Se desarrollara la historia del acero, de como se produce, tipos de acero

1. UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
FRANCISCO DE MIRANDA
AREA DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ESTRUCTURAS
PROYECTO ESTRUCTURAL DE ACERO Y MADERA

2. Es el material estructural más usado para construcción
de estructuras en el mundo. Es fundamentalmente
una aleación de hierro (mínimo 98 %), con contenidos
de carbono menores del 1 % y otras pequeñas
cantidades de minerales como manganeso, para
mejorar su resistencia, y fósforo, azufre, sílice y
vanadio para mejorar su soldabilidad y resistencia a la
intemperie
EL ACERO

3. La construcción en acero surgió a partir del siglo XVIII, en el
cual se produce un vertiginoso desarrollo de este material.
El acero se comenzó a utilizar como elemento estructural en
obras de arquitectura para la construcción de estaciones
ferroviarias y salones de exposición, es decir para cubrir grandes
espacios.
EVOLUCIÓN HISTÓRICA
Estación Saint Pancras - Londres - Inglaterra
W. H. Barlow (1864) Interior de la estación Pensilvania - EEUU
(McKim, Mead & White)

4. El desarrollo de la construcción con acero de edificios en altura
surge a fines del siglo XVIII y principios del XIX, donde la
estructura se rellena con obra de mampostería.
EVOLUCIÓN HISTÓRICA
Edificio Wainright - St Louis - USA
Estudio Sullivan & Adler (1894-96) Edificio Marquette - Chicago - USA
Estudio Holabird & Roche (1894)

5. El desarrollo posterior de los conceptos conduce a novedosos
planteos de esqueleto y cerramiento exterior metálico, con una
notable evolución.
Se da paso luego a la "curtain-wall", cerramiento liviano,
transparente y continuo, "colgado" por delante de la estructura
resistente.
EVOLUCIÓN HISTÓRICA
Torre Seagram - New York - 1958

6. VENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL
Alta resistencia: la alta resistencia del acero por unidad de peso,
permite estructuras relativamente livianas, lo cual es de gran importancia en la
construcción de puentes, edificios altos y estructuras cimentadas en suelos
blandos.
Ductilidad: el acero permite soportar grandes deformaciones sin falla,
alcanzando altos esfuerzos en tensión, ayudando a que las fallas sean
evidentes
Tenacidad: el acero tiene la capacidad de absorber grandes cantidades
de energía en deformación (elástica e inelástica).
Durabilidad: buena durabilidad bajo buen mantenimiento.
Homogeneidad o uniformidad: las propiedades del acero no se alteran
con el tiempo, ni varían con la localización en los elementos estructurales.
Elasticidad: el acero es el material que más se acerca a un comportamiento
linealmente elástico (Ley de Hooke) hasta alcanzar esfuerzos considerables.
Precisión dimensional: los perfiles laminados están fabricados bajo
estándares que permiten establecer de manera muy precisa las propiedades
geométricas de la sección.

7. VENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL
Facilidad de unión con otros miembros: el acero en perfiles se puede
conectar fácilmente a través de remaches, tornillos o soldadura 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 uso en gran cantidad de tamaños y
formas.
Costo de recuperación: las estructuras de acero de desecho, tienen un
costo de recuperación en el peor de los 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 de manera relativamente sencilla.
Se pueden prefabricar estructuras: el acero permite realizar la mayor
parte posible de una estructura en taller y la mínima en obra consiguiendo
mayor exactitud.

8. DESVENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL
Corrosión: el acero expuesto a intemperie sufre corrosión por lo que
deben recubrirse siempre con esmaltes alquidálicos (primarios
anticorrosivos) exceptuando a los aceros especiales como el inoxidable.
Baja resistencia a fuego: en incendios, el calor se propaga rápidamente por
las estructuras haciendo disminuir su resistencia hasta alcanzar
temperaturas donde el acero se comporta plásticamente, debiendo
protegerse con recubrimientos aislantes del calor y del fuego (retardantes)
como mortero, concreto, asbesto, etc.
Costo de mantenimiento: Altos costos de mantenimiento para evitar
la corrosión y aumentar su resistencia al fuego.
Susceptibilidad al pandeo: debido a su alta resistencia/peso el
empleo de perfiles esbeltos sujetos a compresión, los hace susceptibles al
pandeo elástico, por lo que en ocasiones no son económicos las columnas
de acero.
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 frecuentes de magnitud de esfuerzos a tensión (cargas
pulsantes y alternativas).

