estructuras de acero tema 1 rev 2014

7/25/2019 Estructuras de Acero Tema 1 Rev 2014

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ACEROESTRUCTURAL

ACEROESTRUCTURAL

La Construccin en Acero

Tema 1Propiedades del acero.

Productos y normas para el proyecto de estructuras de acero

Ing. Ludwig Moncrief 1


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Estructuras de Acero

Tema 1

Objetivos y Alcance de la Materias

Despus de completar este tema, Ud. estar en capacidad de

!eleccionar y especi"icar el material mas adecuado para un

proyecto en acero, nuevo o e#istente, en "unci$n de laspropiedades mecnicas y metal%r&icas.'omprender y usar los trminos mas comunes, utili(ados en laindustria del acero.)amiliari(arse con los normas y especi"icaciones contempladasen la mayor*a de los proyectos estructurales en acero.



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1. + lanteamiento del roblema

El problema a resolver es, c$mo ele&ir el tipo estructural -ue, dentro de lascondiciones -ue impone su "inalidad, resulte ser ms adecuado yecon$mico para construirlo con los materiales y las tcnicas -ue se

disponen.

!$lo una acertada elecci$n del material, el tipo estructural, su "orma ydimensiones y el proceso constructivo pueda dar la soluci$n $ptimanin&una puede considerarse independiente de las otras. /Ejemplo, el i&l%0.

'omo todos los materiales, el acero tienen propiedades y leyes -ue debenrespetarse cuando se -uiere aprovecar totalmente las ventajas de laconstrucci$n metlica.



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2.+ Terminolo&*a y Unidades2.+ Terminolo&*a y Unidades

Usaremos la terminolo&*a y las unidades de las normas 'O3E454 /3er4orma 'O3E454 26671889 1:191889, 'ap*tulo 2, '+2 y Apndice ;0.

)luencia por cedenciaEs"uer(os por tensionesantallas por muros


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Figura N 1Figura N 1



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= + ropiedades Mecnicas del Acero

Desde el punto de vistade la respuestaestructural, el acerotiene las propiedades

-ue se indican en la)i&ura 4? 2.


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!e&%n sus propiedades mecnicas, los aceros se clasi"ican en acerocom%n /acero dulce0, acero de alta resistencia y aceros especiales.

/en ran&oplstico0'oe"iciente de dilataci$n trmica /a0 11. # 16+:C'

3alores e#presados en sistema mtrico MB!


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El dia&rama tensi$n+de"ormaci$n resulta de la representaci$n&r"ica del ensayo de tracci$n, normali(ado, el cual consiste ensometer a una probeta de acero normali(ada a un es"uer(o

creciente de tracci$n se&%n su eje asta la rotura de la misma. Elensayo de tracci$n permite el clculo de diversas propiedadesmecnicas del acero.


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# G!6Donde


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El ensayo comien(a aplicando &radualmente la "uer(a de tracci$n a laprobeta, lo cual provoca -ue el recorrido inicial en la &r"ica discurra por lal*nea recta -ue une el ori&en de coordenadas con el punto A.

Hasta lle&ar al punto A se conserva una proporcionalidad entre la tensi$nalcan(ada y el alar&amiento unitario producido en la pie(a. Es lo -ue se

conoce como


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asado el punto A y asta lle&ar al punto J, los alar&amientoproducidos incluso crecen de manera ms rpida con la

tensi$n, y se cumple -ue al cesar la car&a, la pie(a recuperade nuevo su &eometr*a inicial, es decir, se si&uecomportando elsticamente. El punto J marca el l*mite a estecomportamiento, y por ello al punto J se le denomina


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!i se si&ue aplicando car&a se lle&a al punto ', donde a partir de a-u* yasta el punto D, las de"ormaciones crecen de manera rpida mientras -ue

la car&a "luct%a entre dos valores, llamados l*mites de "luencia, superior ein"erior. Este nueva posici$n, denominada de "luencia, es caracter*sticae#clusivamente de losaceros d%ctiles, no apareciendo en los aceros endurecidos.

Ms all del punto de "luencia D es necesario se&uir aplicando un aumento

de la car&a para conse&uir un pronunciado aumento del alar&amiento.Entramos ya en la (ona de las &randes de"ormaciones plsticas astaalcan(ar el punto ), donde la car&a alcan(a su valor m#imo, lo -ue divididapor el rea inicial de la probeta proporciona la tensi$n m#ima de rotura oresistencia a la tracci$n.

