Silabo de Materiales y Servicios Constructivos I Carrera Profesional: Diseño de InterioresPág. 1 ESCUELA DE EDUCACIÓN SUPERIOR TECNOLÓGICA PÚBLICA DE GESTIÓN PRIVADA SENCICO – TRUJILLO PROGRAMA DE DISEÑO DE INTERIORES SILABO Asignatura: MATERIALES Y PROCESOS CONSTRUCTIVOS I “CLASE TRES” “EL FIERRO Y LA MADERA ESTRUCTURAL” Docente: ARQ° Mg. MANUEL GERMAN LIZARZABURU AGUINAGA TRUJILLO, AGOSTO DE 2013 Silabo de Materiales y Servicios Constructivos I Carrera Profesional: Diseño de Interiores Pág. 2 EL FIERRO El hierro es un elemento químico de número atómico 26 situado en el grupo 8 de la tabla periódica de los elementos. Su símbolo es Fe. Este metal de transición es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre, representando un 5% y, entre los metales, sólo el aluminio es más abundante. Igualmente es uno de los elementos más importantes del Universo, y el núcleo de la Tierra está formado principalmente por hierro y níquel, generando al moverse un campo magnético. Ha sido históricamente muy importante, y un periodo de la Historia recibe el nombre de "Edad de Hierro". I. Características principales Es un metal maleable, tenaz, de color gris plateado y presenta propiedades magnéticas; es ferromagnético a temperatura ambiente. Se encuentra en la naturaleza formando parte de numerosos minerales, entre ellos muchos óxidos, y raramente se encuentra libre. Para obtener hierro en estado elemental, los óxidos se reducen con carbono y luego es sometido a un proceso de afino para eliminar las impurezas presentes. Fundamentalmente se emplea en la producción de aceros, consistentes en aleaciones de hierro con otros elementos, tanto metálicos como no metálicos, que confieren distintas propiedades al material. Se considera que una aleación de hierro es acero si contiene menos de un 2% de carbono; si el porcentaje es mayor, recibe el nombre de fundición. Es el elemento más pesado que se produce exotérmicamente por fusión, y el más ligero que se produce a través de una fisión, debido a que su núcleo tiene la más alta energía de enlace por nucleón (energía necesaria para separar del núcleo un neutrón o un protón); por lo tanto, el núcleo más estable es el del hierro-56. II.- Aplicaciones El hierro es el metal más usado, con el 95% en peso de la producción mundial de metal. Es indispensable debido a su bajo precio y dureza, especialmente en automóviles, barcos y componentes estructurales de edificios. El acero es la aleación de hierro más conocida, siendo éste su uso más frecuente. Las aleaciones férreas presentan una gran variedad de propiedades mecánicas dependiendo de su composición o el tratamiento que se haya llevado a cabo. Los aceros son aleaciones de hierro y carbono, en concentraciones máximas de 2.2% en peso Aproximadamente. El carbono es el elemento de aleación principal, pero los aceros contienen otros elementos. Dependiendo de su contenido en carbono se clasifican en: Silabo de Materiales y Servicios Constructivos I Carrera Profesional: Diseño de Interiores Pág. 3 Acero bajo en carbono. Menos del 0.25% de C en peso. Son blandos pero dúctiles. Se utilizan en vehículos, tuberías, elementos estructurales, etcétera. También existen los aceros de alta resistencia y baja aleación, que contienen otros elementos aleados hasta un 10% en peso; tienen una mayor resistencia mecánica y pueden ser trabajados fácilmente. Acero medio en carbono. Entre un 0.25% y un 0.6% de C en peso. Para mejorar sus propiedades son tratados térmicamente. Son más resistentes que los aceros bajos en carbono, pero menos dúctiles; se emplean en piezas de ingeniería que requieren una alta resistencia mecánica y al desgaste. Acero alto en carbono. Entre un 0.60% y un 1.4% de C en peso. Son aún más resistentes, pero también menos dúctiles. Se añaden otros elementos para que formen carburos, por ejemplo, con wolframio se forma el carburo de wolframio, WC; estos carburos son muy duros. Estos aceros se emplean principalmente en herramientas. Uno de los inconvenientes del hierro es que se oxida con facilidad. Hay una serie de aceros a los que se les añaden otros elementos aleantes (principalmente cromo) para que sean más resistentes a la corrosión, se llaman aceros inoxidables. Cuando el contenido en carbono es superior a un 2.1% en peso, la aleación se denomina fundición. Generalmente tienen entre un 3% y un 4.5% de C en peso. Hay distintos tipos de fundiciones (gris, esferoidal, blanca y maleable); según el tipo se utilizan para distintas aplicaciones: en motores, válvulas, engranajes, etcétera. Por otra parte, los óxidos de hierro tienen variadas aplicaciones: en pinturas, obtención de hierro, la magnetita (Fe3O4) y el óxido de hierro III en aplicaciones magnéticas, etcétera. III.