tensión en acero
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Comportamiento de MaterialesTRANSCRIPT
“Tensión en acero.”
TENSIÓN EN ACERO.
1.-OBJETIVO:
Determinas el esfuerzo a la tensión en un tramo de varilla de grado 42, así como la gráfica de su comportamiento.
2.-INTRODUCCIÓN:
I- TIPOS DE ACERO.
En México son de uso común los siguientes aceros: ASTM A-7 y ASTM A-572 grado 50. Como se observará a continuación, las especificaciones ASTM no señalan un contenido específico en el contenido de carbono u otra sustancia, sin embargo estos aceros deben cumplir con los requisitos enunciados en la siguiente tabla Tabla
Esta es una tabla que muestra el esfuerzo de fluencia y el mínimo de ruptura de los aceros más comunes que se utilizan en la ciudad de México.
II. COMPORTAMIENTO DEL ACERO. DIAGRAMA ESFUERZO
DEFORMACIÓN UNITARIA
Para entender a la perfección el comportamiento de la curva Esfuerzo-
Deformación unitaria, se debe tener claro los conceptos que hacen
referencia a las propiedades mecánicas de los materiales que describen
como se comporta un material cuando se le aplican fuerzas externas. En este
caso las Fuerzas de tensión o tracción1.
Cualquier fuerza externa que se aplique sobre un material causa
deformación, la cual se define como el cambio de longitud a lo largo de la
línea de acción de la fuerza.
Para estudiar la reacción de los materiales a las fuerzas externas que se aplican, se
utiliza el concepto de esfuerzo.
El esfuerzo tiene las mismas unidades de la presión, es decir, unidades de fuerza por
unidad de área. En el sistema métrico, el esfuerzo se mide en Pascales (N/m2). En el
sistema inglés, en psi (lb/in2). En aplicaciones de ingeniería, es muy común expresar el
esfuerzo en unidades de Kg /cm2.
1 La fuerza aplicada que intenta estirar el material a lo largo de su línea de acción
Repasemos pues algunos conceptos básicos.
1. Deformación Simple
Se refiere a los cambios en las dimensiones de un miembro estructural cuando se
encuentra sometido a cargas externas.
Estas deformaciones serán analizadas en elementos estructurales cargados axialmente,
por lo que entre las cargas a estudiar estarán las de tensión o compresión.
2. Deformación unitaria
La deformación unitaria, se puede definir como la relación existente entre la
deformación total y la longitud inicial del elemento, la cual permitirá determinar la
deformación del elemento sometido a esfuerzos de tensión o compresión axial.
Por lo tanto la ecuación que define la deformación unitaria un material sometido a
cargas axiales está dada por:
3. Propiedades mecánicas básicas de los materiales.
3.1. Esfuerzo de Tensión.
Es aquel que tiende a estirar el miembro y romper el material. Donde las fuerzas que
actúan sobre el mismo tienen la misma dirección, magnitud y sentidos opuestos hacia
fuera del material. Viene dado por la siguiente fórmula:
3.2. Rigidez
La rigidez de un material es la propiedad que le permite resistir deformación.
3.3. Elasticidad
Es la propiedad de un material que le permite regresar a su tamaño y formas originales,
al suprimir la carga a la que estaba sometido. Esta propiedad varía mucho en los
diferentes materiales que existen. Para ciertos materiales existe un esfuerzo unitario más
allá del cual, el material no recupera sus dimensiones originales al suprimir la carga. A
este esfuerzo unitario se le conoce como Límite Elástico.
3.4. Plasticidad
Esto todo lo contrario a la elasticidad. Un material completamente plástico es aquel que
no regresa a sus dimensiones originales al suprimir la carga que ocasionó la
deformación.
3.5. Maleabilidad
Es la propiedad de la materia, que junto a la ductilidad presentan los cuerpos a ser
labrados por deformación, la maleabilidad permite la obtención de delgadas láminas de
material sin que éste se rompa, teniendo en común que no existe ningún método para
cuantificarlas.
3.6. Ductilidad
Capacidad que presentan algunos materiales de deformarse sin romperse permitiendo
obtener alambres o hilos de dicho material, bajo la acción de una fuerza.
3.7. Elasticidad
Es la magnitud que cuantifica la cantidad de energía absorbida por unidad de superficie
al romperse por efecto de un impacto. Se mide en Julios por metro cuadrado: J/m2 (SI);
o kgf·m/cm2; o kp·m/cm2
3.8. Dureza
Se llama dureza al grado de resistencia al rayado que ofrece un material. La dureza es
una condición de la superficie del material y no representa ninguna propiedad
fundamental de la materia.
El ensayo de dureza es simple, de alto rendimiento ya que no destruye la muestra y
particularmente útil para evaluar propiedades de los diferentes componentes
microestructurales del material.
