Estructuras de acero

Aceros:
1.1 Introducción:
En gran medida, el comportamiento de una estructura
cargada recibe influencia de los materiales utilizados en la
construcción.
Por lo tanto, en este capítulo se estudiaran las
propiedades y el comportamiento del material (esto es, el
acero) utilizado en la construcción de las estructuras de
acero, se considerara la producción de aceros y productos
de acero.

1.2 Producción de aceros y productos de
acero:
La producción de los perfiles de acero a partir de
materiales crudos puede dividirse en varias fases:
fundición del mineral en altos hornos ; fabricación
de acero en hornos de arco eléctrico o en hornos
básicos de oxigeno y laminado de los perfiles en
rodillos de laminación.

Alto horno:
El acero esta compuesto en esencia de hierro, además de una pequeña
cantidad de carbono y cantidades menores de otros elementos . El hierro
en los depósitos naturales aparece principalmente en la forma de
magnetita (Fe3 O4)y hematita (Fe2O3).
Por lo general, el hierro se extrae del mineral en altos hornos durante un
proceso denominado fundición.
El horno es alimentado por una carga compuesta de mineral de hierro,
coque y piedra caliza , en donde el oxido de hierro es reducido a hierro
por el carbono.
Los altos hornos mas grandes son capaces de producir entre 8000 y
10000 toneladas de hierro de primera fusión al día.
El hierro fundido se puede vaciar en lingotes o ser transportado
directamente en estado liquido en una olla de colada a la maquina de
colada continua.

Horno de arco eléctrico:
Es el medio mas económico para la producción de aceros con alto grado.
Tres electrodos de carbono, hasta de 2 pies de grosor y 24 pies de largo,
se extienden a través del techo y hacen contacto con la carga de metal
en la parte baja del horno.
Tres son las fases de corriente alterna que fluyen de un electrodo a la
carga metálica y luego de esta al siguiente electrodo, lo que produce un
intenso calor y un arco eléctrico.
También se añaden ingredientes desulfurizantes, desfosforizantes y
desoxidantes en cantidades indicadas mediante un análisis del metal.

Molinos de laminado:
También conocidos como molinos de rodillo o primarios.
Consiste en comprimir el lingote de acero entre dos rodillos, los cuales
giran a la misma velocidad pero en sentidos opuestos y espaciados.
La barra cuadrada varia en sus sección transversal entre 6x6 pulg y
12x12 pulg.
Una bilete o barra intermedia que también es cuadrada tiene un ancho
mínimo y un espesor de 1 1/2 pulg con un área de sección trasversal de
2.25 pulg2 a 36 pulg2.
Una plancha es una sección de forma rectangular con espesor mínimo de
1 1/2 pulg, un ancho mínimo de dos veces su espesor y un área de
sección transversal no menor a 16 pulg2.

Proceso de vaciado continuo:
El acero liquido de los hornos es transportado en forma secuencial en
ollas de colada, se vierte en un embudo de ahí pasa a un pequeño molde
enfriado por agua cuyo ritmo es controlado, tan pronto como se logra una
solidificación suficiente avanzada se retira la base del molde, empezando
con esto la producción del lingote embrión.
Este lingote es sometido a una serie de rodillos de soporte, rodillos de
curvamiento, rodillos de enderezado y rodillos de retiro que las planchas
continuas de acero rectangular transportan a la laminadora.

1.3 Secciones de acero laminado
Según sea la sección transversal se denominan como perfiles I, C, L o T y
placas, barras, barras circulares y HSS.
Las secciones en forma de I se clasifican como perfiles de patín ancho
(perfiles W), vigas estándar americanas (perfil S) o sección de pilote de
Punta (perfiles HP).

La nomenclatura de sección transversal utilizada en el manual LRFD y
en este libro se muestra a continuación.

Perfiles de patín ancho (w)
Estos perfiles tiene un peralte igual o mayor que el ancho del patín su
espesor, por lo general es mayor que el alma.
Los perfiles laminados con anchos de patín mas o menos iguales a sus
peraltes se conocen como perfiles de columna ( W8, W10, W12 y W14)
los dos últimos se utilizan principalmente para columnas en edificios
altos.
Los perfiles con ancho de patín menor que el peralte se conocen como
perfiles de viga.
Ejemplo W14x808 lo que significa que 14pulg es el peralte nominal (pero
real es 22.8 pulg) y su peso 808 plf.

