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HISTORIAVENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL USO 

DEL ACERO

Dr. David J. Domínguez Santos

Definición y composiciónDefinición y composiciónEl término acero sirve comúnmente para denominar, en ingeniería metalúrgica, a unaaleación de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,03 % y el 1,075 %en peso de su composición. Si la aleación posee una concentración de carbono inferiorp p pal 0,25 % se produce hierros forjados, hierros duros, dúctil, aleables, maleables, peroen desuso por su dificultad de soldar. El contrario es el hierro fundido con unaconcentración de carbono superior al 2% , blando, con una rotura frágil (no es dúctil),p g ( )pero tiene la facilidad de la unión (es soldable).

Conclusión: la diferencia principal entre el hierro y el acero se halla en el porcentaje delConclusión: la diferencia principal entre el hierro y el acero se halla en el porcentaje delcarbono: el acero es hierro con un porcentaje de carbono entre el 0,03 % y el 1,075 %.La cantidad de carbono, especifica el grado de dureza y soldabilidad de losmateriales. Además de carbono, se acompaña de otros elementos como silicio,materiales. Además de carbono, se acompaña de otros elementos como silicio,manganeso, cobre, entre otros, a este tipo de acero se le denominará ALEADO(ASTM marca cantidades máximas).Características:Características:Es un material muy tenaz (opuesto a romperse o deformarse), especialmente enalguna de las aleaciones usadas para fabricar herramientas.R l ti t dú til C él bti hil d l d ll d l bRelativamente dúctil. Con él se obtienen hilos delgados llamados alambres.Es maleable. Se pueden obtener láminas delgadas llamadas hojalata.

Tipos de aceros estructurales (I)

En los primeros años, se utilizaba el acero A36 (Fy = 36 ksi, Fu = 58 ksi), para lasp , ( y , u ), pedificaciones, poco a poco los ingenieros y arquitectos han ido requiriendo de másresistencia como es A50 (Fy = 50 ksi, Fu = 72 ksi). (1 ksi = 70,30 Kg/cm2)Existen distintos tipos de aceros estructurales según su composición:Existen distintos tipos de aceros estructurales según su composición:Aceros de propósitos generales (A36, A50)Aceros estructurales de carbono (A529) –> Hierros fundidosA d l i i b j l ió (A572) d á d l i ió d lAceros de alta resistencia y baja aleación (A572), además de la composición delcarbono, tienen columbio, vanadio, Cromo, silicio, níquel…, su resistencia supera los40‐70 ksiAceros de alta resistencia, baja aleación y resistentes a la corrosión (A242 y A588),superficies de acero oxidados y confiriendo una película adhesiva muy comprimida yresistente. Utilizados en puentes, torres, industrias, marinos… es decir en generaldifi i li dedificaciones expuestas a agentes externos peligrosos, de manera que no tengan queser continuamente reparados o pintados por la humedad.Aceros templados o revenidos (A514, A852): aceros afectados por agentes aleantesen exceso, confieren una resistencia plástica Fy = 70 – 110 ksi. El revenido consiste enun enfriado rápido en agua o aceite y el templado en un enfriado más lento, perorealizándose varias veces el calentamiento.Aceros de ultra resistencia aceros con fluencias comprendidas entre Fy = 160 – 500ksi. Actualmente existen más de 200 tipos de acero de esta tipología (principalmentese utilizarán en tornillos y remaches. Son muy rentables económicamente.

Tipos de aceros estructurales (II)

