ENSAYO DE FLEXIÓN

Informe 3: Ensayo de Flexión.

ENSAYO DE FLEXIÓN EN MATERIAL CERÁMICO - VIDRIO

Gabriel Conde [email protected]

Nina A. Mesías Barrera [email protected]

RESUMEN: Este documento reúne los resultados obtenidos en el ensayo mecánico de tensión realizado sobre una barra corrugada de acero número 5. Se incluyen análisis de dichos resultados de acuerdo a la norma que rige el material y el ensayo mecánico correspondiente. También se muestran las comparaciones entre el ensayo realizado con el extensómetro análogo y de forma manual y el que se hizo en la máquina universal de ensayos.

PALABRAS CLAVE: barra corrugada, ensayo de tensión, propiedades mecánicas.

1 INTRODUCCIÓN

El ensayo mecánico de tensión (o tracción) permite caracterizar un material y obtener algunas de sus propiedades mecánicas como son: Módulo de elasticidad, esfuerzo de fluencia y ductilidad. A partir de la curva de esfuerzo vs deformación real, construida con los datos del ensayo, y aplicando los cálculos adecuados se pueden determinar las características mencionadas, fundamentales para la selección de un material que se desee emplear en un campo específico.

En la práctica de laboratorio se ensayó dos veces el mismo material, una barra de acero corrugado de referencia T5W60. El ensayo fue de tipo destructivo, primero en la máquina de ensayo de tracción con un extensómetro análogo y posteriormente en la máquina universal de ensayos con un extensómetro digital.

Los dos ensayos se comparan entre sí y con las especificaciones dadas para la barra según la norma NTC 2289, a fin de analizar la veracidad de los datos obtenidos y saber si los ensayos cumplieron con los requisitos exigidos por la norma NTC 2.

2 CARACTERÍSTICAS DEL ACERO ESTRUCTURAL

Es el material estructural más usado para construcción de estructuras en el mundo. Es fundamentalmente una aleación de hierro (mínimo 98 %), con contenidos de carbono menores del 1 % y otras pequeñas cantidades de minerales como manganeso, para mejorar su resistencia, y fósforo, azufre, sílice y vanadio para mejorar su soldabilidad y resistencia a la intemperie. Es un material usado para la construcción de estructuras, de gran resistencia, producido a partir de materiales muy abundantes en la naturaleza. Entre sus ventajas está la gran resistencia a tensión y compresión (propiedades prácticamente idénticas) y su costo razonable.

A pesar de la susceptibilidad al fuego y a la intemperie es el material estructural más usado, por su abundancia, facilidad de ensamblaje (mediante soldadura, pernos o remaches) y costo razonable. La “fatiga” puede reducir su resistencia a largo plazo, cuando se lo somete a gran número de cambios de esfuerzos y aún a fallarlo frágilmente, por lo que en estos casos deben limitarse los esfuerzos máximos [1].

La varilla corrugada empleada como probeta es una barra de Acero con núcleo de sección circular de 5/8” de diámetro, longitud continua (recta) en cuya superficie existen salientes denominadas corrugas (obtenidas por laminación en caliente) y una masa nominal de 1.552 Kg/m. Las barras corrugadas disponen de un alto límite de fluencia con muy buena ductilidad (altos valores de alargamiento), alta soldabilidad y excelente adherencia al concreto. [2]

3 ENSAYOS Y RESULTADOS

3.1 Extensómetro análogo:

Procedimiento: Primero se tomó la barra de acero corrugado se marcó cada 50 mm y se definieron sus características iniciales:

Longitud inicial (Lo)=200mmDiametro Inicial (Do )=0,625 =15,875 m

(dado por el fabricante)

Área=π Do2

4≈ 197,933 mm2=1,97933 cm2

Se sujetó el extensómetro análogo en la parte expuesta al ensayo y se aplicó carga paulatinamente; cada vez

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que se aumentaba 500 kg-fuerza de tensión se tomaba lectura del extensómetro, hasta cierto valor en el cual la manecilla empezó a girar más rápidamente, entonces se tomó el valor de la carga cada vez que la deformación aumentada en 0,5 mm.

