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1 ESTRUCTURAS METÁLICAS DE ACERO
1.1 INTRODUCCIÓN
El uso del acero estructural, se ha concentrado en las estructuras metálicas de puentes,
instalaciones industriales, coliseos, cubierta, edificios de oficinas y vivienda.
Las estructuras de acero estructural presentan ventajas comparadas con el concreto
reforzado.
• En la fabricación de los elementos hay un mejor control de calidad porque se lleva a
cabo en un taller
• Mayor velocidad de construcción y no se debe esperar tiempo de fraguado. Implica
menores costos indirectos.
• Durante construcción hay reducción en la mano de obra
• Las estructuras son más livianas, en consecuencia una menor cimentación.
• Se generan menores fuerzas inerciales por sismo debido a menor masa.
• Se pueden hacer luces más largas que en concreto reforzado.
• Mayor ductilidad y tenacidad de las estructuras
• Mayor facilidad de reparación
• Mejor flexibilidad arquitectónica
Las desventajas:
• Se requiere mano de obra más calificada y por lo tanto más costosa que en concreto.
• Los perfiles son importados y por lo tanto más caros.
• Puede ocurrir que no haya disponibilidad de los perfiles estructurales que resultaron
del diseño.
• Muchas de las conexiones soldadas o pemadas, se hacen en el campo, por lo que es
difícil asegurar un buen control de calidad en soldadura.
• Se requiere métodos difíciles y costosos para revisar soldaduras como por ejemplo,
la verificación por rayos X o ultrasonido.
• Los elementos y conexiones son vulnerables a la corrosión y requieren
mantenimiento periódico, y aplicar pintura anticorrosiva cada cierto tiempo.
• La estructura es vulnerable al fuego.
• La estructura tiene menor rigidez.
1.2 PRODUCCIÓN
La producción de los perfiles de acero puede dividirse en:
• fundición en altos homos;
• fabricación en homos de arco eléctrico
• laminado en rodillos
• Proceso de vaciado
1.2.1 Alto horno
El acero está compuesto de hierro en mayor porcentaje y de otros elementos. El hierro
en forma natural aparece como magnetita (Fep4) y hematita (Fe203), que contiene
aproximadamente el 50% de hierro puro. El hierro se extrae en altos hornos un
proceso de fundición.
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Un alto homo es una torre cilíndrica, en donde el oxido de hierro es reducido a hierro por
el carbono. Cuando la piedra caliza se quema en cal, esta actúa como el fundente que
se mezcla con el mineral y el carbono para formar una mezcla llamada escoria, la cual
flota en la superficie y después se extrae.
EI hierro fundido de primera fusión, se acumula en el fondo. Los homos más grandes
son capaces de producir de 8 000 a 10 000 toneladas de hierro de primera fusión
diarios. Este material contiene entre 4% y 5% de C y entre 0.1 % y 0.5% de P.
Luego eI hierro fundido se vacía en lingotes o se transporta en forma líquida.
1.2.2 Horno de arco eléctrico
Es la forma más barata para producir acero. Se puede producir hasta 400 toneladas a
partir de chatarra.
El horno es basculante para que pueda ser inclinado y permitir que el material fluya por
el vertedero, en un tiempo de cinco horas aproximadamente.
Después el acero es vaciado en ollas, se añaden manganeso, vanadio, columbio y
desoxidantes, como silicón y aluminio.
La eliminación del oxígeno del metal fundido contribuye para que el monoxido de
carbono no produzca abatimiento durante la solidificación. La cantidad de desoxidantes
que se añaden puede detener o "abatir" la formación de bolsas de gas.
Los aceros se clasifican, por su grado de desoxidación, como:
1) aceros libres de oxigeno (elevados)
2) aceros semilibres de oxigeno (intermedios)
3) aceros encerrados (aceros con o sin poco oxígeno).
El acero a 1500°C se vacía en moldes. El peso prom edio de un lingote es de 10
toneladas. Luego se mueve hacia un homo, donde se almacenan los lingotes hasta una
temperatura uniforme (1100 a 1300°F) para un proces o de laminado.
