CURSO: ESTRUCTURAS EN MADERA Y ACEROTema 3: Propiedades del Acero

Prof: Huber E Salazar

16 Setiembre del 2014

CAPÍTULO 2: DISEÑO ESTRUCTURAL GENERAL

1.1 Diseño Estructural y Proceso de

Ingeniería de Detalle

1.2 Propiedades del Acero

1.3 Especificaciones y Normas Técnicas

DISEÑO ESTRUCTURAL

• Las etapas previas a la Fabricación y Montaje son desarrolladas

en la Ingeniería de Proyecto. En ella se desarrollan los cálculos

que definen los elementos estructurales a disponer.

• La forma tradicional era elaborar planos de diseño del proyecto en

2D y enviarlos a Maestranza para el detallamiento a nivel de

Fabricación.

• En general habían proyectistas de planos de diseño y proyectistas

de planos de Fabricación.

• Esta modalidad de trabajo permaneció por varias décadas

llegando a tener un rendimiento de producción conocido, con

metodologías de trabajo normadas.

PROCESO DE LA INGENIERÍA DE DETALLE

- CÁLCULO ESTRUCTURAL.

- DISEÑO DE DETALLES ESTRUCTURALES.

- VOLUMETRÍA DE MATERIAL.

- INGENIERÍA DE TALLER.

- SUPERVISION DE INGENIERÍA.

- SUPERVISION DE FABRICACION (ACERO).

- SUPERVISION DE MONTAJE (ACERO).

En cualquier etapa del Proyecto deberá estar preparado los

archivos digitales y/o impresos para la justificación del

Avance.

1.02: ACTIVIDADES DURANTE EL DISEÑO

ACEROS ESTRUCTURALES

El hierro, como se encuentra en la naturaleza químicamente puro, no tiene

aplicación en la Ingeniería Civil.

El hierro para ser acero tiene que combinarse con otros elementos para que

pueda ser utilizado.

Generalmente, los elementos químicos que los conforma son: carbono,

manganeso, cobre. silicio. molibdeno, níquel. Cromo, fósforo y azufre y debe

tener un mínimo de impurezas.

El acero es aquella aleación del hierro que puede forjarse sin tratamiento previo

ni posterior.

En los yacimientos mineros el hierro se encuentra oxidado denominado Arrabio,

por lo que es necesario un proceso de reducción, con el carbono y aire a presión,

en los altos hornos, y convertidores, dada la afinidad del Oxígeno con el

Carbono, se genera C02.

La técnica desarrollada en la Siderurgia permite asegurar que los aceros de hoy

sean productos confiables en sus propiedades.

CLASIFICACIÓN DEL ACERO

Aceros calmados.- Se les ha extraído la mayor cantidad de oxígeno

de los gases en su solidificación. Es un producto con un alto grado

de uniformidad en su estructura cristalina. Es un acero de alta

soldabilidad adecuado para planchas y perfiles gruesos que están

sometidos a fuertes tensiones internas por las soldaduras.

Aceros semicalmados.- Son aceros parcialmente calmados. Se

utilizan en la manufactura como perfiles estructurales, barras y

planchas.

Aceros efervescentes.- Son aceros débilmente desoxidados.

Presentan un alto grado de segregación de elementos.

ESPECIFICACIONES

No hay otro material de construcción que sea competitiva con el

acero estructural. Por el tamaño de las edificaciones demandan

desembolsos económicos.

En este texto se van a seguir las Normas ASTM para la

descripción de los diferentes Grados de Aceros que ofrece el

Mercado internacional, tan to para perfiles como para pernos y

soldaduras.

Existen similitud es entre las Normas ASTM con las de ITINTEC-

PERU, como el caso del acero Sider E-24 de planchas, con el

acero ASTM A36.

Propiedades Físico-Mecánicas del Acero Estructural

La peculiaridad de estos ensayos es que

son obtenidos a velocidad lenta y a

temperatura ambiente

• Elasticidad: Capacidad de algunos materiales para

recuperar su forma una vez que ha desaparecido la fuerza

que los deformaba.

• Dureza: Oposición que ofrece un cuerpo a dejarse rayar o

penetrar por otro.

• Maleabilidad: Aptitud de un material para extenderse en

láminas.

• Fragilidad: Es la propiedad de los materiales que se

rompen en añicos cuando una fuerza impacta sobre ellos.

• Plasticidad: Habilidad de un material para conservar su

nueva forma una vez deformado.

• Resiliencia: Resistencia que opone un cuerpo a los

choques o esfuerzos bruscos.

