Como ya hemos mencionado en alguno de nuestros post, el acero, debido a sus beneficiosas características, es utilizado en multitud de sectores industriales, tales como, por ejemplo, la construcción. Entre la multitud de sus propiedades, la deformación del acero se caracteriza como una de las principales. Teniendo en cuenta que la deformación del acero se entiende como una propiedad a partir de la que la estructura de dicho material adquiere una forma específica en función de la fuerza que ejercen los factores externos, existen distintos tipos. La deformación elástica del acero hace referencia al cambio temporal que experimenta la estructura de dicho material en el momento en el que se le aplica una fuerza externa. El acero se puede estirar o contraer, reservando la capacidad de volver a su forma original una vez que la fuerza deja de aplicarse. Para medir este tipo de deformación será necesario prestar atención a la conocida Ley de Hooke, la cual menciona que la deformación del material es directamente proporcional a la fuerza aplicada. Por tanto, cuanto mayor es la fuerza, mayor es la deformación elástica resultante. Ahora bien, es importante tener en cuenta que con el objetivo de conseguir que la deformación elástica del acero se desarrolle de forma correcta, existen varios límites. Este tipo de deformación es bastante utilizada en situaciones en las que se requiere flexibilidad y adaptabilidad en las estructuras en el momento en el que se aplica una determinada fuerza. El caso de los puentes, los cuáles están sometidos, por ejemplo, a fuertes vientos y a diferentes cargas de peso, es el ejemplo más claro en el que el acero adquiere una deformación elástica.
A diferencia del anterior, la deformación plástica del acero cambia la estructura del material de forma permanente cuando éste es sometido a fuerzas externas específicas. Dicho de otro modo, en el momento en el que al acero se le aplican fuerzas que superan los límites, sus átomos se desplazan los unos sobre los otros, provocando cambios irreversibles en su estructura. Al igual que sucede con la deformación elástica, el acero puede transformar su estructura de manera permanente teniendo en cuenta ciertos límites. En el momento en el que estos límites se excedan, la posibilidad de que la estructura sufra problemas y fallas aumenta. Otro concepto relacionado y de vital importancia en carpinterías y muros cortinas es el módulo de elasticidad del material. En el caso del acero, el módulo de elasticidad o módulo de Young es de 2,1 x 106 kg/cm2. Comparativamente con el aluminio, esta constante es 3 veces mayor, con lo que los perfiles de acero necesitan 3 veces menos inercia para soportar las cargas (a efectos prácticos perfiles de menor dimensión).
La deformación térmica del acero hace referencia a los cambios estructurales que sufre el material en el momento en el que este es sometido a cambios de temperatura. Cuando la temperatura aumenta, los átomos que componen la estructura se mueven de forma más rápida, lo cual provoca una expansión térmica. Esta expansión hace que el acero aumente en longitud, área o volumen. La forma a partir de la que se mide el nivel de deformación térmica del acero se rige por el coeficiente de expansión térmica, siendo esta otra propiedad del material del que estamos hablando. Al igual que sucede con el resto de deformaciones, es fundamental gestionar esta adecuadamente. Y es que, en caso contrario, la estructura puede ocasionar fallas que desemboquen en problemas muy graves. Los puentes o edificios son ejemplos de las estructuras más representativas en las que la deformación térmica del acero se convierte en protagonista. Para asegurar que puedan acomodar las variaciones dimensionales causadas por cambios de temperatura, será necesario tener en cuenta las propiedades de expansión térmica del material.
Como ya hemos visto a lo largo del texto, la deformación del acero se define como la capacidad que tiene dicho material para modificar su estructura en el momento en el que este es sometido a fuerzas externas. La deformación del material permite la fabricación de perfiles de acero que pueden adaptarse a una amplia variedad de diseños y dimensiones para ventanas. Todo esto se puede dar gracias a su ductilidad, permitiendo que el acero se estire y se flexione sin que llegue a fracturarse. Otro apartado fundamental a tener en cuenta es el de la deformación térmica del acero. Y es que, la variación de temperatura puede causar dilatación o contracción del material, haciendo que esto derive en tensiones y deformaciones internas en los perfiles. En definitiva con lo anteriormente mencionado, la deformación del acero es una de las propiedades más características de este material. Gracias a su ductilidad, el acero puede sufrir cambios estructurales sin llegar a romperse, siempre y cuando los límites establecidos se cumplan.
