El documento describe los conceptos básicos del diseño estructural de acero. Explica que el diseño estructural involucra definir el arreglo estructural, predimensionar los elementos, determinar las cargas, realizar análisis estructural, diseñar para resistencia y economía. Luego discute los primeros usos del hierro y el acero, los diferentes tipos de perfiles estructurales, y las propiedades y grados modernos de acero estructural.

1. CAPITULO 1
El Acero Estructural

2. INTRODUCCIÓN
• DISEÑO ESTRUCTURAL
Es el proceso requerido para producir un sistema
estructural (estructura) seguro, funcional y económico.
Comprende los siguientes pasos:
1)Arreglo Estructural: Se definen los siguientes
puntos:
• Sistema estructuralVertical: pórticos, muros,
etc.
• Sistema estructural Horizontal: tipo de losa.
• Materiales: Acero, Concreto Reforzado,
Concreto Presforzado.
Figura No. 1: Estructura de Acero

3. • 2) Predimensionamiento: Dimensiones preliminares de
elementos.
• 3) Determinación de Cargas: Códigos.
• 4) Análisis Estructural: Fuerzas internas, reacciones y
deformaciones.
• 5) Diseño Estructural: Servicio, Resistencia y Economía
• Servicio
• FUNCIONAL: Deformaciones  deformaciones permisibles
(Códigos)
• Resistencia
• SEGURO: Resistencia  Carga
• Economía
• ECONÓMICO: Minimizando el peso de la estructura metálica
• 6) Preparación de Planos Estructurales: Dibujo y Supervisión

4. El Diseño Estructural debe ser óptimo ¿Cómo?

5. Primeros usos del hierro y el acero
• Hierro (Metal)
• 5000 años A.C. (primeros vestigios de uso del
hierro).
• 1000 A.C. comienza la “Edad de hierro” (guerras).
• 1777-1840 se construyeron varios puentes con
hierro fundido o colado (hierro calentado + bajo
contenido de carbono).
• 1840 comienza a ser usado el hierro forjado (hierro
calentado + alto contenido de carbono).
• Acero Estructural
• Primer acero: hierro calentado + % carbono (entre
hierro fundido y hierro forjado).
• Acero modernos: aleación de hierro (98%) +
carbono (0.15% al 1.7%) + otros elementos.
• Procesos de Fabricación: Bessemer en 1885 y el de
corazón abierto permitió la fabricación de acero a
precios competitivos, lo que impulsó el desarrollo
del acero estructural a partir de 1890.
• Chatarra de acero (autos viejos).
• Fundición de chatarra en hornos eléctricos.
• Colocación de acero fundido en moldes (forma del elemento).
• Rodillado (rolado) para darle forma final.
• 1884: Edificio de 10 pisos en Chicago (Home Insurance
Company con Columnas de hierro colado recubiertas por
ladrillos y Vigas I: 6 pisos de hierro forjado y los 4 últimos
de acero estructural).
• 1890: Segundo Edificio en Chicago (Rand-McNally
completamente de acero estructural)
• 1889: Torre Eiffel en París con 985 pies = 300 m. de altura
(hierro forjado) y ascensores.
• 120 años después: Miles de edificios altos y puentes en
todo el mundo.

6. PERFILES ESTRUCTURALES
Hay cuatro tipos:
• Perfiles rolados (laminados) en
caliente
• Perfiles doblados (plegados) en frío
Perfiles Soldados
• Perfiles con Secciones Compuestas
(Acero + Concreto)
• Nota: En Ecuador se encuentran en
stock perfiles doblados en frío hasta
espesores de 10 mm.
Figura No. 2: Perfiles laminados en caliente y en frío

7. Figura No. 3: Perfiles Soldados Figura No. 4: Perfiles con Secciones
Compuestas
NOMENCLATURA DE
PERFILES

8. I. PERFILES AMERICANOS

9. II. Perfiles europeos
• IPE:Vigas I de ala estrecha: d varía de 80 a
770 mm; alas sin pendiente.
• IPE - 500
• HE: Columnas de ala ancha: d varía de 100 a
900 mm; HE 400x468
• HL: Columnas de ala muy ancha: d varía de
970 a 1120 mm; HL 1000x477
• HD: Columnas de ala ancha: d
aproximadamente igual a b. HD 360x162
• IPN:Vigas estándares (ala estrecha): d varía
de 80 a 550 mm; alas con pendiente = 14%.
IPN - 400
• UPN:Canales de ala ancha con pendiente.
Varían de 80 a 400 mm
• UPN-200
III. PERFILES DISTRIBUIDOS EN ECUADOR

10. TIPOS DE ESTRUCTURAS DE ACERO
Los perfiles de acero son usados en:
edificios, puentes, torres de transmisión,
torres de comunicación, torres de
observación, aviones, barcos, tanques de
almacenamiento, etc. Estas estructuras
pueden ser divididas en tres grupos:
• Estructuras aporticadas (axial, cortante,
flexión y torsión)
• Estructuras laminares o cascarones
(axial)
• Estructuras Suspendidas (tensión axial)

11. ANILLO DE
TENSION
COLUMNAS
NERVIOS
METALICOS
ANILLO DE
COMPRESION

12. PROPIEDADES DEL ACERO ESTRUCTURAL
• Diagrama Esfuerzo-Deformación Unitaria

13. Diagrama de esfuerzo-deformación característico de un acero
estructural dulce o con bajo contenido de carbono a temperatura
ambiente

14. Diagrama esfuerzo-deformación característico de un acero frágil

15. • Límite de Proporcionalidad (FP): Esfuerzo hasta el cual el diagrama esfuerzo -
deformación es lineal (Ley de Hooke es válida).
• Límite de Elasticidad (FE): Esfuerzo más allá del cual el material no recupera su forma
original al ser descargado, sino que queda con una deformación residual llamada
deformación permanente.
• Esfuerzo de Fluencia (Fy): Esfuerzo en el que aparece un considerable alargamiento
(fluencia) del material sin el correspondiente aumento de carga.
• Esfuerzo último (Fu): Máximo esfuerzo (Resistencia a la tensión).

