Aceros Estructurales Modernos

ACEROS ESTRUCTURALES MODERNOS Las propiedades del acero pueden cambiarse en gran medida variando las cantidades presentes de carbono y añadiendo otros elementos como silicio, níquel, manganeso y cobre. Un acero que tenga cantidades considerables de estos últimos elementos se denominará acero aleado. Por ejemplo, el contenido de carbono en el acero es casi siempre menor que el 0.5% en peso y es muy frecuente que sea de 0.2 a 0.3 por ciento. La composición química del acero es de suma importancia en sus efectos sobre sus propiedades tales como la soldabilidad, la resistencia a la corrosión, la resistencia a la fractura frágil, etc. La ASTM especifica los porcentajes exactos máximos de carbono, manganeso, silicio, etc. En las décadas pasadas, un acero estructural al carbono designado como A36 y con un esfuerzo mínimo de fluencia Fy = 36 klb/plg2, era el acero estructural comúnmente usado. Sin embargo, más recientemente, la mayoría del acero estructural usado en Estados Unidos se fabrica fundiendo acero chatarra en hornos eléctricos. Con este proceso puede producirse un acero de 50 klb/plg2, A992, y venderse a casi el mismo precio que el acero A36. En décadas recientes los ingenieros y arquitectos continuamente requieren aceros más fuertes, aceros con mayor resistencia a la corrosión, con mejores propiedades de soldabilidad y diversas características. Los aceros estructurales generalmente se agrupan en varias clasificaciones principales de la ASTM: los aceros al carbono A36, A53, A500, A501 y A529; los aceros de baja aleación y de alta resistencia A572, A618, A913 y A992, y los aceros de baja aleación y alta resistencia y resistentes a la corrosión A242, A588 y A847. Aceros al carbono Estos aceros tienen como principales elementos de resistencias al carbono y al manganeso en cantidades cuidadosamente dosificadas. Los aceros al carbono tienen sus contenidos limitados a los siguientes porcentajes máximos: 1.7% de carbono, 1.65% de manganeso, 0.60% de silicio y 0.60% de cobre. Estos aceros se dividen en cuatro categorías, dependiendo del porcentaje de carbono: 1. Acero de bajo contenido de carbono: 6 0.15%. 2. Acero dulce: 0.15 a 0.29%. (Los aceros estructurales al carbono quedan dentro de esta categoría.) 3. Acero medio al carbono: 0.30 a 0.59%. 4. Acero con alto contenido de carbono: 0.60 a 1.70%. Aceros de alta resistencia y baja aleación Existe un gran número de aceros de este tipo clasificados por la ASTM. Estos aceros obtienen sus altas resistencias y otras propiedades por la adición, aparte del carbono y manganeso, de uno a más agentes de aleación como el columbio, vanadio, cromo, silicio, cobre y níquel. Comprendidos entre 40 klb/plg2 y 70 klb/plg2. Estos aceros generalmente tienen mucha mayor resistencia a la corrosión atmosférica. El término baja aleación se usa arbitrariamente para describir aceros en los que el total de elementos de aleación no excede el 5% de la composición total del acero. Aceros estructurales de alta resistencia, baja aleación y resistentes a la corrosión atmosférica Cuando los aceros se alean con pequeños porcentaje de cobre, se vuelven más resistentes a la corrosión. Cuando se exponen a la atmósfera, las superficies de estos aceros se oxidan y se les forma una película adhesiva muy comprimida