A partir del punto E tiene lu&ar el "en$meno de estricci$n de la probeta,consistente en una reducci$n de la secci$n en la (ona de la rotura, y elresponsable del periodo de bajada del dia&rama, dado -ue al reducirse elvalor de la secci$n real, el valor de la car&a aplicado a partir del punto Etambin se va reduciendo asta alcan(ar el punto ) de rotura.


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Lmite Elstico: !e de"ine como la tensi$n m#ima -ue un material

puede soportar sin su"rir de"ormaciones permanentes. !i se aplicantensiones superiores a este l*mite, el material e#perimenta uncomportamiento plstico con de"ormaciones permanentes y norecupera espontneamente su "orma ori&inal al retirar las car&as.

En &eneral, un material sometido a tensiones in"eriores a su l*mite

de elasticidad es de"ormado temporalmente de acuerdo con la


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Tensin de gotamiento, )u Es la tensi$n asociada al punto en el cual elmaterial alcan(a su rotura y de"ormaci$n %ltima.

!uctilidad: !e de"ine como la capacidad -ue tiene un material de de"ormarsede manera estable. En otros trminos, un material es d%ctil cuando la relaci$n

entre el alar&amiento lon&itudinal producido por una tracci$n y la disminuci$nde la secci$n transversal es muy elevada.

Tenacidad: !e de"ine como la capacidad -ue tiene un material de absorberener&*a antes de alcan(ar la rotura.

"esiliencia: !e de"ine como la ener&*a de de"ormaci$n /por unidad devolumen0 -ue puede ser recuperada de un cuerpo de"ormado cuando cesa eles"uer(o -ue causa la de"ormaci$n.


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cero Com#n tambin conocido por acero dulce o acero al carbono, "ue pormucos aos el material ms usado en la construcci$n. Es un acero con bajocontenido de carbono /entre el 6.12L y 6.:6L en peso0. Entre estos acerosestn el AE2>, A!TM A=: y Din !T=.


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7.+ Metalur&ia del acero7.+ Metalur&ia del acero

7.1.+ roducci$n del acero

'omo se muestra en la )i&ura 4? 7, al producci$n del acero se lo&racontrolando el e#ceso de o#i&eno /O20 y carbono /'0.

)i&ura 4 7. Es-uema tradicional de la producci$n de acero

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Desde el punto de vista tecnol$&ico e#isten tres tipos "undamentales deprocesos

10 or soplado, en el cual todo el calor procede del calor inicial de losmateriales de car&a, principalmente en estado de "usi$n. roceso porsoplado, Jessemercido y Tomas bsico

20 'on orno de solera abierta, en el cual la mayor parte del calor

proviene de la combusti$n del &as o aceite pesado utili(ado comocombustible el #ito de este proceso se basa en los recuperadores decalor para calentar el aire y as* alcan(ar las altas temperaturas e"icacespara la "usi$n de la car&a del orno. roceso sobre solera, bsico ycido

=0 Elctrico, en el cual la "uente de calor ms importante procede de laener&*a elctrica / arco, resistencia o ambos 0 este calor puedeobtenerse en presencia o ausencia de o#*&eno por ello los ornoselctricos pueden trabajar en atm$s"eras no o#idantes o neutras ytambin en vac*o, condici$n pre"erida cuando se utili(an aleaciones -uecontienen proporciones importantes de elementos o#idables.


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= N roducci$n del Acero



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El arrabio es poco resistente y "r&il, no se puede laminar, "orjar o soldar.En el convertidor /ornos elctricos -ue aora sustituyen al orno !iemensMart*n0 se aaden "erroaleaciones para eliminar las impure(as/principalmente )$s"oro /0, A(u"re /!00, es lo -ue se denomina a"inoP.

ara evitar la "ra&ilidad en el acero por e"ecto del O#i&eno /O20 y del

4itr$&eno /40, se deso#ida con "erroaleaciones de Al, !i, etc.


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!e tienen aceros e"ervescentes, semicalmados y calmados.

