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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:


Alumnos:

Alejandrina Elizabeth Martínez EscalanteMiguel Geovani Lopez Guillen

u-1 diseño de estructuras de acero 1


Chetumal, Quintana Roo a 23 de Febrero de 2015El acero estructural

Se define como acero estructural al producto que está compuesto por hierro puro + metaloides (C, S, P, Si) + metales variables (Mn, Cr, Ni,...). Éstos últimos 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 proporción de carbono es superior al 2 %.

Fig. 1 Edificación a base de acero estructural

I. Proceso de fabricación

El 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 carbón de coque y piedra caliza y se someten a temperaturas elevadas de aproximadamente 3.000°C. Una vez que se encuentre en fusión, se le inyecta aire con el propósito de que se reduzcan los óxidos de hierro. El proceso ocurre en los altos hornos, que



son enormes torres cilíndricas de más de 60 mts. de altura, con un diámetro 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 éxito 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 oxígeno 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 través de zonas cada vez más calientes. Una corriente de aire caliente, a menudo enriquecida de oxígeno, es inyectada al alto horno a través de aberturas hechas cerca de la base.

El oxígeno, hace que el combustible arda y se combine con parte del carbono del coque, para formar monóxido de carbono, éste a su vez, actúa sobre el mineral de hierro, para producir hierro metálico y bióxido 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 también 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 mencionó anteriormente, parte de la mezcla original: ésta 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 más pesado.

El hierro convertido en hierro colado (también llamado arrabio o hierro de primera fusión), 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 más frecuencia y llevada al horno como desperdicio: sin embargo, la industria puede utilizar gran cantidad de esta escoria en lugar de grava, para la elaboración de concreto, o



transformándola en mineral aislante. La operación del alto horno es continúa, el mineral de hierro, el coque y la piedra caliza son vertidos sin interrupción por la parte superior y escurren por el horno a razón 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 aún tiene una cierta cantidad de impurezas, entre ellas aproximadamente un 4% de carbón, 1% de manganeso y cantidades menores de silicio, azufre y fósforo. 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, aún fundido, para ser purificado en hornos de reverbero, el método más común es el Siemens-Martin o de hogar abierto, en el que se emplea un recipiente inclinado llamado convertidor y sistemas a base de hornos eléctricos. 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 sólo una parte de la carga. Hay además, 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 sólidos, son sometidos a temperaturas de 1600°C durante casi dos horas, para fundirlos parcialmente, y luego se les añade el hierro colado fundido hasta reverbero. El exceso de carbón es separado por su combinación con el oxígeno del mineral de hierro y las impurezas son absorbidas por la escoria.

Todo el proceso es sometido a una constante observación, de manera que puede controlarse la composición 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 específicos, tales como barcos, aviones, tuberías, etc., se hace necesario añadir cantidades determinadas de ciertos elementos de aleación



como cromo, níquel, o tungsteno, dándonos por resultado, aceros con propiedades diferentes al acero de carbón.

II. Tipos de acero estructuralLos aceros considerados en el Código Técnico son los laminados en caliente y los conformados en frío.

Aceros laminados en caliente

El acero laminado en caliente se produce cuando los fabricantes de acero calientan y presionan el metal a través de rodillos industriales que manipulan el metal de acuerdo con ciertas especificaciones. El metal caliente es más maleable, y por lo tanto más fácil de trabajar. Los fabricantes utilizan el laminado en caliente para lograr una superficie, espesor y propiedades mecánicas uniformes. El acero laminado en caliente se utiliza en la producción de los siguientes grados de acero: acero comercial, acero para moldear, acero de calidad estructural y acero de medio/alta resistencia y baja aleación.Los aceros para uso estructural en aplicaciones de laminados en caliente, pueden clasificarse como:

a) Aceros al carbono: Se dividen en cuatro categorías 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, están en la categoría de acero dulce al carbono; un acero tal como el A36 tiene un contenido máximo de carbono que varía 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 categoría son: A36, A53, A500, A501, A529, A570, A611 y el A709 grado 36.

Fig. 2. Curvas típicas esfuerzo-deformación de los diferentes tipos de acero

b) Aceros de alta resistencia y baja aleación: Esta categoría 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 pequeñas cantidades de elementos de aleación como el Cromo, Columbio, Cobre, Manganeso, Molibdeno, Níquel, Fósforo, Vanadio, Circonio, mejoran alguna de las propiedades mecánicas.Así como los aceros al carbono obtienen una mayor resistencia al incrementar su contenido de carbono, los elementos de aleación presentan el incremento de resistencia debido a una fina micro estructura obtenida durante el enfriamiento del acero.



Los aceros de alta resistencia y baja aleación 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 aleación: Los aceros de aleación 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

deformación unitaria del 0.2%, ya que estos aceros no exhiben un punto de fluencia bien definido como se muestra en la curva típica C

de la figura 2.2. Estos aceros son soldables y ordinariamente no requieren un tratamiento por calentamiento después de soldados.

