U-1 Generalidades Acero Estructural

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GENERALIDADES DEL ACERO ESTRUCTURAL INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CHETUMAL Carrera: INGENIERÌA CIVIL Semestre: Octavo Grupo: B Profesor: Ing. Eduardo Echeverría Flores Materia: DISEÑO DE ELEMENTOS DE ACERO Trabajo: GENERALIDADES DEL ACERO ESTRUCTURAL Alumnos: Alejandrina Elizabeth Martínez Escalante Miguel Geovani Lopez Guillen U-1 DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO 1

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Generalidades del Acero Estructural para la contruccion de obras en ingenieria Civil

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GENERALIDADES DEL ACERO ESTRUCTURAL

INSTITUTO TECNOLGICO DE CHETUMAL

Carrera:INGENIERA CIVIL

Semestre: Octavo Grupo: B

Profesor:Ing. Eduardo Echeverra Flores

Materia:DISEO DE ELEMENTOS DE ACERO

Trabajo:GENERALIDADES DEL ACERO ESTRUCTURAL

Alumnos:Alejandrina Elizabeth Martnez EscalanteMiguel Geovani Lopez Guillen

Chetumal, Quintana Roo a 23 de Febrero de 2015El acero estructuralSedefine comoacero estructuralal producto que est compuesto por hierro puro + metaloides (C, S, P, Si) + metales variables (Mn, Cr, Ni,...). stos ltimos son los que le dan sus grandes propiedades. La cantidad de carbono debe ser superior al 0.03 %, pero menor de 2%. Las fundiciones son aleaciones hierro-carbono, en las que la proporcin de carbono es superior al 2 %.

Fig. 1 Edificacin a base de acero estructural

I. Proceso de fabricacinEl acero se obtiene de la naturaleza, su principal componente es el hierro, el cual no se encuentra en estado puro, sino con unos componentes denominados mineral de hierro. Para llegar al acero, en la calidad que lo conocemos en el mercado, se siguen varios pasos; primeramente se mezclan los minerales de hierro con carbn de coque y piedra caliza y se someten a temperaturas elevadas de aproximadamente 3.000C. Una vez que se encuentre en fusin, se le inyecta aire con el propsito de que se reduzcan los xidos de hierro. El proceso ocurre en los altos hornos, que son enormes torres cilndricas de ms de 60 mts. de altura, con un dimetro principal de 6 a 9 mts. Existen otros procesos para tratar el mineral, pero ninguno ha sido capaz de competir con el alto horno de coque, en costo y eficiencia. El coque, la clave del xito en el proceso de alto horno, es el combustible que da el calor necesario para fundir el mineral; proporciona el carbono, agente reductor que se combina con el oxgeno y los separa. Debido a que es un mineral duro y poroso, una columna central de coque parcialmente quemado, es capaz de soportar el peso de cientos de toneladas de carga que presionan sobre la base del alto horno.Los materiales, o sea mineral de hierro, coque o piedra caliza, se cargan por la parte superior del horno y poco a poco desciende a travs de zonas cada vez ms calientes. Una corriente de aire caliente, a menudo enriquecida de oxgeno, es inyectada al alto horno a travs de aberturas hechas cerca de la base.El oxgeno, hace que el combustible arda y se combine con parte del carbono del coque, para formar monxido de carbono, ste a su vez, acta sobre el mineral de hierro, para producir hierro metlico y bixido de carbono, aumentando la intensidad del calor durante el proceso. El hierro fundido se acumula en la base del horno.El mineral de hierro, contiene una cantidad considerable de impurezas terrosas que tambin entran al horno y deben ser separadas como escoria. Esto se lleva a cabo mediante el uso de la piedra caliza, que es como se mencion anteriormente, parte de la mezcla original: sta es convertida en cal por el intenso calor, y forma una escoria con la mayor parte de las impurezas que se escurren, hasta quedar flotando sobre el hierro fundido, que es ms pesado.El hierro convertido en hierro colado (tambin llamado arrabio o hierro de primera fusin), es recogido en la base del horno cada 5 o 6 horas, en purgas de 150 a 350 toneladas y trasladado para su posterior tratamiento. La escoria es recogida con ms frecuencia y llevada al horno como desperdicio: sin embargo, la industria puede utilizar gran cantidad de esta escoria en lugar de grava, para la elaboracin de concreto, o transformndola en mineral aislante. La operacin del alto horno es contina, el mineral de hierro, el coque y la piedra caliza son vertidos sin interrupcin por la parte superior y escurren por el horno a razn de 4 a 5 mts. por hora, y el hierro colado y escoria salen por la base.El hierro colado o arrabio, es un metal que contiene entre el 90 y el 95% de hierro, pero que an tiene una cierta cantidad de impurezas, entre ellas aproximadamente un 4% de carbn, 1% de manganeso y cantidades menores de silicio, azufre y fsforo. Este mineral es poco apropiado para fines estructurales debido a su alta fragilidad