Aceros e"ervescentes 'uando la deso#idaci$n del acero l*-uido resulta dbil,

se obtienen metales con alto &rado de se&re&aci$n y concentraci$n deelementos. Evidencia de ello es la "ormaci$n en el lin&ote de una piel e#teriorrelativamente puar durante su solidi"icaci$n y en"riamiento, mientras -ue en elinterior de la masa su composici$n -u*mica se ve alterada por impure(as talescomo el a(u"re y el "$s"oro, -ue debilitan el acero, disminuyendo su calidad yacindolo poco apto para soldar.

Aceros semicalmados son los aceros parcialmente deso#idados conpropiedades intermedias entre los e"ervescentes y los calmados. !e usanpre"erentemente en la "abricaci$n de per"iles estructurales, barras y plancas.

Aceros calmados son los aceros completamente deso#idados, en los cuales noe#isten reacciones posteriores del carbono con el o#*&eno, durante lasolidi"icaci$n y con"ormaci$n de lin&otes. Estos aceros presentan una estructuracristalina omo&nea, de composici$n -u*mica uni"orme, apta para la "abricaci$nde tubos sin costura, rieles y pie(as "orjadas.


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7.2.+ 'omposici$n Qu*mica.

El acero es una aleaci$n de ierro con cantidades muy pe-ueas de'arbono los aceros estructurales contienen, adems, otros elementosen cantidades variables, principalmente Man&aneso /Mn0, )$s"oro /0,A(u"re /!0 y !ilicio /!i0 -ue son impure(as -ue no pueden eliminarse, ocuya supresi$n ser*a demasiado costosa, o -ue se aadenintencionalmente, en di"erentes combinaciones y cantidades, para

obtener caracter*sticas y propiedades espec*"icas en los productosterminados.

El ierro /)e0 es d%ctil, pero blando y de baja resistencia el 'arbono /'0se aade para endurecerlo y aumentar su resistencia mecnica cuandocrece el contenido de carbono suben la dure(a, la resistencia a la

ruptura en tensi$n y la tensi$n de "luencia, pero disminuyen ductilidad,tenacidad y soldabilidad, por lo -ue en los aceros estructurales se limitael contenido de carbono en &eneral, el m#imo permitido es 6.=6L omenos, dependiendo de los otros elementos de aleaci$n y de lasoldabilidad y tenacidad deseadas. 'ada aumento de 6.61L de carbonoeleva la tensi$n cedente en unos => I&"C cm2



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Ing. Ludwig Moncrief

El Man&aneso /Mn0 aumenta la dure(a y la resistencia de losaceros, aun-ue en menor &rado -ue el carb$n adems, se combinacon el A(u"re /!0, "ormando sul"atos de man&aneso, con lo -ue seminimi(an los e"ectos des"avorables del a(u"re. Que ace disminuir laductilidad, la tenacidad y la soldabilidad.

El silicio /!i0 y el aluminio /Al0 se emplean en la manu"actura delacero para eliminar los &ases, principalmente o#*&eno, -ue sedisuelven en el metal en estado l*-uido. El aluminio se utili(a tambinpara controlar el tamao del &rano.

ara obtener propiedades deseables en ciertas aplicaciones, se

alean elementos adicionales por ejemplo, el cobre /'u0 aumenta laresistencia a la corrosi$n atmos"rica.

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Ta$la N 1%n&luencia de los Elementos de leacin en el cero

Ta$la N 1%n&luencia de los Elementos de leacin en el cero

'ro#iedad + ,i Mn ' , +r -i Mo +u Al

esis(encia a

la (racci/n & Lmi(e

els(ico

Alargamien(o & 2 &2 &

& & & & & & &

,olda!ilidad & & & & & & &

e)ormaci/nen )ro

& & & & & & &

esiliencia & & & & & & &

:s(a!ilidad)ren(e a lacorrosi/n

& indirec(

o

esis(encia ala )a(iga

indirec(a

como en

+

comoen +

comoen +

De"inici$n de los si&nos/0 F aumento despreciable de la propiedad. F aumento de la propiedad F elevaci$n notable de la propiedad./+0 F disminuci$n despreciable de la propiedad.+ F disminuci$n de la propiedad.+ + F disminuci$n notable de la propiedad.

