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Estructuras Metálicas "Acero"
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CONSTRUCCIÓN EN ESTRUCTURAS METÁLICAS
Unidad 1: Materiales - Acero
Marzo 2016
Hierro:
El hierro o fierro es un elemento químico de numero atómico
26 situado en el grupo 8, periodo 4 de la tabla periódica de
los elementos. Su símbolo es Fe
Este metal es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre, representando un 5 % y, entre los metales, solo el aluminio es más abundante; y es el primero más abundante en masa planetaria, debido a que el planeta en su núcleo, se concentra la mayor masa de hierro nativo equivalente a un 70 %. El núcleo de la Tierra está formado principalmente por hierro y níquel en forma metálica, generando al moverse un campo magnético.
Acero:
El acero es una aleación de hierro con pequeñas cantidades de otros elementos, es decir, hierro
combinado con un 1,76 % aproximadamente de carbono, y que hecho ascua y sumergido en agua
fría adquiere por el temple gran dureza y elasticidad. Hay aceros especiales que contienen
además, en pequeñísima proporción, cromo, níquel, titanio, volframio o vanadio.
Se caracteriza por su gran resistencia, contrariamente a lo que ocurre con el hierro. Este
resiste muy poco la deformación plástica, por estar constituida solo con cristales de
ferrita; cuando se alea con carbono, se forman estructuras
cristalinas diferentes, que permiten un gran incremento de su resistencia. Ésta cualidad del acero y la abundancia de hierro,
pasaron a ser un material de importancia en el siglo XX -
XXI
Como se obtiene el acero?
El acero se obtiene en el horno convertidor a través de una operación que se denomina afino, uno de los métodos más empleados para realizar el afino es el sistema de inyección de oxígeno (LD).
Afino: es el proceso de descarburización y eliminación de impurezas al que se somete el arrabio.
El arrabio es el primer proceso que se realiza para
obtener Acero, los materiales básicos empleados son
Mineral de Hierro, Coque y Caliza. El coque se quema
como combustible para calentar el horno, y al arder libera monóxido de carbono,
que se combina con los óxidos de hierro del mineral y los reduce a hierro metálico
a) Arrabio: Nada más sacarlo del alto horno (antes de que se enfríe) ya se mete en el convertidor. Recordamos que el arrabio tiene hierro, carbón e
impurezas.
b) Chatarra de hierro: Procedente de coches, electrodomésticos,...
c) Fundente: Recordamos que es carbonato cálcico y que lo empleamos como detergente para eliminar las impurezas.
d) Oxigeno: Se inyecta a presión en el centro del convertidor a través de tubo con
forma de lanza, y con ello conseguimos quemar parte del carbón que no se había
quemado en el alto horno.
Componentes del horno convertidor?
Que obtenemos del convertidor?
a) Escorias: El fundente se pega a las impurezas y las hace flotar formando la escoria.
b) Acero: En la parte inferior del convertidor quedará el hierro y el carbón que no se ha quemado.
Finalmente se inicia el proceso de colada, para ello se inclina parcialmente el convertidor para que caiga solo la escoria (como cuando tratamos de eliminar solo la nata que queda encima de un vaso de leche). Una vez eliminada la escoria se vuelca totalmente el convertidor para que caiga el acero dentro de los moldes que tendrán la forma de las piezas que queremos obtener.
Influencia que ejercen en las características y propiedades de los aceros los elementos de aleación
Níquel:
Desde que se empezó a usar el níquel en los aceros, se vio que este elemento mejora las propiedades de los aceros. El empleo de aceros con níquel es sobre todo interesante para la construcción de piezas de maquinas y motores de alta calidad. Los aceros al níquel sometidos a temperaturas demasiado elevadas, quedan después del temple y revenido con muy buena tenacidad. Experimentalmente se observa que con los aceros aleados con níquel se obtiene para una misma dureza, un límite de elasticidad ligeramente mas elevado y mayores alargamientos y resistencias que con aceros al carbono. También es muy interesante señalar que para la misma dureza su resistencia a la fatiga es un 30% superior a la de los aceros de baja aleación.El níquel es un elemento de extraordinaria importancia en la fabricación de aceros inoxidables y resistentes a altas temperaturas.