Para eliminar la mayor cantidad posible de impurezas, el hierro colado es llevado a otro lugar, an fundido, para ser purificado en hornos de reverbero, el mtodo ms comn es el Siemens-Martin o de hogar abierto, en el que se emplea un recipiente inclinado llamado convertidor y sistemas a base de hornos elctricos. Son en realidad pilas u hogares poco profundos, de alrededor de 30 mts. de largo por 8 mts. de ancho, donde se deposita el metal hasta una altura de 60 a 80 cms. El hierro constituye slo una parte de la carga. Hay adems, piedra caliza para separar las impurezas y formar la escoria, mineral de hierro que puede constituir del 2 al 20% de la carga, y chatarra de acero que puede llegar hasta casi la mitad de la carga. Estos materiales slidos, son sometidos a temperaturas de 1600C durante casi dos horas, para fundirlos parcialmente, y luego se les aade el hierro colado fundido hasta reverbero. El exceso de carbn es separado por su combinacin con el oxgeno del mineral de hierro y las impurezas son absorbidas por la escoria.Todo el proceso es sometido a una constante observacin, de manera que puede controlarse la composicin de la mezcla. Transcurridas unas diez horas, la carga ya queda convertida en acero fundido, y puede verterse el acero en moldes de 5 a 25 toneladas de capacidad, para solidificarse en lingotes. Este es el acero ordinario al carbono. Si este acero no se requiere para laminar perfiles estructurales, sino que se piensa destinar a otros elementos especficos, tales como barcos, aviones, tuberas, etc., se hace necesario aadir cantidades determinadas de ciertos elementos de aleacin como cromo, nquel, o tungsteno, dndonos por resultado, aceros con propiedades diferentes al acero de carbn.

II. Tipos de acero estructuralLos aceros considerados en el Cdigo Tcnico son los laminados en caliente y los conformados en fro. Aceros laminados en calienteEl acerolaminadoen caliente se produce cuando los fabricantes de acero calientan y presionan el metal a travs de rodillos industrialesque manipulan el metal de acuerdo con ciertas especificaciones. El metal caliente es ms maleable, y por lo tanto ms fcil de trabajar. Los fabricantes utilizan ellaminadoen caliente para lograr una superficie, espesor ypropiedades mecnicas uniformes. El acerolaminadoen caliente se utiliza en la produccin de los siguientes grados de acero: acero comercial, acero para moldear, acero de calidad estructural y acero de medio/alta resistencia y baja aleacin.Los aceros para uso estructural en aplicaciones de laminados en caliente, pueden clasificarse como:a) Aceros al carbono: Se dividen en cuatro categoras de acuerdo al porcentaje de carbono que contienen: Bajo carbono (menos del 0.15%); dulce al carbono (0.15-0.29%); mediano carbono (0.30-0.59%); y alto carbono (0.60-1.7%).Los aceros estructurales al carbono, estn en la categora de acero dulce al carbono; un acero tal como el A36 tiene un contenido mximo de carbono que vara entre 0.25 a 0.29% dependiendo de su espesor. Estos aceros estructurales exhiben un punto de fluencia bien definido como se muestra en la curva (a) de la figura 2.2. Algunos aceros clasificados en esta categora son: A36, A53, A500, A501, A529, A570, A611 y el A709 grado 36.

