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1. DEFINICION DEL ACERO ESTRUCTURAL

El ACERO es una aleación que está compuesta casi por completo de hierro (mínimo98%) y pequeñas cantidades de carbono, silicio, manganeso, azufre, fósforo y otroselementos, los cuales le confieren propiedades mecánicas específicas para suutilización en la industria metalmecánica. El carbono es el elemento que tiene lamayor influencia en las propiedades del acero.

El acero es el material estructural más usado para construcción de estructuras en elmundo, de gran resistencia, producido a partir de materiales muy abundantes en lanaturaleza.

El termino hierro dulce se refiere al hierro con un contenido muy bajo de carbono (≤

0.15%), mientras que al hierro con un contenido muy alto de carbono (≥ 2%) se lellama hierro colado. Los aceros se encuentran entre el hierro colado y el hierro dulcey tienen un contenido de carbono en el rango de 0.15% al 1.7%.

Los principales elementos de aleación son:

Azufre (S):  El azufre es extremadamente perjudicial para los aceros. Afecta laductilidad, en especial la flexión transversal y reduce la soldabilidad. En los aceroscomunes, el contenido de azufre es limitado a valores inferiores a 0.05%.

Carbono (C):  El carbono es el elemento que tiene la mayor influencia en las

propiedades del acero. Un incremento del 0.01% del contenido de carbono causaráque la resistencia del acero se eleve aproximadamente 0.5 Klb/pulg2.Desafortunadamente, una mayor cantidad de carbono hará que el acero sea másfrágil y afectará adversamente su soldabilidad. Si se reduce el contenido de carbono,el acero se hará más suave y más dúctil, pero también más débil.

El aumento del contenido de carbono constituye la manera más económica paralograr resistencia mecánica en los aceros; actúa primordialmente en el límite deresistencia. Por otro lado, perjudica sensiblemente la ductilidad (en especial eldoblado) y la tenacidad.

Los altos contenidos de carbono comprometen la aptitud de soldadura y disminuyenla resistencia a la corrosión atmosférica (por lo general, se limita el contenido decarbono a 0,20% en los aceros resistentes a la corrosión atmosférica); además, seproduce una mayor susceptibilidad al envejecimiento. Por consiguiente, el contenidode máximo de carbono en los acero estructurales no ha de pasar de un 0.3%,pudiendo ser reducido más en función de otros elementos de aleación.

Cobre (Cu):  La adición de cobre de hasta un 0,35% aumenta ostensiblemente la

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resistencia a la corrosión atmosférica de los aceros. También aumenta la resistenciaa la fatiga, pero reduce en forma discreta la ductilidad, la tenacidad y la soldabilidad.

Cromo (Cr):  Aumenta la resistencia mecánica a la abrasión y a la corrosiónatmosférica. Sin embargo, reduce la soldabilidad. El cromo mejora el desempeño delacero a temperaturas elevadas.

Fósforo (P): Aumenta el límite de resistencia, favorece la resistencia a la corrosión yla dureza, pero perjudica la ductilidad y la soldabilidad. Cuando sobrepasa ciertosniveles hace que el acero se torne quebradizo.

Manganeso (Mn):  Este elemento es usado prácticamente en todos los acerosestructurales. El aumento del contenido de manganeso es también una manerasegura de mejorar la resistencia mecánica, puesto que actúa especialmente sobre el

límite de fluencia y la resistencia a la fatiga. El manganeso perjudica la soldabilidad,pero es menos perjudicial que el carbono; la influencia del manganeso en la ductilidades levemente desfavorable.

Molibdeno (Mo):  Aumenta el límite de fluencia y la resistencia a la corrosiónatmosférica, mejora la soldabilidad y el comportamiento del acero a temperaturaselevadas.

Niobio (Nb): Es un elemento muy interesante cuando se desea una alta resistenciamecánica y buena soldabilidad; unos contenidos bajísimos de este elemento permitenaumentar el límite de resistencia y, en forma notoria, el límite de fluencia. Es un

componente prácticamente obligado de los aceros de alta resistencia y baja aleación:además de no afectar la soldabilidad, permite disminuir los contenidos de carbono yde manganeso, mejorando así la soldabilidad y la tenacidad. Sin embargo, su efectoen la ductilidad es desfavorable.

Níquel (Ni):  Aumenta la resistencia mecánica, la tenacidad y la resistencia a lacorrosión, pero reduce la soldabilidad.

Silicio (Si):  Es usado como desoxidante del acero. Favorece sensiblemente laresistencia mecánica (límite de fluencia y de resistencia) y la resistencia a lacorrosión, pero reduce la soldabilidad.

Titanio (Ti): Aumenta el límite de resistencia, la resistencia a la abrasión y mejora eldesempeño del acero a temperaturas elevadas. También se utiliza para inhibir elenvejecimiento precoz.

Vanadio (V):  Aumenta el límite de resistencia sin perjudicar la soldabilidad y latenacidad.

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INFLUENCIA DE LOS ELEMENTOS DE ALEACION EN LAS PROPIEDADES

PROP. / ELEMENTO C Mn Si S P Cu Ti Cr Nb Ni V

Resistencia mecánica + + + - + + + + + +Ductilidad - - - - -

Tenacidad - - + +

Soldabilidad - - - - - - -

Resistencia a corrosión - + + + + + +

2. RELACIONES ESFUERZO  – DEFORMACION DEL ACERO ESTRUCTURAL

Los diagramas esfuerzo deformación presentan información valiosa necesariapara entender cómo se comporta el acero en una situación dada.