16. • MODULO DE ELASTICIDAD
Se define el modulo de elasticidad como la relación entre el esfuerzo y a la deformación
unitaria en la región elástica. Se determina este valor por medio de la pendiente de
dicha porción elástica del diagrama esfuerzo deformación. El modulo elástico del acero
es aproximadamente 2.1x106
Kg/𝑐𝑚2
𝐸 =
𝜎
𝜀𝑡
• DEFORMACION UNITARIA DE FLUENCIA
La deformación unitaria de fluencia del acero es de aproximadamente 0.002
𝜀𝑡 =
𝜎
𝐸
=
𝑓𝑦
𝐸
=
4200 Kg/𝑐𝑚2
2.1x106 Kg/𝑐𝑚2
= 0.002

17. • Ductilidad (μ): Capacidad que tiene un material
de deformarse substancialmente sin fallar bajo
altos esfuerzos de tensión. Propiedad importante
de los aceros estructurales. Se la mide por el
porcentaje de elongación sobre una determinada
longitud de referencias
Otras Propiedades
• Tenacidad: Es la capacidad de absorber energía en
grandes cantidades. Se la mide mediante la prueba
llamada Charpy de muesca enV.
• Ejemplo 1: El Titanic en 1912 estaba hecho de un acero
poco tenaz
• Ejemplo 2: Sismo de Northrigde en California:
soldadura en uniones poco tenaz.

18. • Fatiga: es el proceso de iniciación y propagación de grietas bajo la acción de cargas cíclicas. Puede ocurrir a
niveles de esfuerzos muy por debajo del esfuerzo de fluencia. El tipo de estructuras que son susceptibles al
agrietamiento debido a fatiga, incluye puentes, estructuras que soportan grúas viajeras y plataformas marinas.
• ¿Cómo evitar la fatiga?
• Evitar detalles que son susceptibles a agrietarse (cortes, orificios)
• Inspección de las estructuras durante la construcción y fabricación.
ACEROS ESTRUCTURALES MODERNOS
La ASTM (Sociedad Americana de Ensayos y Materiales) agrupa los aceros estructurales en los siguientes grupos
• Aceros de Carbono
• Carbono y manganeso son los principales elementos de resistencia
• C  1.7% , Mn  1.65%; Si  0.60% y Cu  0.6%
• 4Tipos:
• Acero de Bajo contenido de Carbono: C < 0.15%
• Acero dulce al Carbono: 0.15%  C  0.29%
• Acero medio al Carbono: 0.30%  C  0.59%
• Acero con alto contenido de Carbono: 0.6%  C  1.70%

19. • ElAcero estructural A36 es un acero dulce al carbono
• Fy = Esfuerzo de fluencia = 36 ksi = 250 MPa
C   Fy, Fu ;  ; Soldabilidad 
• El acero A36 ha sido unos de los aceros más utilizados para puentes, edificios y muchos otros usos
estructurales
Acero de Alta Resistencia y Baja Aleación (HSLA)
• Altas resistencias debido a la adición de uno o más agentes aleantes (Nb,V, Cr, Si, Cu, Ni,
P y otros) al C y al Mn.
• 40 ksi ≤ Fy ≤ 70 ksi (275 a 480 MPa)
• Baja aleación porque el total de elementos aleantes ≤ 5%.
• Mayor Resistencia a la corrosión atmosférica (debido al Cu) que los aceros al carbono (4 a
8 veces).
1) Superficie se oxida.
2) Se forma una película adhesiva comprimida (pátina).
3) Pátina se forma siempre y cuando haya ciclos de humedad o resequedad.
4) La oxidación de detiene y no hay necesidad de pintarlos.
5) Después de 18 meses a 3 años, el acero adquiere un color que va del rojo oscuro
al café y el negro. El tiempo depende del tipo de exposición
6) Útiles para puentes y torres de transmisión.

20. AcerosTemplados y Revenidos (aleados térmicamente)
• Agentes aleados en exceso
• Son tratados térmicamente para obtener Fy entre 80 ksi y 110 ksi (550 y 750 MPa)
• “Revenido”= enfriamiento rápido del acero con agua o aceite (1650 ºF a 300 ó 400 ºF)
• “Templado”= recalentamiento del acero por los menos a 1150 ºF y luego se deja
enfriar.
• Fy no está bien definido.
• Menor ductilidad a la de los de carbono y HSLA
Aceros de Ultra Alta Resistencia
• 160 ≤ Fy ≤ 300 ksi (1100 a 2050 MPa)
• Actualmente se investiga el uso de estos aceros
• En unos cuantos años es probable que se use acero con Fy = 500 ksi. (35000 Kg/cm2)
NOTA: Dependiendo de los espesores de las alas y de las almas, los perfiles están
designados por la ASTM en grupos del 1 al 5.

21. Diagramas Esfuerzo-Deformación