Vigas estándar americanas (s)
Tiene patines relativamente mas angostos y alma mas gruesa que los
perfiles de patín ancho.
El uso de esta viga es poco común debido al excesivo material de su
alma y a que su rigidez lateral es relativamente baja proporcionada por el
patín angosto.
Ejemplo S12x50 en este caso las medidas nominales son las mismas

Perfiles de pilote de punta (HP)
Son perfiles de patín ancho, su espesor del alma y del patín son iguales,
y el ancho del patín así como el peralte son aproximadamente iguales al
peralte nominal de la sección.

Canales (C)
Tiene un alma y dos patines paralelos.
Ejemplo C12x30 en este caso también se respeta las medidas
nominales.
Loa canales se utilizan tanto en forma individual como en pares, donde
se requiere un lado plano (alma) para conexión entre otros miembros.
Se utilizan principalmente como tirantes de escalera, largueros, tirantes o
miembros diagonales.

Perfiles en ángulo (L)
Esta compuesto de dos elementos rectangulares llamados alas,
perpendiculares una a la otra.
Dos tipos de ángulos: ángulos de lados iguales y ángulos de lados
desiguales y ambos tipos son de espesores iguales.
Ejemplo L6x4x1/2 su designación es 6pulg y 4pulg de longitud de cada
ala y 1/2pulg el espesor.

Tes estructurales (WT, ST, MT)
Su sección se parece a la letra T, se fabrican en forma de W, S o M y
luego se corta por el medio.
A veces se utilizan como miembros de cuerda inferior y superior de
armaduras, y como miembros de arriostramiento diagonal en
construcciones.

Barras planas (FLT) y placas (PL)
La forma plana se a clasificado com barrra si su ancho es menor que o
igual a 8 pulg y como placa si su ancho es mayor a 8 pulg.
Se designa una barra plana con el ancho antes del espesor ejemplo
6x5/8, a la inversa una placa ejemplo 1/2x9.

Secciones estructurales huecas (HSS) y
Tubos circulares (P)
Se divide en dos categorías: soldadas o sin costura.
Su designación de una sección hueca cuadrada o rectangular es HSS
10x4x3/8

Perfiles de acero formados en frío
Son producidos al pasar hojas o tiras de acero a temperatura ambiente
por rodillos o prensas, después se dobla el acero para obtener la forma
deseada.
Estos perfiles se dividen en dos tipos: miembros estructurales y
miembros de superficie.

Perfiles de acero formados en frío
La diferencia con los perfiles laminados en caliente es que sus esquinas
son redondeadas y elementos planos esbeltos y que todos esos
elementos tienen el mismo espesor.

1.4 Tratamiento térmico del acero
Estos tratamiento térmicos afectan las propiedades del acero por los
cambios que causan en su estructura cristalina (tamaño de grano).
El tratamiento térmico por lo general se lleva acabo después que se a
dado la forma final en la que serán utilizados.
Hay tres procesos principales de tratamiento térmico: enfriamiento,
templado y destemplado.

Enfriamiento: consiste en calentar la pieza metálica a unos 1650 °F, y
luego rápidamente enfriarlo en agua, salmuera, aceite o plomo fundido.
Con esto se logra un material muy duro y resistente pero susceptible a
las fracturas debido a los esfuerzos residuales.
El templado: consiste en recalentar la pieza a una temperatura no menor
de 1150 °F, misma que luego se deja enfriar al aire, esto alivia los
esfuerzos internos y hace al acero mas dúctil y muy tenaz, sin causar
reducción de resistencia o dureza.
El destemplado: se calienta el acero por arriba del rango de
transformación, y después se mantiene esta temperatura por suficiente
tiempo, se produce un lento enfriamiento del acero ya sea en el mismo
horno o por algún otro medio que asegure un ritmo retardado de
enfriamiento.
Esto ayuda a la ductilidad del material, pero reduce su esfuerzo de
fluencia ( es lo contrario a endurecimiento).

