Introducción a los conceptos básicos de acero estructural

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CONCEPTOS BÁSICOS GENERALIDADES
(Clase 1)

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REGLA DE ORO:
APAGUE SU CELULAR Y HAGA SILENCIO DURANTE LAS
CLASES

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CONCEPTOS BÁSICOS GENERALIDADES
Contenido:
1. Definición del Acero
2. Proceso de Producción
3. Clasificación y Designación de los Aceros
4. Diagrama Tensión – Deformación del Acero
5. Conceptos Fundamentales
6. Perfiles Comerciales
7. Factores de Sobre-Resistencia y Tensiones Máximas Esperadas
8. Componentes de Acero Estructural en Edificaciones
9. Normativa Nacional e Internacional

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1. DEFINICIÓN DEL ACERO:
Actualmente, se designan por aceros los productos férreos
reducidos y conformados en caliente, que presentan un
contenido de carbono entre el 0.1% y el 1.7%, pudiendo contener
otros elementos de aleación.

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1. DEFINICIÓN DEL ACERO:

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2. PROCESO DE PRODUCCIÓN:
Arrabio Líquido
o Sólido
Proceso de
Pudelado
Convertidor
Bessemer
BOF
Hornos de
Hogar
Abierto
Hornos de
Arco
Eléctrico
Hornos de
Refrigeración
Hierro Dulce
C < 0.1%
Acero al Carbón
0.1% ≤ C < 2%
Colados de
Hierro Maleable
2% ≤ C < 2.5%
Hierro Colado o
Fundición Gris
2% ≤ C < 3.75%
Cubilote

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Desde el punto de vista tecnológico existen tres tipos fundamentales de
procesos:
1) Por soplado, en el cual todo el calor procede del calor inicial de los
materiales de carga, principalmente en estado de fusión. Proceso por
soplado, Bessemer ácido y Thomas básico.
2) Con horno de solera abierta, en el cual la mayor parte del calor
proviene de la combustión del gas o aceite pesado utilizado como
combustible; el éxito de este proceso se basa en los recuperadores de
calor para calentar el aire y así alcanzar las altas temperaturas eficaces
para la fusión de la carga del horno. Proceso sobre solera, básico y
ácido.

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Desde el punto de vista tecnológico existen tres tipos fundamentales de
procesos:
3) Eléctrico, en el cual la fuente de calor más importante procede de la
energía eléctrica (arco, resistencia o ambos); este calor puede obtenerse
en presencia o ausencia de oxígeno; por ello los hornos eléctricos
pueden trabajar en atmósferas no oxidantes o neutras y también en
vacío, condición preferida cuando se utilizan aleaciones que contienen
proporciones importantes de elementos oxidables.

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Proceso de Reducción Directa
1.- Un horno es alimentado por una
carga compuesta de mineral de hierro
(Magnetita & Hematita), y cal
hidratada. Este proceso consiste en
reducir químicamente la cantidad de
oxígeno presente en el mineral,
obteniendo el hierro reducido (o
hierro esponja), es poroso, carece de
impurezas y resulta fácil de manejar
en el proceso de fabricación de acero.
Este material debe ser posteriormente
refinado.

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Proceso de Reducción Directa
2.- En el proceso de refinado se
introduce el hierro esponja en
conjunto con chatarra, piedra caliza,
grafito y otros elementos, en hornos
eléctricos de arco, donde se produce
el acero líquido, el cual es vaciado en
moldes de colada continua. De la
misma forma que en el proceso
tradicional se obtienen lingotes de
diferentes coladas los cuales serán
sometidos a procesos de laminación
en frío o caliente.

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Proceso de Laminación

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3. CLASIFICACIÓN Y DESIGNACIÓN DE LOS ACEROS:
En general los Aceros pueden clasificarse según:
a) Su Composición Química.
b) Su Contenido de Óxidos.
c) Sus Propiedades Mecánicas
d) Su Calidad.

