Fundamentos y Normativa de Estructuras de Acero y Hormigón: Diseño, Uniones y Mantenimiento

Contexto de la Estructura

La estructura es el esqueleto resistente. Es el conjunto de elementos constructivos encargados de recibir las cargas y transmitirlas, junto con su peso propio, al terreno, manteniendo un buen comportamiento resistente.

Comportamiento Resistente

En el comportamiento resistente influyen los siguientes factores:

Equilibrio
Estabilidad
Resistencias (ELU – Estados Límite Últimos)
Deformaciones (ELS – Estados Límite de Servicio)

Resistencia

Las solicitaciones principales son:

Tracción
Compresión
Flexión (Momento Flector)
Cortante

Valores de Resistencia Típicos:

Resistencia a compresión del hormigón (fck): ≈ 25 N/mm².
Resistencia a compresión del acero (fy): ≈ 250 N/mm².
Resistencia a tracción del hormigón: Es casi nula, se rompe enseguida.
Resistencia a tracción del acero: 250 N/mm².

Equilibrio y Estabilidad

Equilibrio: Se produce cuando la estructura soporta las cargas sin romperse ni perder la forma. Los arcos y las bóvedas no suelen fallar por resistencia, sino por equilibrio.
Estabilidad o Pandeo:
- Local.
- Global: Falla el conjunto.

Para arriostrar un edificio se colocan cruces de San Andrés. El pandeo en acero es importante, mientras que en hormigón no suele ser un problema dominante.

Exigencias y Normativa General

Marco Legal

LEY (LOE) Ley 38/1999: Establece Requisitos (Art. 3).
- 3.1-b.1 Seguridad estructural. Solo se refiere a los ELU (Estados Límite Últimos), no a la deformación.
REGLAMENTO (CTE) Código Técnico de la Edificación:
- CTE Parte 1 Art. 10: Seguridad estructural.
- NORMAS (CTE Parte 2) DBs: DB-SE-A (Documento Básico de Seguridad Estructural – Acero).
Código Estructural (CE/21):
- Título 1: Generalidades
- Título 2: Hormigón
- Título 3: Acero
- Título 4: Estructuras mixtas

La arquitectura se basa en la función, la construcción y la forma. La edificación es la ingeniería que la arquitectura necesita.

Evolución Histórica de las Estructuras

1800: Se comienza a usar el acero, inicialmente para vigas, sustituyendo a las de madera.
1900: Primeras obras de hormigón.
Después de la Guerra Civil: Se optimiza el uso del hormigón (armar, encofrar, etc.).

Fábrica: Estructura que se hace con piezas pequeñas.

Tipologías Constructivas según la Estructura

Edificio de Pisos

Diseñado para aprovechar la superficie.

Las luces son cortas.
Cargas: Peso propio y sobrecarga de uso (típicamente 2 kN/m²).
Elementos constructivos: Tabiques, capa de suelo, techo.

Nave, Edificio Diáfano o Edificio de Cubierta

Diseñado para cubrir un espacio amplio.

Luces más grandes (15, 20, 80 m, etc.).
Son muy ligeras para reducir el peso propio de la estructura.
Cargas: Peso propio, sobrecarga de uso, elementos constructivos (techo, chapas de cubrición) y acciones meteorológicas (nieve, viento).

Puente, Pasarela o Escalera

Diseñado para pasar de un lado a otro.

Luces: Pueden tener apoyos próximos o separados.
Cargas: Cargas de tránsito.

Torre

Diseñada para elevar algo a una altura determinada.

Variables que influyen: Peso y altura.

El Acero Estructural

Propiedades y Características

Es el material que más resiste: 235 N/mm² (S235), 275 N/mm² (S275), 355 N/mm² (S355). (Comparado con el hormigón: 25, 30, 35, 40 N/mm² y 0 a tracción).
El acero resiste lo mismo a tracción que a compresión.
Es el que más pesa, pero con el que se hacen los edificios más ligeros (debido a la esbeltez de los perfiles).
Se puede montar y desmontar.

Inconvenientes del Acero

Son más flexibles (mayor deformabilidad).
Durabilidad (oxidación).
Comportamiento ante el incendio: No es combustible, pero a altas temperaturas pierde el módulo de elasticidad, lo que compromete su capacidad portante.