Molibdeno:
Este elemento mejora la resistencia a la tracción. También aumenta la resistencia de los aceros en caliente
Cromo:
Es uno de los elementos especiales más empleados para la fabricación de aceros aleados, usándose indistintamente en los aceros de construcción , en los de herramientas, en los inoxidables y en los de resistencia en caliente. Se emplea en cantidades diversas desde 0,3 a 30% de Cr según los casos, y sirve para aumentar la dureza y la resistencia a la tracción de los aceros, impide las deformaciones en el temple, aumenta la resistencia al desgaste, la inoxibilidad, etc.
Wolframio:
el wolframio es un elemento muy utilizado para la fabricación de aceros para herramientas, empleándose en especial en los aceros rápidos, aceros para herramientas de corte, y aceros para trabajos en calientes. Sirve para aumentar la dureza a elevadas temperaturas y evitan que se desafilen o ablanden las herramientas, aunque lleguen a calentarse a 500° ó 600°C. También se usa para la fabricación de aceros para imanes.
Vanadio:
Se emplea principalmente para la fabricación de aceros de herramientas, tiende a afinar el grano y disminuir la templabilidad. Es un elemento desoxidante muy fuerte.
Manganeso
El manganeso aparece prácticamente en todos los aceros, debido, principalmente, a que se añade como elemento de adición para neutralizar la perniciosa influencia del azufre y del oxigeno, que siempre suelen contener los aceros cuando se encuentran en estado líquido en los hornos durante el proceso de fabricación. El manganeso actúa también como desoxidante y evita, en parte, que en la solidificación del acero se desprendan gases que den lugar a la formación de porosidades perjudiciales en el material.
Silicio:Este elemento aparece en todos los aceros, al igual que el manganeso, se añade intencionalmente durante el proceso de fabricación. Es un desoxidante más enérgico que el manganeso y se emplea como elemento desoxidante complementario del manganeso con objeto de evitar que aparezcan en el acero poros y defectos internos.
Cobalto:
El cobalto se emplea casi exclusivamente en los aceros rápidos de más alta calidad. Este elemento, al ser incorporado a los aceros, se combina con la ferrita, aumentando su dureza y resistencia. En los aceros de alto porcentaje de carbono reduce la templabilidad. En los aceros al wolframio endurece la ferrita con lo que facilita el mantenimiento de la dureza y de la aptitud de corte de las herramientas a elevada temperatura.
Aluminio:
El aluminio se emplea como elemento de aleación en los aceros de nitruración, que suelen contener 1% aproximadamente de aluminio. También se usa en algunos aceros resistentes al calor. El aluminio es un elemento desoxidante muy enérgico y es frecuente añadir 300gr por tonelada de acero para desoxidarlo y afinar el grano.
Cobre:
El cobre se suele emplear para mejorar la resistencia a la corrosión de ciertos aceros de 0,15 a 0,30% de carbono, que se usan para grandes construcciones metálicas. Se suelen emplear contenidos de cobre variables de 0,4 a 0,5 %.
Titanio:
Se suelen añadir pequeñas cantidades de titanio a algunos aceros muy especiales para desoxidar y afinar el grano. El titanio tiene gran tendencia a formar carburos y a combinarse con el nitrógeno. En los aceros inoxidables cromo-níquel, actúa como estabilizador de los carburos y evita la corrosión ínter cristalina.
Propiedades Físicas del Acero
Aunque es difícil establecer las propiedades físicas del acero debido a que estas varían con los ajustes en su composición y los diversos tratamientos térmicos, químicos o mecánicos, con los que pueden conseguirse aceros con combinaciones de características adecuadas para infinidad de aplicaciones, se pueden citar algunas propiedades genéricas:
Su densidad media es de 7850 kg/m³. En función de la temperatura el acero se puede contraer, dilatar o fundir.
