ACERO-ESTRUCTURAL

ACERO ESTRUCTURAL

Se define como acero estructural a lo que se obtiene al combinar el hierro, carbono y pequeñas proporciones de otros elementos tales como silicio, fósforo, azufre y oxígeno, que le contribuyen un conjunto de propiedades determinadas. El acero estructural es uno de los materiales básicos utilizados en la construcción de estructuras, tales como edificios industriales y comerciales, puentes y muelles. Se produce en una amplia gama de formas y grados, lo que permite una gran flexibilidad en su uso. Es relativamente barato de fabricar y es el material más fuerte y más versátil disponible para la industria de la construcción.

1. CLASIFICACIÓN DEL ACERO ESTRUCTURAL - El acero estructural, según su forma, se clasifica en: a. PERFILES ESTRUCTURALES: Los perfiles estructurales son piezas de acero laminado cuya sección transversal puede ser en forma de I, H, T, canal o ángulo. b. BARRAS: Las barras de acero estructural son piezas de acero laminado, cuya sección transversal puede ser circular, hexagonal o cuadrada en todos los tamaños. c. 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.

2. COMPOSICIÓN DEL ACERO Las aleaciones de acero están compuestas en su mayor parte de hierro. Sin embargo, cada aleación tiene cantidades diferentes de otros materiales, como carbono, manganeso, tungsteno y molibdeno. Las diferentes composiciones crean diferentes propiedades entre las aleaciones. Todas tienen un módulo de elasticidad, o una medida de rigidez, de 29 millones de psi. El módulo de elasticidad se usa para calcular cuándo se deformará una pieza de acero demasiado para llevar una carga de forma segura. Otras propiedades del acero incluyen la fuerza para ceder, o la tensión máxima antes de que se deforme permanentemente; la capacidad de tensión de doblaje, o la tensión que puede llevar de forma segura el acero antes de contorsionarse fuera de plano; y el límite final, o la tensión a la que fallará por completo.

3. VENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL

Tiene una gran firmeza.- La gran firmeza del acero por la unidad de peso significa que el peso de las estructura se hallará al mínimo, esto es de mucha eficacia en puentes de amplios claros. Semejanza.- Las propiedades del acero no cambian perceptiblemente con el tiempo. Durabilidad.- Si el mantenimiento de las estructuras de acero es adecuado duraran unos tiempos indefinidos. Ductilidad.- La ductilidad es la propiedad que tiene un material de soportar grandes deformaciones sin fallar bajo altos esfuerzos de tensión. La naturaleza dúctil de los aceros estructurales comunes les permite fluir localmente, evitando así fallas prematuras. Tenacidad.- Los aceros estructurales son tenaces, es decir, poseen resistencia y ductilidad. La propiedad de un material para absorber energía en grandes cantidades se denomina tenacidad.

4. DESVENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL. Costo de mantenimiento.- La mayor parte de los aceros son susceptibles a la corrosión al estar expuestos al agua y al aire y, por consiguiente, deben pintarse periódicamente. Costo de la protección contra el fuego.- Aunque algunos miembros estructurales son incombustibles, sus resistencias se reducen considerablemente durante los incendios.

5. PROPIEDADES DE LOS ACEROS ESTRUCTURALES Las propiedades físicas de varios tipos de acero y de cualquier aleación de acero dada a temperaturas variantes dependen principalmente de la cantidad del carbono presente y en como es distribuido en el hierro. Antes del tratamiento de calor la mayoría de los aceros tienen una mezcla de 3 sustancias, ferrita, pearlite, cementite. La ferrita es cantidades pequeñas que contienen ferricas de carbono y otros elementos de solución, es suave y dúctil. La cementite es un compuesto de hierro que contiene aproximadamente 7% del carbono, es sumamente quebradiso y duro. La pearlite es una mezcla íntima de ferrita y cementite que tienen una composición específica, y una estructura característica, y las características físicas se interponen entre los dos electores. La dureza depende de las variaciones de calor, y de las proporciones de los 3 ingredientes. Para el tratamiento calorífico del acero se hace un proceso básico, que es el de endurecer el acero que consiste en la calefacción del metal a una temperatura a la que el austenite se forma, normalmente aproximadamente de 760 a 870 °C, y entonces se refresca bruscamente en agua o aceite. Para comprender el comportamiento de las estructuras de acero, es absolutamente esencial que el diseñador esté familiarizado con las propiedades del acero. Los diagramas esfuerzo-deformación presentan una parte valiosa de la información necesaria para entender cómo será el comportamiento del acero en una situación dada. No pueden ser desarrollados métodos de diseño satisfactorios a menos que se cuente con información disponible correspondiente a las relaciones esfuerzodeformación del material a utilizarse. Si una pieza laminada de acero estructural se somete a una fuerza de tensión, comenzará a alargarse. Si la fuerza de tensión se incrementa en forma constante, el alargamiento aumentará constantemente, dentro de ciertos límites. En otras palabras, el alargamiento se duplicará si, por ejemplo, el esfuerzo aumenta de 6,000 a 12,000 psi (libras por pulgada cuadrada) (de 420 a 840 kg/cm2). Cuando el esfuerzo de tensión alcanza un valor aproximadamente igual a la mitad del esfuerzo en la ruptura, el alargamiento empezará a incrementarse en una proporción mayor que el correspondiente incremento de esfuerzo. Al esfuerzo que corresponde un decisivo incremento en el alargamiento o deformación, sin el Podría suponerse que la fluencia del acero, sin incremento de esfuerzo, es una seria desventaja, pero actualmente es considerada como una característica muy útil. A menudo ha desempeñado el admirable servicio de prevenir fallas debidas a omisiones o errores de diseño. Pudiera ser que un punto de la estructura de acero dúctil alcanzara el punto de fluencia, con lo que dicha parte de la estructura cedería localmente, sin incremento del esfuerzo, previniendo así una falla prematura. Esta ductilidad permite que los esfuerzos de la estructura de acero puedan reajustarse. Otro modo de describir este fenómeno es diciendo que los muy altos esfuerzos causados durante la fabricación, montaje o carga, tenderán a uniformarse y compensarse por sí mismos. También debe decirse que una estructura de acero tiene una reserva de deformación plástica que le permite resistir sobrecargas y choques súbitos. Si no tuviera esa capacidad, podría romperse bruscamente, como sucede con el vidrio y otras sustancias semejantes.