La figura 1 muestra como se dispuso la probeta en la máquina del ensayo de tracción, a su vez la tabla 1 reúne los datos tomados en dicho ensayo y dos columnas adicionales con las relaciones necesarias para

obtener el esfuerzo (σ) y la deformación unitaria (ε).

σ= FuerzaÁreainicial

= FAo [ Kgf

cm2 ](1)ε=∆ l

lo=medición extensómetro

200∗102mm(2)

Figura 1. Probeta en la máquina para el ensayo de tensión.

Tabla 1.Datos del ensayo de tracción

CARGA(Kgf)

σ(Kgf/cm2)

DEFORMACIÓN(mm x 10-2)

ε

500 252.611 10.0000

5

1000 505.221 30.0001

5

1500 757.832 50.0002

5

20001010.44

3 8 0.0004

25001263.05

4 110.0005

5

30001515.66

4 130.0006

5

35001768.27

5 16 0.0008

40002020.88

6 190.0009

5

45002273.49

7 210.0010

5

50002526.10

7 230.0011

5

55002778.71

8 26 0.0013

60003031.32

9 30 0.00156500 3283.94 32 0.0016

7000 3536.55 350.0017

5

75003789.16

1 38 0.0019

80004041.77

2 40 0.002

85004294.38

2 430.0021

5

90004546.99

3 46 0.0023

92004648.03

7 96 0.0048

92004648.03

7 146 0.0073

92504673.29

9 196 0.0098

92504673.29

9 246 0.01239300 4698.56 296 0.0148

95004799.60

4 346 0.0173

97004900.64

8 396 0.0198

2


99005001.69

2 446 0.0223

101005102.73

7 496 0.0248

130006567.87

9 546 0.0273

110005557.43

6 596 0.0298

En la tabla 1 los dos últimos datos son la máxima carga (13000 Kgf), y la carga de rotura (11000 Kgf); cuando se alcanza este valor la probeta falla como en la fig. 2.

Figura 2. Falla en la probeta

A partir de los datos de la tabla 1, se construye la curva esfuerzo vs deformación de ingeniería que se muestra en la figura 3. También a partir de los datos y aplicando las ecuaciones 3 y 4 se obtiene la curva esfuerzo vs deformación real, que se ve en la figura 4.

ε real=ln (1+ε )(3)

σ real=σ (1+εreal )(4 )

Cálculo del módulo de elasticidad: Este valor corresponde a la pendiente de la zona plástica del material, es decir la primera zona en donde la gráfica es una línea recta antes de fallar y que se caracteriza porque si se retira la carga la probeta recupera su longitud original.

Figura 3. Curva de ingeniería Esfuerzo vs Deformación, construida a partir de los datos del ensayo con el extensómetro análogo.

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Figura 4. Curva esfuerzo vs deformación real.

E= 20000 kgf/ mm2 = 2000000 kgf/ cm2

Esfuerzo de fluencia: Es el esfuerzo para el cual termina la proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformación. Corresponde al primer punto del diagrama esfuerzo-deformación para el cual la tangente a la curva es horizontal. La norma nos indica que se obtiene al trazar una recta paralela a la línea de la zona plástica con un corrimiento de 0,2% del origen. Los datos obtenidos nos arrojan un esfuerzo de fluencia: 4546,99 Kgf/ cm2

Cálculo de la Ductilidad: Este valor se obtiene observando los cambios en la elongación y en el área de la probeta, aplicando las ecuaciones 5 y 6.