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a) Su Composición Química:
De acuerdo con su composición química, los aceros pueden ser sin
alear, semialeados y aleados.
Las aleaciones influyen en las propiedades del acero. Entre los metales
de aleación se pueden citar el cobre (Cu), el níquel (Ni), el aluminio (Al),
el manganeso (Mn) y el cromo (Cr). El fósforo y el azufre generalmente
se segregan, ya que constituyen impurezas difíciles de eliminar.

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a) Su Composición Química:
El cromo mejora notablemente la resistencia a la corrosión y al
desgaste, así como el cobre incrementa su ductilidad y también mejora
la resistencia a la corrosión.
El manganeso facilita la soldabilidad y el molibdeno permite una mejor
deformación enfrío, el níquel incrementa la resistencia a la tracción y el
aluminio le confiere al material características de no envejecimiento y
una estructura de grano fino, con buenas propiedades de soldabilidad.

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Influencia de los elementos químicos en las propiedades del acero:
Hierro
(Fe): El hierro es el elemento simple más importante en el acero, y comprende
aproximadamente el 95% de su composición. Los aceros con un porcentaje bajo de
hierro no se clasifican como “estructurales”.
Carbono
(C): Después del
hierro, el carbono es
el elemento químico
más importante en el
acero. Un incremento
del carbono aumenta
la resistencia del
acero y reduce su
ductilidad y
soldabilidad.

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b) Su Contenido de Oxido:
Según el contenido de óxidos se tienen aceros efervescentes,
semicalmados y calmados.
Aceros efervescentes: Cuando la desoxidación del acero líquido resulta
débil, se obtienen metales con alto grado de segregación y
concentración de elementos. Evidencia de ello es la formación en el
lingote de una piel exterior relativamente pura durante su solidificación
y enfriamiento, mientras que en el interior de la masa su composición
química se ve alterada por impurezas tales como el azufre y el fósforo,
que debilitan el acero, disminuyendo su calidad y haciéndolo poco apto
para soldar.

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Aceros semicalmados: son los aceros parcialmente desoxidados con
propiedades intermedias entre los efervescentes y los calmados. Se usan
preferentemente en la fabricación de perfiles estructurales, barras y
planchas.

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Aceros calmados: son los aceros completamente desoxidados, en los
cuales no existen reacciones posteriores del carbono con el oxígeno,
durante la solidificación y conformación de lingotes. Estos aceros
presentan una estructura cristalina homogénea, de composición
química uniforme, apta para la fabricación de tubos sin costura, rieles y
piezas forjadas. Los aceros calmados ofrecen excelentes características
mecánicas, buenas posibilidades de ser soldados y gran ductilidad. A
fines estructurales, se los emplea generalmente en perfiles de espesor
considerable, que deban soportar fuertes solicitaciones.

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c) Propiedades mecánicas: Designaciones de los aceros (NORMAS)
AISI: American Iron and Steel institute. (1855)
SAE: Society of automotive engineers. (1900)
ASTM: American society for testing and material. (1898)
UNE-EN 10020:2001: Norma Española
(Definición y clasificación de los tipos de aceros)
DIN: Norma Alemana (Deutsches Institut für Normung) (1917)
JIS: Japanese Industrial Standards (1945)
Normas GB: Estándares Nacionales Chinos

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c) Propiedades mecánicas:

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d) Calidad de los Aceros:
Acero Común: también conocido por acero dulce o acero al carbono, fue
por muchos años el material más usado en la construcción. Es un acero
con bajo contenido de carbono (entre el 0.12% y 0.60% en peso). Entre
estos aceros están el AE25, ASTM A36 y Din ST37. La variación en el
contenido de carbono resulta decisiva en las propiedades mecánicas de
los diferentes aceros.

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Aceros de Alta Resistencia: Son aquellos que han incrementado
notablemente su punto de cedencia, por contenidos elevados de
carbono (entre1.4% y 1.7% en peso) o por aleaciones adecuadas, su
ductilidad se ve drásticamente disminuida. En algunos casos, las
elevadas resistencias se logran mediante tratamientos térmicos y
templados, o por trabajos en frio.
Aceros Especiales: Se fabrican con sofisticadas aleaciones, para cubrir
necesidades específicas, y no todos son adecuados para su aplicación
estructural. Por ejemplo, los aceros de los cascos de submarinos, naves
especiales o los usados para la construcción de máquinas de alta
precisión.