1.5 Clasificación de los aceros
estructurales
Se clasifican como:
• Aceros con carbono.
• Aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA).
• Aceros HSLA resistentes a la corrosión.
• Aceros de baja aleación enfriados templados.
• Aceros de aleación enfriados y templados.
Los aceros estructurales son referidos por las designaciones ASTM, que
consisten en el prefijo de la letra A seguido por uno, dos o tres dígitos
numéricos.
Ejemplo ASTM A514 se refiere al material que es normado por el numero
estándar A514 y que aparece en el Annual Book of ASTM Standards.

1.5.1 Aceros con carbono
Estos aceros contiene menos de 1.7%C, 1.65%Mn, 0.60%Si y 0.60%Cu.
Si se incrementa el porcentaje de carbono se eleva el esfuerzo de
fluencia y la dureza, pero se reduce la ductilidad y afecta de manera
adversa la soldabilidad.
Pueden subdividirse en categorías basadas en el contenido de carbono:
• Aceros con bajo carbono (menos de 0.15%C)
• Aceros dulces (0.15% a 0.29%C)
• Aceros al medio carbono (0.60% a 1.7%C)
Los aceros estructurales quedan el la categoría de los aceros dulces.

ASTM A36 o acero estructural
Es el material mas usado para construcciones de edificios y puentes.
Tiene contenido máximo de carbono, que varia entre 0.25%y 0.29%,
dependiendo del espesor.
Tiene su esfuerzo de fluencia mínimo de 36 ksi, excepto para placas
de mas de 8 pulg de espesor, para las cuales el esfuerzo de fluencia
mínimo es 32 ksi.
El esfuerzo ultimo de tensión de este acero varia de 58 ksi a 80 ksi,
para cálculos de diseño se utiliza el valor mínimo especificado de 58
ksi.

1.5.2 Aceros de alta resistencia y baja
aleación (HSLA)
Algunos elementos de aleacion son cromo , columbio, cobre,
manganeso, molibdeno, niquel, vanadio y zirconio.
El termino baja aleacion se utiliza generalmente para describir aceros
cuyo contenido total deelemntos de aleacion no excede de 5% de la
composicion total del acero.
Estos aceros tienen esfuerzos de fluencia en un rango de 40 ksi a 70 ksi.

Aceros ASTM A572
Son aceros de vanadio-columbio de baja aleacion y alta reistencia de
calidad estructural.
La especificacion A572 define cinco grados de aceros HSLA 42, 50, 55,
60 y 65. este grado representa el nivel defluencia por ejemplo 42 ksi.
Estos aceros se producen para la construccionn de edificios y otras
estructuras, ya sea soldadas y atornilladas, excepto para contruccionn de
puentes.

Aceros ASTM A992
La nueva especificación ASTM A992 cubre solo los perfiles W con el fin
de ser utilizados en la construcción de edificios.
Tiene valores mínimos especificados para Fy y Fu de 50 y 65 ksi.
Tiene excelentes características de ductilidad y soldabilidad.

1.5.3 Aceros HSLA resistentes a la
corrosión
El oxido apretado o pátina como se le conoce sella en metal base contra
oxidación futura y por lo tanto actúa como una capa de pintura, lo que
protege al acero de la corrosión subsiguiente.
El cobre y el níquel son los principales elementos añadidos a los aceros
HSLA para mejorar la resistencia a la corrosión.

Aceros ASTM A588
Es un acero de intemperie de baja aleación con un punto de fluencia
mínimo de 50 ksi para espesores hasta 4 pulg.
Este acero se produce principalmente para estructuras de construcción
soldadas y atornilladas.
Su resistencia a la corrosión atmosférica es cuatro veces la del acero
A36.