(conocida también como “pátina bien adherida” o “capa de óxido”), que impide una mayor oxidación y se elimina así la necesidad de pintarlos. Estos aceros tienen gran aplicación, particularmente en estructuras con miembros expuestos y difíciles de pintar como puentes, torres de transmisión eléctrica, no son apropiados para usarse en lugares donde queden expuestos a brisas marinas, nieblas o que estén continuamente sumergidos en agua (dulce o salada). Los aceros pueden fortalecerse mediante la adición de aleaciones especiales. Otro factor que afecta la resistencia del acero es el espesor. Entre más se rola el acero para hacerlo más delgado, adquiere mayor resistencia. Los miembros más gruesos tienden a ser más frágiles, y sus tasas de enfriamiento más lentas hacen que el acero tenga una microestructura más áspera. USO DE LOS ACEROS DE ALTA RESISTENCIA Existen otros grupos de aceros de alta resistencia como los de ultra-alta-resistencia que tienen fluencias de entre 160 klb/plg2 y 300 klb/plg2. Estos aceros no se han incluido en el Manual del Acero porque la ASTM no les ha asignado un número de clasificación. Actualmente existen en el mercado más de 200 aceros con esfuerzos de fluencia mayores de 36 klb/plg2. La industria del acero está experimentando ahora con aceros cuyos esfuerzos de fluencia varían entre 200 klb/plg2 y 300 klb/plg2, y esto es sólo el principio. Se cree que en unos cuantos años se dispondrá de aceros con fluencias de 500 klb/plg2. Aunque los precios de los aceros aumentan con el incremento de los esfuerzos de fluencia, el porcentaje de incremento en los precios no es mayor que el porcentaje de incremento de los esfuerzos de fluencia. En consecuencia, el uso de aceros más resistentes resultará económico en miembros a tensión, vigas y columnas. Los factores adicionales que pueden conducir al uso de los aceros de alta resistencia se cuentan los siguientes: 1. Alta resistencia a la corrosión. 2. Posibles ahorros en los costos de transporte, montaje y cimentaciones debido al menor peso. 3. Uso de vigas de menor peralte, que permite reducir el espesor de los pisos. 4. Posibles ahorros en la protección contra el fuego porque pueden usarse elementos más pequeños. MEDICIÓN DE LA TENACIDAD La tenacidad a la fractura del acero se usa como una medida general de su resistencia al impacto o de su capacidad para absorber incrementos repentinos en los esfuerzos de muesca. Entre más dúctil es el acero, mayor es su tenacidad. Por otra parte, entre más baja es la temperatura, mayor es su fragilidad. Se dispone de varios procedimientos para estimar la tenacidad de muesca, pero la prueba Charpy de muesca V es la más ampliamente usada. Si bien esta prueba es algo inexacta, ayuda a identificar los aceros frágiles. Con esta prueba se mide la energía requerida para fracturar una pequeña barra de sección transversal rectangular con una muesca específica. SECCIONES JUMBO Ciertos perfiles W pesados con espesores de patín mayores de 2 pulgadas suelen denominarse secciones jumbo. Las secciones jumbo se desarrollaron originalmente para usarse como miembros a compresión, y como tales tienen un comportamiento satisfactorio. Sin embargo, los ingenieros los han usado con frecuencia como miembros a tensión o flexión. En tales casos, sus patines y almas han presentado serios problemas de agrietamiento cuando se ha utilizado soldadura o corte térmico.