1 ksi = 70,31 Kg/cm2

Breve historia del uso del acero

3000 a C Se emplean ya utensilios tales como herramientas y adornos hechos de "acero" en el antiguo Egipto Se3000 a. C. Se emplean ya utensilios tales como herramientas y adornos hechos de "acero" en el antiguo Egipto. Seencuentran dagas y brazaletes de hierro en la pirámide de Keops con más de 5000 años de antigüedad.1000 a. C. (Edad de Hierro). Inicio de la edad del hierro, primeros indicios en su fabricación se cree que un incendio forestalen el monte de la antigua Troya (actual Turquía) fundió depósitos ferrosos produciendo hierro. Otros creen que secomenzó a emplear a partir de fragmentos de meteoritos donde el hierro aparece en aleación con Níquel.1000 Se cree que el primer acero se fabricó por accidente al calentar hierro con carbón vegetal siendo este último absorbidopor la capa exterior de hierro que al ser martillado produjo una capa endurecida de acero. De esta forma se llevó a cabo lafabricación de armas tales como las espadas.p1779 (REVOLUCIÓN INDUSTRIAL): se hace el primer puente Coalbrokedale de 30 m de claro (luz), sobre el río Sueon enShropshire (225 Km de Londres). Este puente cambia la historia de la revolución industrial, se usa el hierro fundido (altocarbono) como material estructural, siendo el hierro 4 veces más resistente que la piedra y 30 veces más que la madera.S XIX: 1819 se fabrican los primeros ángulos laminados de hierro (Hierro caliente con carbón vegetal)S.XIX: 1819 se fabrican los primeros ángulos laminados de hierro (Hierro caliente con carbón vegetal).1840 uso masivo del acero en las estructuras (puentes principalmente) el hierro dulce más maleable(hierro forjado), comienza a desplazar al hierro fundido en el laminado de perfiles.1845‐1855 Henry Bessenor (primer productor de acero) Bessenor lo descubrió pero fue Kelly quien1845 1855 Henry Bessenor (primer productor de acero). Bessenor lo descubrió, pero fue Kelly quienconsigue la patente inglesa para la fabricación de acero en grandes cantidades hasta 1884. Hasta elDescubrimiento de este proceso la fabricación de acero era muy cara (se redujo un 80%). Este procesose utilizaría hasta principios de siglo XX, donde aparecieron los sistemas de oxígeno.1884 Primera estructura reticular “edificio de la Home Insurance Company” (Chicago).William Le BaronJenny diseña el primer "rascacielos" (10 niveles) con columnas de acero recubiertas de ladrillo. Las vigasde los seis pisos inferiores se fabrican en hierro forjado (bajo contenido en carbono), mientras que lasde los pisos restantes se fabrican en acero el hierro fundido (alto contenido en carbono).1889 se construye la torre Eiffel de París, con 300 m de altura, en hierro forjado, comienza el usode elevadores para pasajeros operando mecánicamente.

Ventajas del uso del aceroVentajas del uso del aceroAlta resistencia: la alta resistencia del acero por unidad de peso permite estructuras relativamente livianas‐ Alta resistencia: la alta resistencia del acero por unidad de peso permite estructuras relativamente livianas

(ligeras), lo cual es de gran importancia en la construcción de puentes, edificios altos y estructurascimentadas en suelos blandos. Tienen gran resistencia a la fatiga.‐ Homogeneidad ó uniformidad: las propiedades del acero no se alteran con el tiempo, ni varían con lalocalización en los elementos estructurales.‐ Elasticidad: el acero es el material que más se acerca a un comportamiento linealmente elástico (Ley deHooke) hasta alcanzar esfuerzos considerables.Precisión dimensional: los perfiles laminados están fabricados bajo estándares que permiten establecer de‐ Precisión dimensional: los perfiles laminados están fabricados bajo estándares que permiten establecer de

manera muy precisa las propiedades geométricas de la sección (ya que vienen hechos de fábrica).‐ Ductilidad (dependiendo cantidad de carbono, a menos carbono (hierro forjado) más duro y dúctil): elacero permite soportar grandes deformaciones sin falla, alcanzando altos esfuerzos en tensión, ayudando a

f δ /δ é / ( á )que las fallas sean evidentes. μ = δu/δp, aunque también: μ = σu/σp (en elástico)‐ Tenacidad (resistencia y rigidez): el acero tiene la capacidad de absorber grandes cantidades de energía endeformación (elástica e inelástica). Cuanto más dúctil (más temperatura) el acero mayor tenacidad tendrá.‐ Facilidad de unión con otros miembros (soldaduras tornillos y remaches o roblones): el acero en perfiles‐ Facilidad de unión con otros miembros (soldaduras, tornillos y remaches o roblones): el acero en perfilesse puede conectar fácilmente a través de remaches, tornillos o soldadura (dependiendo de la cantidad decarbono) con otros perfiles.‐ Rapidez de montaje: la velocidad de construcción en acero es muy superior al resto de los materiales.‐ Disponibilidad de secciones y tamaños: el acero se encuentra disponible en perfiles para optimizar su usoen gran cantidad de tamaños y formas.‐ Costo de recuperación: las estructuras de acero de desecho, tienen un costo de recuperación en el peor delos casos como chatarra de acerolos casos como chatarra de acero.‐ Reciclable: el acero es un material 100 % reciclable además de ser degradable por lo que no contamina.‐ Permite ampliaciones fácilmente: el acero permite modificaciones y/o ampliaciones en proyectos demanera relativamente sencilla.

