CURSO: ESTRUCTURAS EN MADERA Y ACEROTema 2: Propiedades del Acero

Prof: Huber E Salazar

15 Abril del 2015

CAPTULO 2: DISEO ESTRUCTURAL GENERAL

1.1 Diseo Estructural y Proceso de

Ingeniera de Detalle

1.2 Propiedades del Acero

1.3 Especificaciones y Normas Tcnicas

DISEO ESTRUCTURAL

Las etapas previas a la Fabricacin y Montaje son desarrolladasen la Ingeniera de Proyecto. En ella se desarrollan los clculos

que definen los elementos estructurales a disponer.

La forma tradicional era elaborar planos de diseo del proyecto en2D y enviarlos a Maestranza para el detallamiento a nivel de

Fabricacin.

En general haban proyectistas de planos de diseo y proyectistasde planos de Fabricacin.

Esta modalidad de trabajo permaneci por varias dcadasllegando a tener un rendimiento de produccin conocido, con

metodologas de trabajo normadas.

PROCESO DE LA INGENIERA DE DETALLE

- CLCULO ESTRUCTURAL.

- DISEO DE DETALLES ESTRUCTURALES.

- VOLUMETRA DE MATERIAL.

- INGENIERA DE TALLER.

- SUPERVISION DE INGENIERA.

- SUPERVISION DE FABRICACION (ACERO).

- SUPERVISION DE MONTAJE (ACERO).

En cualquier etapa del Proyecto deber estar preparado los

archivos digitales y/o impresos para la justificacin del

Avance.

1.02: ACTIVIDADES DURANTE EL DISEO

ACEROS ESTRUCTURALES

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

aplicacin en la Ingeniera Civil.

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

pueda ser utilizado.

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

manganeso, cobre. silicio. molibdeno, nquel. Cromo, fsforo y azufre y debe

tener un mnimo de impurezas.

El acero es aquella aleacin 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 reduccin, con el carbono y aire a presin,

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

Carbono, se genera C02.

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

sean productos confiables en sus propiedades.

CLASIFICACIN DEL ACERO

Aceros calmados.- Se les ha extrado la mayor cantidad de oxgeno

de los gases en su solidificacin. 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 estn

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 dbilmente desoxidados.

Presentan un alto grado de segregacin de elementos.

ESPECIFICACIONES

No hay otro material de construccin que sea competitiva con el

acero estructural. Por el tamao de las edificaciones demandan

desembolsos econmicos.

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

descripcin 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 Fsico-Mecnicas 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: Oposicin que ofrece un cuerpo a dejarse rayar o penetrar por otro.

Maleabilidad: Aptitud de un material para extenderse en lminas.

Fragilidad: Es la propiedad de los materiales que se rompen en aicos 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 est sometido a esfuerzos lentos de deformacin.

1. Punto de Fluencia: Fy cuando se

termina la proporcionalidad entre

esfuerzos y deformaciones en un

espcimen libre de esfuerzos

residuales. Los aceros mantienen un

rango definido de esfuerzo constante

vs. deformacin 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 fro, tal como se

indica en el siguiente grfico:

DEFINICIONES

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

trmicamente (recocido) y que son la mayora, 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 ste se enfra 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 espcimen.

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. Mdulo de Elasticidad: E, la relacin entre el esfuerzo y la deformacin en el rango

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

Grado o aleacin, por lo que se considera que es la caracterstica que los agrupa y

los diferencia apropiadamente.

7. Mdulo en la Zona de Endurecimiento por Deformacin: Es, aproximadamente

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

elementos de acero que han sobrepasado la zona plstica.

8. Relacin de Poisson = t/1, se denomina a la relacin entre la deformacintransversal y la longitudinal dl acero para un determinado rango de esfuerzos: = 0.3.

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

de borde.

9. Mdulo de Elasticidad en Corte: G. Relacin en tre el esfuerzo en corte aplicado y

la deformacin correspondiente en el rango elstico. De la teora de elasticidad se

conoce la siguiente relacin:

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

.. DEFINICIONES

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

rea encerrada dentro de la curva Esfuerzo-Deformacin.