Una propiedad muy importante de una estructura que no haya sido cargada más allá de su punto de fluencia, es que recuperará su longitud original cuando se le retire la carga. Si se hubiere llevado más allá de este punto, sólo alcanzaría a recuperar parte de su dimensión original. Este conocimiento conduce a la posibilidad de probar una estructura existente mediante carga, descarga y medición de deflexiones. Sí después de que las cargas se han retirado, la estructura no recobra sus dimensiones originales, es porque se ha visto sometida a esfuerzos mayores que su punto de fluencia. El acero es un compuesto que consiste casi totalmente de hierro (normalmente más de 98%). Contiene también pequeñas cantidades de carbono, sílice, manganeso, azufre, fósforo y otros elementos. El carbono es el material que tiene mayor efecto en las propiedades del acero. La dureza y resistencia aumentan a medida que el porcentaje de carbono se eleva, pero desgraciadamente el acero resultante es más quebradizo y su soldabilidad disminuye considerablemente. Una menor cantidad de carbono hace al acero más suave y más dúctil pero también menos resistente. La adición de elementos tales como cromo, sílice y níquel produce aceros considerablemente más resistentes. Estos aceros, por lo tanto, son apreciablemente más costosos y a menudo no son fáciles de elaborar. En las estructuras de acero diseñadas en el pasado, y en la mayoría de las que actualmente se diseñan, se han usado y usan los llamados métodos de diseño elástico. El diseñador estima la “carga de trabajo”, o cargas que la estructura posiblemente deba soportar, y dimensiona los miembros, sobre la base de ciertos esfuerzos permisibles. Estos esfuerzos permisibles son usualmente una fracción del esfuerzo en el límite de fluencia del acero. Aunque el término “diseño elástico” es utilizado comúnmente para describir este procedimiento, los términos diseño por esfuerzo permisible o diseño por esfuerzo de trabajo son en definitiva más apropiados. Muchas de las estipulaciones de las especificaciones para este método se basan realmente en el comportamiento plástico o en la capacidad última, más que en el comportamiento elástico. La ductibilidad del acero ha sido usada como una reserva de resistencia, y la utilización de este hecho constituye la base de la teoría conocida como el diseño plástico. En este método las cargas de trabajo se estiman y multiplican por ciertos factores y los miembros se diseñan basándose en las resistencias a la falla o al colapso. Se usan también otros nombres para este método como son: diseño al límite o diseño a la falta o a la ruptura. Aunque sólo unos cuantos centenares de estructuras se han diseñado en el mundo por los métodos del diseño plástico, los profesionales se están moviendo decididamente en ese sentido. Esta tendencia se refleja particularmente en las últimas especificaciones de la AISC. El acero estructural puede laminarse económicamente en una variedad de formas y tamaños sin un cambio apreciable de sus propiedades físicas. Normalmente los miembros mas ventajosos son aquellos que tienen grandes módulos de sección en proporción con sus áreas de sus secciones transversales. Las formas I, T, y canal, tan comúnmente usadas pertenecen a esta clase.