- Historia Se tienen indicios de uso del hierro, cuatro milenios antes de Cristo, por parte de los sumerios y egipcios. Entre dos y tres milenios antes de Cristo van apareciendo cada vez más objetos de hierro (que se distingue del hierro procedente de meteoritos por la ausencia de níquel) en Mesopotamia, Anatolia y Egipto. Sin embargo, su uso parece ser ceremonial, siendo un metal muy caro, más que el oro. Algunas fuentes sugieren que tal vez se obtuviera como subproducto de la obtención de cobre. Entre 1600 a. de C. y 1200 a. de C., va aumentando su uso en Oriente Medio, pero no sustituye al predominante uso del bronce. Entre los siglos XII a. de C. y X a. de C., se produce una rápida transición en Oriente Medio Silabo de Materiales y Servicios Constructivos I Carrera Profesional: Diseño de Interiores Pág. 4 desde las armas de bronce a las de hierro. Esta rápida transición tal vez fuera debida a la falta de estaño, antes que a una mejora en la tecnología en el trabajo del hierro. A este periodo, que se produjo en diferentes fechas según el lugar, se denomina Edad de Hierro, sustituyendo a la Edad de Bronce. En Grecia comenzó a emplearse en torno al año 1000 a. de C., y no llegó a Europa occidental hasta el siglo VII a. de C. La sustitución del bronce por el hierro fue paulatina, pues era difícil fabricar piezas de hierro: localizar el mineral, luego fundirlo a temperaturas altas para finalmente forjarlo. En Europa Central, surgió en el siglo IX a. de C. la cultura de Hallstatt. Junto con esta transición del bronce al hierro se descubrió el proceso de carburización, consistente en añadir carbono al hierro. El hierro colado tardó más en Europa, pues no se conseguía la temperatura suficiente. Algunas de las primeras muestras de hierro colado se han encontrado en Suecia, en Lapphyttan y Vinarhyttan, del 1150 d. de C. y 1350 d. de C. En la Edad Media, y hasta finales del siglo XIX, muchos países europeos empleaban como método siderúrgico la farga catalana. Se obtenía hierro y acero bajo en carbono empleando carbón vegetal y el mineral de hierro. Este sistema estaba ya implantado en el siglo XV, y se conseguían alcanzar hasta unos 1200ºC. Este procedimiento fue sustituido por el empleado en los altos hornos. En un principio se usaba carbón vegetal para la obtención de hierro como fuente de calor y como agente reductor. En el siglo XVIII, en Inglaterra, comenzó a escasear y hacerse más caro el carbón vegetal, y esto hizo que comenzara a utilizarse coque, un combustible fósil, como alternativa. Fue utilizado por primera vez por Abraham Darby, a principios del siglo XVIII, que construyó en Coalbrookdale un alto horno. Asimismo, el coque se empleó como fuente de energía en la Revolución Industrial. En este periodo la demanda de hierro fue cada vez mayor, por ejemplo para su aplicación en ferrocarriles. El alto horno fue evolucionando a lo largo de los años. Henry Cort, en 1784, aplicó nuevas técnicas que mejoraron la producción. En 1826 el alemán Friedrich Harkot construye un alto horno sin mampostería para humos. Hacia finales del siglo XVIII y comienzos del XIX se comenzó a emplear ampliamente el hierro como elemento estructural (en puentes, edificios, etcétera). Entre 1776 a 1779 se construye el primer puente de fundición de hierro, construido por John Wilkinson y Abraham Darby. En Inglaterra se emplea por primera vez en la construcción de edificios, por Mathew Boulton y James Watt, a principios del siglo XIX. También son conocidas otras obras de ese siglo, por ejemplo el "Palacio de Cristal" construido para la Exposición Universal de 1851 en Londres, del arquitecto Joseph Paxton, que tiene un armazón de hierro, o la Torre Eiffel, en París, construida en 1889 para la Exposición Universal, en donde se utilizaron miles de toneladas de hierro. Cuando se empieza a usar el hormigos y acero formando el Silabo de Materiales y Servicios Constructivos I Carrera