En función de lo que se quiera llegar a conseguir, los procesos deberán ser diferentes. Por ejemplo, si lo que se busca es una modificación temporal, la deformación elástica del acero es lo ideal; mientras que si el cambio en la estructura quiere darse de manera permanente, la deformación plástica del acero será la mejor opción. De cara a la fabricación de perfiles para ventanas, tener en cuenta esta propiedad y gestionarla de forma adecuada será imprescindible. Desde Jansen contamos con mucha experiencia dentro del sector. Nuestro equipo está formado por profesionales que estarán encantados de ayudarte y asesorarte durante todo el proceso.
Los incrementos de temperatura en las estructuras generan deformaciones y tensiones en las vigas que, de no tenerse en cuenta y controlarse, pueden conducir al colapso y el fallo del material. En este artículo explicamos cómo evaluar las deformaciones y tensiones normales en vigas isostáticas e hiperestáticas sometidas a incrementos uniformes de temperatura y gradientes térmicos. 1. Cargas térmicas en vigas Las estructuras, y más en concreto una viga, puede estar sometida a dos tipos de cargas térmicas: Variación de temperatura uniforme en toda la longitud de la viga: todos los puntos del perfil están sometidos a la misma variación de temperatura. El efecto de las cargas térmicas en las vigas y estructuras es distinto dependiendo de si es isostática o hiperestática: Vigas isostáticas: las cargas térmicas producen deformaciones en los elementos (longitudinales y angulares) sin generar tensiones. Vigas hiperestáticas: debido a la restricción de desplazamientos, se generan tensiones normales (tracción o compresión).
2. Variación de temperatura uniforme Este tipo de carga térmica es la más habitual, y también la más sencilla de analizar. Todos los puntos del perfil de la viga sufren la misma variación de temperatura, ΔT, ya sea positiva o negativa. Esta hipótesis de carga también asume que toda la longitud de la viga está expuesta al mismo incremento térmico. Efecto en vigas isostáticas Los materiales, y más concretamente, los metales se deforman con los cambios de temperatura. Se dilatan si son calentados y se contraen si se enfrían. Este es el motivo que explica que cada tramo de los raíles de las vías del tren estén separados una cierta distancia, con el objetivo de compensar la dilatación producida en los meses de verano cuando el metal alcanza altas temperaturas. Esta variación de longitud está definida por el coeficiente de dilatación lineal, α, que representa el alargamiento que experimenta un material cuando su temperatura se eleva 1 ºC (1 K si se trabaja en el sistema internacional). El coeficiente de dilatación lineal es diferente para cada material, siendo α = 1,2 · 10^-5 °C^-1 para el caso del acero (material más común en la construcción de vigas y estructuras).
Las vigas isostáticas, como una viga biapoyada o una viga empotrada, permiten que se puedan producir las variaciones de longitud por incremento térmico, produciéndose deformaciones en la viga. Esto lo podemos observar fácilmente en una viga biapoyada. Si se incrementa la temperatura, produciendo una dilatación, el apoyo móvil (b) se desplazará sin ninguna oposición. Por lo tanto, la variación de longitud en una viga, ΔL, que se encuentre sin ninguna restricción (libre) quedará definida por el coeficiente de dilatación lineal, α, la variación de temperatura, ΔT, y la longitud inicial de la viga, L. ΔL = α · ΔT · L. Si la variación de temperatura es positiva (incremento de temperatura) la variación de longitud también lo será, la viga se dilata. La deformación unitaria en la viga, ε, puede calcularse, a partir de su definición, como ε = ΔL / L = α · ΔT. Al producirse la deformación sin ninguna restricción o limitación, no se generarán tensiones en la viga. Es decir, existirá deformación sin tensión, únicamente por efecto de dilatación o contracción térmica. Estos mismos fundamentos son extrapolables a estructuras isostáticas, como pórticos o estructuras articuladas. Cualquier variación térmica producirá un conjunto de deformaciones en la estructura global sin generación de tensiones normales.
