MATERIA:

Diseño de estructuras de acero.

TAREA:

Investigación del acero estructural, curva de deformación del acero, las ventajas de su uso y desventajas de su uso.

CATEDRATICO: ING. Montalvo Rivero Jesús Ángel.

ALUMNO: Díaz Pérez Rene Antonio.

FECHA: 26/08/2015.

ACERO ESTRUCTURAL.

En estructuras de acero se utilizan elementos, planchas y perfiles laminados en caliente.

El acero estructural se emplea para diversos tipos de elementos estructurales como columnas, vigas, encofrados, bastidores, armazones, sujeciones de puentes y otras aplicaciones estructurales.

Debido al amplio uso del acero en muchas aplicaciones, existe una amplia variedad de sistemas para identificar o designar el acero, basados en su calidad, tipo y clase. Casi todos los países con capacidades industriales tienen especificaciones para el acero.

Históricamente, hacia 1900, solo se empleaban dos tipos de acero estructural en Estados Unidos: A 7 para puentes y A 9 para edificios. Las especificaciones de estos materiales eran muy similares y, en 1938, se combinaron en una única especificación, la A 7. La especificación para los aceros A 7 y A 9 estaba limitada a los requisitos para la resistencia a la tracción y al punto de fluencia; no se incluían especificaciones químicas.

La composición química, en particular el contenido de carbono, comenzó a ser importante durante la década de 1950, a medida que los procesos de soldadura fueron ganando predominancia en el campo de las conexiones estructurales. En 1964, AISC adoptó cinco calidades de acero para aplicaciones estructurales. La especificación de diseño del factor de carga y resistencia para edificios con acero estructural, publicada por la AISC en 1999.

La Figura 3 .9 ilustra varias formas de sección transversal utilizadas en aplicaciones estructurales.

Estas formas se fabrican en distintos tamaños y se designan mediante las letras W, HP, M, S, C, MC y L. Las formas en W son doblemente simétricas y con alas anchas sustancialmente paralelas. Las formas HP también son de alas anchas

siendo las alas y el alma del mismo espesor nominal y teniendo prácticamente la misma altura y anchura.

Las formas S son doblemente simétricas y las superficies interiores de las alas presentan una pendiente de aproximadamente el 1 6 ,67%. Las formas M son todas aquellas formas doblemente simétricas que no pueden clasificarse como formas W, S o HP. Las formas C son acanalamientos cuyas superficies internas de las alas tienen una pendiente de aproximadamente el 1 6,67%. Las formas MC son acanalamientos que no pueden clasificarse como formas C. Las formas L son formas angulares cuyas alas pueden tener igual longitud o no. Además de estas formas, hay disponibles otros elementos estructurales con secciones transversales distintas, como secciones en T, secciones tablestacado y raíles, como se muestra en la Figura 3.9.

CURVA ESFUERZO DEFORMACION DE ACERO.

La prueba de tensión (A STM E8) del acero se realiza para determinar la resistencia de fluencia, el punto de fluencia, la resistencia de fractura (tracción), la elongación y la reducción de área. Típicamente, la prueba se realiza a temperaturas comprendidas entre 10°C y 35°C (50°F y 95°F).

La probeta de ensayo puede tener su tamaño completo o ser mecanizada para que adopte una cierta forma, según se prescriba en las especificaciones de producto del material que se esté probando. Es deseable utilizar un área transversal pequeña y situada en la parte central de la probeta, para garantizar que la fractura se produzca dentro de la longitud nominal. Pueden emplearse diversos tipos de formas de sección transversal o perfiles, redondeados y rectangulares, como se ilustra en la Figura 3.11.

