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Aceros Estructurales modernos (tipos y ensayo) 

El acero posee propiedades que pueden ser cambiadas en gran medidavariando las cantidades de carbono y añadiendo otros elementos como

silicio, níquel, manganeso y cobre. Aunque estos elementos tienen un granefecto en las propiedades del acero, las cantidades de carbono y otroselementos de aleación son muy pequeñas considerando por ejemplo que elcontenido de carbono en el acero es casi siempre menor que el 0.5% enpeso.Estas composiciones químicas del acero son de mucha importancia en suspropiedades como la soldabilidad, la resistencia a la corrosión, laresistencia a la fractura, etc. Existen porcentajes exactos máximos decarbono, manganeso, silicio permitidos en el acero estructural las cuales

están especificadas en la ASTM. Sin embargo, algo que también influye enel acero es el proceso de laminado, la historia de sus esfuerzos y eltratamiento térmico aplicado.En décadas pasadas, el acero estructural comúnmente usado era un aceroestructural al carbono designado como A36 y con esfuerzo mínimo defluencia Fy = 36 ksi. Pero, en la actualidad, la mayoría del acero estructuralusado en los estados unidos se fabrica fundiendo acero chatarra en hornoseléctrico. Utilizando este proceso puede producirse un acero de 50ksi yvenderse a casi el mismo precio del acero a36.Debido a que, en décadas recientes, los ingenieros y arquitectos hanrequerido aceros más fuertes, con mayor resistencia a la corrosión, conmejores propiedades de soldabilidad, las investigaciones realizadas por laindustria acerera han proporcionado varios grupos de nuevos aceros quesatisfacen muchas de las demandas, de manera que actualmente existe unagran cantidad de aceros clasificados por la ASTM e incluidos en laespecificaciones LRFD.Según la ASTM existen varias clasificaciones para los aceros estructurales:los aceros de propósitos generales (A36), los aceros estructurales decarbono (A529), los aceros estructurales de alta resistencia y baja aleación

(A572), los aceros estructurales de alta resistencia y baja aleación yresistentes a la corrosión atmosférica (A242 y A588) y la placa de acerotemplada y revenida (A514 y A852).A continuación se hablará más detalladamente sobre la característica de lostipos de acero ya mencionados anteriormente:

Aceros de Carbono

-Tienen como principales elementos de resistencia al carbono y al

manganeso en cantidades cuidadosamente dosificadas.

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-contiene 1.7% de carbono, 1.65% de manganeso, 0.60% de silicio y 0.60%de cobre.- Estas, a su vez se dividen en cuatro categorías dependiendo del porcentajede carbono:

1-Acero de bajo contenido de carbono<0.15%2- Acero dulce al carbono 0.15 a 0.29%. (El acero estructural al carbono

queda dentro de esta categoría)

3-Acero medio al carbono 0.60 a 1.70%

Aceros de alta resistencia y baja aleación

-Obtienen sus altas resistencias y otras propiedades por la adición, apartedel carbono y manganeso, de uno a más agentes aleantes como el

columbio, vanadio, cromo, silicio, cobre, níquel y otros.-Poseen mayor resistencia a la corrosión atmosférica que los aceros alcarbono.-El término baja aleación se usa para describir arbitrariamente aceros en losque el total de elementos aleantes no excede el 5% de la composición total.-Constituyen un grupo de aceros de marca registrada, con propiedadesmecánicas y resistencia a la corrosión mejoradas.-Se fabrican fácilmente por cortado a gas, moldeado en frío y caliente,perforado, remachado y soldado.-Se obtiene en formas de lámina y solera, placas, barras, formasestructurales, tubería, tubos y alambre.