9. PRIMEROS USOS DEL HIERRO Y DEL ACERO
Hierro: Elemento químico natural y metálico de gran resistencia
mecánica (Fe).
3000 a. C. Se emplean ya utensilios tales como herramientas y
adornos hechos de hierro en el antiguo Egipto. Se encuentran dagas y
brazaletes en la pirámide de Keops con más de 5000 añtos de
antigüedad.
1000 a. C. Inicio de la edad del hierro. Primeros indicios en su
fabricación: 1) se cree que un incendio forestal en el monte Ide de la
antigua Troya (actual Turquía) fundió depósitos ferrosos produciendo
hierro. 2) otros creen que se comenzó a emplear a partir de
fragmentos de meteoritos donde el hierro aparece en aleación con
Níquel.
490 a. C. Batalla de Maratón Grecia: los atenienses vencen con sus armas
de hierro a los persas, que aún emplean el bronce, con un balance de
6400 contra 192 muertos.

10. PRIMEROS USOS DEL HIERRO Y DEL ACERO
Acero: Aleación de hierro (99 %) y carbono (1 %) y de otros elementos de la
más alta resistencia mecánica.
1000 a. C. Se cree que el primer acero se fabricO por accidente al calentar
hierro con carbOn vegetal siendo este ültimo absorbido por la capa exterior
de hierro que al ser martillado produjo una capa endurecida de acero. De esta
forma se llevO a cabo la fabricaciOn de armas tales como las espadas
de Toledo y Damasco.
1779. Se construye el puente Coalbrookdale de 30m de claro sobre el
rio Severn en Inglaterra. Se dice que este puente cambia la historia de
la revoluciOn industrial al introducir el hierro como material estructural (hierro
4 veces más resistente que la piedra y 30 veces más que la madera).
1819 Se fabrican los primeros ángulos laminados de hierro en E.U.A.
1840. El hiero dulce más maleable, comienza a desplazar al hierro fundido en
el laminado de perfiles.
1848 . Willian Kelly fabrica acero con el proceso Bessemer en E.U.A.

11. PRIMEROS USOS DEL HIERRO Y DEL ACERO
1855. Henry Bessemer consigue una patente inglesa para la fabricación
de acero en grandes cantidades. Kelly y Bessemer observan que un chorro
de aire a través del hierro fundido quema las impurezas del metal, pero
también eliminaba el carbono y magnesio.
1870. Con el proceso Bessemer se fabrican grandes cantidades de
acero al bajo carbono.
1884. Se terminan las primeras vigas IE (I estándar) de acero en E.U.A. La
primera estructura reticular es montada: el edificio de la Home
Insurance Company de Chicago.
1884. William Le Baron Jenny diseña el primer “rascacielos“ (10 niveles) con
columnas de acero recubiertas de ladrillo. Las vigas de los seis pisos
inferiores se fabrican en hierro forjado, mientras que las de los pisos
restantes se fabrican en acero.
1889. Se construye la torre Eiffel de Paris, con 300m de altura, en
hierro forjado, comienza el uso de elevadores para pasajeros
operando mecánicamente.