1.2.3 Laminado
Proceso de comprimir el lingote de acero con dos rodillos, que giran en sentidos
opuestos a la misma velocidad, la separación depende del espesor que se requiere.
Después cada extremo es cortado para eliminar el acero de bajo carbono.
Los productos son barras intermedias con un espesor de 1-1/2 pulg, un área de 2.25
pulg 2 a 36 pulg 2 .
Las barras son enviadas a los molinos de laminado para elaborar perfiles estructurales
como: secciones I, canales, ángulos, tes, barras redondas, cuadradas, hexagonales y
octagonales), laminadoras de alambre y cable, laminadoras de tubo con y sin costura, y
laminadoras para hacer placas.
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Algunas de las secciones es laminado en una sección I. El laminado ocurre mientras el
metal se halla al rojo vivo, se denominan perfiles Laminados en caliente. Se corta ala
longitud estándar, a un máximo de 60 pies a 75 pies.
1.2.4 Vaciado
Figura 1:1 Laminadora 2 rodillos para acero inoxidable
Fuente: http://www.google.com.co/search
El acero liquido de los homos, se vierte en un embudo y vaciado a unos moldes como se
observa en la figura 1.2, enfriados por agua. Una vez que se inicia el vaciado, no puede
ser interrumpido.
Luego se retira y se pasa por varios rodillos hasta formar una lamina.
La segregación de impurezas es uniforme y dispersada de por el proceso de laminado.
Los aceros vaciados en forma continua son mas uniformes en términos de metalurgia, y
hay menos segregación en comparación con otros sistemas de producción.
Figura 1.2. Vaciado
Fuente: http://www.infoacero.cl/catalogo/csh100_104.htm
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1.3 SECCIONES DE ACERO LAMINADO
Productos de Acero Estructural
Perfiles de patín ancho laminados en caliente (W)
Sección de Pilote de punta (perfiles HP)
Canales C, ángulos L y sección T
Perfiles europeos: Vigas IPE y columnas HEA
Platinas, Barras y laminas
M (misceláneo)
S (estándar) y Tubos (SCH)
Perfiles de secciones fabricadas: platinas soldadas o combinaciones de platinas y
perfiles laminados en caliente.
Perfiles laminados en frio
Los perfiles estructurales pueden conseguirse en longitudes de 60 a 75 pies,
dependiendo del fabricante, es posible conseguir perfiles hasta de 120 pies.
El peso unitario del acero estructural es 7.85 Tn/m3=785 kgf/m3 = 0.2833 pci (libras por
pulgada cubica)=490 pcf (libras por pie cubico).
En el Manual of Steel Construction: Load and Resistance Factor Design LRFD,
publicado por el Instituto Americano de Construcción de Acero (AISC), están
consignadas todas las propiedades geométricas de perfiles de acero estructural.
En el Manual LRFD se tabulan las propiedades para 318 perfiles I, 65 perfiles C, 126
perfiles L y 302 perfiles T
El perfil de columna más pesado es un Wl4x808 de acero grado 50, tienen una
resistencia a la compresión axial de 9.330 kips, considerando una longitud efectiva de
13 pies.
El perfil para viga más pesado es un W36x798 de acero grado 50, tiene una resistencia
a la flexión de 13.400 kips.pies.
Cuando la resistencia requerida es menor que la carga actuante, se puede utilizar una
sección transversal llamada sección compuesta, la cual se obtiene al soldar o
atornillar diversas placas o perfiles laminados.
1.3.1 Perfiles de patín ancho W
Formado por dos aletas o patines y un elemento vertical, el alma, conectados por
soldadura filetes.
Estos perfiles tienen dos ejes de simetría, una altura o peralte igual o mayor que el
ancho del patín, y el espesores del patín mayor que el del alma.
El perfil de patín ancho se identifica por el símbolo alfabético W, seguido por el peralte o
altura nominal en pulg y el peso en libras por pie lineal de largo.
Un perfil W12x 90 tiene una altura de 12 pulg y un peso es de 90 lb/pie.
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Los perfiles W laminados con anchos de patín aproximadamente igual a su altura se
conocen como perfiles columna, van desde el W8 hasta W14.
