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Departamento de Ingeniería en Obras CivilesDepartamento de Ingeniería en Obras Civiles

ACEROACERO

Construcción CivilConstrucción Civil

Segundo Semestre 2006Segundo Semestre 2006

Los metales y las aleaciones empleados en la industria y en la construcción pueden dividirse en dos grupos principales: Materiales FERROSOS y NO FERROSOS.

¿Qué es el Acero?

FERROSOS: Aquellos que contienen hierro como su ingrediente principal; es decir, las numerosas calidades del hierro y el acero. NO FERROSOS: No contienen hierro. Estos incluyen el aluminio, magnesio, zinc, cobre, plomo y otros elementos metálicos. Las aleaciones el latón y el bronce, son una combinación de algunos de estos metales No Ferrosos y se les denomina Aleaciones No Ferrosas

El Acero es básicamente una aleación o combinación de hierro y carbono (alrededor de 0,05% hasta menos de un 2%). Algunas veces otros elementos de aleación específicos tales como el Cr (Cromo) o Ni (Níquel) se agregan con propósitos determinados.

Ya que el acero es básicamente hierro altamente refinado (más de un 98%), su fabricación comienza con la reducción de hierro (producción de arrabio) el cual se convierte más tarde en acero.

Los diferentes tipos de acero se clasifican de acuerdo a los elementos de aleación que producen distintos efectos en el acero:

ALUMINIO Empleado en pequeñas cantidades, actúa como un desoxidante para el acero fundido y produce un Acero de Grano Fino.

BORO Aumenta la templabilidad (la profundidad a la cual un acero puede ser endurecido).

CROMO Aumenta la profundidad del endurecimiento y mejora la resistencia al desgaste y corrosión.

COBRE Mejora significativamente la resistencia a la corrosión atmosférica.

MANGANESO Elemento básico en todos los aceros comerciales. Actúa como un desoxidante y también neutraliza los efectos nocivos del azufre, facilitando la laminación, moldeo y otras operaciones de trabajo en caliente. Aumenta también la penetración de temple y contribuye a su resistencia y dureza.

MOLIBDENO Mediante el aumento de la penetración de temple, mejora las propiedades del tratamiento térmico. Aumenta también la dureza y resistencia a altas temperaturas.

NIQUEL Mejora las propiedades del tratamiento térmico reduciendo la temperatura de endurecimiento y distorsión al ser templado. Al emplearse conjuntamente con el Cromo, aumenta la dureza y la resistencia al desgaste.

SILICIO Se emplea como desoxidante y actúa como endurecedor en el acero de aleación.

AZUFRE  Normalmente es una impureza y se mantiene a un bajo nivel. Sin embargo, alguna veces se agrega intencionalmente en grandes cantidades (0,06 a 0,30%) para aumentar la maquinabilidad (habilidad para ser trabajado mediante cortes) de los aceros de aleación y al carbono.

TITANIO Se emplea como un desoxidante y para inhibir el crecimiento granular. Aumenta también la resistencia a altas temperaturas.

TUNGSTENO Se emplea en muchos aceros de aleación para herramientas, impartiéndoles una gran resistencia al desgaste y dureza a altas temperaturas.

VANADIO Imparte dureza y ayuda en la formación de granos de tamaño fino. Aumenta la resistencia a los impactos (resistencia a las fracturas por impacto) y también la resistencia a la fatiga.

1. Mayor resistencia y dureza 2. Mayor resistencia a los impactos 3. Aumento de la resistencia al desgaste 4. Aumento de la resistencia a la corrosión 5. Mejoramiento de maquinabilidad 6. Dureza al rojo (altas temperaturas) 7. Aumento de la profundidad a la cual el acero puede

ser endurecido (penetración de temple)

En resumen los efectos de aleación son:

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL ACERO como material de construcción:

Ventajas del acero como material estructural:

1. Alta resistencia: La alta resistencia del acero por unidad de peso implica que será poco el peso de las estructuras, esto es de gran importancia en puentes de grandes luces.

2. Uniformidad: Las propiedades del acero no cambian apreciablemente con el tiempo como es el caso de las estructuras de concreto reforzado.

3. Durabilidad: Si el mantenimiento de las estructuras de acero es adecuado duraran indefinidamente.

4. Ductilidad.- La ductilidad es la propiedad que tiene un material de soportar grandes deformaciones sin fallar bajo altos esfuerzos de tensión. La naturaleza dúctil de los aceros estructurales comunes les permite fluir localmente, evitando así fallas prematuras.