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NORMA DESIGANCIÓN Fy (kgf/cm2) Fu (kgf/cm2)
COVENIN AE-25 2500 3700
COVENIN AE-35 3500 5200
DIN ST-37 2400 3700
DIN ST-52 3600 5200
ASTM A36 2530 4080
ASTM A588 3520 4930
ASTM A500 Gr C 3520 4360
ASTM A500 Gr C 3240 4360
ASTM A572 Gr 42 2950 4220
ASTM A572 Gr 50 3520 4570
ASTM A572 Gr 60 4220 5270
ASTM A572 Gr 65 4570 5620
ASTM A53 Gr B 2460 4220
ASTM A922 3520 4750

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4. DIAGRAMA TENSION – DEFORMACIÓN DEL ACERO:
El diseño de elementos estructurales implica determinar la
resistencia y rigidez del material estructural, estas propiedades se
pueden relacionar si se evalúa una barra sometida a una fuerza axial
para la cual se registra simultáneamente la fuerza aplicada y el
alargamiento producido.
Estos valores permiten determinar la tensión y la deformación
que al graficar originan el denominado diagrama de tensión-
deformación.

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El diagrama Tensión-Deformación resulta de la representación gráfica
del ensayo de tracción, normalizado, el cual consiste en someter a una
probeta de acero normalizada a un tensión creciente de tracción según
su eje hasta la rotura de la misma. El ensayo de tracción permite el
cálculo de diversas propiedades mecánicas del acero.
F

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0
F
A
F
B
F
C
F
E
L
L0
FA
FC FE
FF
Donde:
A: Límite de elasticidad
B: Límite de proporcionalidad
C: Límite aparente de Elasticidad
o límite de cedencia
E: Límite de rotura
F: Rotura efectiva

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Los diagramas son similares si se
trata del mismo material y de
manera general permite agrupar
los materiales dentro de dos
categorías con propiedades afines
que se denominan materiales
dúctiles y materiales frágiles.
Los diagramas de materiales
dúctiles se caracterizan por ser
capaces de resistir grandes
deformaciones antes de la rotura,
mientras que los frágiles presenta
un alargamiento bajo cuando
llegan al punto de rotura.
Aleación ASTM A514
Aleación ASTM A441
Aleación ASTM A36
Hierro
Deformación ε
Tensión
σ

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La probeta de acero empleada en el ensayo consiste
en una pieza cilíndrica cuyas dimensiones guardan la
siguiente relación de proporcionalidad:
Donde L0 es la longitud inicial, S0 es la sección inicial
y D0 es el diámetro inicial de la probeta. Para llevar
acabo el ensayo de tracción, las anteriores variables
pueden tomar los siguientes valores:
D0 = 20mm, L0 = 100mm, o bien,
D0 = 10mm, L0 = 50mm.
𝑳𝟎 = 𝟓. 𝟔𝟓 × 𝑺𝟎

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El ensayo comienza aplicando
gradualmente la fuerza de
tracción a la probeta, lo cual
provoca que el recorrido inicial
en la gráfica discurra por la
línea recta que une el origen de
coordenadas con el punto A.
A

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Hasta llegar al punto A se
conserva una proporcionalidad
entre la tensión alcanzada y el
alargamiento unitario producido
en la pieza.
Es lo que se conoce como Ley de
Hooke, que relaciona linealmente
tensiones con las deformaciones a
través del modulo de elasticidad
E, constante para cada material
que en el caso de los aceros y
fundiciones vale
aproximadamente
2.100.000Kgf/cm2.
A

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Pasado el punto A y hasta llegar
al punto B, los alargamientos
producidos incluso crecen de
manera más rápida con la
tensión, y se cumple que al cesar
la carga, la pieza recupera de
nuevo su geometría inicial, es
decir, se sigue comportando
elásticamente. El punto B marca
el límite a este comportamiento, y
por ello al punto B se le
denomina Límite Elástico.
B