1.5.3 Aceros aleados y de baja aleación
enfriados y templados
Los aceros enfriados y templados difieren de los aceros de baja
aleación y alta resistencia en que tienen un porcentaje mas elevados
de elementos de aleación y en que dependen del tratamiento térmico
para desarrollar niveles de resistencia mas elevados y otras
propiedades mecánicas mejoradas.
El enfriamiento da como resultados un material con mucha dureza,
grano fino o estructura martensítica.
El templado mejora la ductilidad.
Los aceros enfriados y templados solo están disponibles en forma de
placas.

Aceros ASTM A514
Esta especificación define diversos tipos de placas de acero aleado,
enfriado y templado de calidad estructural apropiada para la soldadura.
Los aceros A514 pueden utilizarse para edificaciones muy altas, torres
de televisión, puentes soldados, tanques para almacenamiento de
agua y mucho mas donde se requieren proporciones altas de
resistencia a la fluencia contra el peso.
El esfuerzo mínimo de fluencia es de 100 ksi para espesores hasta de
2 ½ pulg o mas, y de 90 ksi para espesores mayores a 2 ½ pulg
inclusive.

1.6 Propiedades físicas de los aceros
1.6.1 Prueba para determinar la resistencia, rigidez y ductilidad.
Prueba de tensión.

Patrones de esfuerzo residual de laminado en caliente y soldado

1.7 Economía
1.7.1 Ventajas del acero:
• Alta resistencia, gran rigidez (resistencia a la deformación) y gran
ductilidad.
• Es el material mas fuerte, versátil y económico disponible para la
industria de la construcción.
• Pueden ser fáciles y rápidas de reparar.
• Facilidad de montaje y desmontaje
• Reduce los costos de financiamiento de construcción.

1.7.3 Usos de aceros de alta resistencia:
En la actualidad los aceros con esfuerzo de fluencia de 50 ksi se utilizan
con mas frecuencia en la construcción de edificios, lo que remplaza al
acero A 36 en muchas aplicaciones.
Los aceros de 50 ksi disponibles incluyen el acero A992 introducido en
fecha reciente para perfiles W y WT, A572 y el acero estructural A913 de
alta resistencia y baja aleación, aceros estructurales A 242 y A588 de alta
resistencia y baja aleación y resistentes a la corrosión así como el acero
estructural de carbono-manganeso A529 de elevada resistencia.

1.8 Secciones compuestas:
En el manual LRFD se tabulan las propiedades para 318 perfiles I,
65 perfiles C, 126 perfiles L y 302 perfiles T disponibles en el
mercado actual.
Cuando los requerimientos para resistencia o rigidez no se pueden
satisfacer mediante una sección disponible, se puede utilizar una
sección transversal llamada sección armada o sección
compuesta la cual se obtiene al soldar ( o, al atornillar, menos
frecuente hoy en día) diversas placas y/o perfiles laminados.
Las secciones compuestas a menudo se usan para vigas, donde la
resistencia a la flexión requerida es mayor que la de las secciones
laminadas mayores disponibles. La sección laminada puede
modificarse mediante una placa denominada cubreplaca soldada
al patín superior y/o inferior como se muestra en la figura.

Secciones compuestas usadas como vigas

Secciones compuestas usadas como columnas

En el manual LRFD se listan las propiedades de sección para ciertas
secciones compuestas utilizadas a menudo, esto es, ángulos dobles,
canales dobles y perfiles I con canales de remate.
Estas propiedades deben determinarse para otras secciones
armadas.
La mayoría de los lectores deben estar familiarizados con el método
para determinar las propiedades geométricas de la sección, como
momento de inercia, I, modulo de sección, S, y radio de giro, r, de la
sección armada. Sin embargo, a continuación se hace una revisión
del procedimiento requerido.
Secciones compuestas