Efecto en vigas hiperestáticas El caso contrario observamos en vigas hiperestáticas. Para visualizarlo, pongamos como ejemplo una viga con dos apoyos fijos (hiperestática de grado 1). Al tratarse de dos apoyos que no permiten el desplazamiento (el único que permite el movimiento es el apoyo deslizante), la deformación de la viga estará impedida cuando esta sea sometida a una variación térmica. Como resultado, aparecerá un esfuerzo axial en la viga que es respuesta al intento de dilatación o contracción. Si la variación de temperatura es positiva, la viga intentará dilatarse (aumentar su longitud), pero no logrará conseguirlo. Como resultado, aparecerá un esfuerzo de compresión. Si la variación de temperatura es negativa, la viga intentará contraerse (acortar su longitud), pero los apoyos le impedirán esta deformación, tirando de ella. Ya hemos deducido previamente la deformación unitaria, ε, que sufriría la viga en caso de ser isostática. La tensión normal generada por el esfuerzo axial puede calcularse a partir de esta deformación, teniendo en cuenta la Ley de Hooke y el módulo elástico, E, del material. σ = - E · ε = E · α · ΔT. Así, para una deformación positiva, lo que corresponde para un aumento de temperatura, la tensión normal es negativa (compresión).
3. Gradiente térmico Esta hipótesis de carga define variaciones de temperaturas distintas en las fibras extremas del perfil, generando un gradiente térmico lineal entre las distintas fibras de la sección. De esta fórmula se deduce lo siguiente: Si la diferencia entre las variaciones de temperatura en ambos extremos del perfil, ΔT1-ΔT2, aumenta, el gradiente térmico se incrementa. Si el canto de la sección, d, se reduce, el gradiente térmico aumenta. Efecto en vigas isostáticas Al igual que ocurre para el caso de variaciones de temperatura uniformes, un gradiente térmico aplicado en una viga isostática produce deformaciones en la viga, sin que se generen tensiones normales de tracción o compresión. Sin embargo, la naturaleza de esta deformación es algo distinta. Para entenderlo, vamos a fijarnos en una rebanada diferencial de la viga, ds, en cuyas zonas superior e inferior se aplican unas variaciones de temperatura ΔT1 y ΔT2 respectivamente. Ambas zonas, superior e inferior, se dilatarán al estar sometidas a un incremento térmico, siendo la dilatación de la zona superior mayor que el incremento de longitud en la zona inferior. La diferencia de temperatura en ambos extremos de la sección origina que la deformación producida sea distinta. Si este análisis se extrapola al resto de la viga, veremos como la longitud total de la viga es mayor en la zona superior del perfil que en la zona inferior, generando una curvatura. La curvatura de la viga es evaluada multiplicando el gradiente térmico Ty por el coeficiente de dilatación lineal, α. φ = α · Ty = (α · (ΔT1 - ΔT2)) / d. De la fórmula deducimos que, cuanto mayor sea el gradiente térmico (bien porque el canto de la viga es pequeño o porque la diferencia de temperatura entre ambas zonas, superior e inferior, es grande), mayor será la curvatura producida en la viga. Efecto en vigas isostáticas
En la viga biapoyada anterior, el gradiente térmico aplicado en toda la viga genera la curvatura de la misma debido a que los apoyos fijo y deslizante permiten el giro de la sección. En el caso de una viga biempotrada, que es hiperestática, el giro en los extremos de la viga está impedido, evitando que su curvatura sea libre. En este sentido, las propiedades mecánicas del acero NO son las mismas a 20 ºC (temperatura que se suele considerar de referencia para el diseño de estructuras de acero), que las que pueda tener a 200 ºC, 400 ºC ó a 1000 ºC. La temperatura de 538 ºC se puede alcanzar fácilmente en caso de producirse cualquier incendio que pueda afectar directa o indirectamente a la estructura. Figura 1. No obstante, antes de producirse el fallo estructural, las propiedades mecánicas del acero van variando gradualmente conforme se va produciendo el aumento de la temperatura. Por último, en ocasiones a nivel de proyecto o en la fase de diseño resulta útil poder estimar la temperatura que alcanza el acero en caso de incendio para distintos momentos y con diferentes grados de protección, con objeto de poder conocer sus propiedades resistentes. Se adjunta la tabla 1 siguiente donde se puede consultar la variación de las principales características mecánicas de los aceros estructurales con la temperatura.