Elongación=Lf −Lo

Lo

(100 )(5)

Reducciónárea=Ao−A f

Ao

(100 )(6)

Donde los subíndices f y o, indican el valor final e inicial, respectivamente, tanto para la longitud (L), como para el área (A). Los valores hallados a partir de los datos de la experimentación son:

Elongación=234,6 mm –200 mm200 mm

(100 )=17,3 %

Reducciónárea=197,33 mm2−107,51 mm2

197,33 mm2(100 )

¿45,52 %

Esfuerzo y deformación a la ruptura: Hace referencia a los valores para los cuales la probeta falla, es decir el pico de la gráfica, como el valor solicitado es el real, se buscan los valores para ese pico en la gráfica esfuerzo vs deformación real, correspondiente a la figura 4.

σ u=8176,39Kgf

cm2

ε u=0,245(adimensional)

Resiliencia: En ingeniería, se llama resiliencia a la energía de deformación que puede ser recuperada de un cuerpo deformado cuando cesa el esfuerzo que causa la deformación. Dentro del límite elástico, la

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resiliencia es igual al trabajo externo realizado para efectuar la deformación. Para una barra sujeta a tensión axial:

donde A es su área transversal, l la longitud, σ la tensión unitaria y E el módulo de elasticidad del material.

Cuando σ corresponde al límite de proporcionalidad, el factor de ½ del esfuerzo al cuadrado dividido entre el módulo de elasticidad se denomina módulo de resiliencia y representa la cantidad total de energía por unidad de volumen que es capaz de almacenar un material al deformarse elásticamente debido a una tensión aplicada.

En términos simples es la capacidad de memoria de un material para recuperarse de una deformación, producto de un esfuerzo externo. [4]

Se diferencia de la tenacidad en que ésta cuantifica la cantidad de energía almacenada por el material antes de romperse, mientas que la resiliencia tan sólo da cuenta de la energía almacenada durante la deformación elástica. La relación entre resiliencia y tenacidad es generalmente monótona creciente, es decir, cuando un material presenta mayor resiliencia que otro, generalmente presenta mayor tenacidad. Sin embargo, dicha relación no es lineal.

La tenacidad corresponde al área bajo la curva de un ensayo de tracción entre la deformación nula y la deformación correspondiente al límite de rotura (resistencia última a la tracción).

La resiliencia es la capacidad de almacenar energía en el periodo elástico, y corresponde al área bajo la curva del ensayo de tracción entre la deformación nula y el límite de fluencia. [4]

De acuerdo a los datos obtenidos se puede calcular el módulo de resiliencia como:

Módulo de Resiliencia=σ u

2

2 E=

(8176,39Kgfcm2 )

2

2(2∗106 Kgfcm2 )

¿33,43

3.2 Extensómetro Digital en la máquina Universal de ensayos.

El procedimiento para este caso se simplifica puesto que sólo es necesario disponer la probeta en la máquina y colocar el extensómetro digital el cual está conectado directamente al equipo que mediante software arroja los datos buscados. La falla de la probeta se ve en las figuras 4 y 5. Al igual que en el caso del extensómetro análogo, se aplican las ecuaciones 1 y dos para realizar la curva esfuerzo y deformación que se muestra más adelante en la figura 6.

Figura 4. Falla en la probeta cara frontal

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Figura 5. Falla en la probeta cara posterior

Figura 6. Gráfica esfuerzo vs deformación obtenida con los datos arrojados por el extensómetro análogo.

Los datos relevantes arrojados por la máquina universal de ensayos son:

Máxima carga: 13343.9 KgfMáximo esfuerzo: 6741.66 Kgf/cm2

Reducción del área: 42.8607 %Alargamiento: 17,5%

4 COMPARACIÓN Y ANÁLISIS

En las gráficas se pueden ver varias zonas:

Un comportamiento elástico hasta un esfuerzo alto . Se aplican las relaciones lineales entre el esfuerzo y la deformación, definidas por la Teoría de la Elasticidad. Los parámetros básicos son el Esfuerzo de Fluencia (fy) y la deformación unitaria de fluencia (Ey).Una zona de comportamiento plástico , en la cual el esfuerzo permanece prácticamente constante, pero aumenta continuamente la deformación unitaria.Un punto de falla o de ruptura. La deformación unitaria en la falla es de 0,0298 mm. La deformación del acero a partir de la fluencia es denominada ductilidad. Esta es una cualidad muy importante en el acero como material estructural y es la base de los métodos de diseño plástico. Permite, que la estructura absorba grandes cantidades de energía por deformación, circunstancia muy importante en zonas sísmicas, en las cuales es necesario que la estructura libere la energía introducida en su base.

