Para aplicaciones estructurales el aluminio tiene la ventaja sobre el acero de ser ms ligero y

el inconveniente de presentar menores resistencias mecnicas y menor temperatura de

reblandecimiento. Ambas propiedades se pueden mejorar alendolo con otros metales.

En todo caso sus aplicaciones estructurales en construccin, si se exceptan los muros

cortina, son bastante reducidas ya que resulta ser ms caro que el acero

Sin embargo, cuando la ligereza es una cuestin fundamental, como en las aplicaciones

aeronuticas, el uso del aluminio presenta mltiples ventajas.

3.3. PROTRECCIN FRENTE A INTEMPERIE

3.3.1. ANODIZADO

El aluminio, como ya hemos dicho, se oxida con formacin de una capa de almina

impermeable que lo protege frente a la corrosin.

La capa de almina adems es muy dura y por ello tambin protege al aluminio, que es

blando, frente a la abrasin.

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El problema es que cuando se deja que el aluminio se oxide de forma natural a intemperie, la

capa que se forma es muy delgada, del orden de 0,1 micras y adems puede no quedar

uniforme, apareciendo manchas en la superficie.

Por ello se realiza el anodizado, que consiste en una oxidacin controlada con la que se

consiguen mayores espesores de almina.

Con los anodizados comunes, empleados por ejemplo para carpinteras de ventanas, se

consiguen espesores en torno a las 30 micras, pero si se requieren capas ms gruesas, por

ejemplo para usos mecnicos, se pueden alcanzar espesores de hasta 100 micras.

El siguiente esquema muestra el proceso de anodizado:

Figura 3.4.: esquema de anodizado de una pieza de aluminio

La pieza se coloca en el nodo de un bao electroltico

Al paso de la corriente el agua se descompone:

El hidrgeno va al ctodo donde se desprende por burbujeo.

El oxgeno va al nodo donde tiene lugar la oxidacin de la pieza.

El electrolito utilizado suele ser sulfrico que tiene una pequea accin disolvente de la capa de xido que se forma:

Le da la porosidad necesaria para que la oxidacin progrese hacia el interior.

Permite el teido con xidos metlicos que se fijan en las porosidades de la capa de almina consiguiendo lo que se denomina aluminios anodizados en color.

El fin de la oxidacin se consigue con un sellado por inmersin de la pieza en agua hirviendo. Se hidrata la almina y se colmatan los poros.

O2- H+

+ -

Pieza a anodizar pretratada (Pulida, decapada, lavada)

Agua acidulada

Desprendimiento de hidrgeno

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3.3.2. LACADO

El lacado consiste en la creacin de una capa impermeable y dura de proteccin del aluminio

por depsito de pintura en polvo y posterior tratamiento trmico.

Para ello se conectan las piezas a tierra negativamente y se proceder a pulverizar la pintura

sobre ella. Por el campo creado las partculas de pintura se cargan positivamente y son

atradas por la pieza adhirindose fuertemente a ella.

Tras ello se introducen las piezas en el horno a unos 200C. En l la pintura polimeriza y

funde crendose una pelcula uniforme y continua.

Con este procedimiento se consiguen capas de entre 60 y 80 micras de espesor con una gran

adherencia al aluminio, con una carta de colores muy extensa.

Es un procedimiento ms barato que el anodizado por lo que ltimamente est

convirtindose en el procedimiento ms empleado de proteccin para carpinteras de puertas

y ventanas.