Las secciones jumbo empalmadas con soldadura pueden usarse satisfactoriamente en casos de tensión axial o de flexión. Algunos de los requisitos son los siguientes: 1. El acero usado debe tener ciertos niveles de absorción de energía, determinados por la prueba Charpy de la muesca en V (20 pies-lb a una temperatura máxima de 70 °F). 2. La temperatura debe controlarse durante el soldado y el trabajo debe seguir una cierta secuencia. 3. Se requieren detalles especiales para los empalmes. DESGARRAMIENTO LAMINAR Los especímenes de acero usados para pruebas y desarrollo de curvas esfuerzodeformación unitaria usualmente tienen sus ejes longitudinales en la dirección en la que el acero fue laminado. Si los especímenes se toman con sus ejes longitudinales transversalmente a la dirección del laminado “a través del espesor” del acero, el resultado será una menor ductilidad y tenacidad. El problema del desgarramiento laminar se puede eliminar o minimizar considerablemente con detalles y procedimientos de soldadura apropiados. Por ejemplo, las soldaduras deben detallarse de manera que la contracción ocurra tanto como sea posible en la dirección en que el acero fue rolado. SUMINISTRO DE ESTRUCTURAS DE ACERO El suministro de estructuras de acero consiste en el laminado de los perfi les, la fabricación de los elementos para un trabajo específi co (incluido el corte a las dimensiones requeridas y el punzonado de los agujeros necesarios para las conexiones de campo) y su montaje. Los fabricantes de acero normalmente tienen pocos perfiles en bodega debido a los altos intereses y costos de almacenaje. Cuando deben fabricar una estructura, ordenan los perfiles cortados a determinadas longitudes directamente a las laminadoras o a sus proveedores. El montaje de los edificios de acero es más que en cualquier otro aspecto del trabajo de construcción, un asunto de ensamblaje. Cada elemento se marca en el taller con letras y números para distinguirlo de los demás. El montaje se ejecuta de acuerdo con una serie de planos de montaje. Algunas veces los planos de montaje dan las dimensiones de los miembros, pero esto no es necesario. Esto puede o no mostrarse, dependiendo del fabricante en particular. EL TRABAJO DEL DISEÑADOR ESTRUCTURAL El diseñador estructural distribuye y dimensiona las estructuras y las partes de éstas para que soporten satisfactoriamente las cargas a las que quedarán sometidas. Sus funciones son: el trazo general de la estructura, el estudio de las formas estructurales posibles que puedan usarse, la consideración de las condiciones de carga, el análisis de esfuerzos, deflexiones, etc. El diseño de los elementos y la preparación de los planos de diseño. Con más exactitud, la palabra diseño se refiere al dimensionamiento de las partes de una estructura después de que se han calculado las fuerzas. RESPONSABILIDADES DEL INGENIERIO ESTRUCTURISTA

El ingeniero estructurista debe aprender a distribuir y a proporcionar las partes de las estructuras de manera que puedan montarse prácticamente, que tengan resistencia suficiente y que sean razonablemente económicas. Estos conceptos se analizan brevemente a continuación. 1.15.1 Seguridad Una estructura no sólo debe soportar con seguridad las cargas impuestas, sino soportarlas en forma tal que las deflexiones y vibraciones resultantes no sean excesivas ni alarmen a los ocupantes o causen grietas de aspecto desagradable en ella. 1.15.2 Costo El proyectista siempre debe tener en mente la posibilidad de abatir los costos de la construcción sin sacrificar la resistencia. A lo largo de este texto se analizan algunos aspectos de construcción que incluyen el uso de elementos de tamaño estándar, conexiones y detalles simples, y miembros y materiales que no requieran un mantenimiento excesivo a través de los años. Factibilidad Otro objetivo es el diseño de estructuras que puedan fabricarse y montarse sin mayores problemas. Los proyectistas necesitan conocer lo relativo a los métodos de fabricación y deben adaptar sus diseños a las instalaciones disponibles. También deben aprender todo lo relativo al detallado, la fabricación y el montaje de campo de las estructuras. Entre más sepan sobre los problemas, tolerancias y holguras de taller y campo, mayor será la posibilidad de que sus diseños resulten razonables, prácticos y económicos. Este conocimiento debe incluir información relativa al transporte de los elementos estructurales a la obra (por ejemplo, el tamaño máximo de las partes que pueden transportarse por camión o ferrocarril en forma práctica), así como la disponibilidad de mano de obra y el equipo disponible para el montaje. Quizá el proyectista debe hacerse la pregunta: “¿Podría yo montar esta estructura si me enviaran a montarla?” Por último, debe dimensionar las partes de la estructura de manera que éstas no interfieran con las partes mecánicas (tuberías, ductos, etc.), o arquitectónicas.