12. FABRICACIÓN DEL ACERO
La materia prima para la fabricación del acero es el mineral de hierro, coque y
caliza.
Mineral de hierro: tiene un color rojizo debido al óxido de Hierro.
Coque: es el producto de la combustión del carbón mineral (grafito) es ligero,
gris y lustroso.
Para convertir el coque en carbón mineral se emplean baterizo de hierro donde
el carbón se coloca eliminándole el gas y alquitrán, después es enfriado,
secado y cribado para enviarlo a los altos hornos (Coah.).
Piedra caliza: es carbonato de calcio de gran pureza que se emplea en la
fundición de acero para eliminar sus impurezas (Nuevo León).
El primer producto de la fusión del hierro y el coque se conoce como arrabio, el
cual se obtiene aproximadamente a los 1650 0 C.
Una vez en el alto horno, los tres componentes se funden a los 1650 ºC, que
aviva el fuego y quema el coque, produciendo monóxido de carbono el cual
produce más calor y extrae el oxígeno, del mineral de hierro dejándolo puro. La
alta temperatura funde también la caliza, que siendo menos densa flota en el
crisol combinándose con las impurezas sólidas del mineral formando la scoria,
misma que se extrae diez minutos antes de cada colada.

13. HORNOS

14. Laminación.
La laminación del lingote inicia con un molino desbastador, el lingote
de acero calentado a 1330 0 C se hace pasar entre dos enormes
rodillos arrancados por motores de 3500 H.P. convirtiéndolo en
lupias de sección cuadrada o en planchones de sección rectangular.
Ambos son la materia prima para obtener placa laminada, perfiles
laminados, rieles, varilla corrugada, alambrón, etc.
Laminado en caliente:
Es el proceso más común de laminado y consiste en calentar la
lupia (o planchón) a una temperatura que permita el comportamiento
plástico del material para así extruirlo en los "castillos" de laminado
y obtener las secciones laminadas deseadas.
Laminado en frío:
Es un proceso que permite obtener secciones con un punto de
fluencia más elevado, al extruir el material a temperatura
completamente más baja que la del laminado en caliente.

15. LAMINDADO vs FORJADO

16. LAMINADO

18. SECCIONES
DE
PERFILES
LAMINADOS
(IMCA)

20. Clasificación de Aceros Estructurales De acuerdo a la
American Society of Testing Materials (ASMT)
Aceros estructurales de carbono (A-36, A-529)
Bajo contenido de carbono (<0.15 %)
Dulce al carbono (0.15 . 0.29 %)
Medio al carbono (0.30 . 0.59 %)
Alto contenido de carbono (0.6 . 1.7 %)
Aceros estructurales de alta resistencia y baja aleación. (A-441
y A-572) aleación al 5 %
Aceros de alta resistencia y baja aleación, resistentes a la
corrosión atmosférica (A-242, A-588)
Acero templado y revenido (A-514)

21. TENSIONES CEDENTES Y DE AGOTAMIENTO DE LOS ACEROS
Propiedades mecánicas de los aceros comúnmente empleados, según su
clasificación por la norma venezolana COVENIN, la norteamericana ASTM y la alemana DIN
Norma Designación
Tensión Cedente
Fy
Tensión de Agotamiento Fu
kgf/cm2 Ksi kgf/cm2 ksi
COVENIN
(COMISION
VENEZOLANA DE
NORMAS
INDUSTRIALES)
AE-25 2500 35.56 3700 52.63
AE-35 3500 49.78 5500 78.23
ASTM
(AMERICAN SOCIETY
FOR TESTING AND
MATERIALS)
A-36 2531.05 36
4077.81-
5624.56
58-80
A-529 grado 42 2952.90 42
4218.42-
5976.10
60-85
A-529 grado 50 3515.35 50
4921.49-
7030.70
70-100
A-572 grado 60 4218.42 60 5273.03 75
A-572 grado 65 4569.96 65 5624.56 80
DIN
(DEUTSCHES INSTITUTE
FUR NORMUNG)
ST-37 2400 34.14 3700 52.63
ST-42 2600 36.98 4200 59.74
ST-52 3600 51.20 5200 73.96