El punto de fusión del acero depende del tipo de aleación y los porcentajes de elementos aleantes. El de su componente principal, el hierro es de alrededor de 1.510 °C en estado puro (sin alear), sin embargo el acero presenta frecuentemente temperaturas de fusión de alrededor de 1.375 °C, y en general la temperatura necesaria para la fusión aumenta a medida que se aumenta el porcentaje de carbono y de otros aleantes, (excepto las aleaciones auténticas que funden de golpe). Por otra parte el acero rápido funde a 1.650 °C. Su punto de ebullición es de alrededor de 3.000 °C
Propiedades Mecánicas del Acero
Tenacidad:
Es la capacidad que tiene un material de absorber energía sin producir fisuras(resistencia al impacto). El acero es un material muy tenaz, especialmente en alguna de las aleaciones usadas para fabricar herramientas
Ductilidad:
Propiedad de deformarse sosteniblemente sin romperse. Con él se obtienen hilos delgados llamados alambres. Un aumento de la temperatura en un elemento de acero provoca un aumento en la longitud del mismo. El acero se dilata y se contrae según un coeficiente de dilatación similar al coeficiente de dilatación del hormigón, por lo que resulta muy útil su uso simultáneo en la construcción, formando un material compuesto que se denomina hormigón armado
Propiedades Mecánicas del Acero
Maleable:
Que pueden batirse y extenderse en planchas muy delgadas, obteniendo láminas delgadas llamadas hojalata. La hojalata es una lámina de acero, de entre 0,5 y 0,12 mm de espesor, recubierta, generalmente de forma electrolítica, por estaño.
Resistencia al desgaste:
Es la resistencia que ofrece un material a dejarse erosionar cuando está en contacto de fricción con otro material.
Maquinabilidad:
Es la facilidad que posee un material de permitir el proceso de mecanizado. Permite una buena mecanización en máquinas - herramientas antes de recibir un tratamiento térmico.
Dureza:
La densidad promedio del acero es 7850 kg/m3. Es la resistencia que ofrece un acero para dejarse penetrar. La dureza de los aceros varía entre la del hierro y la que se puede lograr mediante su aleación u otros procedimientos térmicos o químicos.
Propiedades Mecánicas del Acero
Conductividad eléctrica:
Posee una alta conductividad eléctrica. En las líneas aéreas de alta tensión se utilizan con frecuencia conductores de aluminio con alma de acero, proporcionando éste último la resistencia mecánica necesaria para incrementarlos vanos entre la torres y optimizar el costo de la instalación
Propiedades Térmicas
Conductividad eléctrica:
Es la facilidad que presenta un material
para dejar pasar a través de él la corriente
eléctrica. Este fenómeno se produce por una diferencia de
potencial entre los extremos del metal.
Conductividad térmica:
Es la facilidad que presenta un material
para dejarpasar a través de él una cantidad de
calor.
Dilatación: Es el aumento de las dimensiones de un
metal al incrementarse la Tº. No es uniforme
ni sigue leyes determinadas.
Propiedades Químicas del Acero
La actividad química del metal depende de las impurezas que contenga y de la presencia de elementos que reaccionan con estas, dependiendo también en menor medida de la temperatura y zonas de contacto. Distinguimos fundamentalmente dos reacciones: oxidación y corrosión
Oxidación:
La oxidación se produce cuando se combina el oxigeno del aire y el metal. La oxidación es superficial, produciéndose en la capa más externa del metal y protegiendo a las capas interiores de la llamada oxidación total. El óxido no es destructivo.
Corrosión:Se considera corrosión a toda acción que ejercen los diversos agentes químicos sobre los metales, primeramente en la capa superficial y posteriormente en el resto. Cuando es producida por el oxígeno y usando como catalizador el agua, la corrosión es progresiva desde la capa superficial hasta el interior del metal lo que provoca su total destrucción.
Corrosión generalCuando es en toda la superficie, se protege con facilidad.
Corrosión intercristalinaSe debe a las impurezas y no se advierte a simple vista.
Corrosión localizadaSe localiza en sitios poco visibles y pasa desapercibida hasta que se rompe la pieza
Tratamientos Térmicos a los que se somete el Acero
Un proceso de tratamiento térmico adecuado permite aumentar significativamente las propiedades mecánicas de dureza, tenacidad y resistencia mecánica del acero. Los tratamientos térmicos cambian la microestructura del material, con lo que las propiedades macroscópicas del acero también son alteradas.
Consisten en operaciones de calentamiento y enfriamiento a las que se someten los metales para conseguir determinados cambios en su estructura cristalina (por ejemplo, el tamaño del grano) sin que la composición química resulte afectada.
Tratamientos Térmicos a los que se somete el Acero
Temple Revenido Normalizado Recocido
Temple:
Consiste en el calentamiento de un metal acompañado de un posterior enfriamiento de forma súbita. De este modo, se obtiene un metal muy duro y resistente mecánicamente a causa de su estructura cristalina deformada. El endurecimiento aportado por el temple se puede comparar al que se consigue por medio de la deformación en frío.
