Propiedades Fisicas y Mecánicas de Acero Estructural

PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DEL ACERO ESTRUCTURAL

ÍNDICE Introducción……………………………………………..PÁG. Introducción……………………………………………..PÁG. 1 Objetivos………………………………………………..PÁG. 2 Definición de acero estructural……………………….PÁG. estructural ……………………….PÁG. 3 Tipos de acero…………………………………………PÁG. acero…………………………………………PÁG. 3 Propiedades físicas……………………………………PÁG. físicas ……………………………………PÁG. 4 Propiedades mecánicas………………………………PÁG. mecánicas ………………………………PÁG. 6 Conclusiones………………………………………….PÁG. 12 Conclusiones………………………………………….PÁG.  12 Bibliografía…………………………………………….PÁG. 13 Bibliografía…………………………………………….PÁG.  13

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INTRODUCCION El uso del acero en la construcción de puentes, edificios, industrias y estructuras ferroviarias se ha hecho desde hace mucho tiempo atrás. A pesar de las invenciones de nuevos materiales modernos, el acero no ha sido reemplazado total o parcialmente. Es muy interesante saber cómo progresivamente se ha utilizado el metal para la construcción, en forma de hierro fundido (siglo XVIII), hierro forjado (siglo XIX), acero laminado en caliente (principios del siglo XX), acero de alta resistencia, frío acero formado, acero de calibre ligero y acero inoxidable. (SHIYEKAR, 2017) El acero es un material costoso. La cuantificación del acero en la construcción depende en gran medida del tipo de material que soporta para el techo, el suelo y las paredes, la estimación de las cargas, las herramientas de análisis y la resistencia del material que satisface las prácticas codales. En la India, los materiales tradicionales se utilizan para el suelo, techo y paredes. Se presta menos atención a los materiales de sustitución resistentes y ligeros. Un enfoque conservador en la estimación de las cargas sólo para asegurar una construcción cada vez más segura y fuerte, y una actitud reticente hacia el uso de herramientas analíticas precisas y complejas, resultan en grandes secciones de elementos estructurales y de alto costo. El acero exhibe notable margen de fuerza extra más allá del límite elástico. La plasticidad desarrollada en la sección transversal crítica y la redistribución del estrés, así como las acciones internas, especialmente en estructuras indeterminadas, dan como resultado un colapso a una carga máxima alta. La aparición de rendimientos sólo en fibras extremas de una sección crítica no determina de hecho el estado límite. La capacidad de carga de una estructura en el punto de colapso debido a la producción completa de un número típico de secciones transversales es mucho mayor que la de la falla elástica. Baker (1949), Neal (1950), Lothers (1953), Beedle (1955), Hodge (1959), así como otros autores, contribuyeron a las investigaciones sobre la plasticidad, el pandeo post-elástico y la resistencia al estado límite del acero . Pero el crédito para el primer documento publicado sobre la plasticidad del acero va para el Dr. Gobar (1914), un ingeniero húngaro y más tarde a Leibnitz (1929), un científico alemán. Las Disposiciones Codales en las prácticas tanto internacionales como nacionales guardaron silencio sobre este concepto durante mucho tiempo. Veamos cuándo y dónde se reemplaza el método tradicional de estrés de trabajo por el método del estado límite. (SHIYEKAR, 2017)

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OBJETIVOS GENERALES

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Generar interés de estudio en el lector sobre el tema mediante la realización de un trabajo monográfico para que éste amplíe sus conocimientos. Brindar información válida sobre algunas propiedades del acero estructural mediante la investigación para su aplicación a futuro. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

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Conceptuar las propiedades del acero estructural con el fin de analizar sus características. Comparar los diferentes tipos de acero para su identificación .

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ACERO ESTRUCTURAL DEFINICION DE 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 . El acero laminado en caliente, elaborado con fines estructurales, se le nombra como acero estructural al carbono. Es el resultado de la aleación del hierro y carbono. En los aceros al carbono comunes, el hierro constituye más del 95%. Pueden estar presentes en pequeñas cantidades; azufre, oxigeno, cilicio, nitrógeno, fósforo, manganeso, aluminio, cobre y níquel. (ARQHYS, 2012)

TIPOS DE ACERO MÁS USADOS EN LA ING CIVIL

1. Acero Corten: Es una aleación de Acero con níquel, cromo, cobre y fósforo que, tras un proceso de humectación y secado alternativos forma una delgadísima película de óxido de apariencia rojizo-púrpura. (ARQHYS, 2012) Se utiliza en construcciones metálicas, puentes, estructuras, fachadas de edificios, puertas metálicas,etc.