Profesional: Diseño de Interiores Pág. 5 hormigón armado, a mediados del siglo XIX, es que se inventa este sistema, se desarrollaron varios tipos de patentes que realmente eran formas diferentes de usar el hormigón reforzado con acero, peo en resumen el mismo sistema constructivo, William Wilkinson, desarrollo una patente de encasetonado, pero nunca llegaron a constituirse un sistema constructivo real. Joseph Monier en 1867 obtiene una patente para hacer maseteros de hormigón, abriendo la puerta de este sistema y patentando por fin un sistema estructural de hormigón armado que lo llevaría a otras patentes de H. A. como las de tubos y tanques, paneles prefabricados para fachadas, Puentes carreteros y peatonales y Vigas; No fue hasta el año 1875 que construye su puente de “cemento armado” en el castillo de Chazlet con 13.80m de luz y 4.25m de ancho, abriendo así por fin la industria del acero para la construcción. IV.- Procesos de fabricación de acero Para empezar, las materias primas son convertidas en acero fundido. El proceso a base de mineral de hierro utiliza un alto horno y el proceso con la chatarra férrea recurre a un horno de arco eléctrico. A continuación, el arrabio se solidifica mediante moldeo en una máquina de colada continua. Se obtiene así lo que se conoce como productos semiacabados, estos productos semiacabados se transforman, o "laminan" en productos Acabados. Posteriormente pueden ser recubiertas con un material protector Anticorrosión. Silabo de Materiales y Servicios Constructivos I Carrera Profesional: Diseño de Interiores Pág. 6 V.- Procesos de acabados. El acero se vende en una gran variedad de formas y tamaños, como varillas, tubos, rieles de ferrocarril o perfiles en H o en T. estas formas se obtienen en las instalaciones siderúrgicas laminando con lingotes calientes o modelándolos de algún otro modo. El acabado del acero mejora también su calidad al refinar su estructura cristalina y aumentar su resistencia. El método principal de trabajar el acero se conoce como laminado en caliente. En este proceso, el lingote colado se calienta al rojo vivo en un horno denominado foso de termodifusión y a continuación se hace pasar entre una serie de rodillos metálicos colocados en pares que lo aplastan hasta darle la forma y tamaño deseados. La distancia entre los rodillos va disminuyendo a medida que se reduce el espesor del acero. VI.- Producto acabados de acero A. Tubos Los tubos más baratos se forman doblando una tira plana de acero caliente en forma cilíndrica y soldando los bordes para cerrar el tubo. En los tubos más pequeños, los bordes de la tira suelen superponerse y se pasan entre un par de rodillos curvados Silabo de Materiales y Servicios Constructivos I Carrera Profesional: Diseño de Interiores Pág. 7 según el diámetro externo del tubo. La presión de los rodillos es suficiente para soldar los bordes. Los tubos sin soldaduras se fabrican a partir de barras sólidas haciéndolas pasar entre un par de rodillos inclinados entre los que está situada una barra metálica con punta, llamada mandril, que perfora las barras y forma el interior del tubo mientras los rodillos forman el exterior. B. Hojalata El producto del acero recubierto más importante es la hojalata estañada que se emplea para la fabricación de latas y envases. El material de las latas contiene más de un 99% de acero. En algunas instalaciones, las láminas de acero se pasan por un baño de estaño fundido (después de laminarlas primero en caliente y luego en frío) para estañarlas. El método de recubrimiento más común es el proceso electrolítico. La chapa de acero se desenrolla poco a poco de la bobina y se le aplica una solución química. Al mismo tiempo se hace pasar una corriente eléctrica a través de un trozo de estaño puro situado en esa misma solución, lo que el estaño se disuelva poco a poco y se deposite en el acero. Con este sistema, medio kilogramo de estaño basta para recubrir 20 metros cuadrados de acero. En la hojalata delgada, la chapa recibe un segundo laminado en frío antes de recubrirla de estaño, lo que aumenta la resistencia de la chapa además de su delgadez. Las latas hechas de hojalata delgada tienen una resistencia similar a las ordinarias, pero contienen menos acero, con lo que reduce su peso y coste. También pueden fabricarse envases ligeros adhiriendo