Figura 1.3 Perfiles W
Fuente: http://www.google.com.co/search
Los W12 y W14, con pesos entre 40 y 808 lb/pie se utilizan en columnas de edificios
altos. Los perfiles W con ancho de patín menor que el peralte se conocen como perfiles
viga.
1.3.2 Perfiles de pilotes de punta HP
Los perfiles HP tienen dos patines y un alma. Los espesores del alma y del patín son
iguales, y el ancho del patín y el peralte de la sección son aproximadamente.
El HP12x63 es un pilote de punta nominal de 12 pulg de peralte y 63 plf. Las almas
más gruesas, dan mayor resistencia al hincado del pilote.
1.3.3 Canales C
Figura 1.4 Perfiles W
Fuente: http://www.google.com.co/search
Un perfil en canal, tiene un alma y dos patines paralelos, las superficies internas de
ambos patines tienen una pendiente de 2 pulg en 12 pulg.
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Un canal tiene un eje de simetría. Los perfiles de canal se identifican por la letra C. La
designación C12x30 indica un canal de peralte 12 pulg (peralte real = 12 pulg), con peso
de 30 lb/pie.
1.3.4 Perfiles en ángulo L
Los perfiles en ángulo esta compuesta de dos elementos rectangulares llamados alas.
Los ángulos se designan con la letra L, el lado más grande siempre es el primero, luego
el menor y después el su espesor en pulgadas.
El ángulo L6”x4”x ½” tiene una longitud del ala es de 6 y 4 pulg y 1/2 pulg de espesor.
1.3.5 Vigas IPE
Es un perfil estructural en I bajo normas Europeas, de acero al carbono de alta
resistencia, fabricados a partir de flejes de láminas en caliente mediante el proceso de
electrosoldadura de alta frecuencia, disponibles en grandes longitudes.
La altura es mayor que el ancho de las alas. Se conocen también como vigas doble “T”.
Se utiliza en la construcción de estructuras metálicas principalmente como vigas,
viguetas, y riostras, aunque también como columnas para pórticos pero no es tan
eficiente, se usa en cerchas en carpintería metálica, industria automotriz,
ornamentación, puentes grúas, etc.
Figura 1.5 Perfiles IPE
Fuente: http://lacasita.com.co/aceros/index
1.3.6 Columnas HEA
Elementos de acero en forma de H bajo normas europeas, fabricados con laminados en
caliente en acero ASTM-A-36 y ASTM-A-572 Gr 50, en longitudes de 6 y 12 m.
Se utilizan la construcción especialmente como columnas. Se usan en puentes,
edificios, bodegas, torres de transmisión, etc También en carpintería metálica,
industria automotriz, ornamentación, puentes grúas, etc.
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1.3.7 Tes estructurales
Figura 1.6 Perfiles HEA
Fuente: http://lacasita.com.co/aceros/index
Tienen forma de T. La parte horizontal es el patín, y la vertical es el alma.
Se fabrican en la laminadora; se corta un perfil W, S o M a la mitad, produciendo
perfiles WT, ST o MT. Un perfil WT7X90 tiene un peralte nominal de 6 pulg y peso de 25
lb/pie. Se obtiene al cortar una sección W 14x90.
1.3.8 Barras, platinas y placas.
Se fabrican en muchos anchos y espesores. Se clasifica como barra si su ancho es
menor o igual a 8 pulg y como placa si su ancho es mayor que 8 pulg.
Una barra plana, por lo regular se designa con el ancho antes del espesor; por ejemplo,
6”x 5/8”.
Una placa, se designa con el espesor primero, como en una placa de 112”x 9”.
1.3.9 Secciones estructurales huecas (HSS) y tubos circulares (P)
Las secciones estructurales huecas (HSS, por sus siglas en inglés) y los Perfiles
tubulares estructurales (PTE) se dividen en: soldados o sin costura.
Los rollos de lámina de acero se sueldan a tope para producir una banda de acero, y se
pasa un horno. Conforme sale del horno, es formada a través de rodillos que sacan
una lámina en forma cilíndrica, y el tubo se cierra mediante una soldadura longitudinal
en forma automatizada.