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Traspasado el punto B el material
pasa a comportarse de manera
plástica, es decir, que no recupera
su longitud inicial, quedando una
deformación remanente al cesar la
carga. De esta manera, el proceso
de descarga se realiza siguiendo la
trayectoria según la línea
punteada mostrada del diagrama
tensión-de formación, que como
se ve, corta al eje de
deformaciones, ΔL/L0, a una
cierta distancia del origen, que se
corresponde con la deformación
remanente que queda.
Concretamente, el punto B o Límite
Elástico es aquel que le
corresponde una deformación
remanente del 0.2%.
B

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Si se sigue aplicando carga se
llega al punto C, donde a partir
de aquí y hasta el punto D, las
deformaciones crecen de manera
rápida mientras que la carga
fluctúa entre dos valores,
llamados límites de cedencia,
superior e inferior. Esta nueva
posición, denominada de
cedencia, es característica
exclusivamente de los aceros
dúctiles, no apareciendo en los
aceros endurecidos.
C
D

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Más allá del punto de cedencia D
es necesario seguir aplicando un
aumento de la carga para
conseguir un pronunciado
aumento del alargamiento. En
tramos ya en la zona de las
grandes deformaciones plásticas
hasta alcanzar el punto F, donde
la carga alcanza su valor máximo,
lo que dividida por el área inicial
de la probeta proporciona la
tensión máxima de rotura o
resistencia a la tracción.
D
F

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A partir del punto E tiene lugar el
fenómeno de estricción de la
probeta, consiste en una
reducción de la sección en la zona
de la rotura, y el responsable del
periodo de bajada del diagrama,
dado que al reducirse el valor de
la sección real, el valor de la carga
aplicado a partir del punto E
también se va reduciendo hasta
alcanzar el punto F de rotura.
E
F

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https://www.youtube.com/watch?v=4p7bvJGN4Po
Zona Elástica
Cedencia

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5. CONCEPTOS FUNDAMENTALES:
a) Límite Elástico (A):
Se define como la tensión máxima que
un material puede soportar sin sufrir
deformaciones permanentes.
Si se aplican tensiones superiores a
este límite, el material experimenta un
comportamiento plástico con
deformaciones permanentes y no
recupera espontáneamente su forma
original al retirar las cargas.
Deformación
permanente
Deformación
Tensión
B
A
Fy
Dp
Fy2

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a) Límite Elástico:
Fy
0.002
En general, un material sometido
a tensiones inferiores a su límite
de elasticidades de formado
temporalmente de acuerdo con la
Ley de Hooke. La deformación del
acero asociada al límite elástico es
de 0.002

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b) Tensión cedente, Fy:
Es la tensión asociada al punto donde el
material alcanza su límite elástico.
c) Tensión de Agotamiento, Fu:
Es la tensión asociada al punto en el
cual el material alcanza su rotura y
deformación última.
d) Ductilidad:
Se define como la capacidad que tiene un
material de deformarse de manera
estable. En otros términos, un material
es dúctil cuando la relación entre el
alargamiento longitudinal producido por
una tracción y la disminución de la
sección transversal es muy elevada.
Fy
0.002

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e) Tenacidad:
Se define como la capacidad que tiene
un material de absorber energía antes
de alcanzar la rotura.
f) Resiliencia:
Se define como la energía de
deformación (por unidad de volumen)
que puede ser recuperada de un cuerpo
deformado cuando cesa el esfuerzo que
causa la deformación.
Fy
0.002

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f) Dureza:
Es una propiedad que mide la capacidad de resistencia que ofrecen los
materiales a procesos de abrasión, desgaste, penetración o de rallado.
Para medir la dureza de un material se emplea un tipo de ensayo consistente
en calibrar la resistencia de un material a la penetración de un punzón o una
cuchilla que se usa como indentador.
Este indentador usualmente consta en su extremo, o bien de una esfera, o bien
de una pieza en forma de pirámide, o en forma de cono y que está compuesto
de un material mucho más duro que el acero que se está midiendo. La
profundidad de la entalla que produce en el acero al ser rallado por este
penetrador nos dará una medida de la dureza del material. Existen varios
métodos para calibrar la dureza de un material, siendo el método Brinelly el
método Rockwell los más comunes.

