2.1. Propiedades Mecnicas del Acero

Las propiedades mecnicas y el comportamiento tpico del acero, y de cualquier otro material estructural, quedan claramente especificadas en los diagramas esfuerzo deformacin. En general los diagramas se construyen mediante pruebas de traccin y se acepta para todos los efectos prcticos que el comportamiento a compresin en elementos poco esbeltos es similar a ste.

La informacin entregada por el diagrama esfuerzo-deformacin de un acero es afectada en gran medida por la composicin qumica (especficamente el porcentaje de carbono presente en la muestra), el o los tratamientos trmicos, los procesos de laminado o de soldado, en un menor grado de las condiciones en que se realizan las pruebas y de las caractersticas geomtricas de la muestra. Los factores antes sealados pueden producir una significativa alteracin de los resultados para un acero de igual tipo.

Un diagrama tpico esfuerzo-deformacin de un acero estructural al carbono, se caracteriza por tener ciertas regiones identificadas claramente con un tipo de comportamiento del material antes de alcanzar la rotura (figura 2.1.).

a) Regin lineal y elstica: Es una zona en la cual existe proporcionalidad entre esfuerzos y deformaciones unitarias, se dice que el comportamiento del materia les lineal y elstico, es decir es aplicable la ley de Hooke:

f = E b) Regin anelstica o de transicin: En esta regin se produce flujo plstico restringido, es decir, el acero conserva parte de sus propiedades elsticas. Las deformaciones aumentan ms rpidamente para cada incremento del esfuerzo.

c) Regin de flujo plstico o de fluencia: La curva esfuerzo-deformacin se vuelve casi horizontal, producindose en el material una deformacin considerable sin que se produzcan aumentos apreciables en el esfuerzo. El material se comporta de manera plstica perfecta, lo que significa que se deforma sin incremento de la carga aplicada.

d) Regin de endurecimiento por deformacin: Despus de sufrir deformaciones plsticas excesivas comienzan a producirse alteraciones en las propiedades del acero, lo que se traduce en un aumento de resistencia del material. Esto significa que una deformacin adicional requiere de un incremento mayor de la carga aplicada.

e) Regin de rotura o estriccin: Al aumentar excesivamente la deformacin se modifica el rea de la seccin transversal de la probeta, fenmeno que se conoce como estriccin. La reduccin del rea va acompaada tambin de una disminucin de la resistencia hasta producir la rotura del material. En trminos reales no existe tal disminucin de la resistencia por cuanto no se ha considerado la reduccin del rea ocasionada por la estriccin en la grfica esfuerzo deformacin.

VENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL

Una persona que viaje por Estados Unidos podra concluir que el acero es el material estructural perfecto; vera un sinfn de puentes, edificios, torres y otras estructuras de este material. Despus de ver estas numerosas estructuras metlicas, se sorprendera al saber que el acero no se fabric econmicamente en Estados Unidos sino hasta finales del siglo xix, y que las primeras vigas de patn ancho no se laminaron sino hasta 1908.

La supuesta perfeccin de este metal, tal vez el ms verstil de todos los materiales estructurales, parece ms razonable cuando se considera su gran resistencia, poco peso, facilidad de fabricacin y otras propiedades convenientes. stas y otras ventajas del acero estructural se analizarn con ms detalle en los prrafos siguientes.Alta resistencia

La alta resistencia del acero por unidad de peso implica que ser relativamente bajo el peso de las estructuras; esto es de gran importancia en puentes de grandes claros, en edificios altos y en estructuras con condiciones deficientes en la cimentacin.Uniformidad

Las propiedades del acero no cambian apreciablemente con el tiempo, como es el caso de las estructuras de concreto reforzado.

Elasticidad

El acero se acerca ms en su comportamiento a las hiptesis de diseo que la mayora de los materiales, debido a que sigue la ley de Hooke hasta esfuerzos bastante altos. Los momentos de inercia de una estructura de acero se pueden calcular exactamente, en tanto que los valores obtenidos para una estructura de concreto reforzado son relativamente imprecisos.

Durabilidad

Si el mantenimiento de las estructuras de acero es adecuado durarn indefinidamente. Investigaciones realizadas en los aceros modernos, indican que bajo ciertas condiciones no se requiere ningn mantenimiento a base de pintura.

Ductilidad

La ductilidad es la propiedad que tiene un material para soportar grandes deformaciones sin fallar bajo esfuerzos de tensin altos. Cuando se prueba a tensin un acero dulce o con bajo contenido de carbono, ocurre una reduccin considerable de la seccin transversal y un gran alargamiento en el punto de falla, antes de que se presente la fractura. Un material que no tenga esta propiedad por lo general es inaceptable y probablemente ser duro y frgil y se romper al someterlo a un golpe repentino.

