Universidad de Santiago de Chile
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería en Obras Civiles
ACERO
Construcción Civil
Segundo Semestre 2006
¿Qué es el Acero?
Los metales y las aleaciones empleados en la industria
y en la construcción pueden dividirse en dos grupos
principales: Materiales FERROSOS y NO FERROSOS.
FERROSOS: Aquellos que contienen hierro como su
ingrediente principal; es decir, las numerosas
calidades del hierro y el acero.
NO FERROSOS: No contienen hierro. Estos incluyen el
aluminio, magnesio, zinc, cobre, plomo y otros
elementos metálicos. Las aleaciones el latón y el
bronce, son una combinación de algunos de estos
metales No Ferrosos y se les denomina Aleaciones No
Ferrosas
El Acero es básicamente una aleación o combinación
de hierro y carbono (alrededor de 0,05% hasta menos
de un 2%). Algunas veces otros elementos de
aleación específicos tales como el Cr (Cromo) o Ni
(Níquel) se agregan con propósitos determinados.
Ya que el acero es básicamente hierro altamente
refinado (más de un 98%), su fabricación comienza
con la reducción de hierro (producción de arrabio) el
cual se convierte más tarde en acero.
Los diferentes tipos de acero se clasifican de acuerdo a
los elementos de aleación que producen distintos
efectos en el acero:
ALUMINIO
Empleado
en
pequeñas
cantidades, actúa como un
desoxidante para el acero
fundido y produce un Acero de
Grano Fino.
BORO
Aumenta la templabilidad (la
profundidad a la cual un acero
puede ser endurecido).
CROMO
Aumenta la profundidad del
endurecimiento y mejora la
resistencia al desgaste y
corrosión.
COBRE
Mejora significativamente la
resistencia
a
la
corrosión
atmosférica.
MANGANESO
Elemento básico en todos los
aceros comerciales. Actúa como
un desoxidante y también
neutraliza los efectos nocivos
del
azufre,
facilitando
la
laminación, moldeo y otras
operaciones de trabajo en
caliente. Aumenta también la
penetración
de
temple
y
contribuye a su resistencia y
dureza.
MOLIBDENO
Mediante el aumento de la
penetración de temple, mejora
las propiedades del tratamiento
térmico. Aumenta también la
dureza y resistencia a altas
temperaturas.
NIQUEL
Mejora las propiedades del
tratamiento térmico reduciendo
la
temperatura
de
endurecimiento y distorsión al
ser templado. Al emplearse
conjuntamente con el Cromo,
aumenta
la
dureza
y
la
resistencia al desgaste.
SILICIO
Se emplea como desoxidante y
actúa como endurecedor en el
acero de aleación.
AZUFRE
Normalmente es una impureza y
se mantiene a un bajo nivel. Sin
embargo, alguna veces se
agrega
intencionalmente
en
grandes cantidades (0,06 a
0,30%)
para
aumentar
la
maquinabilidad (habilidad para
ser trabajado mediante cortes)
de los aceros de aleación y al
carbono.
TITANIO
Se emplea como un desoxidante
y para inhibir el crecimiento
granular. Aumenta también la
resistencia a altas temperaturas.
TUNGSTENO
Se emplea en muchos aceros de
aleación
para
herramientas,
impartiéndoles
una
gran
resistencia al desgaste y dureza
a altas temperaturas.
VANADIO
Imparte dureza y ayuda en la
formación de granos de tamaño
fino. Aumenta la resistencia a
los impactos (resistencia a las
fracturas por impacto) y también
la resistencia a la fatiga.
En resumen los efectos de aleación son:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Mayor resistencia y dureza
Mayor resistencia a los impactos
Aumento de la resistencia al desgaste
Aumento de la resistencia a la corrosión
Mejoramiento de maquinabilidad
Dureza al rojo (altas temperaturas)
Aumento de la profundidad a la cual el acero puede
ser endurecido (penetración de temple)
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL ACERO
como material de construcción:
Ventajas del acero como material estructural:
1. Alta resistencia: La alta resistencia del acero por
unidad de peso implica que será poco el peso de las
estructuras, esto es de gran importancia en puentes
de grandes luces.
2. Uniformidad: Las propiedades del acero no cambian
apreciablemente con el tiempo como es el caso de las
estructuras de concreto reforzado.
3. Durabilidad: Si el mantenimiento de las estructuras de
acero es adecuado duraran indefinidamente.
4. Ductilidad.- La ductilidad es la propiedad que tiene un
material de soportar grandes deformaciones sin fallar
bajo altos esfuerzos de tensión. La naturaleza dúctil de
los aceros estructurales comunes les permite fluir
localmente, evitando así fallas prematuras.