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g) Resistencia al desgarro:
Se define como la energía de deformación (por unidad de volumen) que puede
ser recuperada de un cuerpo deformado cuando cesa el esfuerzo que causa la
deformación.
h) Soldabilidad:
Mide la capacidad que tiene un acero a ser soldado, y que va a depender tanto
de las características del metal base, como del material de aporte empleado. Un
parámetro útil para evaluar la soldabilidad de los aceros es el concepto de
CARBONO EQUIVALENTE (CEV), que equipara las soldabilidades relativas de
diferentes aleaciones de acero y las compara con las propiedades de un acero
al carbono simple. A continuación se presenta la ecuación desarrollada por el
Instituto Internacional de Soldadura, y cuya expresión es la siguiente, donde
los contenidos de los elementos químicos se expresan en tanto por ciento (%):

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deformación.
h) Soldabilidad:
Donde:
C: Carbono Mo: Molibdeno
Mn: Magnesio V: Vanadio
Cr: Cromo Ni: Níquel
Cu: Cobre
𝐶𝐸𝑉 = 𝐶 +
𝑀𝑛
6
+
𝐶𝑟 + 𝑀𝑜 + 𝑉
5
+
𝑁𝑖 + 𝐶𝑢
15

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deformación.
h) Soldabilidad:
A medida que se eleva el contenido equivalente de carbono, la soldabilidad de
la aleación de acero que se trate decrece; como regla general, un acero se
considera soldable si el carbono equivalente, obtenido según la fórmula anterior,
es menor a 0,4%.
𝑀𝑛
6
+
5
+
𝑁𝑖 + 𝐶𝑢
15

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deformación.
h) Soldabilidad:
𝑀𝑛
6
+
5
+
𝑁𝑖 + 𝐶𝑢
15

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deformación.
h) Soldabilidad:
CEV (ASTM A-36) = 0.33%
CEV (ASTM A-569) = 0.29%
𝑀𝑛
6
+
5
+
𝑁𝑖 + 𝐶𝑢
15

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6. PERFILES COMERCIALES:
En términos de la fabricación, los perfiles comerciales se clasifican en:
a) Perfiles laminados en caliente:
Estos perfiles se obtienen a través de los lingotes de coladas continuas, que
son posteriormente tratados y conformados mediante laminadoras hasta darles
la forma y dimensiones finales. Para esto los lingotes en caliente deben pasar a
través de rodillos que comprimen el material, dándole la forma transversal
deseada. Luego los perfiles son cortados en dimensiones estándar.

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En términos de la fabricación, los perfiles comerciales se clasifican en:
a) Perfiles laminados en caliente:

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b) Perfiles laminados en frío:
Estos se obtienen doblando
láminas muy finas en la forma
deseada (sin calentarlas). Su
uso se restringe al caso de
solicitaciones de limitada
magnitud. Una de las ventajas
de estas secciones es su
versatilidad y a que casi
cualquier forma puede ser
lograda. Adicionalmente, este
proceso incrementa la tensión
cedente “fy” pero disminuye
su ductilidad. Sus espesores
delgados generan problemas
de pandeo local.

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c) Perfiles tubulares:
Las secciones huecas de acero circulares, cuadradas y rectangulares se
fabrican de dos formas:
1. Secciones Tubulares de Acero Con o Sin Costura: Los tubos con costura
se fabrican curvando las placas (sin calentarlas) en la forma deseada y
soldando la unión posteriormente, bien en forma de espiral o recta. Los
tubos sin costura son el resultado de un trabajo en caliente posterior.
2. Secciones Tubulares de Hierro Centrifugado: Se fabrican colando el
metal y luego logrando la dimensión deseada

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c) Perfiles soldados y/o electrosoldados:
Estos se obtienen a través de la unión de planchas soldadas entre sí, pudiendo
adoptar una gran cantidad de formas según las necesidades del diseño.
Adicionalmente, se pueden crear perfiles compuestos.