11. Densidad especifica del acero: 7.85

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

composicin qumica del material y es muy sensitiva al contenido del

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

soldables por lo que requieren un tratamiento especial.

Adems del. ensayo a la traccin 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 formacin de perfiles livianos.

Ensayo de Entalladura, para conocer la fragilidad del material.

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

tendr del acero bajo cambios de cargas frecuentes.

.. DEFINICIONES

Las piezas sometidas a cargas variables

pueden disearse para un nmero de ciclos

determinado, dependiendo de la vida

requerida. Particularmente, los materiales que

no poseen lmite de fatiga no se pueden

disear para vida infinita, sino que deben

disearse para una duracin determinada.

Entonces, podemos hablar de una

resistencia al fatiga para vida finita.

Lneas 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 Mdulo

de Elasticidad, aumentando

las deformaciones hasta el

colapso.

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

Ternplado, cuando el material se enfra rpidamente, se obtiene un acero de un

Punto de Fluencia alto pero de baja ductilidad.

Revenido, es otro proceso similar pero demasiado rpido.

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

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

etapa de laminacin o del proceso de soldadura.

TRATAMIENTO MECNICOS DEL ACERO

Cuando se aumenta el laminado de las

planchas de acero se mejora la resistencia.

La explicacin es que las molculas se orientan

en una sola direccin y su fuerza molecular tiene

una nica direccin. Lo mismo ocurre con el

trefilado, cuando las varillas son alargad as en fro

pasando huecos de menor dimetro hasta

convertirse en hilos (para ser usados en cables)

aumentando la resistencia o punto de Fluencia

varias veces.

COMPOSICIN QUMICA DEL ACERO Y SUS INFLUENCIAS

Los aditivos ms importantes del acero para

sus propiedades mecnicas son el carbono

y el manganeso.

Por ejemplo para obtener una resistencia

de 71 000 psi el productor podra tener un

acero con un anlisis de 0.20 C y 0.5 Mn

cuando produce una plancha de 1/4", pero

un incremento de C sera necesario para

tener la misma resistencia en u na planchade 1".

En este caso se pierde ductilidad

siendo el material ms frgil y demenos soldabilidad.

CARACTERSTICAS DE LAS ALEACIONES DEL ACERO

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

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

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

ductilidad e influye favorablemente en los tratamientos trmicos.

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

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

corrosin.

Silicio: mejora la resistencia.

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

indeseables en el acero.

Los aceros estructurales ms conocidos son: los Aceros al Carbono y son los ms econmicos: los

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

esa resistencia con la adicin de otros elemento qumicos y/ o tratamientos.

Los Aceros al Carbono se dividen en cuatro categoras 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 estn en la categora . de moderado carbono para asegurar que sean soldables.

Los Aceros de Alta Resistencia pueden estar dentro de las siguientes categoras: Aceros de Baja Aleacin o

Aceros Aleados.

ESPECIFICACIONES DEL ACERO

Las Especificaciones ASTM

reconocen 14 Grados de Acero en

total. Entre de los aceros al

Carbono, el ins conocido es elA36,

y entre los aceros de Alta

Resistencia, los aceros ASTM A242.

A572 y A588. A continuacin se da

u na Tabla con alguna de suspropiedades ms significativas.

Los grupos indicados se refieren a ASTM

A6, norma que controla el proceso para lafabricacin de perfiles laminados (W,S,C,M,L)

A36 Para propsitos generales en estructuras, especialmente de

edificaciones. soldadas o empernadas.

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

A572 Para perfiles estructurales, planchas y barras para edificaciones empernadas

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

ACEROS A-36 Y PARA SOLDADURA

Las curvas mostradas en la Figura describen el

comportamiento tpico de los diversos aceros

que son fabricados en la actualidad: lejos

estn los das en que se produca un slo tipo

de acero A7 (Fy: = 33 ksi). El diseador 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 CORROSIN