• Ductilidad: Es la propiedad de un material que permite ser

alargado o estirado en hilos.

• Tenacidad: Resistencia que opone un cuerpo a su rotura

cuando está sometido a esfuerzos lentos de deformación.

1. Punto de Fluencia: Fy· cuando se

termina la proporcionalidad entre

esfuerzos y deformaciones en un

espécimen libre de esfuerzos

residuales. Los aceros mantienen un

rango definido de esfuerzo constante

vs. deformación en este nivel de

esfuerzo unitario.

2. Resistencia a la fluencia: Fy' en

ciertos aceros es necesario definir un

concepto similar al anterior cuando no

hay un Punto preciso de flu encia.

Ocurre con aceros de alta resistencia o

con tratamiento en frío, tal como se

indica en el siguiente gráfico:

DEFINICIONES

3. Límite de Proporcionalidad: Fp, en ensayos con aceros no tratado

térmicamente (recocido) y que son la mayoría, se observa que se

pierde la proporcionalidad antes de llegar al Punto de Fluencia y ello

se debe a la presencia de los Esfuerzos Residuales que se generan

en el elemento cuando éste se enfría luego de su laminado en

caliente.

FP = FY - 10 ksi (FY - 705 kg/ cm2) para perfiles laminados en

caliente,

FP = FY - 16 ksi (FY - 1130 kg/cm 2) para perfiles soldados.

4. Resistencia a la Rotura: Fu· el esfuerzo de falla del espécimen.

Fu = 58 ksi para Acero A36, Fu = 4080 kg/ cm2

5. Ductilidad: Propiedad del acero que permite que se deforme

grandemente antes de fracturarse.

……….. DEFINICIONES

……….. DEFINICIONES

6. Módulo de Elasticidad: E, la relación entre el esfuerzo y la deformación en el rango

elástico. E = 29,500 ksi (2100000 kg/ cm2) para todos los aceros, cualquiera sea su

Grado o aleación, por lo que se considera que es la característica que los agrupa y

los diferencia apropiadamente.

7. Módulo en la Zona de Endurecimiento por Deformación: Es, aproximadamente

490000 Kg/cm2 . Este endurecimiento final explica la resistencia encontrada en

elementos de acero que han sobrepasado la zona plástica.

8. Relación de Poisson µ = ɛt/ɛ1, se denomina a la relación entre la deformación

transversal y la longitudinal dl acero para un determinado rango de esfuerzos: µ = 0.3.

Se usa pa ra definir el comportamiento de planchas cuando son sometidas a fuerzas

de borde.

9. Módulo de Elasticidad en Corte: G. Relación en tre el esfuerzo en corte aplicado y

la deformación correspondiente en el rango elástico. De la teoría de elasticidad se

conoce la siguiente relación:

G = E / [2(1+µ)), G = 11,300 ksi (800000 kg/ cm2) para los aceros estructurales.

……….. DEFINICIONES

10. Tenacidad del acero: capacidad para absorber energía y se mide por el

área encerrada dentro de la curva Esfuerzo-Deformación.

11. Densidad especifica del acero: 7.85

12. Soldabilidad: capacidad del acero para ser soldado y depende de la

composición química del material y es muy sensitiva al contenido del

carbono en su masa. Hay aceros que no son soldables o difícilmente

soldables por lo que requieren un tratamiento especial.

Además del. ensayo a la tracción que se ha mostrado, hay otros ensayos

normalizados que permiten discernir la calidad del acero que se piensa usar:

Ensayo de Doblado, para averiguar la ductilidad del acero para el

plegado de las· planchas en la formación de perfiles livianos.

Ensayo de Entalladura, para conocer la fragilidad del material.

Ensayo a la Fatiga. que tiene por objeto conocer el comportamiento que

tendrá del acero bajo cambios de cargas frecuentes.

……….. DEFINICIONES

Las piezas sometidas a cargas variables

pueden diseñarse para un número de ciclos

determinado, dependiendo de la vida

requerida. Particularmente, los materiales que

no poseen límite de fatiga no se pueden

diseñar para vida infinita, sino que deben

diseñarse para una duración determinada.

Entonces, podemos hablar de una

“resistencia al fatiga” para vida finita.

Líneas y Diagrama de Woehler

CAMBIO DE PROPIEDADES POR ELEVADAS TEMPERATURA

El Pun to de Fluencia del

acero se mantiene constante

en los primeros 300 grados

pero disminuye notablemente

a mayores temperaturas. Lo

mismo ocurre con el Módulo

de Elasticidad, aumentando

las deformaciones hasta el

colapso.