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d) Compuestos:
Adicionalmente, se pueden crear perfiles compuestos.

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7. FACTORES DE SOBRE-RESISTENCIA Y TENSIONES MÁXIMAS
ESPERADAS:
Para el diseño sismoresistente, conforme al tipo de acero, se consideran
factores de sobre-resistencia del material a fin estimar la capacidad
máxima probable de los miembros que incursionan en el rango inelástico:
Ry= Factor mínimo de sobre-resistencia cedente.
Rt= Factor mínimo de sobre-resistencia última.
Tensión cedente esperada= RyFy
Tensión última esperada= RtFu

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7. FACTORES DE SOBRE-RESISTENCIA Y TENSIONES MÁXIMAS
ESPERADAS:
Acero Estructural Ry Rt
Laminado en caliente y Barras:
ASTM A36 1.5 1.2
ASTM A572 Gr 42 1.1 1.1
ASTM A922;A572 Gr 50 O Gr 55; A913 Gr 50,
60 O 65; A588; A1011, HSLAS Gr 50
1.1 1.1
ASTM A529 Gr 50 1.2 1.2
ASTM A529 Gr 50 1.1 1.2
Secciones Compuestas Huecas:
ASTM A500 Gr B o Gr C; A501 1.4 1.3
Tubos:
ASTM A53 1.6 1.2
Planchas:
ASTM A36 1.3 1.2
ASTM A572 Gr 50; A588 1.1 1.2

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8. COMPONENTES DE ACERO ESTRUCTURAL EN EDIFICACIONES

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1.- Anclajes de
acero estructural

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2.- Arriostramientos

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3.- Bases de acero
estructural

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4.- Celosías

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5.- Columnas

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6.- Componentes
de acero
estructural para
marquesinas

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7.- Conectores
de corte

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8.- Conectores para
unir componentes
de acero estructural
remaches y pernos

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9.- Correas

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10.- Correas
para fachadas

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11.- Dinteles

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12.- Marcos para
puertas que
constituyen parte
de la estructura de
acero

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13.- Parrillas de
acero
estructural

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14.- Pies de
amigos o
puntales

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15.- Planchas
de piso (Lisas o
corrugadas)

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16.- Planchas de
repartición para
acero estructural

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17.- Separadores,
ángulos, tes,
elemento de
unión a corte

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18.- Soportes
fabricados con
perfiles de acero
estructural para
tuberías

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19.- Soportes para
techos colgantes
con altura mayor o
igual a 80mm

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20.- Tirantes,
suspensores y
barras soporte

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21.- Vigas

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22.- Vigas carrileras,
topes, empalmes,
pernos y elementos
de fijación

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22.- Vigas para grúas
monorrieles, compuestas por
perfiles laminados, cuando
están unidas a la estructura

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9. NORMATIVA NACIONAL E INTERNACIONAL
• COVENIN-MINDUR-FUNVISIS 1756-98 (revisión 2001). “Edificaciones
Sismorresistentes”
• COVENIN-MINDUR 1753-06. “Estructuras de Concreto Armado para Edificaciones.
Análisis y Diseño”
• COVENIN-MINDUR 2002-88 “Criterios y Acciones Mínimas”
• ACI 318-14 “Building Code Requirements for Structural Concrete”
• COVENIN-MINDUR 1618-98. “Estructuras de Acero para Edificaciones. Método de los
Estados Límites”
• COVENIN-MINDUR 1755-82. “Código de Prácticas Normalizadas para la Fabricación y
Construcción de Estructuras de Acero”
• COVENIN-MINDUR 2003-86. “Acciones del Viento sobre las Construcciones”
• ANSI/AISC 360-16 “Specification for Structural Steel Buildings”
• ANSI/AISC 341-16 “Seismic Provisions for Structural Steel Buildings”
• ANSI/AISC 358-16 “Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel
Moment Frames for Seismic Applications.

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