Normativa Aplicable

DB-SE-A-Acero (CTE)
EM/21 Título 3 – Estructuras metálicas
Eurocódigo – Estructuras de acero

Formas Comerciales (Perfiles)

Acero Laminado

De Alas Paralelas: IPE (más ligero y proporcionalidad), IPN (más pesado y resistente, sin proporcionalidad), UPN (uso decorativo, soportes cuadrados), HEA, HEB, HEM (soportes).
Macizos.
Angulares: L, LD, T.
Chapas: Grecada, Pegasus.

Otros Tipos

Conformado: Z, C, Omega.
Tubos.

Defectos en los Perfiles

Viene recogido en la Norma UNE (Compendio de estructuras de acero).

Protección del Acero

Protección contra el Incendio

Proteger contra la oxidación y revestir con materiales de albañilería.
Pintura intumescente (se expande con el calor).

Protección contra la Oxidación

Galvanizado: Se sumerge el hierro en un líquido y, mediante electrólisis, se le añade cinc.
Inoxidable: (Ejemplo: cubiertos).
Cortén: Acero especial oxidado. El tipo de oxidación que se produce ya no progresa.
Pinturas: La que menos dura. Primero se aplica pintura antioxidante y luego pintura de acabado. El negro agarra la pintura, el galvanizado no.

Uniones de Piezas Metálicas

Tipos de Uniones

Soldaduras: Unión continua.
Roblones (Remaches): Vástago cilíndrico con una cabeza. No se pueden apretar. Para colocarlos se calientan hasta que el extremo coja mucha temperatura. Trabajan a cortante o a cizalladura.
Tornillos: Se utilizan tornillos calibrados. Trabajan a tracción-rozamiento.

Uniones con Tornillos

Tipos de acabado:

Negro: Fosfatado (pavonado), usado en pladur ya que agarra la pintura.
Dorado: Bicromatado.
Gris brillo: Galvanizado o zincado.
Gris mate: Galvanizado en caliente (+ protección para exterior).

Calidad del Acero de los Tornillos

Clase de Calidad	Resistencia Máxima (fmax) (N/mm²)	Límite Elástico (fy) (N/mm²)
12.9	1200	1080
10.9	1000	900
8.8	800	640
6.8	600	480
5.6	500	300

Soldadura

Consiste en fundir las dos partes de las piezas a unir y juntarlas. Se utiliza la soldadura por arco eléctrico. Los elementos tienen que entrar en tensión para que no se deformen.

Tipos de Soldadura

A tope
En ángulo
En solape
En cruz

Soldadura según Solicitaciones

Compresión: No hace falta mucha soldadura.
Tracción: Soldar todo el perímetro con una garganta de igual espesor que el perfil.

Cortes de Chapas y Perfiles

Disco abrasivo
Oxicorte
Cizalla (tijera, se realiza en taller)

Entramados Horizontales (Forjados)

Detalles de Unión

Unión vigueta-zuncho: Zuncho (viga de borde), ladrillos, placa de anclaje, encofrado de madera, muro, rigidizadores (solo en unión viga-zuncho, en IPN en nudos y con IPE en nudos y en medio de la viga).
Unión viga-vigueta:
- Vigueta encima de viga: Soldar las alas de las viguetas y soldar las alas de abajo a la viga.
- Vigueta y viga al mismo nivel: Poner un casquillo y cortar el ala superior.

Dimensionamiento de Vigas

Canto de viga: Luz · 6. Se utiliza IPE (más actual) o IPN (construcciones existentes).
Canto de vigueta: IPN/IPE 160, 180, 200.

Elementos Específicos

Brochal: Viga transversal que se usa para crear un hueco en un forjado.
Simple apoyo: L o pletina y soldar solo el alma.
Unión rígida: Soldar ala y alma y poner chapa arriba.
Viga alma llena: Secciones transversales sólidas y macizas para soportar cargas pesadas y grandes luces.
Viga Boyd o alveolada: Con el mismo perfil se consiguen cantos más grandes.

Entramados Verticales (Soportes)

Uniones de Soportes y Vigas

Unión de dos vigas con soporte: Chapa de cabeza de soporte, soldar almas y alas de las dos vigas y chapa encima de las dos vigas.
Base del soporte (Basa): Dos chapas / placa de anclaje con L, cartelas, redondos y fijación de B+T+CT (Bulones, Tuercas, Concreto/Mortero).
Arriostramiento: Bandera y L50, L60.
Unión viga-soporte:
- Viga continua: Poner chapa de cabeza de soporte, rigidizadores en el alma de la viga y soldar encima de la viga otro trozo de soporte.
- Soporte continuo: Simple apoyo: L y soldar solo el alma de la viga al soporte. Nudo rígido: L y soldar toda la viga al soporte.