Se pueden usar diversos tipos de abrazaderas para fijar las probetas, dependiendo de su forma. E n todos los casos, el eje de la probeta de ensayo debe situarse en el centro del cabezal de la máquina de prueba, para garantizar que se apliquen esfuerzos de tracción axiales dentro de la longitud nominal sin que se produzcan flexiones. Se utilizará un extensímetro con una galga para medir la deformación de la probeta. La prueba se lleva cabo aplicando una carga axial a la probeta a una velocidad especificada. La Figura 3.12 muestra la realización de una prueba de tracción sobre una probeta de acero redondeado, utilizando un extensímetro LVDT para medir la deformación.

El acero dulce tiene una relación esfuerzo-deformación distintiva (Figura 3.13). Aquí, se muestra una respuesta lineal elástica hasta el límite de proporcionalidad. Cuando el esfuerzo se incrementa más allá de ese límite, el acero alcanza su punto de fluencia, en cuyo momento la deformación se incrementará sin que se aumente el esfuerzo; de hecho, el esfuerzo se reducirá ligeramente.

Cuando la tensión se incrementa más allá del punto de fluencia, la deformación aumenta según una relación no lineal hasta el punto de fallo.

Observe que la disminución de esfuerzo después del pico no implica una disminución de la resistencia. De hecho, el esfuerzo real continúa incrementándose hasta el fallo. La razón para la disminución aparente es que se forma un cuello en la probeta de acero, que provoca una reducción apreciable en el área de la sección transversal. La forma tradicional o de ingeniería para calcular el esfuerzo y la deformación utiliza el área transversal y la longitud nominal originales. S i se calculan los esfuerzos y las deformaciones basándose en el área transversal y la longitud nominal instantáneas, se obtiene una curva real esfuerzo-deformación, que es diferente de la curva de cálculo de esfuerzo-deformación (Figura 3.13).

Como se muestra en la Figura 3.13, el esfuerzo real es mayor que el esfuerzo de cálculo, debido a la menor área de sección transversal en el cuello del elemento. A sim ismo, la deformación verdadera es mayor que la de cálculo, puesto que el incremento de longitud en la vecindad del cuello es mucho mayor que el que se produce fuera del mismo. La probeta experimenta la deformación más grande (contracción de la sección transversal e incremento de la longitud) en las regiones más próximas al cuello, debido a la distribución no uniforme de la deformación. El gran incremento de longitud en el cuello aumenta la deformación real en gran medida, porque la definición de dicha deformación es función del cociente entre la

variación de longitud y una longitud nominal infinitesimal. A l reducir la longitud nominal hasta un tamaño infinitesimal e incrementar la longitud debida a la localización en el cuello, el numerador del cociente se incrementa, al mismo tiempo que el denominador continúa siendo pequeño, lo que da como resultado un incremento significativo del cociente de ambos números. Observe que, al calcular la deformación real, puede utilizarse una pequeña longitud nominal en el cuello, dado que las propiedades del material (como por ejemplo la sección trasversal) en ese punto representan las verdaderas propiedades del material.

Los aceros con distintos contenidos de carbono presentan diferentes relaciones esfuerzo-deformación. Al incrementar el contenido de carbono del acero, se incrementa el esfuerzo de fluencia y se reduce la ductilidad. La Figura 3.14 muestra el diagrama de esfuerzo-deformación para la tracción de varillas de acero laminadas en caliente, con un contenido de carbono comprendido entre el 0,19% y el 0,90% . Al incrementar el contenido de carbono del 0,19% al 0 ,9 0 % , aumenta el esfuerzo de fluencia de 280MPa a 620 MPa (40 ksi a 90 ksi). A sí mismo, este incremento en el contenido de carbono reduce la deformación de fractura desde unos 0 ,2 7 m/m a 0,09 m/m. Observe que el incremento de contenido de carbono no modifica el módulo de elasticidad.

LAS VENTAJAS DE SU USO.

Alta resistencia.

La alta resistencia del acero por unidad de peso implica que será relativamente bajo el peso de las estructuras; esto es de gran importancia en puentes de grandes claros, en edificios altos y en estructuras con condiciones deficientes de cimentación.

Uniformidad.