6. DESIGNACIONES ASTM (E.090) Bajo esta Norma se aprobará el uso del material que cumpla algunas de las siguientes especificaciones: - Acero estructural, ASTM A36 ( AASHTO M270 Grado 36)

- Tubos redondos de acero negro y galvanizado, soldados y sin costura, ASTM A53, Gr. B. - Acero de alta resistencia y baja aleación, ASTM A242 - Tubos estructurales de acero al carbono, doblados en frío, soldados y sin costura, ASTM A500. - Tubos estructurales de acero al carbono, doblados en caliente, solados y sin costura, ASTM A501. - Planchas de acero aleado, templado y revenido, de alta resistencia, adecuadas para soldadura, ASTM A514 (AASHTO M270 Grado 100 y 100W) - Acero al Carbono – Manganeso, de alta resistencia, de calidad estructural, ASTM A529. - Planchas y flejes de acero al carbono, laminadas en caliente, de calidad estructural, ASTM A570, Gr. 275, 310 y 345 - Acero de alta resistencia y baja aleación al niobio - vanadio, de calidad estructural, ASTM A572 (AASHTO M270 Grado 50) - Acero estructural de alta resistencia y baja aleación, con un límite de fluencia mínimo de 345 MPa, de hasta 100 mm de espesor, ASTM A588 (AASHTO M270 Grado 50W) - Planchas y flejes de acero de alta resistencia y baja aleación, laminadas en caliente y laminadas en frío, con resistencia mejorada a la corrosión atmosférica, ASTM A606. - Planchas y flejes de acero de alta resistencia y baja aleación, con Niobio o Vanadio o ambos, laminadas en caliente y laminadas en frío, ASTM A607. - Tubos estructurales de alta resistencia y baja aleación, soldados y sin costura, formados en caliente, ASTM A618. - Planchas de acero estructural de baja aleación, templado y revenido, con límite de fluencia mínimo de 485 MPa, de hasta 100 mm de espesor, ASTM A852 (AASHTO M270 Grado 70W) - Acero estructural para puentes, ASTM A709 Grado 36, 50, 50W, 70W, 100 y 100W Reportes de ensayos certificados de planta o reportes de ensayos certificados realizados por el fabricante o por un laboratorio de ensayos de acuerdo con la Norma ASTM A6 o A568, la que sea aplicable, constituirán suficiente evidencia de conformidad con uno de los estándares indicados anteriormente. Si es requerido, el fabricante proveerá una declaración jurada declarando que el acero estructural suministrado cumple los requerimientos de los grados especificados.

ACERO ASTM A36 PROPIEDADES DEL ACERO ASTM A36 El ASTM A36 tiene una fuerza para ceder de 36.000 psi, y una capacidad de tensión de doblaje de 22.000 psi. Las propiedades del acero ASTM A36 permiten que se deforme rápidamente mientras se incrementa la tensión más allá de su fuerza para ceder. Esta conductividad permite que los edificios aguanten mucho más de los límites de una estructura en caso de emergencia,

permitiendo que los habitantes salgan de forma segura antes de que se colapse. Otros aceros de alto rendimiento, como la cuerda de puente, son extremadamente fuertes pero se resquebrajan, y hay una deformación mínima antes de que se rompa violentamente. USOS Como se ha mencionado, el ASTM A36 es el tipo más común de aleación de acero. Se usa para la mayoría de componentes de la construcción, incluyendo columnas, vigas, plataformas y elementos de acabado. La conductividad del ASTM A36 no permite que la aleación se use como cable, y no debería usarse como barra de refuerzo (barras). Sin embargo, la mayoría de otros usos son perfectos para el ASTM A36. FORMAS DE ACERO El ASTM A36 y otras aleaciones se pueden hacer en varias formas para la construcción de edificios. Éstas incluyen tubos de acero; flancos anchos, o formas en W; vigas estándar estadounidenses con forma de I, o con forma en S; formas en T estructurales; canales, o formas en C; ángulos, o formas en L; placas de acero; y barras de acero. Los tubos de acero se suelen usar como columnas. Los flancos anchos tienen un perfil que parece una "I" o una "H", y se usan para columnas o vigas. Las vigas en forma de I sólo deberían usarse como vigas, y las formas en T y en C se pueden usar como vigas o como abrazaderas. Los ángulos se suelen usar únicamente para abrazaderas o como elementos de acabado, mientras que las placas de acero y las barras tienen muchos usos en la construcción. OTRAS ALEACIONES Hay muchas aleaciones diferentes con varias designaciones de ASTM. Otras aleaciones de acero incluyen: ASTM A242, usado en entornos marinos y húmedos, es una aleación muy fuerte, resistente a la corrosión y con una fuerza para ceder de 42.000 a 50.000 psi, y una capacidad de tensión de doblaje de 25.200 a 30.000 psi; ASTM A441, usado en estructuras artísticas de baja tolerancia, como torres y grandes telescopios, tiene un grado estructural muy fuerte, con una fuerza para ceder de 40.000 a 50.000 psi, y una capacidad de tensión de doblaje de 24.000 a 30.000 psi; y ASTM A572 Grado 50, usado en construcción a gran escala, que es una aleación extremadamente fuerte, con una fuerza para ceder de 65.000 psi, y una capacidad de tensión de doblaje de 39.000 psi, además de un futuro como el repuesto de alto rendimiento del acero ASTM A36.