una delgadísima lámina de acero estañado sobre papel o cartón. Otros procesos de fabricación de acero son la forja, la fundición y el uso de troqueles. C. Hierro forjado El hierro forjado ya no se fabrica habitualmente con fines comerciales, debido a que se puede sustituir en casi todas las aplicaciones por acero de bajo contenido de carbono, con menor costo de producción y calidad más uniforme. Silabo de Materiales y Servicios Constructivos I Carrera Profesional: Diseño de Interiores Pág. 8 D. Acero corrugado El acero corrugado o varilla corrugada es una clase de acero laminado diseñado especialmente para construir elementos estructurales de hormigón armado. Se trata de barras de acero que presentan resaltos o corrugas que mejoran la adherencia con el hormigón, y poseen una gran ductilidad, la cual permite que las barras se puedan cortar y doblar con mayor facilidad. Se llama armadura a un conjunto de barras de acero corrugado que forman un conjunto funcionalmente homogéneo, es decir, que trabajan conjuntamente para resistir cierto tipo de esfuerzo en combinación con el hormigón. Las armaduras también pueden cumplir una función de montaje o constructiva, y también se utilizan para evitar la fisuración del hormigón. Para referirse al conjunto, no necesariamente formando armadura, se utiliza el término ferralla. Silabo de Materiales y Servicios Constructivos I Carrera Profesional: Diseño de Interiores Pág. 9 El concreto es un material que resiste muy bien las fuerzas de compresion. Sin embargo, es muy débil ante las fuerzas de estiramiento. Por eso, a una estructura de concreto es necesario incluirle barras de acero con el fin de que la estructura tenga resistencia al estiramiento. A esta combinación de concreto y de acero se le llama “concreto armado”. Esta combinación puede resistir adecuadamente dos tipos de fuerzas, las generadas causadas por el peso de la estructura durante un sismo. Por esta razón, el acero es uno de los materiales más importantes en la construcción de una edificación. El acero o fierro de construcción se vende en varillas que miden 9 m de longitud. Estas varillas son corrugadas alrededor y a lo largo de toda la barra que sirven para garantizar su adherencia optima al concreto. VII.- Propiedades del acero Resistencia a comprensión y tracción. Silabo de Materiales y Servicios Constructivos I Carrera Profesional: Diseño de Interiores Pág. 10 Dureza Resistencia al desgaste Ductilidad Las propiedades del acero se pueden mejorar con la adición de elementos aleantes. VIII.- Ventajas del acero El Acero es un material de construcción de superior calidad, es 100% reciclable e inorgánico. No se tuerce, raja, rompe o cambia de forma, longitud; tiene el más alto ratio de fuerza a peso de cualquier material de construcción. Es invulnerable a termitas o cualquier tipo de fungí u organismo. Su alto nivel de fuerza resulta en estructuras más seguras; requiere menor mantenimiento y un proceso más despacioso en su larga vida económica. Acero es más liviano que cualquier otro material para enmarcados o paneles. Permite paredes rectas y esquinas cuadradas Ventanas y puertas cierran como deben hacerlo. Produce hasta un 20% menos desperdicio o material no aceptable. Su calidad es consistente y constante, es producido dentro de estrictos estandartes nacionales, no variaciones regionales. Estabilidad de precio. MADERA ESTRUCTURAL Por vez primera se cuenta con un marco normativo de la madera estructural. Este marco facilita la equiparación normativa de la madera en el mercado con otros productos de la construcción, teniendo en cuenta que la madera ofrece además otras ventajas como sostenibilidad, adaptabilidad y facilidad de uso. El objetivo de la madera estructural en la construcción es como en el caso de los demás materiales, garantizar unas prestaciones mínimas relacionadas con los siguientes requisitos esenciales del Código Técnico de la Edificación: Seguridad en las estructuras Seguridad contra incendio Seguridad de utilización Salubridad Protección contra el ruido Ahorro energético Silabo de Materiales y Servicios Constructivos I Carrera Profesional: Diseño de Interiores Pág. 11 En el presente documento se presentan los productos de madera para uso estructural, su clasificación funcional y el marcado que deben llevar y los factores a tener