El alargamiento y la reducción de área (ductilidad) son muy semejantes entre los dos ensayos, sin embargo el

esfuerzo último si presenta una diferencia alta; esto puede explicarse ya que tanto el alargamiento como la

reducción de área son resultados finales del ensayo, en los cuales el material ya no varía, mientras que el esfuerzo último se toma en un instante preciso que puede hacer que su lectura falle cuando esta se hace con el extensómetro análogo, puesto que en ese momento del ensayo el material está cambiando sus propiedades continuamente, obviamente el resultado más confiable es el de la máquina universal de ensayos que toma lecturas en tiempos discretos pero de una paso muy pequeño entre una y otra, dando una información completa y detallada de lo que le sucede a la probeta en el ensayo.

La información dada por un vendedor del producto nos informa:

Límite de Fluencia (fy) = 4,280 kg/cm2 mínimo.

Resistencia a la Tracción (R) = 6,320 kg/cm2 mínimo.

Relación R/fy ≥ 1,25

Alargamiento en 200 m = 9% mínimo. [5]

Lo que nos deja ver que el material si cumple con las características especificadas por el fabricante, por lo menos en los factores que se analizaron en el ensayo.

En la práctica de laboratorio se probó inicialmente con una probeta que ya había sido sometida a un esfuerzo y fue posible observar que aunque falló a una tensión mayor su elasticidad se había visto notablemente afectad, es decir su zona plástica ya no respondía de acuerdo a lo esperado.

5 CONCLUSIONES

Los datos obtenidos mediante la máquina Shimadzu (máquina universal de ensayos), son más confiables y facilitan el estudio del material.

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Un material que ya ha sido sometido a un esfuerzo pasando su zona plástica verá sus propiedades mecánicas afectadas y arrojará resultados erróneos si se vuelve a someter a ensayo.

El Módulo de Elasticidad es prácticamente independiente del tipo de acero está alrededor de 2000000 kgf/cm2. [1]

No se cumplió con la norma frente al número de probetas que deben ser ensayadas, puesto que de un lote ensayar una probeta no es un análisis representativo.

El ensayo con el extensómetro análogo está expuesto a errores humanos como el paralaje, situación que no se presenta en la máquina universal de ensayos.

Un acero posee una amplia zona plástica lo que permite que sea empleado en estructuras sometidas a tensión y compresión y que también requieren de una alta resistencia y durabilidad.

6 BIBLIOGRAFÍA

[1] Acero estructural, en:

http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4080020/Lecciones/Capitulo%203/ACERO%20ESTRUCTURAL.htm

[2] Barra corrugada de 5/8”, en: http://www.diaco.com.co/gerdaudiaco/

[3] ICONTEC, NTC 2289, Barras corrugadas y lisas de acero de baja aleación, para refuerzo de concreto, Octava Actualización. Diciembre 2007.

[4] Franklin E. Fisher (2006). «Chapter 15: Stress analysis». En Myer Kutz (en inglés). Mechanical Engineers' Handbook: Materials and mechanical design. vol. I (3ª edición). John Wiley & Sons, Inc.. p. 499.

[5] FICHA TÉCNICA: VARILLA DE ACERO 5/8”, GRADO 60, https://zonasegura.seace.gob.pe

http://www.monografias.com/trabajos38/traccion-en-metales/traccion-en-metales.shtml

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