El proceso sin costura, una barra redonda sólida de un tamaño predeterminado es
precalentada y luego perforada longitudinalmente con un mandril mientras es girada a
alta velocidad. El tubo redondo se pasa a otras operaciones de laminado para lograr el
diámetro y espesor deseados.
Después se pasa a otro más donde se le da forma cuadrada o rectangular.
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Una sección estructural hueca (HSS) cuadrada o rectangular es designada
HSS8”x4”x3/16”.
Los PTE pueden ser designados como P6, Px6 y Pxx6, respectivamente, o SCH
(Schedule)
1.3.10 Perfiles Laminados en frio
El acero laminado en frío depende del espesor de la lámina, generalmente se usan
perfiles PHR, con espesores desde 1.2 mm a 3.0 mm.
Se diferencian de los perfiles laminados en caliente por las esquinas redondeadas.
Los elementos estructurales tienen un estilo general de perfiles laminados en caliente
bien establecido, como canales, zetas y formas de sombrero (figura 2.3.5a).
El trabajo en frío genera esfuerzos residuales, bajando el esfuerzo de fluencia del
acero y reduciendo la ductilidad.
El diseño se efectúa de acuerdo a las Especificaciones para el diseño de miembros
estructurales de acero formados enfrío [AISI] publicadas por el American Iron and Steel
Institute, debido a la esbeltez transversal.
Las propiedades de muchos perfiles formados en frío se consignan en el Cold-Formed
Steel Design Manual (AISI, 2002) y el Manual de ACESCO.
Figura 1.6 Perfiles
Fuente: http://www.google.com.co/search
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1.4 TRATAMIENTO TÉRMICO.
Afectan las propiedades químicas del acero por los cambios que causan en su
estructura cristalina, en el tamaño de los cristales.
Hay tres procesos de tratamiento térmico: enfriamiento, templado y destemplado:
Enfriamiento: consiste en calentar la pieza metálica a unos 1650°F, y luego
rápidamente enfriarlo con agua, salmuera, aceite o plomo fundido.
Se producen estructuras granulares finas, debido al enfriado rápido se conocen como
como acero martensítico, que es muy duro y resistente pero susceptible a las fracturas
debido a severos esfuerzos residuales originados por el enfriamiento rápido.
Templado: sigue después del enfriamiento. El templado consiste en recalentar la pieza
a una temperatura no menor de 1150°F, luego se deja enfriar al aire. Esto alivia los
esfuerzos residuales y hace al acero más dúctil y tenaz, sin causar gran reducción de
resistencia o dureza.
Los esfuerzos residuales se producen pro el enfriamiento irregular. En las secciones
más gruesas, el interior tiene bajas tasas de enfriamiento y no se obtiene el endurecido
por los cambios metalúrgicos. Sólo el material cerca a la superficie se endurece,
aunque el interior permanece intacto.
Destemplado: es lo opuesto al endurecimiento. Se lleva a cabo mediante
calentamiento del acero por arriba de la temperatura de transformación durante cierto
tiempo, después se procede a un enfriado lento. Este procedimiento mejora la ductilidad
del acero, pero reduce el límite de fluencia, resistencia a la tensión y su dureza.
1.5 PROPIEDADES FICAS Y MECANICAS DEL ACERO
El Acero es la combinación de hierro y otros elementos químicos, principalmente
carbono. Se pueden adicionar otros elementos "de aleación" como manganeso, azufre,
silicio, etc.
Hasta 1960 el acero estructural mas utilizado era el designado A7 (con base en la ASTM
que reglamentaba) y tenía una resistencia de 33 ksi (227 MPa). Existían algunos otros
aceros soldables o resistentes a corrosión pero no eran muy usados.
Existe gran variedad de aceros estructurales, designados mediante la nomenclatura de
la norma ASTM (American Society for Testing and Materials) que especifica la
composición química y propiedades físicas.
El AISC (American Institute for Steel Construction) es la entidad mas avanzada a nivel
mundial que determina las especificaciones para materiales de acero y en la cual se
basan los requisitos del Capitulo F del reglamento colombiano de construcción
(NSR-10).