Fig. 2. Curvas tpicas esfuerzo-deformacin de los diferentes tipos de acero

b) Aceros de alta resistencia y baja aleacin: Esta categora incluye aceros que tienen un esfuerzo de fluencia entre 2,812.28 y 4921.49 kg/cm2, y exhibe un punto de fluencia bien definido como se muestra en la curva (b) de la figura 2.2 muy similar a la de los aceros al carbono. El adicionar a los aceros al carbono pequeas cantidades de elementos de aleacin como el Cromo, Columbio, Cobre, Manganeso, Molibdeno, Nquel, Fsforo, Vanadio, Circonio, mejoran alguna de las propiedades mecnicas.As como los aceros al carbono obtienen una mayor resistencia al incrementar su contenido de carbono, los elementos de aleacin presentan el incremento de resistencia debido a una fina micro estructura obtenida durante el enfriamiento del acero.Los aceros de alta resistencia y baja aleacin no usan tratamientos por calentamiento y por citar algunos: A242, A441, A572, A588, A606, A607, A618 y el A709 grado 50 o grado 50W.c) Aceros de aleacin: Los aceros de aleacin pueden ser templados por enfriamiento para obtener resistencias de fluencia de 5.624.56 a 7.733.77 kg/cm2 (80 a 110 ksi). La resistencia de fluencia es usualmente definida como el esfuerzo correspondiente a una deformacin unitaria del 0.2%, ya que estos aceros no exhiben un punto de fluencia bien definido como se muestra en la curva tpica C de la figura 2.2. Estos aceros son soldables y ordinariamente no requieren un tratamiento por calentamiento despus de soldados. Para usos especiales, puede requerirse el relevado de esfuerzos. Algunos aceros al carbono tales como los usados para tanques a presin, pueden ser templados por enfriamiento para darles una resistencia a la fluencia en el rango de 5.624.56 kg/cnf (80 ksi), pero la mayora de los aceros con esta resistencia son aceros de aleacin. Estos aceros de aleacin generalmente tienen un contenido mximo de carbono aproximado de 0.20% con el objeto de limitar el endurecimiento de cualquier micro estructura con grano grueso (Martensita. fase frgil formada por una solucin slida de hierro y carbono) que pueda formarse durante el tratamiento por calentamiento o soldado, con lo que se reduce el peligro de agrietamiento.El tratamiento trmico consiste en enfriar rpidamente con agua o aceite, desde al menos 1650F (900C) hasta 300-400F: despus se templa por calentamiento hasta al menos 1150F (620C) y se deja enfriar. Esta "sintonizacin fina" de las propiedades mecnicas del acero consiste en formar primero un material martensitico por completo mediante un rpido templado. Despus este acero se hace menos frgil mediante un recalentado cuidadoso a una temperatura donde sea posible la transformacin a las fases de equilibrio en las micro estructuras. Al recalentar durante un lapso breve a una temperatura moderada, se obtiene un producto de alta resistencia y baja ductilidad. Al recalentar por lapsos ms prolongados se presenta una ductilidad ms grande (debido a menos volumen de Martensita). Por citar algunos aceros de este tipo: A514 y el A709 grado 100 o grado 100W.Aceros conformados en fro (H):El acerolaminadoen fro se produce cuando el acero que se ha creado durante ellaminadoen caliente se deja enfriar antes de que se enrolle a su forma final. El acerolaminadoen fro est disponible en un menor nmero de formas y tamaos que los laminados de acero en caliente debido a que la durabilidad del acero se ve afectada cuando se manipula a temperatura ambiente. Cuando el acero se martilla o moldeada a temperatura ambiente se puede endurecer en el lugar de impacto y empieza a agrietarse. A diferencia del acerolaminadoen caliente, los laminados de acero en fro no requieren de decapado para evitar la oxidacin.Aceros con caractersticas especiales: a) Aceros normalizados (N). Alta soldabilidad y alta resiliencia.b) Aceros de laminado termomecnico (M). Alta soldabilidad y alta resiliencia. c) Aceros con resistencia mejorada a la corrosin atmosfrica (aceros autopatinables) (W). Son aceros aleados con cobre que al ser expuestos a la accin atmosfrica forman en la superficie una pelcula fina de xido altamente adherente que impide la penetracin de la corrosin.d) Aceros templados y revenidos (Q). Elevado lmite elstico. e) Aceros con resistencia mejorada a la deformacin en la direccin perpendicular a la superficie del producto (Z). Mejora el comportamiento frente al desgarro laminar.