5. Tenacidad.- Los aceros estructurales son tenaces, es decir, poseen resistencia y ductilidad. La propiedad de un material para absorber energía en grandes cantidades se denomina tenacidad.

Otras ventajas importantes del acero estructural son:

A) Gran facilidad para unir diversos miembros por medio de varios tipos de conectores como son la soldadura, los tornillos y los remaches. B) Posibilidad de prefabricar los miembros de una estructura. C) Rapidez de montaje. D) Gran capacidad de laminarse y en gran cantidad de tamaños y formas. E) Resistencia a la fatiga. F) Posible reutilización después de desmontar una estructura.

Desventajas del acero como material estructural:

1. Costo de mantenimiento.- La mayor parte de los aceros son susceptibles a la corrosión al estar expuestos al agua y al aire y, por consiguiente, deben pintarse periódicamente. 2. Costo de la protección contra el fuego.- Aunque algunos miembros estructurales son incombustibles, sus resistencias se reducen considerablemente durante los incendios. 3. Susceptibilidad al pandeo.- Entre más largos y esbeltos sean los miembros a compresión, mayor es el peligro de pandeo. Como se indico previamente, el acero tiene una alta resistencia por unidad de peso, pero al utilizarse como columnas no resulta muy económico ya que debe usarse bastante material, solo para hacer más rígidas las columnas contra el posible pandeo.

ACEROS AL CARBONO

CLASIFICACIÓN DEL ACERO

Más del 90% de todos los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen diversas cantidades de carbono y menos del 1,65% de manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de cobre. Entre los productos fabricados con aceros al carbono figuran máquinas, carrocerías de automóvil, la mayor parte de las estructuras de construcción de acero, cascos de buques, etc.

ACEROS ALEADOS

Estos aceros contienen un proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos, además de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono normales. Estos aceros de aleación se pueden subclasificar en :

Estructurales Son aquellos aceros que se emplean para diversas partes de máquinas, tales como engranajes, ejes y palancas. Además se utilizan en las estructuras de edificios, construcción de chasis de automóviles, puentes, barcos y semejantes. El contenido de la aleación varía desde 0,25% a un 6%.

Para Herramientas

Aceros de alta calidad que se emplean en herramientas para cortar y modelar metales y no-metales. Por lo tanto, son materiales empleados para cortar y construir herramientas tales como taladros, escariadores, fresas, etc.

Especiales Los Aceros de Aleación especiales son los Aceros Inoxidables y aquellos con un contenido de cromo generalmente superior al 12%. Estos aceros de gran dureza y alta resistencia a las altas temperaturas y a la corrosión, se emplean en turbinas de vapor, engranajes, ejes y rodamientos.

ACEROS DE BAJA ALEACION ULTRARRESISTENTES

Esta familia es la más reciente de las cuatro grandes clases de acero. Los aceros de baja aleación son más baratos que los aceros aleados convencionales ya que contienen cantidades menores de los costosos elementos de aleación. Sin embargo, reciben un tratamiento especial que les da una resistencia mucho mayor que la del acero al carbono. En la actualidad se construyen muchos edificios con estructuras de aceros de baja aleación. Las vigas pueden ser más delgadas sin disminuir su resistencia, logrando un mayor espacio interior en los edificios.

ACEROS INOXIDABLES

Los aceros inoxidables contienen cromo, níquel y otros elementos de aleación, que los mantienen brillantes y resistentes a la herrumbre y oxidación a pesar de la acción de la humedad o de ácidos y gases corrosivos. Algunos aceros inoxidables son muy duros; otros son muy resistentes y mantienen esa resistencia durante largos periodos a temperaturas extremas. Debido a sus superficies brillantes, en arquitectura se emplean muchas veces con fines decorativos. El acero inoxidable se utiliza para las tuberías y tanques de refinerías de petróleo o plantas químicas, etc. También se usa para fabricar instrumentos y equipos quirúrgicos, o para fijar o sustituir huesos rotos, ya que resiste a la acción de los fluidos corporales.

Las principales ventajas del acero inoxidable son:

1. Alta resistencia a la corrosión.2. Alta resistencia mecánica.3. Apariencia y propiedades higiénicas.4. Resistencia a altas y bajas temperaturas.5. Buenas propiedades de soldabilidad, mecanizado,

corte, doblado y plegado.6. Bajo costo de mantenimiento.7. Reciclable.

PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ACERO

La descripción más completa de las propiedades mecánicas de los aceros (propiedades utilizadas para el diseño estructural) se realiza mediante sus curvas esfuerzo – deformación bajo cargas de tracción, las mismas que varian dependiendo de la composición química del material y sus procesos de fabricación.