2. Acero Calmado: El Acero Calmado o Reposado es aquel que ha sido desoxidado por completo previamente a la colada, por medio de la adición de metales. Mediante este procedimiento se consiguen piezas perfectas pues no produce gases durante la solidificación, evitando las sopladuras. (ARQHYS, 2012) 3. Acero Corrugado: Barra de Acero cuya superficie presenta resaltos o corrugas que mejoran la adherencia con el hormigón , que forman estructuras de hormigón armado. (ARQHYS, 2012)

4. Acero Galvanizado: El Acero Galvanizado por inmersión en caliente es un producto que combina las características de resistencia mecánica del Acero y la resistencia a la corrosión. (ARQHYS, 2012) El acero galvanizado se utiliza para la Edificación, Instalaciones Industriales, Grandes Estructuras, Automoción, Armaduras galvanizadas para hormigón. (ARQHYS, 2012)

5. Acero Inoxidable: Se denomina Acero Inoxidable a cualquier tipo de Acero aleado cuyo peso contenga como mínimo 10,50 % de Cromo, pero no más de 1,20 % de Carbono, con cualquier otro elemento de aleación o sin él. (ARQHYS, 2012) 3

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Contiene cromo, níquel y otros elementos de aleación, que lo mantienen brillantes y resistente a la corrosión a pesar de la acción de la humedad o de ácidos y gases. (ARQHYS, 2012)

PROPIEDADES FÍSICAS 1. Densidad media Densidad de algunos cuerpos: La densidad, expresada en kg, de un decímetro cúbico de algunos cuerpos (fig. 1)

Figura 1 (Álvarez, 2001)

Efectos de los elementos de aleación sobre las propiedades del acero. Lo es elementos de aleación se incorporan al acero por las razones siguientes: 1) mejorar las propiedades mecánicas por regulación de los factores que influyen en la templabilidad. 2) Mejorar las propiedades mecánicas a elevadas y bajas temperaturas. 3) Mejorar la resistencia a la corrosión 4) Influir en otras propiedades especiales.

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No es posible prácticamente aplicar las relaciones características del equilibrio de cada elemento con el hierro y el carbono en el estudio de los aceros especiales pero puesto que la mayoría de éstos sólo contiene cantidades relativamente pequeñas del elemento especial, el punto de fusión del acero es un promedio de 1370 °C. (Serope Kalpakjian, 2003)

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PROPIEDADES MECÁNICAS 1. DUCTILIDAD

Cualquier material que pueda someterse a grandes deformaciones antes de fracturarse se denomina material dúctil. Los ingenieros suelen elegir materiales dúctiles para el diseño porque son capaces de absorber los impactos o la energía, y si se sobrecargan, por lo general presentan grandes deformaciones antes de fallar. (Hibbeler, 2011)  Además del acero, otros metales como el bronce, el molibdeno y el zinc pueden presentar características dúctiles similares, puesto que también experimentan un comportamiento elástico esfuerzo-deformación, ceden a un esfuerzo constante, presentan endurecimiento por deformación y, finalmente, se produce en ellos una estricción hasta la fractura. (Hibbeler, 2011)

Si una varilla de metal se puede hacer pasar por un troquel, para producir un alambre, se dice que el metal es dúctil o que tiene ductilidad. Conforme el metal es empujado a través del troquel, su diámetro disminuye y su longitud aumenta, y la varilla se convierte en alambre. (Cabrera, 1996)

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2. ELASTICIDAD

El concepto de elasticidad es importante en mecánica de materiales. Mucha gente tiene el falso concepto de que un cuerpo es elástico si puede estirarse una gran distancia sin romperse, como -en. el caso de una banda de caucho. Sin embargo, esta no es la definición correcta usada en mecánica de materiales. Elasticidad es la propiedad que hace que un cuerpo que ha sido deformado regrese a su forma original después de que se han removido las fuerzas deformadoras. Por ejemplo, consideremos la barra de la figura. Supóngase que esta barra que era de 1 m de longitud antes de cargarla se ha estirado una cantidad δ debido a la aplicación de una carga P. Si la barra regresa a su longitud original de 1 m después de quitar la carga, como en la figura (c), se dice que el material es perfectamente elástico (con esta carga). Sin embargo, si la barra no recobra su longitud original después de cesar la acción de la carga, como en la figura (d), se dice que el material es parcialmente elástico. La deformación δ' se llama la deformación permanente; permanece después de que se ha quitado la carga. (Fitzgerald, 1996) Un sólido, como por ejemplo un resorte de acero, que requiere de cierta fuerza para estirarlo, y que tiende a recuperar su forma original cuando la fuerza se suprime, tiene la propiedad de la elasticidad. El cambio o distorsión se llama deformación. (Cabrera, 1996)

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Capacidad para recobrar su forma y sus dimensiones primitivas al cesar la fuerza que provoca su deformación.