III. Ventajas y desventajas del acero estructural con respecto al concreto reforzado

ACERO ESTRUCTURAL:

Ventajas:

Alta resistencia mecnica y reducido peso propio: las secciones resistentes necesarias son reducidas, por lo que los elementos estructurales suelen ser ligeros. Este hecho hace a las estructuras metlicas insustituibles en aquellos casos en que el peso de la estructura es una parte sustancial de la carga total, como naves industriales, puentes de grandes luces, voladizos de cubiertas. Facilidad de montaje y transporte debido a su ligereza. Rapidez de ejecucin, se elimina el tiempo necesario para el fraguado, colocacin de encofrados... que exigen las estructuras de concreto reforzado. Facilidad de refuerzos y/o reformas sobre la estructura ya construida. Ausencia de deformaciones diferidas en el acero estructural. Valor de rescate ya que una vez que se desmantele, puede usarse de nueva cuenta o venderse como chatarra recuperando costos de inversin. Ventajas de la prefabricacin, los elementos se pueden fabricar en taller y unir posteriormente en obra de forma sencilla (tornillos o soldadura). Buena resistencia al choque y solicitaciones dinmicas como los sismos. Las estructuras metlicas de edificios ocupan menos espacio en planta (estructuralmente) que las de concreto reforzado, con lo que la superficie habitable es mayor. El material es homogneo y de calidad controlada (alta fiabilidad). Debido a la propiedad de la ductibilidad, las estructuras se deforman considerablemente antes de llegar a la falla, es decir, se puede detectar la inminencia de la falla de una estructura cuando se detecta una deformacin excesiva.

Desventajas:

Mayor coste que las de hormign. Sensibilidad ante la corrosin (galvanizado, autopatinado...). Sensibilidad frente al fuego. Las caractersticas mecnicas de un acero disminuyen rpidamente con la temperatura, por lo que las estructuras metlicas deben protegerse del fuego. Inestabilidad. Debido a su gran ligereza, un gran nmero de accidentes se han producido por inestabilidad local, sin haberse agotado la capacidad resistente. Si se coloca el arriostramiento debido (que suele ser bastante barato) son estables. Dificultades de adaptacin a formas variadas. Excesiva flexibilidad. El diseo de las estructuras metlicas suele estar muy limitado por las deformaciones, adems de por las tensiones admisibles, lo que provoca una resistencia desaprovechada al limitar las deformaciones mximas para evitar vibraciones... que provocan falta de confort. Sensibilidad a la rotura frgil. Un inadecuado tipo de acero o una mala ejecucin de las uniones soldadas pueden provocar la fragilizacin del material y la rotura brusca e inesperada.

CONCRETO REFORZADO:

Ventajas: Menor coste. Posibilidad de adaptacin a formas variadas. Excelente resistencia a compresin. Mayor peso propio, lo que es una ventaja cuando facilita la estabilidad estructural (cimentaciones o muros). Su solidez, debido a las generosas dimensiones que exigen sus aplicaciones. Estabilidad frente a ataques qumicos.