5. Tenacidad.- Los aceros estructurales son tenaces, es
decir, poseen resistencia y ductilidad. La propiedad de
un material para absorber energía en grandes cantidades
se denomina tenacidad.
Otras ventajas importantes del acero estructural son:
A) Gran facilidad para unir diversos miembros por
medio de varios tipos de conectores como son la
soldadura, los tornillos y los remaches.
B) Posibilidad de prefabricar los miembros de una
estructura.
C) Rapidez de montaje.
D) Gran capacidad de laminarse y en gran cantidad de
tamaños y formas.
E) Resistencia a la fatiga.
F) Posible reutilización después de desmontar una
estructura.
Desventajas del acero como material estructural:
1. Costo de mantenimiento.- La mayor parte de los
aceros son susceptibles a la corrosión al estar
expuestos al agua y al aire y, por consiguiente, deben
pintarse periódicamente.
2. Costo de la protección contra el fuego.- Aunque
algunos miembros estructurales son incombustibles,
sus resistencias se reducen considerablemente
durante los incendios.
3. Susceptibilidad al pandeo.- Entre más largos y
esbeltos sean los miembros a compresión, mayor es el
peligro de pandeo. Como se indico previamente, el
acero tiene una alta resistencia por unidad de peso,
pero al utilizarse como columnas no resulta muy
económico ya que debe usarse bastante material, solo
para hacer más rígidas las columnas contra el posible
pandeo.
CLASIFICACIÓN DEL ACERO
ACEROS AL CARBONO
Más del 90% de todos los aceros son aceros al carbono.
Estos aceros contienen diversas cantidades de carbono
y menos del 1,65% de manganeso, el 0,60% de silicio y
el 0,60% de cobre. Entre los productos fabricados con
aceros al carbono figuran máquinas, carrocerías de
automóvil, la mayor parte de las estructuras de
construcción de acero, cascos de buques, etc.
ACEROS ALEADOS
Estos aceros contienen un proporción determinada de
vanadio, molibdeno y otros elementos, además de
cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que
los aceros al carbono normales. Estos aceros de
aleación se pueden subclasificar en :
Estructurales
Son aquellos aceros que se emplean para
diversas partes de máquinas, tales como
engranajes, ejes y palancas. Además se
utilizan en las estructuras de edificios,
construcción de chasis de automóviles,
puentes, barcos y semejantes. El contenido
de la aleación varía desde 0,25% a un 6%.
Para
Herramientas
Aceros de alta calidad que se emplean en
herramientas para cortar y modelar metales y
no-metales. Por lo tanto, son materiales
empleados
para
cortar
y
construir
herramientas
tales
como
taladros,
escariadores, fresas, etc.
Especiales
Los Aceros de Aleación especiales son los
Aceros Inoxidables y aquellos con un
contenido de cromo generalmente superior al
12%. Estos aceros de gran dureza y alta
resistencia a las altas temperaturas y a la
corrosión, se emplean en turbinas de vapor,
engranajes, ejes y rodamientos.
ACEROS DE BAJA ALEACION ULTRARRESISTENTES
Esta familia es la más reciente de las cuatro grandes
clases de acero. Los aceros de baja aleación son más
baratos que los aceros aleados convencionales ya que
contienen cantidades menores de los costosos
elementos de aleación. Sin embargo, reciben un
tratamiento especial que les da una resistencia mucho
mayor que la del acero al carbono. En la actualidad se
construyen muchos edificios con estructuras de
aceros de baja aleación. Las vigas pueden ser más
delgadas sin disminuir su resistencia, logrando un
mayor espacio interior en los edificios.
ACEROS INOXIDABLES
Los aceros inoxidables contienen cromo, níquel y otros
elementos de aleación, que los mantienen brillantes y
resistentes a la herrumbre y oxidación a pesar de la
acción de la humedad o de ácidos y gases corrosivos.
Algunos aceros inoxidables son muy duros; otros son
muy resistentes y mantienen esa resistencia durante
largos periodos a temperaturas extremas. Debido a sus
superficies brillantes, en arquitectura se emplean
muchas veces con fines decorativos. El acero
inoxidable se utiliza para las tuberías y tanques de
refinerías de petróleo o plantas químicas, etc. También
se usa para fabricar instrumentos y equipos
quirúrgicos, o para fijar o sustituir huesos rotos, ya que
resiste a la acción de los fluidos corporales.
Las principales ventajas del acero inoxidable son:
1.
2.
3.
4.
5.
Alta resistencia a la corrosión.
Alta resistencia mecánica.
Apariencia y propiedades higiénicas.
Resistencia a altas y bajas temperaturas.
Buenas propiedades de soldabilidad, mecanizado,
corte, doblado y plegado.