'ampo sin seali(ar nin&una variaci$n o no de"inida. 30


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Ta$la N 2E&ectos de lgunos Elementos leantes so$re el cero

Ta$la N 2E&ectos de lgunos Elementos leantes so$re el cero

:s(a!ili$adores de laAus(eni(a

endencia alendurecimien(

o so!re elrango de

(rans)ormaci/nde la Aus(eni(a

;ormadoresde car!uros

A%nadores de la)erri(a

:s(a!ili$adores de la)erri(a

esis(enciaa la )erri(a

Aumen(o dela dure$a

-i + < Al +r Mn Mn

Mn Mo i < Mo ,i Mo

- +r +! o -! i ' ' +r

c Mn a =r > +o ,i

+u -i > - < -i -i

> Mo ,i Al

< +r Al +r

Mn i Mo

=r >

-

+u

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7.= + 'ambios de Temperatura,/Dia&ramas de "ase tamao de&rano0.

'uando durante el proceso de "abricaci$n el metal se en"r*a lentamente,se solidi"ica como una soluci$n de carbono en ierro -ue recibe elnombre de austerita, cuando el en"riamiento contin%a, a partir de unatemperatura comprendida entre los 816 y los 26?', en aceros con noms del 6.96L de carbono, disminuye la solubilidad del carbono en elierro, y se "orman cristales de ierro casi puro, conocidos como "errita

la trans"ormaci$n termina por debajo de los 26?' el acero, atemperatura ambiente, est "ormado por &ranos de "errita en una matri(de perlita, -ue es un compuesto de "errita y cementita /carburo de ierro,

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'uando el en"riamiento desde la etapa austen*tica es rpido no ay tiempopara -ue se presenten las trans"ormaciones mencionadas, y se obtienen otrasmicroestructurales, con propiedades mecnicas di"erentes en &eneral, cuantomayor es la velocidad de en"riamiento, mayor es la dure(a y la resistencia delacero a la temperatura ambiente, pero menor es su ductilidad.


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7.7 + !e&re&aci$n

En una de las etapas de la producci$n de per"iles estructurales con losmtodos tradicionales, el acero "undido se vac*a en moldes en los -uese en"r*a y solidi"ica, "ormando lin&otes de secci$n transversalrectan&ular, con es-uinas redondeadas en una etapa posterior serecortan los e#tremos de los lin&otes, para remover material indeseable,se vuelven a calentar, y se laminan para obtener los productos

terminados.

El proceso de en"riamiento y solidi"icaci$n es causa de -ue lacomposici$n de los lin&otes no sea uni"orme el acero l*-uido encontacto con las paredes y el "ondo del molde, -ue estn relativamente"r*os, se solidi"ica muy rpidamente, sin -ue cambie su composici$n

-u*mica, pero cuando disminuye la velocidad de solidi"icaci$n, al crecerla distancia a las paredes, se "orman cristales de ierro casi puro, -uecontienen menos carbono, man&aneso, "$s"oro, a(u"re y otroselementos del li-uido del -ue provienen, de manera -ue el material -uese solidi"ica al "inal, situado alrededor del eje del lin&ote en la -ue lase&re&aci$n es ms pronunciada se corta antes de iniciar la laminaci$n.

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7.>+ E"ectos de la


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Figura N '. E&ecto de laminacin


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cm apro#imadamente0, tiene una re&i$n de material de baja tenacidad, en la intersecci$n

del alma y las alas, producida por la menor velocidad de en"riamiento de esa (ona y por-ue,por restricciones &eomtricas, se aplican en ella, durante el proceso de laminaci$n, presionesmenores -ue en el resto del per"il. Es tambin com%n -ue el material situado a lo lar&o del ejede las alas y alma este se&re&ado y compuesto por &ranos &ruesos. Al acer cortes consopletes, o juntas soldadas, an de tomarse precauciones especiales para reducir al m*nimola posibilidad de -ue apare(can &rietas, sobre todo en la (ona de concentraci$n de tensiones.!e presentan problemas anlo&os en secciones ecas con placa soldada, espesor de >6

mm o ms.

'uando los per"iles pesados trabajan a tracci$n /como sucede en los cordones, vi&as decelos*a y, en ocasiones en columnas de edi"icios con solicitaciones s*smicas intensas0, debenrevisarse con cuidado las especi"icaciones del material y los procedimientos de "abricaci$n,antes de acer cortes o uniones soldadas. ueden ser pre"eribles las juntas empernadas.