Revenido:
Se aplica exclusivamente a los metales templados y es, por lo tanto, un tratamiento complementario del temple. Con el revenido se pretende mejorar la tenacidad del metal templado a expensas de disminuir un poco su dureza.
Normalizado:
Este tratamiento confiere al acero una estructura y propiedades que arbitrariamente se consideran como normales y características de su composición. Por medio de él, se eliminan tensiones internas y se uniformiza el tamaño de grano. Se suelen someter a normalizado piezas que han sufrido trabajos en caliente, en frío, enfriamientos irregulares o sobrecalentamientos y también se utiliza en aquellos casos en los que se desean eliminar los efectos de un tratamiento anterior defectuoso. Es un tratamiento adecuado para los aceros con bajo contenido en carbono pues mejora sus propiedades mecánicas.
Recocido:
Consiste en calentar el acero a una cierta temperatura (650 ºC a 720 ºC) y a continuación someterlo a un enfriamiento muy lento (por lo general se apaga el horno y se deja que el material se enfríe en su interior). El recocido se aplica al acero para ablandarlo y proporcionarle la ductilidad y maleabilidad para conformado plásticamente o darle su forma final por mecanizado. La diferencia entre los tratamientos de temple, normalizado y recocido estriba en la velocidad de enfriamiento que sirve para definir la dureza y la resistencia finales de la pieza.
El Acero estructural es uno de los materiales básicos utilizados en la construcción de estructuras, tales como edificios industriales y comerciales, puentes y muelles. Se produce en una amplia gama de formas y grados, lo que permite una gran flexibilidad en su uso. Es relativamente barato de fabricar y es el material más fuerte y más versátil disponible para la industria de la construcción.
Se define como acero estructural al producto de la aleación de hierro, carbono y pequeñas cantidades de otros elementos tales como silicio, fósforo, azufre y oxígeno, que le aportan características específicas.
Es un material de gran resistencia. Esto significa que los elementos que formarán la estructura en cualquier construcción podrán ser de una sección transversal mucho menor que en el caso del hormigón, ocupando, por lo tanto, menos espacio.
Avisan con grandes deformaciones antes de producirse un fallo debido a que el material es dúctil.
Uniformidad, ya que las propiedades del acero no cambian apreciablemente con el tiempo
Homogeneidad del material.
Ventajas del Acero Estructural
Posibilidad de reforma de manera más sencilla para adaptarse a nuevos usos del edificio, lo cual es más habitual en el caso de equipamientos, edificios de oficinas... que en el caso de viviendas.
Rapidez de montaje, con los consiguientes ahorros en costes fijos de obra.
La estructura metálica puede ser preparada en taller, lo que se traduce en que los elementos llegan a obra prácticamente elaborados, necesitando un mínimo de operaciones para quedar terminados.
El acero estructural puede laminarse de forma económica en una gran variedad de formas y tamaños.
Ventajas del Acero Estructural
Cuando termina la vida útil del edificio, la estructura metálica de acero puede ser desmontada y posteriormente utilizada en nuevos usos o ser re-aprovechada con un fácil reciclaje.
Las vigas reticuladas permiten cubrir grandes luces, con los correspondientes beneficios.
Las estructuras de acero son, por lo general, más ligeras que las realizadas con otros materiales; esto supone menor coste de cimentación
El desarrollo de nuevos sistemas de protección contra la corrosión, garantizan con un mantenimiento mínimo, una vida casi ilimitada para las estructuras realizadas con acero.
Ventajas del Acero Estructural
Donde Construir con Estructuras Metálicas
Edificios con probabilidad de crecimiento y
cambios de función o de cargas.
Edificios en terrenos deficientes donde son previsibles
asientos diferenciales apreciables; en estos casos se prefieren los entramados con
nudos articulados.
Construcciones donde existen grandes
espacios libres, por ejemplo: locales públicos,
salones.
Donde NO Construir con Estructuras Metálicas
Edificaciones con grandes acciones
dinámicas.
Edificios ubicados en zonas de atmósfera agresiva, como
marinas, o centros industriales, donde no resulta
favorable su construcción.
Edificios donde existe gran preponderancia de la carga
del fuego, por ejemplo almacenes, laboratorios,
etc.
Gracias por la atención!