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3. TENACIDAD La tenacidad de un material es un término mecánico que se utiliza en varios contextos; en sentido amplio, es una medida de la capacidad de un material de absorber energía antes de la fractura. La geometría de la probeta así como la manera con que se aplica la carga son importantes en la determinación de la tenacidad. En el caso de condiciones de carga dinámicas (o sea un concentrador de tenciones) está presente, la tenacidad a la entalla es evaluada utilizando ensayos de impacto. Además la tenacidad de fractura es una propiedad que nos indica la resistencia a la fractura de un material cuando existe una grieta. (Callister, 2002) En el caso de la situación estática (baja velocidad de deformación), la tenacidad puede ser evaluada a partir de los resultados del ensayo de tracción. (Callister, 2002) Es el área bajo la curva esfuerzo deformación hasta la fractura. Las unidades de tenacidad son las mismas que las de resiliencia (o sea, energía por unidad de volumen de material). Para que un material sea tenaz, debe poseer tanto a la resistencia como ductilidad; y a menudo, los materiales dúctiles son más tenaces que los frágiles. Por consiguiente aun cuando los materiales frágiles tienen mayor límite elástico y mayor resistencia a la tracción, tienen menor tenacidad que los dúctiles a causa de la falta de ductilidad. (Callister, 2002) La tenacidad es la resistencia a la rotura una vez se ha producido el cambio permanente de forma. La suma de la energía necesaria para romper la pieza. Con frecuencia se piensa en la tenacidad como opuesta a la fragilidad, pero esto es verdad solamente en el sentido de que un metal tenaz da indicación de plasticidad antes de llegar a esfuerzo máximo final, en tanto que un metal muy frágil se rompe rápidamente sin ninguna manifestación. (F.R. Morral, 1985) El módulo de tenacidad es la energía necesaria por unidad de volumen para producir la rotura de un material, y se puede representar por el área situada debajo de toda la curva esfuerzo-deformación: figura 2. Este dato es interesante para materiales sometidos a cargas que sobrepasan el límite. (F.R. Morral, 1985)

Figura 2  (SHIYEKAR, 2017) La tenacidad a la fractura del acero se usa como una medida general de su resistencia al impacto o de su capacidad para absorber incrementos repentinos en los esfuerzos de muesca. Entre más dúctil es el acero, mayor es su tenacidad. (McCORMAC, 2006) Se dispone de varios procedimientos para estimar la tenacidad de muesca, pero la prueba Charpy de muesca V es la más ampliamente usada. Si bien esta prueba (descrita en la especificación A6 del ASTM) es algo inexacta, ayuda a identificar los aceros frágiles. Con esta prueba se mide la energía requerida para fracturar una pequeña barra 8

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de sección transversal rectangular con una muesca específica. (Véase la figura 3). (McCORMAC, 2006) La barra se fractura con un péndulo liberado desde cierta altura. La cantidad de energía requerida para fracturar la barra se determina a partir de la altura a la que el péndulo se eleva después del golpe. La prueba puede repetirse para diferentes temperaturas y graficarse como se muestra en la figura 4. Tal gráfica muestra claramente la relación entre temperatura, ductilidad y fragilidad. La temperatura en el punto de mayor pendiente es la temperatura de transición. (McCORMAC, 2006)  Aunque la prueba Charpy es bien conocida, en realidad proporciona una medición muy mala. En los artículos de Barsom y Rolfe se consideran otros métodos para medir la tenacidad del acero. (McCORMAC, 2006)

Figura 3. (McCORMAC, 2006)

Figura 4. (McCORMAC, 2006) 4. MALEABILIDAD La maleabilidad en general, representa la propiedad de un material a ser deformado permanentemente por compresión, sin rotura, y específicamente significa la aptitud de ser laminado o forjado en delgadas chapas. La maleabilidad es semejante a la ductilidad, pero no igual. Así el cobre, plomo, aluminio y estaño son más maleables que dúctiles, y el hierro y el níquel son más dúctiles que maleables. (F.R. Morral, 1985)  Al laminar un metal, sus átomos son forzados a moverse unos sobre otros, de una posición de la estructura cristalina, a otra. Sin embargo, ya que las fuerzas de cohesión son grandes, y los átomos no son separados notablemente durante el proceso de reagrupación, el metal se mantiene como unidad, mientras su forma cambia. Los metales como la plata, el oro, el platino, el cobre, el aluminio y el hierro, son altamente maleables y dúctiles (Figura 5). (Cabrera, 1996)