Aceros estructurales de alta resistencia, baja aleación yresistentes a la corrosión atmosférica

-Resistentes a la corrosión.- Baja oxidación, debido a que al exponerse a la atmósfera, se les formauna película adhesiva muy comprimida conocida como “pátina”. -El primer acero de este tipo se desarrolló en la U.S.Steel corporation(ahora la USX Corporation) en 1933 para darle resistencia a los carros deferrocarril.- Son muy utilizados en estructuras con miembros expuestos y difíciles depintar como puentes o torres de transmisión.- No pueden ser usados en lugares expuestos a brisas marinas, niebla o ahumos industriales corrosivos.-No pueden ser usados en condición sumergida o en aéreas muy secascomo en algunas partes del oeste de Estados Unidos.-Para que se les forme la película adhesiva comprimida (pátina) deben estarsujetos a ciclos de humedad y resequedad para que no siga teniendo laapariencia de acero sin pintar.

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Aceros templados y revenidos

-Poseen mayor cantidad de agentes aleantes.-Son tratados térmicamente para darles dureza y resistencia con fluencias

comprendidas entre 70ksi y 110 ksi.-El revenido consiste en un enfriamiento rápido del acero con agua o aceite,cambiando la temperatura de por lo menos 1650F a 300 o 400F.-Estos aceros no muestran puntos bien definidos de fluencia como lo hacenlos demás tipos de aceros

ENSAYO DE TRACCIÓN SOBRE VARILLAS DE ACERO

Debido a que muchos materiales estructurales se encuentran bajo cargas, ya

sean de tracción o compresión, es suma importancia conocer lascaracterísticas mecánicas del material para diseñar correctamente dónde ycómo va a utilizarse, de tal forma que los esfuerzos a los que vaya a estarsometido no sean excesivos y el material no falle. El comportamientomecánico de un material es el reflejo de la relación entre su respuesta odeformación ante una fuerza o carga aplicada.Por lo expuesto anteriormente, y debido a que el acero es uno de losmateriales de mayor uso en la construcción es de vital importancia hacerensayos para conocer algunas de sus propiedades, el ensayo que se lerealiza al acero se le denomina “Ensayo de tracción axial” del cual

podemos obtener la siguiente información que nos servirá para determinarciertos parámetros que influyen en el comportamiento del acero:

  Deformación al máximo de carga (milímetro/minuto)  Esfuerzo de tracción al máximo de carga, zona plástica. (kgf)  Extensión en la muestra hasta su rotura, alargamiento. (milímetros)  Fluencia. (%)  Máxima carga en la zona elástica. (kgf)  Máxima carga en la zona plástica. (kgf) 

Modulo de elasticidad. (kgf/cm2)  Tiempo de rotura. (segundos)

El ensayo de tracción axial del acero consiste en someter a una probeta deacero a un esfuerzo de tracción creciente, generalmente hasta la rotura, conel fin de determinar una o más de las propiedades mecánicas de dichomaterial. Es importante resaltar también que este tipo de ensayo tambiénpuede hacerse para otros tipos de materiales como por ejemplo, la madera.Antes de continuar con la explicación del ensayo de tracción axial, es

importante tener en cuenta las etapas que se presentan en el acero mediante

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aumenta el esfuerzo de tracción en su eje axial donde las 3 primeras etapasya fueron explicadas.Dichas etapas son:

  Elástica 

  Fluencia   Endurecimiento por deformación   Formación de la estricción: En el esfuerzo último, el área de la

sección transversal comienza a disminuir en una zona localizada enla muestra, en lugar de hacerlo en toda su longitud. Este fenómeno escausado por los planos de deslizamiento que se forman dentro delmaterial. 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 más pequeña puede soportar solouna carga siempre decreciente. De aquí que el diagrama esfuerzo -vs.- deformación tienda a curvarse hacia abajo hasta que la muestrase rompe en el punto del esfuerzo de fractura o rotura.1 

Figura A: Formación de la estricción y ruptura.

APARATOS A USARSE EN EL ENSAYO DE TRACCIÓN AXIAL:  Máquina para ensayos de tracción: Tiene que cumplir las

siguientes condiciones, estar provista de dispositivos apropiados queaseguren la aplicación axial de carga a la probeta. Permitir laaplicación progresiva de la carga, sin choque ni vibraciones. Permitircumplir las condiciones relativas a la velocidad del ensayo. Laprecisión de la máquina universal, utilizada para este ensayo, fue de0,25 KN. 