A continuación se muestra el ejemplo de una curva resultante graficada con los valores
del esfuerzo y la correspondiente deformación unitaria en un espécimen cualquiera
calculado a partir de los datos de un ensayo de tensión.
En donde:
a) Límite de proporcionalidad:
Se observa que va desde el origen O hasta el punto llamado límite de proporcionalidad,
es un segmento de recta rectilíneo, de donde se deduce la tan conocida relación de
proporcionalidad entre la tensión y la deformación enunciada por Robert Hooke. Cabe
resaltar que, más allá la deformación deja de ser proporcional a la tensión.
El material es linealmente elástico. Limite proporcional, es el límite superior del
esfuerzo en esta relación lineal. La Ley de Hooke es válida cuando el esfuerzo unitario
en el material es menor que el esfuerzo en el límite de proporcionalidad.
La curva tiende a aplanarse causando un incremento mayor de la deformación unitaria
con el correspondiente incremento del esfuerzo. Esto continúa hasta que el esfuerzo
llega al límite elástico.
b) Limite de elasticidad o limite elástico:
Es la tensión más allá del cual el material no recupera totalmente su forma original al
ser descargado, sino que queda con una deformación residual llamada deformación
permanente.
c) Punto de fluencia:
Un aumento en el esfuerzo más del límite elástico provocara un colapso de material y
causara que se deforme permanentemente. Este comportamiento se llama fluencia. El
esfuerzo que origina la fluencia se llama esfuerzo de fluencia o punto de fluencia, y la
deformación que ocurre se llama deformación plástica.
En los aceros con bajo contenido de carbono, se distinguen dos valores para el punto de
fluencia.
El punto superior de fluencia ocurre primero, seguido por una disminución súbita en la
capacidad de soportar carga hasta un punto inferior de fluencia. Una vez se ha
alcanzado el punto inferior de fluencia, la muestra continuara alargándose sin ningún
incremento de carga. Las deformaciones unitarias inducidas debido a la fluencia serian
de 10 a 40 veces más grandes que las producidas en el límite de elasticidad. Cuando el
material esta en este estado-perfectamente plástico.
d) Esfuerzo máximo:
Cuando la fluencia ha terminado, puede aplicarse más carga a la probeta, resultando una
curva que se eleva continuamente pero se va aplanando hasta llegar a este punto se
llama el esfuerzo ultimo, Que es el esfuerzo máximo que el material es capaz de
soportar.
La elevación en la curva de esta manera se llama endurecimiento por deformación.
e) Esfuerzo de Rotura:
Verdadero esfuerzo generado en un material durante la rotura.
Después del esfuerzo último, el área de la sección transversal comienza a disminuir en
una zona localizada de la probeta, en lugar de hacerlo en toda su longitud. Este
fenómeno es causado por planos de deslizamiento que se forman dentro del material y
las deformaciones producidas son causadas por esfuerzos cortantes.
Como resultado, tiende a desarrollarse una estricción o cuello en esta zona a medida que
el espécimen se alarga cada vez más.
Puesto que el área de la sección transversal en esta zona está decreciendo
continuamente, el área mas pequeña puede soportar solo una carga siempre decreciente.
De aquí que el diagrama esfuerzo –deformación tienda a curvarse hacia abajo hasta que
la probeta se rompe en el punto del esfuerzo de fractura.
III. ACERO GRADO 42
La varilla G-42 esta fabricada de acero, con propiedades mecánicas que la hacen muy
resistente y a la vez flexible; laminada en caliente, cuya superficie está provista de
salientes llamadas corrugaciones2.
Debido a que tienen un rol importante en la construcción, estas varillas de acero deben
de estar producidas de acuerdo a normas ASTM y/o Normas Mexicanas.
La varilla viene marcada por norma con los datos del fabricante. Indica cuál es la norma
mexicana con la que cumple este material. También aparece el grado de resistencia a la
fluencia de la varilla3.
MEDIDAS
Diámetro Designación4
3/8” (6.7kgxpza) 3
1/2”(11.95kgxpza) 4
2 Rebordes o salientes que inhiben el movimiento relativo longitudinal entre la varilla y el concreto que la rodea. En otras palabras, aseguran la adherencia con el concreto.3 Fluencia es el esfuerzo máximo que alcanza el acero, que al retirarse la carga, regresa a su forma original sin deformaciones.4 La designación es el número de octavos de pulgada en el diámetro de la varilla.
Puntos de interés especial:
La corruga aumenta la superficie de contacto con
el concreto y aumenta la adherencia.
Grado 42 es que tiene resistencia a la fluencia de
4,200kg x cm2. Además una Resistencia a la
tensión mínima de 6,300 kg/cm2.
El largo estándar de esta varilla es de 12 metros.