Figura 5. (Cabrera, 1996)

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Maleabilidad del acero

Esta propiedad se garantiza a través de una prueba que consiste en doblar en frío una varilla de acero alrededor de un pin in que ésta se astille en la parte exterior. EL doblez debe ser de 180° para las varillas de todas las denominaciones excepto para las #14 y #18 cuyo doblez es de 90° para A-615, A-616, A-61 y 180° para A-706. El diámetro del pin varía de acuerdo a la varilla a ser ensayada y se indica en la tabla 1. (Harmsen, 2005)

Diámetro del pin acero Diámetro del pin acero A-615, A-616, A-617 A-706 3.5 db 3 db #3, #4 y #5 #6, #7 y #8 5 db 4 db 7 db 6 db #9, #10 y #11 #14 y #18 9 db 8 db Tabla 1: Diámetros del pin para la prueba de maleabilidad del acero (Harmsen, 2005) Denominación

db: Diámetro de la varilla ensayada

5. DUREZA

La dureza de los aceros varía entre la del hierro y la que se puede lograr mediante su aleación u otros procedimientos térmicos o químicos entre los cuales quizá el más conocido sea el templado del acero, aplicable a aceros con alto contenido en carbono, que permite, cuando es superficial, conservar un núcleo tenaz en la pieza que evite fracturas frágiles. Aceros típicos con un alto grado de dureza superficial son los que se emplean en las herramientas de mecanizado, denominados aceros rápidos que contienen cantidades significativas de cromo, wolframio, molibdeno y vanadio. Los ensayos tecnológicos para medir la dureza son Brinell, Vickers y Rockwell, entre otros. (Gómez, 1989) La dureza es importante cuando se proyecta una pieza que deba resistir el desgaste, la erosión o la deformación plástica. (Hurtado, 2008)

Es la resistencia que ofrece un acero para dejarse penetrar. Se mide en unidades BRINELL (HB) o unidades ROCKWEL C (HRC), mediante test del 10

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mismo nombre. El hierro se produce silicato de calcio, llamado también escoria. (Avallone, 2011) El hierro y la escoria se separan por gravedad, ya que la escoria es menos densa y flota sobre el metal. El Acero es una mezcla de metales (aleación) formada por varios elementos químicos, principalmente hierro y carbón como componente minoritario (desde el 0,25% hasta el 1,5% en peso). (Avallone, 2011) El acero inoxidable se caracteriza por su alta resistencia a la corrosión. Es una mezcla de metales (aleación), formada por hierro p. (Avallone, 2011)

Prueba de dureza con la barra de acero inoxidable

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CONCLUSIONES

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Bibliografía  Álvarez, A. (2001). Iniciación profesional. En A. Álvarez, Iniciación profesinal.  ARQHYS, E. d. (2012). Qué es el acero estructural. Revista ARQHYS.  Avallone, S. (2011). Acero. En S. Avallone, Acero. Cabrera. (1996). Física. En Cabrera, Física. Cabrera, V. G. (1996). Fisica fundamental. En V. G. Cabrera, Fisica fundamental. Progreso. Callister, W. D. (2002). Introucción a la ciencia e ingeniería de los materiales, vol. 1. En W. D. Callister, Introucción a la ciencia e ingeniería de los materiales, vol. 1. Reverte. F.R. Morral, E. J. (1985). Metalurgia general, vol. 2. En E. J. F.R. Morral, Metalurgia general, vol. 2. Reverte. Fitzgerald. (1996). Mecánica de materiales. En Fitzgerald, Mecánica de materiales. Gómez, L. M. (1989). Acero. En L. M. Gómez, Acero. Harmsen, T. E. (2005). Diseño de estructuras de concreto armado. En T. E. Harmsen, Diseño de estructuras de concreto armado. Fonde Editorial PUCP. Hibbeler. (2011). Mecánica de materiales. En Hibbeler, Mecánica del materiales. Hurtado, C. (2008). Estructuras de acero. En C. Hurtado, Estructuras de acero. McCORMAC, J. (2006). DIseño de estructuras de acero, 5ta ed. En J. McCORMAC, DIseño de estructuras de acero, 5ta ed.

Serope Kalpakjian, S. R. (2003). Metalúrgica general vol. 2. En S. R. Serope Kalpakjian, Metalúrgica general vol. 2. SHIYEKAR, M. (2017). LIMIT STATE DESIGN IN STRUCTURAL STEEL. En M. SHIYEKAR, LIMIT STATE DESIGN IN STRUCTURAL STEEL.  INDIA: PHI LEARNING PVT.

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