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  Extensómetro: Deberá tener la precisión necesaria a los resultadosque deseen obtener; el extensómetro utilizado tiene una precisión de

0.01mm.   Medidor de alargamiento: Para medir el alargamiento se utiliza

normalmente una cinta métrica con una precisión de 1mm.   Mordazas, apropiadas para cada producto y tipo de probeta, con

sujeción por cuñas, tornillos, rebordes, etc.CÁLCULOS PREVIOS AL ENSAYO:

  Es imprescindible medir el diámetro de nuestra probeta de acero. Enel presente trabajo se usó el vernier para dicho fin.

  La longitud de la probeta de acero fue medida con una cinta métrica.

PROCEDIMIENTO:  Fijar el extensómetro sobre la probeta.  Seleccionar la mordaza según la norma o la norma particular del

producto, si corresponde.  Preparar la máquina de ensayo.  Aplicar la carga a la velocidad que se indica en la norma

dependiendo del material, en nuestro caso se tomará en cuenta losiguiente:

  Periodo o intervalo elástico: usar una velocidad igual oinferior al 5% de la longitud entre marcas por minuto (0.05%Lo/min) o un aumento de tensión de 10 N/mm^2.min.

  Periodo o intervalo plástico: usar una velocidad igual oinferior al 40% de la longitud entre marcas por minuto (0.40Lo/min).

Mantener constante la velocidad en ambas zonas y pasar de unavelocidad a la otra en forma progresiva, evitando cambios bruscos.

  Cuando se usa extensómetro, observarlo continuamente y retirarlo

una vez alcanzado el valor mínimo especificado para elalargamiento.

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  Tener en cuenta la calibración de los materiales debido a que es unaspecto importante dentro de cualquier tipo de ensayo.

Programa BlueHill 2

El programa BlueHill 2 es un software dirigido a ensayos de laboratorioque es compatible con la maquina universal y es utilizado para obtenerdatos mecánicos del material que se está ensayando en la máquinauniversal. Gracias a este software se pudo obtener de manera digital losdatos correspondientes al ensayo de tracción axial del acero mediante sugrafica esfuerzo-deformación, la cual se presenta a continuación:Aceros ArequipaMétodo de ensayo utilizado para determinar la calidad del acero como partede la estructura en una construcción.

Dimensión:Diámetro 9.82000 mm

Dimensión:Diámetrofinal

6.08000 mm

Dimensión:Longitud

140.62000 mm

Dimensión:Longitud

final

135.35000 mm

Ensayo:Velocidad 1

9.00000 mm/min

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MáximoCarga(kgf)

Áreacm^2

Esfuerzo detracción alMáximoCarga

(kgf/cm^2)

Carga deFluencia(kgf)

Esfuerzo deFluencia(kgf/cm^2)

CargaalRotura(Estándar)(kgf)

1 4970.33

0.757

6562.54 3071.67 4055.66 3788.34

ExtensiónalRotura(Estándar)(mm)

1 35.80

Discusión de resultados:Según los resultados obtenidos:

Esfuerzo de tracción= 6562.54Transformado a lb/pulg2:

Esfuerzo de tracción= 93339.01Es decir:

Esfuerzo de tracción= 93ksi

Según lo estudiado, se puede afirmar que el acero puede ser usado para laconstrucción de estructuras, por cumplir con la resistencia requerida.Además se aprecia que este acero soporta un máximo de carga de 4970.33kgf.

Conclusiones:

- El acero es producto de aleaciones de diferentes elementos tales comocarbón, magnesio, silicio. Además, según el grado de resistencia que se

desee, se le puede agregar otros elementos que aumentan las propiedadesmecánicas y físicas del acero.-Existen diferentes tipos de aceros con su respectiva característica como losaceros templados, los aceros estructurales de alta resistencia y los de bajaaleación.- El acero ensayado puede ser usado en construcción debido a sobrepasa elmínimo de resistencia que es grado 60.