en cuenta en el cálculo estructural. Productos más habituales de utilización estructural A. Madera aserrada Consiste en piezas de madera obtenidas a partir de trozas u otras piezas de madera de mayores dimensiones, por arranque de serrín o partículas en sentido longitudinal, con posibilidad de sufrir un retestado y/o mecanización suplementaria, para obtener el nivel de acabado requerido. Las superficies se denominan: Cara (h): cualquiera de las superficies longitudinales opuestas de mayor anchura y longitud. Si la sección es cuadrada cualquiera de ellas. Canto (b): Cualquiera de las dos superficies longitudinales opuestas más estrechas. Testa: extremo de una pieza de madera, plano y perpendicular al eje de la misma. B. Madera laminada encolada Se define como elementos estructurales formados por la unión encolada de láminas de madera con la fibra orientada básicamente de forma paralela. Los elementos tienen un espesor de lámina cepillada menor o igual a 45 mm. Las especificaciones y requisitos de fabricación de la madera laminada encolada están recogidas en la norma UNE – EN 386:2002. Silabo de Materiales y Servicios Constructivos I Carrera Profesional: Diseño de Interiores Pág. 12 Asimismo, en función de la calidad de las láminas puede ser: Madera laminada encolada homogénea: dispone de una sección transversal en la que todas las láminas son de la misma calidad (clase resistente), y a la misma especie (o combinación de especies). Madera laminada encolada combinada: dispone de una sección transversal en la que láminas interiores y exteriores son de calidades diferentes (clases resistentes) o a especies (o combinaciones de especies) diferentes. C. Madera micro laminada Material compuesto por chapas de madera con las fibras orientadas esencialmente en la misma dirección (no se excluye que alguna de las hebras estén orientadas verticalmente) en algunos casos con el objeto de mejorar la presentación se puede incorporar en el alma una serie de chapas escalonadas con la dirección paralela entre si pero perpendiculares a las de las chapas de la cara y contra cara (suelen representar el 20% del total de las chapas) el espesor delas chapas es de 5mm como máximo. Se fabrica principalmente a partir de maderas coníferas, las especies más utilizadas son: Abeto, Pino Oregón, pino amarillo del sur y alerces . D. Condiciones de servicio de la estructura Para considerar el efecto de las condiciones ambientales (humedad relativa y temperatura) en las propiedades de la madera, se defines las clases de servicio que se presentan a continuación: Se caracteriza por un contenido de humedad en la madera correspondiente a una temperatura de 20 ± 2º C y una humedad relativa del aire que solo exceda el 65% unas pocas semanas al año. Se caracteriza por un contenido de humedad en la madera correspondiente a una temperatura de 20 ± 2º C y una humedad relativa del aire que solo exceda el 85% unas pocas semanas al año. La humedad de equilibrio higroscópico media en la mayoría de Silabo de Materiales y Servicios Constructivos I Carrera Profesional: Diseño de Interiores Pág. 13 las coníferas no excede el 20%. En esta clase se encuentran, en general, las estructuras de madera bajo cubierta, pero abiertas y expuestas al ambiente exterior, como es el caso de cobertizos y viseras. Las piscinas cubiertas, debido a su ambiente húmedo, encajan también en esta clase de servicio. Condiciones ambientales que conduzcan a contenido de humedad superior al de la clase de servicio 2 E. Uso estructural de la madera El nuevo marco normativo sitúa a la madera estructural en una posición competitiva frente a los demás materiales de construcción existentes en el mercado. Actualmente, se dispone de una amplia gama de productos y soluciones estructurales derivadas de la madera, con características diferenciadoras: alto rendimiento, bajo peso y alta densidad que posibilita su uso en múltiples especificaciones. Las crecientes innovaciones en la industria de la madera y las características intrínsecas de este material estimulan a replantearse los sistemas constructivos típicos a la vez que favorecen una construcción más eficiente energéticamente y más sostenible. F. Productos comerciales de uso estructural Silabo de Materiales y Servicios Constructivos I Carrera Profesional: Diseño de Interiores Pág. 14