Desventajas del uso del aceroDesventajas del uso del acero

‐ Corrosión y oxidación: el acero expuesto a intemperie (clima y agua) sufre corrosiónpor lo que deben recubrirse con materiales secundarios (primarios anticorrosivos;pinturas aislantes ) exceptuando en los aceros especiales como el inoxidablepinturas, aislantes…) exceptuando en los aceros especiales como el inoxidable.‐ Calor, fuego: en el caso de incendios, el calor se propaga rápidamente por lasestructuras (conductividad) haciendo disminuir su resistencia hasta alcanzartemperaturas donde el acero se comporta plásticamente debiendo protegerse contemperaturas donde el acero se comporta plásticamente, debiendo protegerse conrecubrimientos aislantes del calor y del fuego (retardantes) como mortero, concreto,pinturas, etc.P d lá ti d bid lt i t i / l l d fil b lt‐ Pandeo elástico: debido a su alta resistencia/peso el empleo de perfiles esbeltos

sujetos a compresión, los hace susceptibles al pandeo elástico, por lo que en ocasionesno son económicos en las columnas de acero.F i l i i d l ( í d l d l i l ) d di i i‐ Fatiga: la resistencia del acero (así como del resto de los materiales), puede disminuir

cuando se somete a un gran número de inversiones de carga o a cambios frecuentesde magnitud de esfuerzos a tensión (cargas pulsantes y alternativas).

/‐ Resistencia de plastificación/rotura frágil: problema exclusivo en columnas cortas(diferencias de rigidez entre dos elementos; unión viga – pilar). Cuanto más baja es latemperatura utilizada en la generación del acero, mayor será su fragilidad.‐ Costo de mantenimiento (conservación): por problemas de corrosión debenpintarse…

Tipos de cálculo en aceropExisten 2 tipos de métodos de cálculo en el diseño estructural:‐ Método de tensiones admisibles (ASD) “Allowable Stress Design ASD”Método de tensiones admisibles (ASD) Allowable Stress Design ASD‐ Método de factores de carga y resistencia (LRFD) “Load & Resistance Factor Design”El primero de los métodos (LRFD) en un sistema más realista y su uso resulta más común en lasestructuras más económicas. Este curso utilizará este último de los procesos. Se trata de unestructuras más económicas. Este curso utilizará este último de los procesos. Se trata de unsistema adoptado por los ingenieros mayoritariamente, se trata de un sistema asociado con eldiseño último, el diseño plástico y el diseño al límite o por colapso. Se trata de un diseñobasado en los estados límites último (ELU) y de servicio (ELS), aplicando los coeficientes de

ió CÁLCULO SIMILAR AL REALIZADO EN EL HORMIGÓN ARMADOmayoración oportunos. CÁLCULO SIMILAR AL REALIZADO EN EL HORMIGÓN ARMADO.‐ Estado límite de resistencia (último): basado en la seguridad o capacidad de carga de la

estructura (incluyen resistencias plásticas, de pandeo, de fractura, de fatiga, de volteo…).E d lí i d i i fi l i d l b j‐ Estado límite de servicio: se refiere al comportamiento de las estructuras bajo cargasnormales de servicio y tienen que ver con aspectos asociados con el uso y la ocupación,tales como deflexiones excesivas, deslizamientos, vibraciones y agrietamientos.

En lo referente al estado límite de resistencia la estructura se calculará para resistir conEn lo referente al estado límite de resistencia, la estructura se calculará para resistir conseguridad una carga última sin presentar daños graves en un periodo de 50 años.El metodo LRFD, trata de multiplicar las cargas de trabajo o servicio (Q), por ciertos valores deseguridad (λ) que son casi siempre mayores que 1 Estas cargas mayoradas deben serseguridad (λ) que son casi siempre mayores que 1. Estas cargas mayoradas deben sersuperiores a las resistencias teóricas o nominales del miembro estructural (Rn) multiplicadopor un factor de resistencia (φ<1), factor debido a imperfecciones, variaciones del material,agentes externos (sismo, huracanes…), corriones del material, montaje estructura…λ Como estándar: 1,2 (en cargas muertas), 1,6 (en cargas vivas), 1 (viento)φ 1 (aplastamiento, cortante tornillos), 0,90 (vigas  a flexión, corte, soldaduras), 0,85 (pilares, aplastamiento agujeros), 0,75 (tornillos y elementos a tracción), 0,6 (cimentaciones)