Dimensiones y Secciones

Espesor de chapas: 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 16, 20, 25 mm. Debe ser igual o mayor que el grosor más grande del perfil.
Espesor de rigidizadores: 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 16, 20, 25 mm. Espesor entre alma y ala.

Secciones Tipo de Viga

Con forjado encima (Viga mixta): Conector soldado al ala superior de la viga y poner encima de la viga la vigueta y el negativo.
Con forjado de viga plana: Negativo soldado al ala superior de la viga, y vigueta y bovedilla entre las dos alas, a + 10 cm de distancia del ala la bovedilla.

Apoyos en Dilatación

Angular soldado al soporte y no soldado al alma del perfil de la viga, poner un casquillo en L y un colchón de neopreno.

Entramados Inclinados

Detalles Constructivos

Unión soporte-cercha: Poner pieza de construcción de apoyo de cercha.
Pórtico: Cartelas para reforzar momentos del mismo perfil que los pares. En el soporte y pares poner rigidizadores donde llegue la cartela.
Hastial (Fachada): Continuidad a soportes para hacer petos y poner los pares con casquillos soldados al soporte después de poner las placas de cerramiento. Detalle de dintel.
Cumbrera: Canalón de chapa galvanizada de 1 m, y correas. En cercha, poner correas en cada nudo.

Detalles Constructivos Específicos

Zona de Oficinas

Unión de viga de piso y soporte en la esquina.
Unión de soporte y viga en el centro.
Base de soporte.

Arriostramiento

Dos tirantes: (Banderas, barras de arriostramiento redondas 12, 16 o angulares 50, 60).
Un tirante: (Barra rígida del mismo perfil que el pilar).

Nivelado de Pilares

El herrero hace una plantilla de la chapa, la numera y se la da al encargado del hormigón. Este coge la plantilla, mete las barras, pone tuerca arriba y abajo y hormigona la zapata.
Quitar plantilla y tuerca de arriba, poner los pilares y nivelarlos con 3 tuercas hasta quedar aplomado. Poner tuercas de arriba y apretar.
Para evitar oxidación, poner encofrado y rellenar con mortero autonivelante.

Sección de Nave

(Dos soportes y cercha/pórtico)

Esquema general.
Arranque de soporte (2 placas/placa con L/placa con regulación y aplomado). Detalle placa de anclaje.
Unión soporte-cercha/par del pórtico. Si es cercha, hacer detalle de pieza de apoyo y cómo se ve desde el lateral. Si es pórtico, poner cartelas.
Detalle de cercha poniendo los perfiles. Detalle de soldaduras de perfiles.
Detalle de cumbrera: Poner canalón y correas.

Sección de Hastial

(Dos soportes y pares, con los soportes intermedios y arriostramientos) Parte delantera.

Esquema general.
Arranque de soportes. Detalle de placa de anclaje.
Unión soporte-par. Detalle desde el lado. No poner cartelas.
Unión de pares arriba. No poner cartelas.

Sección de Piso

(Dos soportes y cercha/pórtico en discontinuidad y soportes de piso, viga de piso y nivel de forjado terminado en continuidad).

Esquema general.
Arranque de soportes. Detalle de placa de anclaje.
Unión soporte-viga de piso.
Unión soporte-viga de piso en lateral (poner una L).

Detalles de Arriostramientos y Dinteles

Arriostramientos:
- Detalle general.
- Detalle de soldadura bandera, L y soporte.
Dinteles:
- Detalle de unión dintel y soporte.

Mantenimiento y Documentación Legal

Instrucciones de Uso y Plan de Mantenimiento del Edificio

Normativa de Mantenimiento

Ley 38/1999 (LOE): Leer artículos 3, 7 y 16.
CTE. Parte I (Articulado): Leer artículos 1, 2.3, 5.1, 6.1, 8.1 y 8.2, anejo I, anejo II y anejo III.
Normativa Autonómica (Solo para VIVIENDAS): Ley 3/2001 y D.165/2006 por el que se determina el modelo, formalidades y contenido del Libro del Edificio. Articulado (leer). Anexo I: Características del libro del edificio.

Contenido del Libro del Edificio (Viviendas – Extremadura)

Volumen I. Documentación de la Obra Ejecutada

Datos iniciales.
Relación de Agentes.
Documentos sobre el régimen jurídico.
Licencias, certificados, autorizaciones.
Garantías y seguros.
Relación de compañías suministradoras.
Documentación técnica de la obra ejecutada (proyecto final, etc.).