Para usos especiales, puede requerirse el relevado de esfuerzos. Algunos aceros al carbono tales como los usados para tanques a

presión, 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 mayoría de los aceros con esta resistencia son aceros de aleación. Estos aceros de aleación generalmente tienen un contenido máximo

de carbono aproximado de 0.20% con el objeto de limitar el endurecimiento de cualquier micro estructura con grano grueso

(Martensita. fase frágil formada por una solución sólida 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 térmico consiste en enfriar rápidamente con agua o aceite, desde al menos 1650°F (900°C) hasta 300-400°F: después se

templa por calentamiento hasta al menos 1150°F (620°C) y se deja enfriar. Esta "sintonización fina" de las propiedades mecánicas del

acero consiste en formar primero un material martensitico por completo mediante un rápido templado. Después este acero se hace

menos frágil mediante un recalentado cuidadoso a una temperatura



donde sea posible la transformación 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 más prolongados se presenta

una ductilidad más 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 frío (H):

El acero laminado en frío se produce cuando el acero que se ha creado durante el laminado en caliente se deja enfriar antes de que se enrolle a su forma final. El acero laminado en frío está disponible en un menor número de formas y tamaños 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 acero laminado en caliente, los laminados de acero en frío no requieren de decapado para evitar la oxidación.

Aceros con características especiales:

a) Aceros normalizados (N). Alta soldabilidad y alta resiliencia.b) Aceros de laminado termomecánico (M). Alta soldabilidad y alta

resiliencia. c) Aceros con resistencia mejorada a la corrosión atmosférica (aceros

autopatinables) (W). Son aceros aleados con cobre que al ser expuestos a la acción atmosférica forman en la superficie una película fina de óxido altamente adherente que impide la penetración de la corrosión.

d) Aceros templados y revenidos (Q). Elevado límite elástico. e) Aceros con resistencia mejorada a la deformación en la dirección

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 mecánica 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 metálicas 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 ejecución, se elimina el tiempo necesario para el

fraguado, colocación 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 inversión.

Ventajas de la prefabricación, los elementos se pueden fabricar en taller y unir posteriormente en obra de forma sencilla (tornillos o soldadura).

Buena resistencia al choque y solicitaciones dinámicas como los sismos.

Las estructuras metálicas de edificios ocupan menos espacio en planta (estructuralmente) que las de concreto reforzado, con lo que la superficie habitable es mayor.



El material es homogéneo 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 deformación excesiva.

Desventajas:

Mayor coste que las de hormigón. Sensibilidad ante la corrosión (galvanizado, autopatinado...). Sensibilidad frente al fuego. Las características mecánicas de un

acero disminuyen rápidamente con la temperatura, por lo que las estructuras metálicas deben protegerse del fuego.

Inestabilidad. Debido a su gran ligereza, un gran número 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 adaptación a formas variadas. Excesiva flexibilidad. El diseño de las estructuras metálicas suele

estar muy limitado por las deformaciones, además de por las tensiones admisibles, lo que provoca una resistencia desaprovechada al limitar las deformaciones máximas para evitar vibraciones... que provocan falta de confort.

Sensibilidad a la rotura frágil. Un inadecuado tipo de acero o una mala ejecución de las uniones soldadas pueden provocar la fragilización del material y la rotura brusca e inesperada.

CONCRETO REFORZADO:

Ventajas:

Menor coste. Posibilidad de adaptación a formas variadas. Excelente resistencia a compresión. 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 químicos.

Desventajas:

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

IV. Tipos de perfiles estructurales

Perfiles laminados en caliente : Son los más usados en construcción, se agrupan en series por la forma y

características de su sección transversal. En la figura 3 aparecen los más habituales.

IPN: perfil en doble T normal. Se usa fundamentalmente en piezas flectadas.

IPE: perfil en doble T europeo. Análogo la perfil IPN, pero a igualdad de peso tiene mayores inercias, radios de giro y módulos 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 máximos 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 también es habitual usar la serie HEA en elementos a flexión.

UPN: sección en U normal. Sus características 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 compresió En estructuras de edificación son clásicos los soportes de 2 UPN empresillados.

U: sección en U comercial. Similar al UPN. L: angular de alas iguales. Se emplean casi exclusivamente en piezas

sometidas a esfuerzos axiles tales como celosías, arriostramientos, ... LD: angular de lados desiguales. T: perfil con forma de T que está en desuso, usándose 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, depósitos..., 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: sección circular, cuadrada, rectangular o elíptica.



Fig. 3. Perfiles laminados en caliente.

Perfiles conformados en frío:

Estructuras ligeras de acero que se fabrican mediante plegadoras o conformadoras de rodillo en frío 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 fabricación y aparecen los dos tipos básicos.

Barras: pueden ser perfiles L, U, C, Z, Omega, tubos abiertos y tubos cerrados huecos (circulares, cuadrados, rectangulares y elípticos). 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 hormigón, trabajando como elemento resistente o sólo como encofrado perdido) y elementos de pared. Se suelen fabricar con chapa galvanizada, pueden ir pintados y se recubren con aislamiento térmico y acústico (poliuretano expandido,...).



Fig. 4. Fabricación de perfiles conformados en frío

Fig. 5. Barras

Fig. 6. Paneles

Otros productos :

• Piezas moldeadas para apoyos. • Raíles. • Apoyos elastoméricos.



• Cables (puentes atirantados y colgantes, cubiertas de grandes luces,...).

• Elementos de unión: en frío (tornillos y pernos) y en caliente (remaches y soldadura). Los tornillos más comunes son Tornillos especiales son los de cabeza avellanada, los calibrados y los de inyección. El empleo de roblones como medio de unión ha caído totalmente en desuso.

Bibliografía:

El Acero en la Construcción. 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


http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/11885/Capitulo2.pdf

http://caminos.udc.es/info/asignaturas/406/contenido_publico/recursos/tema00.pdf

http://caminos.udc.es/info/asignaturas/406/contenido_publico/recursos/tema00.pdf