• KE,T = ET / E : este coeficiente expresa el cociente entre el módulo de elasticidad longitudinal del acero o módulo de Young para la temperatura (ET) que se desee conocer, y el módulo de elasticidad del acero a 20 ºC (E). • Kp,T = fp,T / fy : este coeficiente expresa el cociente entre el límite de proporcionalidad (fp,T) para la temperatura (T) que se desee conocer, y el límite elástico del acero a 20 ºC (fy). Tabla 1. La protección de elementos estructurales de acero contra la acción del fuego se puede realizar de múltiples maneras. Estos tipos de morteros están compuestos por ligantes hidráulicos y áridos ligeros como la perlita, vermiculita o lana de roca mezclados con aditivos específicos que le aportan las cualidades de estabilidad frente al fuego. Con este tipo de protección las estructuras de acero pueden exponerse hasta cuatro horas al fuego. No obstante, el espesor de revestimiento final que se aplique dependerá del tiempo de resistencia al fuego que se precise. Figura 2. Este tipo de protección se basa en envolver al perfil estructural de acero con paneles o placas que están fabricadas a base de lana mineral, o de yeso con aditivos especiales o bien de silicato cálcico. Figura 3. De entre los sistemas de protección existentes es el que ofrece una solución más estética porque no modifica la geometría ni las dimensiones de los elementos tratados. En función del tipo de pintura y espesor aplicado, este sistema puede ofrecer una protección de entre 30/60 minutos, tiempo suficiente para poder realizar la evacuación de edificios e instalaciones. Figura 4. Tabla 2. En el anexo A.2 se incluye una tabla que muestra cómo calcular el factor de sección (Sp) para perfiles de acero estructurales, según el área expuesta al fuego que presente. La forma de usar la tabla 3 adjunta es sencilla. Una vez definido el tipo de revestimiento empleado para proteger la estructura de acero, se conoce su resistividad (rp), valor que se puede obtener a partir de tablas de características del material suministradas por el fabricante o de catálogos comerciales. Tabla 3. ¿Qué es una temperatura límite o temperatura crítica de una estructura de acero?La resistencia del acero a alta temperatura está bien comprendida y documentada. Se sabe que a una temperatura superior a 500 °C, el acero estructural pierde una cantidad significativa de su capacidad de carga.Las estructuras de estructura de acero pueden diseñarse de modo que la tensión máxima en los miembros de acero se limite al 60% de su capacidad máxima individual a temperatura ambiente. Esta redundancia adicional del 40% proporciona resistencia al marco en situaciones anormales, como un incendio. Dependiendo del tamaño, la forma y la orientación, esta capacidad adicional puede equivaler a una temperatura de colapso calculada de 550 °C. Esto significa que por encima de 550 °C, el miembro de acero estructural no tiene suficiente resistencia para soportar la estructura que está manteniendo. Esta es la temperatura límite o crítica.Si el acero se utiliza más del 60%, la temperatura límite se reduce.Si el acero se utiliza menos del 60%, la temperatura límite aumenta.Para saber más, observe por favor esta infografía de abajo.¿Cómo reacciona el recubrimiento intumescente al fuego?En el ejemplo anterior, si 550 °C es la temperatura límite antes de que la estructura colapse, el siguiente gráfico muestra los perfiles de temperatura típicos: Curva de calentamiento BS EN 1363-1, Una sección de acero protegida por un revestimiento intumescente, en color verde Una sección de acero sin protección, en rojo. El recubrimiento intumescente no comienza a proteger significativamente hasta ~ 250-270 ° C, que suele ser unos 10 minutos después de que comience el incendio. Aquí es donde podemos ver por