Las propiedades del acero no cambian apreciablemente en el tiempo como es el caso de la estructura de concreto reforzado.

Elasticidad.

El acero se acerca más en su comportamiento a las hipótesis de diseño que la mayoría de los materiales, gracias a que sigue la ley de Hooke hasta esfuerzos bastantes altos. Los momentos de inercia de una estructura de acero pueden calcularse exactamente, en tanto que los valores obtenidos para una estructura de concreto son relativamente imprecisos.

Ductilidad.

La ductilidad es la propiedad que tiene un material de soportar grandes deformaciones sin fallar bajo altos esfuerzos de tensión. Cuando se prueba a tensión un acero con bajo contenido de carbono, ocurren una reducción considerable de la sección transversal y un gran alargamiento en el punto de falla, antes de que se presente la fractura. Un material que no tenga esta propiedad probablemente será duro y frágil y se romperá al someterlo a un golpe repentino.

Tenacidad.

Los aceros estructurales son tenaces, es decir, poseen resistencia y ductilidad. Un miembro de acero cargado hasta que se presentan grandes deformaciones será aun capaz de resistir grandes fuerzas. Esta es una característica muy importantes porque implica que los miembros de acero pueden someterse a grandes deformaciones durante su formación y montaje, sin fracturase, siendo posible doblarlos, martillarlos, cortarlos y taladrarlos sin daño aparente. La propiedad de un material para absorber energía en grandes cantidades se denomina tenacidad.

Ampliaciones de estructuras existentes.

Las estructuras de acero se adaptan muy bien a posibles adiciones. Se pueden añadir nuevas crujías e incluso alas anteras a estructuras de acero ya existentes y los puentes de acero con frecuencia pueden ampliars

Propiedades diversas.

Otras ventajas importantes del acero estructural son: a) gran facilidad para unir diversos miembros por medio de varios tipos de conexión como son la soldadura, los tornillos y los remaches; b) posibilidad de prefabricar los miembros; c) rapidez de montaje; d) gran capacidad para laminarse en una cantidad de tamaños y formas; e) resistencia a la fatiga; f) recuso posible después de desmontar una estructura y g) posibilidad de venderlo como chatarra aunque no pueda utilizarse en su forma existente. El acero es el material reutilizable por excelencia.

DESVENTAJAS DE SU USO.

Costo de mantenimiento.

La mayor parte de los aceros son susceptibles a la corrosión al estar expuestos al aire y al agua y, por consiguiente, deben pintarse periódicamente. El uso de aceros intemperizados para ciertas aplicaciones tiene a eliminar este costo.

Susceptibilidad al pandeo.

Cuando más largos y esbeltos sean los miembros a compresión, tanto mayor es el peligro de pandeo. Como se indicó previamente, el acero tiene una alta resistencia por unidad de peso, pero al usarse como columnas no resulta muy económico ya que debe usarse bastante material, solo para hacer las columnas contra el posible pandeo.

Fatiga.

Otras características inconveniente del acero es que su resistencia puede reducirse si se somete a un gran numero de inversiones del sentido del esfuerzo, o bien, a un gran numero de cambios se presenta tensiones. En la práctica actual se reducen las resistencias estimadas de tales miembros, si se sabe de antemano que serán sometidos a un número mayor de ciclos de esfuerzos variables, que ciertos 0números imite.

Fractura frágil.

Bajo ciertas condiciones, el acero puede perder su ductilidad y falla frágil puede ocurrir en lugares de concentraciones de esfuerzos. Las cargas que producen fatiga y muy bajas temperaturas agravan la situación.

BIBLIOGRAFIA.

MC CORNAR, JACK. DISEÑO DE ESTRUCTURAS METALICAS, METODO ASD, 2ª EDICION.

MICHAEL S. MAMLOUK, JHON P. ZANIEWSKI. MATERIALES PARA INGENIERIA CIVIL 2ª EDICION.