GUIA DE ACERO 1

PROYECTOS ESTRUCTURALES EN ACERO. PROF. JOSÉ G. ANDARA C.

DEFINICIÓN DE ACERO

De acuerdo a la Norma COVENIN 1618:98. Es una aleación de hierro-carbono, con un contenido máximo de carbono de 2 %.

De acuerdo a McCormac. Es una aleación que está compuesta principalmente de hierro (mas del 98%). Contiene también pequeñas cantidades de carbono, silicio, manganeso, azufre, fósforo y otros elementos. El carbono es el elemento que tiene la mayor influencia en las propiedades del acero. La dureza y la resistencia aumentan con el porcentaje de carbono pero desafortunadamente el acero resultante es más frágil y su soldabilidad se ve afectada. Una cantidad menor de carbono hará más suave y dúctil al acero, pero también más débil. La adición de cromo, silicio y níquel dan como resultado aceros con resistencias muchos mayores. Esos aceros son apreciablemente más costosos y más difíciles de fabricar.

RESEÑA HISTÓRICA DEL USO DEL HIERRO Y EL ACERO

A pesar de los esfuerzos de los arqueólogos durante muchas décadas, no ha sido posible descubrir cuando se usó el hierro por primera vez.

El término hierro fundido se usa para materiales con contenido muy bajo de carbono, mientras que a los materiales con contenido muy alto de carbono se les llama hierro forjado. Los aceros se encuentran entre el hierro fundido y el forjado y tiene contenidos de carbón en el rango de 0,15% al 1,7%.

El acero se define como una combinación de hierro y pequeñas cantidades de carbono, generalmente menos del 1%. También contiene pequeños porcentajes de algunos otros elementos. Aunque se ha fabricado acero desde hace 2000 ó 3000 años, no existe un método de producción económico sino hasta la mitad del siglo XIX.

Al primer proceso para producir acero en grandes cantidades se le dio el nombre de Sir Henry Bessemer de Inglaterra. Recibió una patente inglesa para su proceso en 1855, pero sus esfuerzos para conseguir una patente en Estados Unidos en 1856 no tuvieron éxito, ya que se aprobó que William Nelly de Eddyville, Kentucky, había producido acero mediante el mismo proceso siete años antes de que Bessemer solicitara su patente inglesa. Nelly recibió la patente, pero se usó el nombre de Bessemer para el proceso.

Antes de que fuese desarrollado el proceso Bessemer, el acero era una aleación costosa usada principalmente para fabricar cuchillos, tenedores, cucharas y ciertos tipos de herramientas cortadoras. El proceso Bessemer redujo los costos de producción por lo menos en un 80% y permitió por primera vez la producción de grandes cantidades de acero.

El convertidor Bessemer se usó en Estados Unidos hasta principios de este siglo, pero desde entonces se ha reemplazado con mejores métodos como el proceso de hogar abierto y el de oxígeno básico.

Gracias al proceso Bessemer, en 1870 ya se podía producir en grandes cantidades acero estructural al carbono y por 1890 el acero era el principal metal estructural usado en Estados Unidos.

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Aproximadamente 80% del acero estructural producido hoy día en Estados Unidos, se hace fundiendo la chatarra de acero (principalmente de automóviles viejos) en hornos eléctricos. El acero fundido se vierte en moldes que tienen aproximadamente las formas finales de los miembros. Las secciones resultantes pasan por una serie de rodillos que los oprimen para darles su forma final. Los miembros resultantes tienen mejor superficie y menores tensiones residuales que el acero recién hecho.

El primer uso del metal para una estructura considerable tuvo lugar en Shopshire, Inglaterra (225 Km. al noroeste de Londres) en 1779, ahí fue construido con hierro fundido el puente Coalbrookdale en forma de arco de 100 pie de claro sobre el río Severn. Se dice que este puente (aun en pie) fue un punto crítico en la historia de la ingeniería porque cambió el curso de la Revolución Industrial al introducir al hierro como material estructural. Supuestamente este hierro era cuatro veces más fuerte que la piedra y treinta veces más que la madera.

Muchos otros puentes de hierro fundido se construyeron en las décadas siguientes, pero después de 1840 el hierro dulce más maleable empezó a reemplazar al hierro fundido. El desarrollo del proceso de Bessemer y avances subsecuentes, como el proceso de corazón abierto, permitió la fabricación de acero a precios competitivos, lo que estimuló el casi increíble desarrollo del acero estructural que ha tenido lugar en los últimos 100 años.

VENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL

Alta resistencia: La alta resistencia del acero por unidad de peso implica que será relativamente bajo el peso de las estructuras.

Uniformidad: Sus propiedades no cambian apreciablemente en el tiempo. Elasticidad: Sigue la ley de Hooke hasta tensiones bastante altas. Durabilidad: Si el mantenimiento es adecuado, duraran indefinidamente. Ductilidad: Soporta grandes deformaciones sin fallar bajo altas tensiones de tracción. Tenacidad: Capacidad de absorber gran cantidad de energía con anterioridad a la fractura. Facilidad de fabricación y de ampliaciones de estructuras existentes

DESVENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL

Costo de mantenimiento. Costo de la protección contra el fuego. Susceptibilidad al pandeo: Cuanto más largos y esbeltos sean los miembros a compresión,

tanto mayor es el peligro de pandeo. Fatiga: Su resistencia puede reducirse si se somete a un gran número de inversiones del

sentido de las tensiones, o bien, a un gran número de cambios de la magnitud de las tensiones de tracción.

Fractura frágil: Bajo ciertas condiciones, el acero puede perder su ductilidad y la falla frágil puede ocurrir en lugares de concentración de tensiones. Las cargas que producen fatiga y muy bajas temperaturas agravan la situación

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PROPIEDADES DEL ACERO

Las diversas propiedades del acero estructural, incluidas la resistencia y la ductilidad, son determinadas por su composición química. El acero es una aleación cuya componente principal es el hierro. Otra componente de todos los aceros estructurales, aunque en cantidades mucho menores, es el carbono, que contribuye a la resistencia pero reduce la ductilidad. Otras componentes de algunos grados de acero son el cobre, el manganeso, el níquel, el cromo, el molibdeno y el silicio. Los aceros estructurales pueden agruparse de acuerdo con su composición, como sigue:

1. Aceros simples al carbono: principalmente hierro y carbono, con menos de 1% de carbono.

2. Aceros de baja aleación: hierro y carbono y otras componentes (usualmente menos de 5%). Los componentes adicionales son principalmente para incrementar la resistencia que se logra a costa de una reducción en la ductilidad.

3. Aceros especiales o de alta resistencia: similares en composición a los aceros de baja aleación pero con un mayor porcentaje de componentes agregados al hierro y al carbono.

Los diferentes tipos de acero estructural son identificados por la nomenclatura asignada a ellos por las normas de cada país. Uno de los aceros estructurales mas comúnmente usado en la actualidad es el acero al carbono, también llamado acero dulce. Este tiene una curva tensión-deformación unitaria como la mostrada en la siguiente figura:

Fig. 1. Diagrama tensión- deformación del acero.

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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 DesignaciónTensión Cedente

FyTensión de Agotamiento

Fukgf/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 58-80A-529 grado 42 2952.90 42 4218.42-5976.10 60-85A-529 grado 50 3515.35 50 4921.49-7030.70 70-100A-572 grado 60 4218.42 60 5273.03 75A-572 grado 65 4569.96 65 5624.56 80

DIN(DEUTSCHES INSTITUTE FUR

NORMUNG)

ST-37 2400 34.14 3700 52.63ST-42 2600 36.98 4200 59.74ST-52 3600 51.20 5200 73.96

HIPÓTESIS DE SOLICITACIONES PARA EL ESTADO LÍMITE DE AGOTAMIENTO RESISTENTE

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*CP1,2*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*W1,2*CP + γ*CV ± S0,9*CP ± S

Donde:

CP : Acciones permanentes, definidas en el capítulo 4, de la NormaCOVENIN- MINDUR 2002-88

CV : Acciones variables, definidas en el capítulo 5 de la NormaCOVENIN-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.

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MIEMBROS SOLICITADOS A TRACCIÓN

La Norma COVENIN 1618, en su capítulo 14, literal 14.3 establece lo siguiente:

ResistenciaLa resistencia minorada de los miembros sometidos a tracción, , será el menor valor

que se obtenga de considerar los estados límites de cedencia en la sección del área total y de fractura en la sección del área neta efectiva.