Algunas de las propiedades presentes en la curva esfuerzo – deformación son:

1. RANGO DE COMPORTAMIENTO ELÁSTICO:

2. ESFUERZO DE FLUENCIA:

3. ESFUERZO A LA ROTURA:

4. MÓDULO DE ELASTICIDAD:

5. DUCTILIDAD:

OTRAS PROPIEDADES DEL ACERO:

1. DENSIDAD: La densidad del acero sólido es de 7850 Kg/m3. Los cables de acero utilizados en hormigón preesforzado tienen una densidad menor, por la presencia de espacios vacíos; dicha variación de densidad depende del diámetro exterior de los cables, del número de hilos que forman parte del cable y del proceso de fabricación

2. RESISTENCIA A LA CORROSIÓN: Muchos aceros utilizados en estructuras requieren de una resistencia especifica a la corrosión, cuando van a estar expuestos a ambientes agresivos, para lo que es necesario que en el proceso de fundición se incluyan componentes adicionales, especialmente Niquel, con una proporción

entre un 2 y 4% de la aleación. Este tipo de acero no se consigue en barras.

Existen aceros resistentes al desgaste, que suelen utilizarse en estructuras con elementos móviles como puentes grúas metálicos, que utilizan manganeso entre un 10% y un 18% de la aleación.

La presencia de Niquel y Cromo en la aleación permite la obtención de aceros con propiedades combinadas como inoxidables y resistencia a ataques químicos, o de gran resistencia, dureza y elásticidad.

PROCESO DE PRODUCCIÓN

BARRAS DE HORMIGÓN

En Chile se fabrican de acuerdo a la norma chilena NcH 204 Of. 78, el grado normal A44-28H y el grado de alta resistencia A63-42H.

El cumplimiento de las propiedades mecánicas del producto se aseguran a través de los ensayos que establece la norma y cuyas especificaciones se muestran a continuación

Grados del Acero

Resistenciaa la tracción

Rm

Límite defluencia

ReAlargamiento

en 50 mm

Kgf/mm2 Mpa Kgf/mm2 Mpa %

A37-24ES 37 363 24 235 22

A42-27ES 42 412 27 265 20

A52-34ES 52 510 34 324 18

A44-28H 44,9 440 28,6 280 16

A63-42H 64,2 630 42,8 420 (*)

(*): (700/Rm) - K >= 8, donde K es un coeficiente que depende del diámetro nominal de la barra (e) y cuyo valor se indica a continuación.

e (mm) : 8 10 12 16 18 20 22 25 28 32 36

K : 2 1 0 0 0 0,5 1 2 3 4 5

Fuente: Norma chilena NCh 203 of. 77

DIMENSIONES

En diámetros de 6 a 12 mm se producen en rectas y rollos y de 16 a 36 mm como barras rectas.

Sus características dimensionales son las siguientes:

Diámetro (mm)

Sección (cm2) 

Masa (kg/m) 

Formas de entrega normal

6 (*) 0,283 0,222Rollos de 500 a 1.050 kg

aproximadamenteRectas, largos (m) 6-7-8-9-10-

11-12

8 0,503 0,395

10 0,785 0,617

12 1,131 0,888

       

16 2,011 1,578

Rectas, largos (m) 6-7-8-9-10-11-12

18 2,545 1,998

22 3,801 2,984

25 4,909 3,853

28 6,158 4,834

32 8,043 6,313

36 10,179 7,990

(*) : El diámetro 6 mm sólo se entrega en el grado A44 y con superficie lisa. Todos los demás diámetros llevan resaltes y se producen en ambos

grados.

Fuente: CSH (Compañía Siderúrgica Huachipato)

CSH produce estas barras con acero limpio, obtenido a partir de mineral de hierro, permitiendo satisfacer así las exigencias de ductilidad en obras proyectadas para zonas de alta sismicidad, como es Chile.

Para uso en refuerzo de hormigón, son producidas con nervadura llamada resalte (excepto diámetro 6 mm) lo que aumenta la adherencia entre el acero y el concreto.

Las barras CAP con resaltes están identificadas de acuerdo a lo especificado en la norma NCh 204 of. 78, mediante marcas en relieve que permiten determinar el fabricante y el grado del acero.

                         

        

Una semielaboración de los minerales, convirtiéndolos en pequeñas

bolitas de concentrado de Hierro.

PELLET DE ACERO

MATERIAS PRIMAS

Carbones Coquería Coque

PLANTA DE COQUE