22. OBJETIVO DEL PROYECTISTA ESTRUCTURAL
El proyectista debe aprender a distribuir y a proporcionar las partes de las
estructuras de manera que tengan suficiente resistencia, su montaje sea
práctico y sean económicas.
Seguridad Las estructuras no solo deben soportar las cargas impuestas (edo.
límite de falla),sino que además las deflexiones y vibraciones resultantes, no
sean excesivas alarmando a los ocupantes, o provoquen agrietamientos (edo.
límite de servicio)
Costo El proyectista debe siempre procurar abatir los costos de construcción
sin reducir la resistencia, algunas ideas que permiten hacerlo son usando
secciones estándar haciendo detallado simple de conexiones y previendo un
mantenimiento sencillo.
Factibilidad Las estructuras diseñadas deben fabricarse y montarse sin
problemas, por lo que el proyectista debe adecuarse al equipo e instalaciones
disponibles debiendo aprender como se realiza la fabricación y el montaje de
las estructuras para poder detallarlas adecuadamente, debiendo aprender
tolerancias de montaje, dimensiones máximas de transporte, especificaciones
sobre instalaciones; de tal manera que el proyectista se sienta capaz de
fabricar y montar la estructura que esta diseñando.

23. SEGÚN NORMA COVENIN 1618-98, LAS PROPIEDADES DEL
ACERO ESTRUCTURAL SON LAS SIGUIENTES: tabla 5.1
Modulo de Elasticidad.....................................E = 2,1 x 106
kgf/cm2
Modulo de Corte.............................................G = E/2,6 = 808.000
kgf/cm2
Coeficiente de Poisson................................... v = 0,3
Peso Unitario..................................................p = 7850 kgf/cm2
Coeficiente de Dilatación Térmica...................α = 11,7 x 10 –6/°C

24. ACCIONES MÍNIMAS
Se entiende por "acciones" los fenómenos que producen cambios en el estado de
tensiones y deformaciones en los elementos de una edificación, como las cargas,
los asentamientos, los efectos de temperatura y reología, etc,.
ACCIONES PERMANENTES
Son las que actúan continuamente sobre la edificación y cuya magnitud puede
considerarse invariable en el tiempo, como las cargas debidas al peso propio de los
componentes estructurales y no estructurales: pavimentos, pesos del techo,
largueros, láminas de pisos, losas de pisos, vigas, trabes, rellenos, paredes,
tabiques, frisos, instalaciones fijas, etc.
ACCIONES VARIABLES
Las acciones variables son aquellas que actúan sobre la edificación con una magnitud
variable en el tiempo y que se deben a su ocupación y uso habitual, como las cargas de
personas, objetos, vehículos, ascensores, maquinarias, grúas móviles, sus efectos de
impacto, así como las de acciones variables de temperatura y reológicas, y los empujes de
líquidos y tierras que tengan un carácter variable

25. ACCIONES ACCIDENTALES
Las acciones accidentales son las que en la vida útil de la
edificación tienen una pequeña probabilidad de ocurrencia
solo durante lapsos breves de tiempo, como las acciones
debidas al sismo, al viento, etc.
Acciones del sismo
Son las acciones producidas por movimientos del terreno
originados por los sismos. Habitualmente, las acciones del
sismo se dan mediante sus espectros.
Acciones del viento
Son las acciones producidas por el aire en movimiento sobre los
objetos que se le interponen, yconsisten, principalmente, en
empujes y succiones.

26. INTRODUCCIÓN A LOS ESTADOS LIMITES (LRFD)
En el diseño por el método elástico se determina la sección del elemento
estructural basándose en las cargas de trabajo o servicio y en los
esfuerzos admisibles, los cuales son una fracción del esfuerzo de fluencia
del acero. En éste método se usa el mismo factor de seguridad para las
cargas muertas y para las cargas vivas.
El método de diseño de los estados límites es un método para diseñar
estructuras de tal manera que no se exceda ningún estado límite aplicable,
cuando la estructura se somete a todas las combinaciones apropiadas de
las cargas, empleadas como factores.
El método como se aplica a cada estado límite, se puede resumir en la
fórmula:
iQi< Rn

27. ESTADOS LÍMITE
Los Reglamentos de Construcción definen los estados límite de la
respuesta de los edificios ante las cargas impuestas. Actualmente
se distinguen los estados:
1. Estado límite de falla: evitar una falla total o parcial
2. Estado límite de servicio: evitar un mal comportamiento en
el confort (vibraciones, deformaciones excesivas, asentamientos,
etc.). Toda estructura, y cada una de las partes que la componen,
han de diseñarse para que cumplan los requisitos fundamentales:
1. Tener seguridad adecuada contra la aparición de todo estado
límite de falla posible ante las combinaciones de acciones más
desfavorables que puedan presentarse durante su vida esperada.
2. No rebasar ningún estado límite de servicio ante
combinaciones de acciones que corresponden a condiciones
normales de operación.