1) Cedencia en la sección del área total

2) Fractura en la sección del área neta efectiva

Donde:

A : Area total de la sección transversal del miembroAe: Area neta efectivaNt: Resistencia teórica a tracción normal

: Factor de minoración de la resistencia teórica

Área total y área neta

La presencia de agujeros en un miembro influye en la tensión presente en la sección transversal. En las localidades donde se ubican los agujeros, el área de la sección transversal se reduce en una cantidad igual al área suprimida por los agujeros, a esta área reducida se denomina área neta (An) y el área no reducida se llama área total. Así por ejemplo, estudiando la línea de falla 1-1 de la siguiente figura, se tiene:

Fig. 2. Conexión con pernos, línea de falla recta

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Donde: w : ancho del miembro t : espesor del miembro da: diámetro del agujero


Para el cálculo de las áreas netas de los elementos en tracción y corte, el diámetro de los agujeros deben considerarse 2 mm (1/16 plg) mayores que la dimensión nominal del agujero o 3mm (1/8 plg) mayor que el diámetro nominal del perno.

Líneas de falla en diagonal o en zigzag

En el caso de orificios alternados, como se muestra en la Fig. 3, la norma requiere que el ancho neto sea calculado restando al ancho total la suma de los diámetros de los agujeros encontrados en la línea de falla estudiada y sumando, por cada línea inclinada la cantidad . Así se tiene que:

Donde:s: separación entre dos agujeros consecutivos, medida centro a centro en dirección

paralela al eje del miembro, se denomina paso.g: separación entre dos agujeros consecutivos, medida centro a centro en dirección

perpendicular al eje del miembro, se denomina gramil.

Cuando sea posible mas de un patrón de falla, deben analizarse todas las posibilidades y deberá usarse la correspondiente a la capacidad de carga menor.

Fig. 3. conexión con pernos, línea de falla en diagonal

Área neta efectiva

Cuando la fuerza de tracción se transmite a todos y cada uno de los elementos de la sección transversal del miembro estructural el área neta efectiva es igual al área neta.

Cuando la fuerza de tracción se transmite a algunos pero no todos los elementos de la sección transversal el área neta efectiva será una fracción del área neta. Se consigue el área neta efectiva

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multiplicando el área neta por un factor de minoración que depende del la forma y del tipo de conexión.

Donde: : es la excentricidad de la conexiónL : Longitud de la conexión medida en la dirección la fuerza aplicada.

Cuando la fuerza de tracción se transmite solamente por soldaduras transversales, el valor del factor de reducción ( ) se tomará igual a la unidad y el área (A) será igual al área de los elementos directamente conectados.

Cuando la fuerza de tracción se transmite directamente a los miembros por soldaduras longitudinales o por medio de una combinación de soldaduras longitudinales y transversales, el área (A) se tomará igual al área total del miembro.

Cuando la fuerza de tracción se transmite a una plancha por medio de soldaduras longitudinales a lo largo de ambos bordes del extremo de la misma, el factor de reducción se tomará de la siguiente manera:

cuando L ≥ 2w cuando 2w > L ≥ 1,5w cuando L ≥ w

La longitud de cada cordón de soldadura (L) no será menor al ancho de la plancha o separación entre soldaduras (w).

Fig. 4. soldaduras longitudinales y transversales

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Determinación de la excentricidad en conexiones para el cálculo de

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Con base en los valores promedios de para varios tipos de conexiones de miembros en tensión atornillados, el American Institute for Steel Construction (AISC) da valores del factor de reducción que pueden usarse en vez del valor calculado de

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Ejemplos de cálculo de área total y área neta

Ejemplo 1.

Ejemplo 2.

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BLOQUE CORTANTE O BLOQUE DE CORTE

La norma COVENIN 1618: 1998, en su capítulo 21 establece que debe verificarse el estado límite de agotamiento resistente por rotura en el bloque de corte, en las conexiones de los extremos de las vigas cuya ala superior haya sido cortada o desmembrada y en situaciones similares, en los extremos traccionados y en las planchas usadas como cartelas (planchas de nodo). La resistencia minorada a la rotura por bloque de corte, , estará determinada por el mecanismo que controle el modo de falla:

a) Cuando , el mecanismo de falla es de cedencia por corte y fractura por tracción.

b) Cuando , el mecanismo de falla es de cedencia por tracción y fractura por corte.

c) En todos los casos debe cumplirse que:

En las fórmulas anteriores:

: Área neta traccionada: Área neta sometida a corte

: Área total traccionada: Área total sometida a corte

= 0,75

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Cortante

Tracción

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