5/8”(18.72kgxpza) 5
3/4”(27kgxpza) 6
1” (47.70kgxpza) 8
1 1/4”(74.7kgxpza) 10
1 1/2”(107.3kgxpza) 12
Algunos de sus usos:
En la construcción de vigas y columnas.
En la elaboración de pisos de concreto.
Para la formar el esqueleto de castillos y cerramientos.
IV. NORMAS MEXICANAS PARA ACERO DE REFUERZO
El acero de refuerzo o varilla corrugada es el alma de cualquier elemento estructural,
absorbe todos los esfuerzos de tensión provocados por las cargas, y por los cambios de
volumen en el concreto al variar su temperatura.
Para garantizar el comportamiento adecuado del concreto reforzado, se deben cumplir
dos condiciones: que el manejo del acero de refuerzo sea adecuado, eficiente y de
calidad; y que el concreto alcance la resistencia de proyecto.
Clasificación del acero estructural o de refuerzo:
El acero estructural, según su forma, se clasifica en:
Perfiles Estructurales: Los perfiles estructurales son piezas de acero laminado
cuya sección transversal puede ser en forma de I, H, T, canal o ángulo.
Barras: Las barras de acero estructural son piezas de acero laminado, cuya
sección transversal puede ser circular, hexagonal o cuadrada en todos los
tamaños.
Planchas: Las planchas de acero estructural son productos planos de acero
laminado en caliente con anchos de 203 mm y 219 mm, y espesores mayores de
5,8 mm y mayores de 4,5 mm, respectivamente.
El acero de refuerzo para armaduras, a su vez, se clasifica en:
Barras corrugadas
Alambrón
Alambres trefilados (lisos y corrugados)
Mallas electro soldables de acero – Mallazo
Armaduras básicas en celosía.
Alambres, torzales y cordones para hormigón pretensado.
Armaduras pasivas de acero
Redondo liso para Hormigón Armado
Aceros para estructuras en zonas de alto riesgo sísmico.
Para estructuras de hormigón se utilizan barras lisas y corrugadas, con diámetros que
oscilan entre los 6mm y los 40mm, aunque lo común en una armadura de hormigón es
que difícilmente superen los 32mm. Además el acero de refuerzo se utiliza en las mallas
electro soldadas o mallazo constituidos por alambres de diámetros entre 4mm a 12mm.
NMX ACERO ESTRUCTURAL
CLAVE NMX TITULO
B-099 Acero estructural con límite de fluencia mínimo de 290 MPa (29kgf/mm2) y con espesor máximo de 127 mm.
B-252 Requisitos generales para planchas, perfiles, tablaestacas y barras de acero laminado, para uso estructural.
B-254 Acero estructural - especificaciones y métodos de prueba
B-281 Planchas, perfiles y barras de acero al carbón para uso estructural con baja e intermedia resistencia a la tensión
B-284 Acero estructural de alta resistencia y baja aleación al manganeso vanadio.
B-286 Perfiles I y H de tres planchas soldadas de acero.
B-480Perfiles y plancha de acero de baja aleación y alta resistencia al manganeso - niobio - vanadio para uso estructural - especificaciones y métodos de prueba.
MX ARMADURAS
CLAVE NMX TITULO
B-455 Armaduras electro soldadas de sección triangular de alambre de acero corrugado o liso para refuerzo a flexión de elementos estructurales de concreto - especificaciones y métodos de prueba.
B-456Armaduras electro soldadas de alambre de acero para castillos y dalas - especificaciones y métodos de prueba.
Dada la gran variedad de aceros existentes, y de fabricantes, ha originado el surgir de
una gran cantidad de normativa y reglamentación que varía de un país a otro.
No obstante, existen normas reguladoras del acero, con gran aplicación internacional,
como las americanas AISI (American Iron and Steel Institute) y ASTM5 (American
Society for Testing and Materials), las normas alemanas DIN, o la ISO 3506.
OTRAS NORMAS APLICABLES:
CLAVE TITULO
NMX-C-407-ONNCCE-2001 industria de la construcción - varilla
5 Ejemplos: A36: especificación para aceros estructurales al carbono; A285: especificación para aceros al carbono de baja e intermedia resistencia para uso en planchas de recipientes a presión; A325: especificación para pernos estructurales de acero con tratamiento térmico y una resistencia a la tracción mínima de 120/105 ksi. Véase también http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn101.html#seccion12.