Si una pieza de acero estructural dúctil se somete a una fuerza de tensión,ésta comenzará a alargarse. Si se incrementa la fuerza de tensión a razónconstante, la magnitud del alargamiento aumentará en forma lineal dentro deciertos límites. Cuando el esfuerzo de tensión alcance un valoraproximadamente igual a ¾ de la resistencia última del acero, el alargamientocomenzará a aumentar más y más rápidamente sin un incrementocorrespondiente del esfuerzo.

Diagrama de esf uerzo defo rmac ión característico de un acero estru ctu ral

dulce o con b ajo contenido de carbono a temperatura ambiente

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El mayor esfuerzo para el que todavía la ley de Hooke o el punto más alto de laporción recta del diagrama esfuerzo-deformación se denomina lím iteproporc ional . El mayor esfuerzo que un material puede resistir sin deformarsepermanentemente se llama lím it e elástic o . Por esta razón, estos son

sinónimos y se usa a veces el término lím ite pr op or ci on al elást ico .

El esfuerzo en el que se presenta un incremento brusco en el alargamiento odeformación sin un incremento en el esfuerzo, se denomina esfuerzo def luencia . Es el primer punto del diagrama esfuerzo-deformación para el cual latangente a la curva es horizontal. El esfuerzo de fluencia es para el calculista lapropiedad más importante del acero, ya que muchos procedimientos de diseñose basan en este valor. Más allá del esfuerzo de fluencia hay un intervalo en elque ocurre un incremento considerable de la deformación sin incremento deesfuerzo. La deformación que se presenta antes del esfuerzo de fluencia sedenomina defo rmación elástic a ; la deformación que ocurre después del

esfuerzo de fluencia, sin incremento de esfuerzo, se denomina deformaciónplástica. Esta última deformación es generalmente igual en magnitud a 10 a15 veces la deformación elástica.

La fluencia del acero sin esfuerzo es una característica muy útil, ya que puedeprevenir la falla de una estructura debida a omisiones o errores del calculista.Si el esfuerzo en un punto de la estructura de acero dúctil alcanza el punto defluencia, esa parte de la estructura cederá localmente sin incremento del

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esfuerzo, impidiendo así una falla prematura. Esta ductilidad permite que seredistribuyan los esfuerzos en una estructura de acero. Además, unaestructura de acero tiene una reserva de deformación plástica que le permite

resistir sobrecargas e impactos repentinos.

Después de la deformación plástica, existe un rango en el cual es necesario unesfuerzo adicional para producir deformación adicional, a esto se le denominaendurecimiento po r deformación . En el punto de falla los aceros dulcestienen deformaciones unitarias que equivalen a valores que oscilan entre 150 y200 veces los correspondientes a la deformación elástica. Cuando la curvaalcanza su esfuerzo máximo, luego disminuye un poco antes de la falla.

La forma del diagrama varia con la velocidad de carga, el tipo de acero y latemperatura, por lo que el punto de fluencia superior se da cuando el acero

dulce se carga rápidamente, en tanto que la fluencia inferior se obtiene conuna carga lenta.

Curvas características de esfuerzo deform ación

Los diagramas de esfuerzo deformación anteriores se elaboraron para acerosdulces temperatura ambiente. Durante las operaciones de soldadura y durante

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los incendios, los elementos de acero estructural pueden someterse atemperaturas muy altas. Los diagramas de esfuerzo deformación preparadospara aceros con temperaturas superiores a 200 ºF (93 ºC) serán más

redondeados y no lineales y no presentan puntos de fluencia bien definidos.Los aceros (particularmente aquellos con contenido de carbono alto) enrealidad pueden incrementar un poco su resistencia a la tensión al sercalentados a una temperatura de 700 ºF (371 ºC). A medida que lastemperaturas se elevan al rango de 800 ºF a 1000 ºF (427 ºC a 538 ºC), lasresistencias se reducen drásticamente, y a 1200 ºF (649 ºC) tienen ya muypoca resistencia.

Cuando las secciones de acero se enfrían a menos de 32 ºF (0 ºC), susresistencias se incrementan un poco, pero tendrán reducciones considerablesen ductilidad y tenacidad.

Efecto de la temperatura sobre el esfuerzo de f luencia

Una propiedad muy importante de una estructura que ha sido sometida aesfuerzos, pero no más allá de su punto de fluencia, es que ésta recuperará sulongitud original cuando se supriman las cargas. Si se esfuerza más allá deeste punto, recuperará sólo parte de su longitud inicial.

Los aceros con comportamiento frágil tienen un intervalo considerable donde elesfuerzo es proporcional a la deformación unitaria, pero no tienen esfuerzos de

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fluencia claramente definidos.

Si un elemento de acero se deforma más allá de su límite elástico y luego se

descarga, éste no retornará a una condición de deformación cero. Aldescargarlo, su diagrama de esfuerzo deformación unitaria seguirá una nuevatrayectoria, una línea paralela a la recta inicial (ver línea punteada en elgráfico). El resultado es una deformación permanente o residual.

Diagram a esfu erzo deformac ión car acterísti co de un ac ero f rágil.

En aceros templados y revenidos la línea que representa la relación esfuerzodeformación se aparta de una línea recta, de modo que no existe un punto defluencia bien definido. Para estos aceros el esfuerzo de fluencia se define porlo general como el esfuerzo en el punto de descarga que corresponda a algunadeformación unitaria residual arbitrariamente definida (0.002 es el valorcomún). Este esfuerzo usualmente se llama el esfuerzo de fluenc ia para0.2% de deform ación unitar ia paralela .