28. iQi< Rn
 : Factor de reducción de resistencia (FR<1). Toma en cuenta
todas
las incertidumbres asociadas a la estimación de la resistencia
(hipótesis de diseño, variación de las propiedades del material y
dimensiones de sección, mano de obra, aproximación en la
estimación de la resistencia, etc.)
Rn: Resistencia nominal. Resistencia teórica del elemento
obtenida a partir de ciertas hipótesis o ensayes experimentales.
i: Factor de carga (FC>1). Toma en cuenta las incertidumbres de
la
estimación de las cargas (variación de las cargas, cambio de uso
en la estructura, cargas no consideradas en el diseño,
aproximación en el análisis de cargas, etc.)
Qi: Elemento mecánico producido por las cargas impuestas.
PU: Elemento mecánico último o factorizado por carga.

29. FACTORES DE CARGA
El propósito de los factores de carga es incrementar las cargas para tomar en cuenta las incertidumbres
implicadas al estimar las magnitudes de las cargas variables, permanentes y accidentales durante la vida
útil de la estructura.
La norma venezolana COVENIN 1618:1998, establece en su capítulo 10, que las
solicitaciones mayoradas sobre la estructura, sus miembros, juntas y conexiones, así como su
sistema de fundación, se determinaran de las hipótesis de solicitación que produzca el efecto
mas desfavorable, para tal efecto se deben aplicar las combinaciones que se indican a
continuación.
1,4*CP
1,2*CP + 1,6*CV + 0,5*CVt
1,2*CP + 1,6*CVt + (0,5*CV ± 0,8*W)
1,2*CP ± 1,3*W + 0,5*CV + 0,5*CVt
0,9*CP ± 1,3*W
1,2*CP + γ*CV ± S
0,9*CP ± S
Donde:
CP : Acciones permanentes, definidas en el capítulo 4, de la Norma COVENIN-
MINDUR 2002-88.
CV : Acciones variables, definidas en el capítulo 5 de la Norma COVENIN-MINDUR 2002-
88.
CVt : Acciones variables en techos, definidas igual a la anterior.
W : Acciones accidentales debidas al viento, se determinan de acuerdo a la Norma
COVENIN- MINDUR 2003-89. Acciones del viento sobre las construcciones.
S : Acciones accidentales debidas al sismo, según la Norma COVENIN-MINDUR
1756:2001. Edificaciones Sismorresistentes.

30. FACTORES DE RESISTENCIA
Para estimar con “precisión” la resistencia última de una estructura, es necesario
tomar en cuenta las incertidumbres que se tiene en la resistencia de los materiales,
en las dimensiones, en la mano de obra, etc
Factores de
Resistencia
Situaciones
1.00 Aplastamiento en áreas proyectantes de pasadores, fluencia del alma bajo
cargas concentradas, cortante en tornillos en juntas tipo fricción.
0.90 Vigas sometidas a flexión y corte, filetes de soldadura con esfuerzos
paralelos al eje de la soldadura, soldaduras de ranura en el metal base.
0.85 Columnas, aplastamiento del alma, distancias al borde y capacidad de
aplastamiento en agujeros.
0.80 Cortante en el área efectiva de soldaduras de ranura con penetración
completa, tensión normal al área efectiva de soldaduras de ranura con
penetración parcial.
0.75 Tornillos a tensión, soldaduras de tapón o muesca, fractura en la sección
neta de miembros a tensión.
0.65 Aplastamiento en tornillos (que no sean tipo A307)
0.60 Aplastamiento en tornillos A307, aplastamiento en cimentaciones de