Desventajas:

Incapacidad de resistir tracciones. Mayor peso y dimensiones en planta de los elementos estructurales. Mal acabado superficial. Dificultades y costo de demolicin.

IV. Tipos de perfiles estructurales

Perfiles laminados en caliente:Son los ms usados en construccin, se agrupan en series por la forma y caractersticas de su seccin transversal. En la figura 3 aparecen los ms habituales.

IPN: perfil en doble T normal. Se usa fundamentalmente en piezas flectadas. IPE: perfil en doble T europeo. Anlogo la perfil IPN, pero a igualdad de peso tiene mayores inercias, radios de giro y mdulos resistentes que los IPN. HE: perfiles en doble T de ala ancha. Hay tres series: HEB serie normal, HEA serie ligera, HEM serie pesada. Las tres series se diferencian por los espesores de alas y alma, siendo mximos en la serie pesada. En las tres series el ancho de ala y el canto son similares hasta un canto de 300 mm; para cantos mayores el ancho de ala es igual a 300 mm. Se utilizan sobre todo como elementos comprimidos, aunque tambin es habitual usar la serie HEA en elementos a flexin. UPN: seccin en U normal. Sus caractersticas resistentes son similares a las de un IPE, pero se usan poco como piezas flectadas por no coincidir el CEC con el CDG, en cambio son adecuados a compresi En estructuras de edificacin son clsicos los soportes de 2 UPN empresillados. U: seccin en U comercial. Similar al UPN. L: angular de alas iguales. Se emplean casi exclusivamente en piezas sometidas a esfuerzos axiles tales como celosas, arriostramientos, ... LD: angular de lados desiguales. T: perfil con forma de T que est en desuso, usndose media IPE o dos angulares apareados. Chapas: producto laminado plano de ancho superior a 600 mm y espesor variable. Se usan para construir elementos estructurales de gran importancia, tales como vigas o soportes armados de grandes dimensiones, puentes, depsitos..., o bien elementos secundarios como presillas, cartelas, rigidizadores., Puede ser estriada en una de sus caras para ser utilizada como piso en construcciones industriales. Otros: perfil macizo redondo, cuadrado, rectangular, hexagonal, ... Perfiles huecos: seccin circular, cuadrada, rectangular o elptica.

Fig. 3. Perfiles laminados en caliente.

Perfiles conformados en fro:

Estructuras ligeras de acero que se fabrican mediante plegadoras o conformadoras de rodillo en fro a partir de chapas finas de acero (espesores entre 0.3 y 6 mm), con o sin soldadura. En las figuras 4, 5 Y 6 se esquematiza su fabricacin y aparecen los dos tipos bsicos. Barras: pueden ser perfiles L, U, C, Z, Omega, tubos abiertos y tubos cerrados huecos (circulares, cuadrados, rectangulares y elpticos). Los perfiles abiertos se suelen usar como piezas flectadas y los cerrados como comprimidas.

Paneles: se usan en cubiertas, soportes de piso (junto a una base de hormign, trabajando como elemento resistente o slo como encofrado perdido) y elementos de pared. Se suelen fabricar con chapa galvanizada, pueden ir pintados y se recubren con aislamiento trmico y acstico (poliuretano expandido,...).

Fig. 4. Fabricacin de perfiles conformados en fro

Fig. 5. Barras

Fig. 6. Paneles

Otros productos:

Piezas moldeadas para apoyos. Rales. Apoyos elastomricos. Cables (puentes atirantados y colgantes, cubiertas de grandes luces,...). Elementos de unin: en fro (tornillos y pernos) y en caliente (remaches y soldadura). Los tornillos ms comunes son Tornillos especiales son los de cabeza avellanada, los calibrados y los de inyeccin. El empleo de roblones como medio de unin ha cado totalmente en desuso.

Bibliografa:

El Acero en la Construccin. Disponible en: http://caminos.udc.es/info/asignaturas/406/contenido_publico/recursos/tema00.pdf

El acero estructutal. Disponible en: http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/11885/Capitulo2.pdf

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