Para diseño, la resistencia del acero esta definida por el esfuerzo de fluencia, punto en
el cual hay un cambio abrupto del comportamiento elástico a uno plástico.
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Para aceros con alto carbono en que el punto de fluencia no esta bien definido, la
resistencia de fluencia se define por el método del 0.2% de cierta deformación limite.
En la actualidad, pueden ser usados aceros con esfuerzos de fluencia entre 170 y 690
MPa.
1.5 CLASIFICACIÓN ASTM
La American Society for Testing and Materials (ASTM) desarrolla los estándares de
materiales para estos aceros, publicados cada año e incluidos en el Annual Book of
ASTM Styards.
Aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA), resistentes a la corrosión, aceros de
baja aleación enfriados y templados, y aceros de aleación enfriados y templados.
Aceros con carbono
Formado principalmente por carbono y manganeso. Estos aceros contienen menos de
1.7% C, 1.65% Mn, 0.60% Si y 0.60% Cu.
Si se incrementa el porcentaje de carbono aumenta el esfuerzo de fluencia, pero se
reduce la ductilidad y la soldabilidad.
• La soldadura económica es posible sólo cuando el contenido de carbono no
excede de 0.30%.
• El manganeso mejora la resistencia y disminuye la ductilidad
• El silicio beneficia a la resistencia, pero en cantidades excesivas puede hacer
que el carbono se presente como escamas de grafito.
• El azufre y el fósforo tienen disminuyen la resistencia, la ductilidad y la
soldabilidad del acero. Por eso se limitan a 0.06%.
Tipos de Acero
• Aceros con bajo carbono
• Aceros de mediano carbono
• Aceros con alto carbono

Tiene un contenido máximo de carbono, que varía entre 0.25% y 0.29%, dependiendo
del espesor, y sigue siendo el material para perfiles M, S, HP, C, MC, MT, ST, y L
El A36 tiene esfuerzo de fluencia mínimo de 36 ksi=248 MPa, excepto para placas de
más de 8 pulg de espesor, para las cuales el esfuerzo de fluencia mínimo es de 32 ksi.
El A36 es el único acero que puede obtenerse en espesores mayores de 8 pulg, aunque
estas placas, sólo están disponibles con esfuerzo de mínimo de fluencia de 32 ksi.
El esfuerzo último acero varía de 58 ksi a 80 ksi (400 MPa); para diseño se utiliza el valor
mínimo de 58 ksi.
1.5.2 Aceros HSLA
De alta resistencia y cantidades moderadas de elementos de aleación como: cromo,
columbio, cobre, manganeso, molibdeno, níquel, vanadio y zirconio.
El contenido total de elementos de aleación no supera el 5%
Los aceros HSLA tienen esfuerzos de fluencia entre 40 ksi a 70 ksi, y algunos de los
tienen una resistencia mejorada a la corrosión.
Los aceros HSLA resistentes a la corrosión atmosférica, desarrollan una capa de óxido
denso y duro y que se adhiere con fuerza y tiene color morado.
El óxido o la pátina, sella el metal base contra la oxidación futura que lo protege de
la corrosión
Para formar la pátina, el acero debe estar expuesto a un ambiente alterno entre seco y
húmedo en un lapso de dos años.
La resistencia a la corrosión atmosférica de estos aceros es casi el doble que el acero
estructural con carbono con cobre, o cuatro veces el acero estructural con carbono sin
cobre (0.02% máx., Cu).
EI mas común den EE.UU. es el A572 grade 50 (HSLA) que es el acero mas utilizado
después del A36.
Las resistencias de estos aceros varían generalmente entre Fy =345 MPa y 450 MPa y
entre Fu= 448 MPa y 550 MPa.
1.5.3 Aceros ASTM A572
Los aceros ASTM A572 son aceros de vanadio-columbio de baja aleación y alta
resistencia.
La especificación A572 define cinco grados de aceros HSLA 42, 50, 55, 60 Y 65. En la
ASTM, el grado identifica el nivel de esfuerzo de fluencia. El grado 50 es un acero con
esfuerzo de fluencia de 50 ksi, actualmente el mas usado. El esfuerzo último de tensión
corresponde respectivamente a 60, 65, 70, 75 y 80 ksi.