A514: especificación para planchas aleadas de acero templadas y revenidas con alta resistencia a la tracción, adecuadas para soldar;
corrugada de acero proveniente de lingote y palanquilla para refuerzo de concreto - especificaciones y métodos de prueba
NOM-050-SCFI información comercial, disposiciones generales para productos
NMX-B-113 ACERO - método de prueba - doblado de productos terminados
NMX-B-001 métodos de análisis químico para determinar la composición de aceros y fundiciones
NMX-B-172 métodos de prueba mecánicos para productos de acero
NMX-B-309 nomenclatura para términos usados en los métodos de prueba mecánicos
NMX-B-434 método de prueba para determinar el peso unitario y el área transversal de las varillas lisas y corrugadas para refuerzo de concreto
NMX-H-121 procedimiento de soldadura estructural - acero de refuerzo
NMX-Z-012/2 muestreo para la inspección por atributos - parte 2: métodos de muestreo, tablas y gráficas.
3.-MATERIAL:
Probeta de varilla 3/8 in de diámetro, 60 cm de largo. Marcador. Arco con segueta. Micrómetro. Máquina universal. Flexometro. Franela.
4.-PROCEDIMIENTO:
1. Por medio de un corte con segueta se conseguirá un tramo de varilla de 3/8” y 60cm de longitud, el cual, será nuestro objeto de estudio.
2. Tomaremos las mediciones de las corrugaciones de la varilla, tanto de corrugación entre corrugación, cómo el alto de la costilla de la varilla, así cómo el diámetro de la misma (de ambas caras y haremos un promedio).
3. Marcaremos una línea central en el fragmento de varilla que se consiguió (a los 30 cm) una vez realizado esto, mediremos 10 cm a cada y uno de los extremos de esta línea y procederemos a marcarlos de igual manera.
4. Colocaremos la varilla entre los cabezales de la máquina universal sujetándola en sus extremos por medio de unas mordazas en las marcas de la magnitud de prueba. Procurando que queden bien colocadas y lo más exactas que se pueda, una vez en la máquina
5. Aplicaremos la carga y estaremos atentos de la trayectoria de la aguja, está será constante, hasta llegar al punto de fluencia, dónde la aguja tendera a retroceder unas cuantas veces. Después del Límite de fluencia, la varilla perderá su elasticidad y lo único que queda esperar es la carga máxima (se medirá el peso por cada 50 mm de deformación en la varilla).
6. La carga máxima será nuestro último dato, esto lo sabremos cuando la aguja se mantenga por mucho tiempo en una misma posición, esto significa que la varilla está a punto de partirse.
5.-CÁLCULOS:
Def. en mm Def. en cm Carga T mm a cm0 0 0 0 0.01
50 0.5 576 811.267606 100 1 800 1126.76056 area cm^2150 1.5 1055 1485.91549 0.71200 2 1340 1887.32394250 2.5 1525 2147.88732300 3 1730 2436.61972350 3.5 1945 2739.43662400 4 2025 2852.11268450 4.5 2255 3176.05634
500 5 2300 3239.43662550 5.5 2350 3309.85915600 6 2550 3591.5493650 6.5 2675 3767.60563700 7 2705 3809.85915750 7.5 2800 3943.66197800 8 2910 4098.59155850 8.5 2940 4140.84507900 9 3030 4267.60563950 9.5 3120 4394.3662
1000 10 3150 4436.619721050 10.5 3175 4471.830991100 11 3310 4661.971831150 11.5 3355 4725.352111200 12 3435 4838.028171250 12.5 3495 4922.535211300 13 3500 4929.577461350 13.5 3510 4943.661971400 14 3550 50001450 14.5 3580 5042.253521500 15 3580 5042.253521550 15.5 3720 5239.436621600 16 3720 5239.436621650 16.5 3750 5281.690141700 17 3800 5352.112681750 17.5 3840 5408.45071800 18 3840 5408.45071850 18.5 3910 5507.042251900 19 3925 5528.169011950 19.5 3925 5528.169012000 20 3990 5619.718312050 20.5 3990 5619.718312100 21 3990 5619.718312150 21.5 3990 5619.718312200 22 4250 5985.91549
6.-CONCLUSIONES:
7.-BIBLIOGRAFÍA:
Allstudies.com. Sin fecha de actualización. Acero estructural. En: Arquitectura y construcción. [Base de datos en línea]. Disponible desde internet en: <http://www.allstudies.com/acero-estructural.html> [con acceso el 26 de febrero de 2013].
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Ingemecánica. Actualización Viernes, 1 de marzo de 2013. Tutorial No. 101. Clasificación de los aceros. En: Tutoriales. [Base de datos en línea]. Disponible desde internet en: <http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn101.html#seccion12> [con acceso el 26 de febrero de 2013].
Monografias.com. Actualización Mayo de 2011. Diagrama esfuerzo-deformación. En: Ingeniería. [Base de datos en línea]. Disponible desde internet en: <http://www.monografias.com/trabajos72/diagrama-esfuerzo-deformacion/diagrama-esfuerzo-deformacion.shtml> [con acceso el 27 de febrero de 2013].