6. Bajo costo de mantenimiento.
7. Reciclable.
PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ACERO
La descripción más completa de las propiedades
mecánicas de los aceros (propiedades utilizadas para
el diseño estructural) se realiza mediante sus curvas
esfuerzo – deformación bajo cargas de tracción, las
mismas que varian dependiendo de la composición
química del material y sus procesos de fabricación.
Algunas de las propiedades presentes en la curva
esfuerzo – deformación son:
1. RANGO DE COMPORTAMIENTO ELÁSTICO:
2. ESFUERZO DE FLUENCIA:
3. ESFUERZO A LA ROTURA:
4. MÓDULO DE ELASTICIDAD:
5. DUCTILIDAD:
OTRAS PROPIEDADES DEL ACERO:
1. DENSIDAD: La densidad del acero sólido es de 7850
Kg/m3. Los cables de acero utilizados en hormigón
preesforzado tienen una densidad menor, por la
presencia de espacios vacíos; dicha variación de
densidad depende del diámetro exterior de los cables,
del número de hilos que forman parte del cable y del
proceso de fabricación
2. RESISTENCIA A LA CORROSIÓN: Muchos aceros
utilizados en estructuras requieren de una resistencia
especifica a la corrosión, cuando van a estar expuestos
a ambientes agresivos, para lo que es necesario que en
el proceso de fundición se incluyan componentes
adicionales, especialmente Niquel, con una proporción
entre un 2 y 4% de la aleación. Este tipo de acero no se
consigue en barras.
Existen aceros resistentes al desgaste, que suelen
utilizarse en estructuras con elementos móviles como
puentes grúas metálicos, que utilizan manganeso entre
un 10% y un 18% de la aleación.
La presencia de Niquel y Cromo en la aleación permite
la obtención de aceros con propiedades combinadas
como inoxidables y resistencia a ataques químicos, o
de gran resistencia, dureza y elásticidad.
PROCESO DE PRODUCCIÓN
BARRAS DE HORMIGÓN
En Chile se fabrican de acuerdo a la norma chilena NcH
204 Of. 78, el grado normal A44-28H y el grado de alta
resistencia A63-42H.
El cumplimiento de las propiedades mecánicas del
producto se aseguran a través de los ensayos que
establece la norma y cuyas especificaciones se
muestran a continuación
Resistencia
a la tracción
Rm
Grados del
Acero
Límite de
fluencia
Re
Alargamiento
en 50 mm
Kgf/mm2
Mpa
Kgf/mm2
Mpa
%
A37-24ES
37
363
24
235
22
A42-27ES
42
412
27
265
20
A52-34ES
52
510
34
324
18
A44-28H
44,9
440
28,6
280
16
A63-42H
64,2
630
42,8
420
(*)
(*): (700/Rm) - K >= 8, donde K es un coeficiente que
depende del diámetro nominal de la barra (e) y cuyo
valor se indica a continuación.
e (mm)
:
8
10
12
16
18
20
22
25
28
32
36
K
:
2
1
0
0
0
0,5
1
2
3
4
5
Fuente: Norma chilena NCh 203 of. 77
DIMENSIONES
En diámetros de 6 a 12 mm se producen en rectas y
rollos y de 16 a 36 mm como barras rectas.
Sus características dimensionales son las siguientes:
Diámetro
(mm)
Sección
(cm2)
Masa
(kg/m)
6 (*)
0,283
0,222
8
0,503
0,395
10
0,785
0,617
12
1,131
0,888
16
2,011
1,578
18
2,545
1,998
22
3,801
2,984
25
4,909
3,853
28
6,158
4,834
32
8,043
6,313
36
10,179
7,990
Formas de entrega normal
Rollos de 500 a 1.050 kg
aproximadamente
Rectas, largos (m) 6-7-8-9-1011-12
Rectas, largos (m) 6-7-8-9-1011-12
(*) : El diámetro 6 mm sólo se entrega en el grado A44 y con superficie
lisa. Todos los demás diámetros llevan resaltes y se producen en ambos
grados.
Fuente: CSH (Compañía Siderúrgica Huachipato)
CSH produce estas barras con acero limpio, obtenido a
partir de mineral de hierro, permitiendo satisfacer así
las exigencias de ductilidad en obras proyectadas para
zonas de alta sismicidad, como es Chile.
Para uso en refuerzo de hormigón, son producidas con
nervadura llamada resalte (excepto diámetro 6 mm) lo
que aumenta la adherencia entre el acero y el concreto.
Las barras CAP con resaltes están identificadas de
acuerdo a lo especificado en la norma NCh 204 of. 78,
mediante marcas en relieve que permiten determinar el
fabricante y el grado del acero.
MATERIAS PRIMAS
PELLET DE ACERO
Una semielaboración de los minerales, convirtiéndolos en pequeñas
bolitas de concentrado de Hierro.
PLANTA DE COQUE
Coquería
Carbones
Coque
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