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7.:+ Des&arramiento laminar


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7. + Tensiones @esiduales


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er"iles laminados, )r F 66

er"iles soldados, )r F 11:6


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Fig. Residual stress distri!utions in "ame#cut Plate and s$ape %&alam!os' 1(()*


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7.9 + !oldabilidad


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En las estructuras modernas se utili(an aceros de resistencia muco mayor -ue las

de los aceros al carbono por ejemplo, se puede obtener un l*mite de cedencia ) yF=>66 I&Ccm2 y una tensi$n m*nima de a&otamiento, )ude unos >666 I&Ccm2

sin tratamientos trmicos, aadiendo dos o mas elementos de aleaci$n, y se lo&ra

una soldabilidad adecuada restrin&iendo el contenido de carbono a un m#imo de

6.26 por ciento.

En al&unos aceros tratados trmicamente, con l*mite de cedencia de asta 666I&Ccm2 se obtienen juntas soldadas comparables a las de los aceros al carbono

esco&iendo adecuadamente el metal de aportaci$n y los procesos para acer la

soldadura.

!e an eco intentos para relacionar la composici$n -u*mica con la soldabilidad

de los aceros, e#presando la in"luencia relativa de los diversos componentes entrminos de lo -ue se a llamado carbono e-uivalente. 'ada norma de producto

establece la "ormula para calcularlo y los ran&os de uso. As* por ejemplo en la

4orma 'O3E454 =1:266: Jarras y rollos de acero con resaltes para uso como

re"uer(o estructural


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'.( )roductos de acero.'.( )roductos de acero.

En las 4ormas 'O3E454 1:191889 /'apitulo >0, A4!5 C A5!' =:6+6>/!ection A=0 y A4!5 C A5!' =71+6> /'apter :0, se especi"ican losproductos y calidades de acero -ue pueden usarse en los proyectos deestructuras de acero.

Despus del terremoto de 4ortrid&e /18870 la industria sider%r&ica

norteamericana a modi"icado los tradicionales aceros A!TM A=: yA>2 &rado >6, para evolucionar a los nuevos aceros A!TM A882 yA81=.

En la )i&ura 4? , se comparan la curvas tensi$n+de"ormaci$n paraal&unos de los aceros autori(ados por las mencionadas normas.

En las Tablas 4? 7 y > se comparan las propiedades mecnicas y-u*micas de los aceros se&%n las normas 'O3E454 16=:1888 y A!TMA=: y A>2.


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A!TM

'O3E454 :=:88

@O5EDAD U45DAD S A+=: AE+2> SA>2 ;>6 AE+=> AE+=>A

@E!5!TE4'5A A>6 766+>>6 7>6 >16+:86 7>6


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4O@MA A!TM 'O3E454 :=:88 A882 'O3E454

E SA>2 ;>6 AE+=> AE+=>A

'A@JO4O /'0 LMWX 6.2: 6.2: 6.2= 6.2 6.2=

)!)O@O /0 LMWX 6.67 6.67 6.67 6.67 6.67

AYU)@E /!0 LMWX 6.6> 6.6> 6.6> 6.6> 6.6>

MA4;A4E!O /Mn0 LMWX 1.=> 1.66 1.=> 1.=> 1.=>

!5


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>.1 + Disponibilidad de productos de acero

ara comprender las actividades y la comerciali(aci$n de losproductos de acero, vase los 'riterios y Es-uemas de codi"icaci$nde artidas, incluidas en las Tablas de Diseo.

'omo se indica en la 5ntroducci$n de las Tablas de Diseo, enlatinoamrica la disponibilidad de productos de acero, tanto en tipos,

dimensiones y calidades de acero es muy inconstante. En el casovene(olano los per"iles laminados asta 176mm, los per"iles coralasta 126 y los < asta 166mm estn disponibles a travs de losdistribuidores de acero. er"iles ms &randes o son "abricados por lostalleres o son per"iles importados.


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>.2.+ @e-uerimientos sismorresistentes

or ser de inters para el diseo sismorresistente, comprensela Tabla >.2 de la 'O3E454 1:191889 con la tabla 5+:+1 de la4orma A4!5 C A5!' =71+6>.

:.+ 4ormas

ara el proyecto y la construcci$n de estructuras de acero,adems de las 4ormas 'O3E454 1:191889 y 1>>189, y otras4ormas 'O3E454 mencionadas por estas, se cuenta con losmencionados por la norma A4!5 C A5!' 2616


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Fig. Cur3as tensin(de&ormacin para algunos de los aceros autori4ados en las normas

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