En miembros estructurales sometidos a cargas normales se desarrollan altas concentraciones de esfuerzos en varios puntos. La naturaleza dctil de los aceros estructurales comunes les permite fluir localmente en esos puntos, evitndose as fallas prematuras. Una ventaja adicional de las estructuras dctiles es que, al sobrecargarlas, sus grandes deflexiones ofrecen evidencia visible de la inminencia de la falla (algunas veces denominada en son de broma como cuenta regresiva).

Tenacidad

Los aceros estructurales son tenaces, es decir, poseen resistencia y ductilidad. Un miembro de acero cargado hasta que se presentan grandes deformaciones ser aun capaz de resistir grandes fuerzas. sta es una caracterstica muy importante porque implica que los miembros de acero pueden someterse a grandes deformaciones durante su fabricacin y montaje, sin fracturarse, siendo posible doblarlos, martillarlos, cortarlos y taladrarlos sin dao aparente. La propiedad de un material para absorber energa en grandes cantidades se denomina tenacidad.

Ampliaciones de estructuras existentes

Las estructuras de acero se adaptan muy bien a posibles ampliaciones. Se pueden aadir nuevas crujas e incluso alas enteras a estructuras de acero ya existentes, y con frecuencia se pueden ampliar los puentes de acero.

Propiedades diversas

Algunas otras ventajas importantes del acero estructural son: a) gran facilidad para unir diversos miembros por medio de varios tipos de conexin simple, como son la soldadura y los pernos; b) posibilidad de prefabricar los miembros; c) rapidez de montaje; d) capacidad para laminarse en una gran cantidad de tamaos y formas, como se describe en la Seccin 1.4 de este captulo; e) es posible utilizarlo nuevamente despus de desmontar una estructura; y f) posibilidad de venderlo como chatarra, aunque no pueda utilizarse en su forma existente. El acero es el material reciclable por excelencia.DESVENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURALCorrosin

La mayor parte de los aceros son susceptibles a la corrosin al estar expuestos al aire y al agua y, por consiguiente, deben pintarse peridicamente. Sin embargo, el uso de aceros intemperizados para ciertas aplicaciones, tiende a eliminar este costo.

Aunque los aceros intemperizados pueden ser bastante efectivos en ciertas situaciones para limitar la corrosin, hay muchos casos donde su uso no es factible. En algunas de estas situaciones, la corrosin puede ser un problema real. Por ejemplo, las fallas por corrosin fatiga pueden ocurrir si los miembros de acero se someten a esfuerzos cclicos y a ambientes corrosivos. La resistencia a la fatiga de los miembros de acero puede reducirse apreciablemente cuando los miembros se usan en ambientes qumicos agresivos y sometidos a cargas cclicas. El lector debe observar que se dispone de aceros en los cuales se usa el cobre como un componente anticorrosivo. Generalmente, el cobre se absorbe durante el proceso de fabricacin del acero.

Costo de la proteccin contra el fuego

Aunque los miembros estructurales son incombustibles, sus resistencias se reducen considerablemente en temperaturas que comnmente se alcanzan en incendios, cuando los otros materiales de un edificio se queman. Han ocurrido muchos incendios devastadores en inmuebles vacos en los que el nico material combustible es el mismo inmueble. Adems, el acero es un excelente conductor del calor, de manera que los miembros de acero sin proteccin pueden transmitir suficiente calor de una seccin o compartimiento incendiado de un edificio a secciones adyacentes del mismo edificio e incendiar el material presente. En consecuencia, la estructura de acero de un edificio debe protegerse mediante materiales con ciertas caractersticas aislantes, y el edificio deber acondicionarse con un sistema de rociadores para que cumpla con los requisitos de seguridad del cdigo de construcciones de la localidad en que se halle.Susceptibilidad al pandeo

Cuanto ms largos y esbeltos sean los miembros a compresin, tanto mayor es el peligro de pandeo. En la mayora de las estructuras, el uso de columnas de acero es muy econmico debido a sus relaciones elevadas de resistencia a peso. Sin embargo, en forma ocasional, se necesita algn acero adicional para rigidizarlas y que no se pandeen. Esto tiende a reducir su economa.

Fatiga

Otra caracterstica inconveniente del acero es que su resistencia se puede reducir si se somete a un gran nmero de inversiones del sentido del esfuerzo, o bien, a un gran nmero de cambios en la magnitud del esfuerzo de tensin. (Se tienen problemas de fatiga slo cuando se presentan tensiones.) En la prctica actual se reducen las resistencias estimadas de tales miembros, si se sabe de antemano que estarn sometidos a un nmero mayor de ciclos de esfuerzo variable, que cierto nmero lmite.

Fractura frgil

Bajo ciertas condiciones, el acero puede perder su ductilidad y la fractura frgil puede ocurrir en lugares de concentracin de esfuerzos. Las cargas que producen fatiga y muy bajas temperaturas agravan la situacin. Las condiciones de esfuerzo triaxial tambin pueden conducir a la fractura frgil.