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Los incrementos de esfuerzo de fluencia se logran al incrementar el máximo contenido
de carbono desde 0.21 % (grado 42) hasta 0.26% (grado 65), además de otros ajustes
químicos.
Estos aceros se utilizan en la construcción de edificios y otras estructuras, excepto para
la construcción de puentes.
1.5.4 ASTM A992
La ASTM A992 cubre perfiles W para ser usados solo en edificios.
Para perfiles W y WT, la ASTM A992 tiene valores mínimos especificados para Fy y Fu
de 50 y 65 ksi,
Especifica un límite superior de esfuerzo de fluencia de 65 ksi, una relación máxima
entre el esfuerzo de fluencia y el último en tensión de 0.85, y un porcentaje máximo de
carbono de 0.50%. El A992 tiene excelentes características de ductilidad y
soldabilidad.
1.5.6 Aceros A5TM A588
El ASTM A588 es un acero de intemperie de baja aleación con esfuerzo de fluencia
mínimo de 50 ksi para espesores hasta de 4 pulg.
Está disponible en mayores espesores con esfuerzos de fluencia entre 46 y 42 ksi.
Se produce para estructuras de construcción soldadas y atornilladas. Su resistencia a la
corrosión atmosférica es cuatro veces la del acero A36.
1.5.7 Aceros de baja aleación enfriados y templados
Contienen un máximo de 0.20%.de carbono. La ductilidad es menor que la de aceros
con carbono y HSLA.
El templado mejora la ductilidad.
Sólo están disponibles en forma de placas.
Pueden ser enfriados y templados para obtener esfuerzos de fluencia de 90 a 100 ksi,
No muestran un punto de fluencia definido
El esfuerzo de fluencia se con el método del corrimiento, 0.2%.de la deformación.
1.5.8 Aceros A5TM A514
Esfuerzo de fluencia mínimo especificado es de 100 ksi para espesores hasta de 2-1/2
pulg o más, y de 90 ksi para espesores mayores a 2-1/2 pulg a 6 pulg.
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Se usan en edificios altos, torres de televisión, puentes soldados, tanques para
almacenamiento de agua, etc., donde se requieren altas resistencia a la fluencia.
1.5.9 Acero Templado
Presentan altas resistencias. Son producidos calentando el acero a su temperatura de
austenizacion (>1600°F) y luego enfriándolos rápida mente introduciéndolos en agua o
en aceite, causando que la resistencia aumente pero la ductilidad disminuye.
Si el material se vuelve a calentar a una temperatura no tan alta (cerca de 1100°F) y se
enfría lentamente, la resistencia disminuye un tanto pero la ductilidad mejora.
Las resistencias varían entre Fy= 620 MPa y 690 MPa.
1.6 ENSAYO DE TENSIÓN.
El ensayo de tensión se realiza para determinar el esfuerzo de fluencia, el módulo de
elasticidad, la ductilidad y la tenacidad del acero. .
Se sujeta probeta de acero entre las mordazas de la máquina universal y se carga a
tensión hasta que ocurre la fractura.
La probeta se marca entre dos puntos de calibración. La distancia entre estos puntos) se
llama longitud calibrada, depende del tamaño de la probeta. Los resultados del ensayo
se registran en la curva esfuerzo-deformación.