El tratamiento térmico del acero permite cambiar las propiedades del acero:

Ternplado, cuando el material se enfría rápidamente, se obtiene un acero de un

Punto de Fluencia alto pero de baja ductilidad.

Revenido, es otro proceso similar pero demasiado rápido.

Recocido, en que se calienta el material en un horno hasta altas temperaturas, para

después enfriarlo lentamente con el objeto de retirarle los esfuerzos residuales de la

etapa de laminación o del proceso de soldadura.

TRATAMIENTO MECÁNICOS DEL ACERO

Cuando se aumenta el laminado de las

planchas de acero se mejora la resistencia.

La explicación es que las moléculas se orientan

en una sola dirección y su fuerza molecular tiene

una única dirección. Lo mismo ocurre ·con el

trefilado, cuando las varillas son alargad as en frío

pasando huecos de menor diámetro hasta

convertirse en hilos (para ser usados en cables)

aumentando la resistencia o punto de Fluencia

varias veces.

COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL ACERO Y SUS INFLUENCIAS

Los aditivos más importantes del acero para

sus propiedades mecánicas son el carbono

y el manganeso.

Por ejemplo para obtener una resistencia

de 71 000 psi el productor podría tener un

acero con un análisis de 0.20 C y 0.5 Mn

cuando produce una plancha de 1/4", pero

un incremento de C sería necesario para

tener la misma resistencia en u na planchade 1".

En este caso se pierde ductilidad

siendo el material más frágil y de

menos soldabilidad.

CARACTERÍSTICAS DE LAS ALEACIONES DEL ACERO

Cromo: mejora la resistencia a la corrosión, da mayor resistencia al desgaste.

Cobre: mejora la resistencia a Ia corrosión ·y la ductilidad del acero.

Manganeso: presente en todos los aceros estructurales, mejora la resistencia,

ductilidad e influye favorablemente en los tratamientos térmicos.

Molibdeno: mejora la resistencia en altas temperaturas y la resistencia a la corrosión.

Níquel: impide la fragilidad en temperaturas bajas y mejora la resistencia a la

corrosión.

Silicio: mejora la resistencia.

Los contenidos de Fósforo y Azufre deben ser mantenidos debajo del 0.1% en peso; son elementos

indeseables en el acero.

Los aceros estructurales más conocidos son: los Aceros al Carbono y son los más económicos: los

denominados Aceros de Alta Resistencia tienen un Punto de Fluencia mayor pero son ·más caros y consiguen

esa resistencia con la adición de otros elemento químicos y/ o tratamientos.

Los Aceros al Carbono se dividen en cuatro categorías de acuerdo a la cantidad de carbono: bajo carbono

(menos de 0.15%}; moderado carbono (0.15-0.29%); medio carbono (0.30-0.59%); y alto carbono (0.6-1.7%).

Los Aceros Estructurales están en la categoría . de moderado carbono para asegurar que sean soldables.

Los Aceros de Alta Resistencia pueden estar dentro de las siguientes categorías: Aceros de Baja Aleación o

Aceros Aleados.

ESPECIFICACIONES DEL ACERO

Las Especificaciones ASTM

reconocen 14 Grados de Acero en

total. Entre de los aceros al

Carbono, el inás conocido es elA36,

y entre los aceros de Alta

Resistencia, los aceros ASTM A242.

A572 y A588. A continuación se da

u na Tabla con alguna de suspropiedades más significativas.

Los grupos indicados se refieren a ASTM

A6, norma que controla el proceso para la

fabricación de perfiles laminad os (W,S,C,M,L)

A36 Para propósitos generales en estructuras, especialmente de

edificaciones. soldadas o empernadas.

A242 Para puentes empernados o soldados, resistente a la oxidación.

A572 Para perfiles estructurales, planchas y barras para edificaciones empernadas

o soldadas, puentes soldados sólo en los Grados 42 y 50.

ACEROS A-36 Y PARA SOLDADURA

Las curvas mostradas en la Figura describen el

comportamiento típico de los diversos aceros

que son fabricados en la actualidad: lejos

están los días en que se producía un sólo tipo

de acero A7 (Fy: = 33 ksi). El diseñador debe

estar preparado para el buen uso de tantas

posibilidades . Con frecuencia se utiliza el

acero ASTM A36.

Acero para PernosAcero para Pernos

ACEROS RESISTENTES A LA CORROSIÓN