primera vez una reacción. Eso está relacionado con la reacción química del recubrimiento intumescente, que se convierte de una película de pintura en una masa compacta y aislante. Una vez que esta masa intumescente se activa, comienza a aislar a un ritmo más bajo, lo que ralentiza la acumulación de calor en el núcleo de acero. La curva generalmente presenta la misma forma independientemente del grosor de la masa intumescente, pero cuanto más grueso es el recubrimiento, más alargada es la curva verde. Esto equivale a más tiempo para alcanzar la temperatura límite. El tiempo adicional necesario dividido por la diferencia con la temperatura crítica del núcleo es un factor en el espesor de protección que requiere. Por ejemplo: Para una protección de 60 minutos con una temperatura límite de 350 °C: Para agregar 50 minutos para proteger 80 °C adicionales de temperatura (basado en una reacción completada de 270 °C) = 50/80 = 0,625. Otro ejemplo: Para una protección de 60 minutos con una temperatura límite de 750 °C: 50 minutos adicionales para proteger 480 °C adicionales = 50/480 = 0,104. ¿Por qué el espesor necesario es menor a una temperatura más alta? Este no es un valor absoluto, sino una demostración de que se necesita aproximadamente 6 veces más intumescente para proteger la misma pieza de acero durante 60 minutos si la temperatura límite es de 350 °C, en comparación con si fuera de 750 °C. Esto es proteger con el mismo recubrimiento. En todos los recubrimientos intumescentes Nullifire hay tablas para darle los requisitos de protección evaluados correctos. Las tablas no siempre muestran este factor de 6 como se demostró anteriormente porque el rendimiento no siempre es lineal como sugiere el ejemplo. El rendimiento varía para cada producto, en diferentes sustratos y en diferentes períodos de resistencia al fuego, por lo que no se puede modelar el rendimiento. El rendimiento siempre debe ser probado y evaluado.
Temperatura crítica El aumento de la temperatura provoca una modificación notable de las propiedades mecánicas del acero. A 400 °C, el límite de elasticidad del acero queda reducido en un 60 % de su valor inicial. Se ha demostrado que una estructura de acero sometida al calor no podrá mantener su capacidad de carga y se derrumbará después de determinado tiempo. La temperatura en la que se produce esta situación se conoce como temperatura crítica. Dicha temperatura crítica varía en función de la magnitud de la carga inicial y depende esencialmente del grado de esfuerzo admisible y de la naturaleza del esfuerzo. A fines de simplificación, los siguientes valores mínimos de temperaturas críticas pueden ser utilizados basándose en el código Eurocódigo 1993-1-2: - 500 °C para elementos comprimidos o sometidos a flexión y compresión axial.- 540 °C para vigas isostáticas y elementos tensos.- 570 °C para vigas hiperstáticas.
En SAP2000 se calcula las deformaciones por temperatura en base al coeficiente de expansión o dilatación térmica, que tú introduces al definir los materiales. Esto lo hace al multiplicar este coeficiente por el incremento de temperatura y por el largo del elemento. Introducir incremento de temperatura en la casilla "By Element Temperature". Seleccionar "By Joint Pattern". Si seguiste los pasos... mmm... tendria que ver tu modelo... GRACIAS A LOS APORTES DE AISLACION SON MUY BUENOS DOCUMENTOS. Una consulta: el SAP considera tres tipos de carga de temperatura: "Temperature", "Temperature Gradient 2-2" y "Temperature Gradient 3-3". Por lo que entendí la diferencia entre estos casos es que en el primero produce una carga de dilatación axial en el elemento, la segunda flexión en el eje fuerte y la tercera flexión en el eje débil. La pregunta es ¿en qué caso se considera cada tipo de carga de temperatura?