Propiedades de las secciones
Considérese una sección compuesta con una área total A compuesta de n
partes. (Una sección compuesta que consiste de dos elementos, un perfil I y un
canal, se muestran en la figura).Las partes componentes deben seleccionarse
de manera que puedan obtenerse las propiedades de su sección a partir de las
tablas del manual LRFD (perfiles I, C, T, L y otras), o puedan calcularse
fácilmente (rectángulos, semicírculos y otras mas).
Sea G el centro de gravedad de la sección compuesta y x-x un eje a través de
G, alrededor del cual se calcula el momento de inercia.
El primer paso en la evaluación de I de un área es localizar el centro de
gravedad del área, G. Si la sección tiene un eje de simetría, el centro de
gravedad G cae sobre este eje. Si la sección tiene dos ejes de simetría,
entonces G coincide con el punto de intersección de esos dos ejes.
De otra manera, para localizar la posición de G, se debe elegir un eje de
referencia arbitrario x´- x´ paralelo al eje x-x y en el mismo plano de la sección.
A veces resulta una ventaja hacer que el eje x´- x´ coincida con la cara de
alguna de las componentes, o si es posible, hacerlo pasar por el centro de
gravedad de una componente.

Designe las áreas de las partes componentes como A1 ,A2 , ….Ai ….. An .
Sea ȳi la distancia a partir del eje de referencia x´- x´ al centro de gravedad
Gi de la componente i. multiplíquese cada área de una componente Ai por
su distancia ȳi. Este es el primer momento (o momento estático) del
componente i. Obténgase el total de momentos de áreas de los
componentes y esta suma divídase entre el área de todas las secciones.
La ȳ es la distancia del centro de gravedad G de la sección compuesta al
eje de referencia x´- x´. Asi,
Donde n = numero de partes componentes
Ai = área del componente i
ȳi = distancia de Gi al eje x´- x´.
ȳ = distancia de G al eje x´- x´.

El momento de inercia requerido alrededor del eje centroide x-x se
calcula a continuación.
Para este efecto, se determina la distancia di (=ȳi - ȳ) desde el eje x-x al
centro de gravedad Gi de cada componente. Desígnese estos como d1 ,d2
, ….di ….. dn . Determínese ( u obtengase de las tablas del manual) los
momentos de inercia de cada componente alrededor de su propio centro
de gravedad, sobre un eje paralelo al eje x-x. Desígnese como I01 ,I02 ,
….I0i ….. I0n Aplíquese el teorema de ejes paralelos, que establece que el
momento de inercia alrededor de un área alrededor de cualquier eje es
igual al momento de inercia alrededor de un eje paralelo que pasa a través
del centroide del área, mas el área multiplicada por el cuadrado de la
distancia entre esos dos ejes, el momento de inercia de la sección
compuesta alrededor del eje x-x se obtiene como sigue:

1.9 Corrosión Pintura y galvanizado:
1.9.1 Corrosión:
Se puede definir como la destrucción de un metal por reacciones
químicas o electroquímicas con su ambiente.
Solo se formara si el oxigeno y la humedad se combinan.
La pintura y el galvanizado son los dos métodos que se utilizan para
proteger al acero contra la corrosión.
1.9.2 Pintura:
La función de pintura consiste en esencia, en interponer capas neutras
de sustancias entre la superficie del acero y el medio corrosivo.
Sus limitaciones son la degradación de la película protectora y la
necesidad de volver a pintar.
Los principales ingredientes de la pintura liquida incluyen adhesivos,
pigmentos y solventes.

1.9 Corrosión Pintura y galvanizado:
1.9.3 Galvanizado:
Es un recubrimiento de la estructura con zinc fundido. Este elemento
forma un enlace metalúrgico con el metal desnudo, y el sistema de
protección resultante puede brindar larga vida antes que se requiera
mantenimiento.
La superficie a ser galvanizada requiere una limpieza química de acero
mediante un baño con acido hidroclórico o sulfúrico diluidos y luego
aplicar un enjuague de cloruro de amonio el cual absorberá cualquier
remanente de impurezas y mantiene el metal limpio hasta que es
sumergido en el baño de zinc fundido.

Un candil pesa 2 Kips y cuelga del domo de un teatro. La barra de la que
está colgado es de 20 pies de largo y tiene un diámetro de ½ pulg.
Calcule el esfuerzo y deformación de la varilla y su elongación. Omita el
peso propio de la varilla.
Problema

Localice los ejes principales para las secciones de la viga mostrada.
Asimismo, calcule el área de sección transversal, el peso por pie lineal,
el momento de inercia y los módulos de sección alrededor de los ejes x y
y.
Problema

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