Volumen II. Documentación del Periodo de Uso y Mantenimiento

Instrucciones de uso y mantenimiento.
Registro de incidencias.
Registro de operaciones de mantenimiento.

Existe un Anexo II: Instrucciones generales de uso y mantenimiento.

Extractos de la LOE (Ley 38/1999)

Artículo 3. Requisitos Básicos de la Edificación

Con el fin de garantizar la seguridad de las personas, el bienestar de la sociedad y la protección del medio ambiente, se establecen los siguientes requisitos básicos de la edificación, que deberán satisfacerse, de la forma que reglamentariamente se establezca, en el proyecto, la construcción, el mantenimiento, la conservación y el uso de los edificios y sus instalaciones.

Artículo 7. Documentación de la Obra Ejecutada

Una vez finalizada la obra, el proyecto, con la incorporación, en su caso, de las modificaciones debidamente aprobadas, será facilitado al promotor por el director de obra para la formalización de los correspondientes trámites administrativos. A dicha documentación se adjuntará, al menos, el acta de recepción, la relación identificativa de los agentes que han intervenido durante el proceso de edificación, así como la relativa a las instrucciones de uso y mantenimiento del edificio y sus instalaciones, de conformidad con la normativa que le sea de aplicación. Toda la documentación a que hace referencia los apartados anteriores, que constituirá el Libro del Edificio, será entregada a los usuarios finales del edificio.

Artículo 16. Los Propietarios y los Usuarios

Son obligaciones de los propietarios conservar en buen estado la edificación mediante un adecuado uso y mantenimiento, así como recibir, conservar y transmitir la documentación de la obra ejecutada y los seguros y garantías con que esta cuente.
Son obligaciones de los usuarios, sean o no propietarios, la utilización adecuada de los edificios o de parte de los mismos de conformidad con las instrucciones de uso y mantenimiento, contenidas en la documentación de la obra ejecutada.

Extractos del CTE (Parte I)

Artículo 1. Objeto

Las exigencias básicas deben cumplirse, de la forma que reglamentariamente se establezca, en el proyecto, la construcción, el mantenimiento, la conservación y el uso de los edificios y sus instalaciones, así como en las intervenciones en los edificios existentes.

Artículo 2. Ámbito de Aplicación

En la documentación final de la obra deberá quedar constancia del nivel de prestación alcanzado y de los condicionantes de uso y mantenimiento del edificio.

Artículo 5. Condiciones Generales para el Cumplimiento del CTE

5.1. Generalidades

Los agentes que intervienen en el proceso de la edificación, en la medida en que afecte a su intervención, deben cumplir las condiciones que el CTE establece para la redacción del proyecto, la ejecución de la obra y el mantenimiento y conservación del edificio.

Artículo 6. Condiciones del Proyecto

6.1. Generalidades

Las instrucciones de uso y mantenimiento del edificio terminado, de conformidad con lo previsto en el CTE y demás normativa que sea de aplicación.

Artículo 8. Condiciones del Edificio

8.1. Documentación de la Obra Ejecutada

Se incluirá en el Libro del Edificio la documentación indicada en el artículo 7.2 de los productos, equipos y sistemas que se incorporen a la obra. Contendrá las instrucciones de uso y mantenimiento del edificio terminado de conformidad con lo establecido en este CTE y demás normativa aplicable, incluyendo un plan de mantenimiento del edificio con la planificación de las operaciones programadas para el mantenimiento del edificio y de sus instalaciones.

8.2. Uso y Conservación del Edificio

El edificio y sus instalaciones se utilizarán adecuadamente de conformidad con las instrucciones de uso, absteniéndose de hacer un uso incompatible con el previsto. Los propietarios y los usuarios pondrán en conocimiento de los responsables del mantenimiento cualquier anomalía que se observe en el funcionamiento normal del edificio. El edificio debe conservarse en buen estado mediante un adecuado mantenimiento. Esto supondrá la realización de las siguientes acciones:

Llevar a cabo el plan de mantenimiento del edificio, encargando a técnico competente las operaciones programadas para el mantenimiento del mismo y de sus instalaciones.
Realizar las inspecciones reglamentariamente establecidas y conservar su correspondiente documentación.
Documentar a lo largo de la vida útil del edificio todas las intervenciones, ya sean de reparación, reforma o rehabilitación realizadas sobre el mismo, consignándolas en el Libro del Edificio.