Se utiliza el esfuerzo de ingeniería o nominal y deformación nominal o de ingeniería. Se
define como la carga dividida entre el área de la sección transversal original de la
probeta
F = T/Ao
T es la carga de tensión axial aplicada
Ao es el área de sección transversal
F el esfuerzo de tensión axial
La deformación se define como el alargamiento de la probeta sobre la longitud
calibrada. Esto es,
δ = L-Lo/Lo = δ/Lo
Lo es la longitud calibrada original en pulg,
L es la distancia en pulgadas entre las marcas de calibre después de aplicar la carga T,
δ: alargamiento
Curva Esfuerzo-Deformación o de Ingeniería
Las propiedades esfuerzo-deformación del acero se obtienen usando una probeta bajo
una carga de tensión P aplicada en sus extremos y midiendo el alargamiento de una de
la longitud original Lo, de acuerdo a la norma ASTM E8-01
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A continuación se describe la curva:
Figura 1.7 Ensayo de tensión
Fuente Norma ASTM E8-01
Punto A: Límite proporcional, al descargar el material vuelve a su estado inicial
Pendiente OA: Módulo de elasticidad E (Ley de Hooke σ = Eε
)
Tramo AB: Zona de fluencia, se incrementa la deformación sin incremento de esfuerzo
(comportamiento plástico)
Tramo BC: Endurecimiento por deformación, hay cambios en la estructura cristalina del
material.
Tramo CD: Se reduce la resistencia y aumenta la deformación. Aquí ocurre la Estricción
o Disminución del área y por lo tanto la carga que puede soportar, aunque el material
soporta un incremento de esfuerzo.
Resistencia a la fluencia: Carga para producir fluencia
Resistencia última: Carga máxima que puede soportar, carga de falla
Esfuerzo de fluencia Fy
Esfuerzo último Fu
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Valores típicos de deformación:
σ y
ε y = ≈ 0.001 – 0.002 (0.01% – 0.20%)
E
ε SH ≈ 0.01 – 0.03 (1% – 3%)
ε u ≈ 0.10 – 0.20 (10% – 20%)
ε ≡ % Elongación ≈ 0.20 – 0.30 (20% – 30%)
fractura
Al aumentar Fy la ductilidad, la soldabilidad, la relación Fu/Fy y el tamaño de la
plataforma de fluencia se reducen.
Se presenta un pico en la curva inmediatamente después del límite de proporcionalidad,
que corresponde al esfuerzo Superior de Fluencia Fyu. Al incrementar levemente la
deformación el esfuerzo cae al esfuerzo de Fluencia Inferior Fyl, después el esfuerzo
sigue a un nivel promedio Fy.
La resistencia del material depende de la velocidad del ensayo ASTM permite una
velocidad de 0.001 l/seg. para la verificación de la resistencia del material producido.
Entre mayor velocidad mayor resistencia, que puede aumentar hasta en 10%. Si la
velocidad es mayor de cero se le conoce como Esfuerzo de Fluencia Dinámico, si la
velocidad es lenta se llama Esfuerzo de Fluencia Estático.
Módulo de elasticidad
El módulo de elasticidad es la pendiente de la curva esfuerzo-deformación de la región
elástica. El módulo de elasticidad se relaciona con la fuerza de atracción entre átomos
adyacentes. Para los átomos del hierro, esta fuerza tiene un valor definido.
Como el hierro es aproximadamente el 99% de la composición de los aceros
estructurales, por eso el módulo de elasticidad E es prácticamente constante.
E =Modulo elástico = 200 GPa = 29.000 ksi (independiente de el tipo de acero
estructural)
Esfuerzo de fluencia, Fy
El AISC LRFD ha definido el término esfuerzo de fluencia como el punto de fluencia y
la resistencia a la fluencia
Fy se utiliza para designar el esfuerzo de fluencia. Los aceros estructurales tienen
esfuerzos de fluencia de 32 ksi a 150 ksi.
La fluencia para aceros de alta resistencia no tiene un punto definido, se calcula por el
método del corrimiento para una deformación de 0.002 o 0.2%.
Módulo de endurecimiento por deformación, Esh
Es la pendiente o la tangente a la curva esfuerzo – deformación después de la zona
plástica, en la zona de endurecimiento pro deformación. Representa la rigidez del
material en el intervalo inelástico.
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La curva esfuerzo-deformación del acero en tensión muestra una plataforma de fluencia
durante la cual la rigidez tangente (pendiente de la curva) es igual a cero.
El acero está compuesto de cristales, los cuales a llegar al límite elástico se empiezan a
deslizar unos con respecto a otros en planos orientados a 45 grados de la dirección de la
deformación.
En el lugar exacto de cada plano de deslizamiento, el material pasa de una
deformación εy a εsh.
Esh = E/30 a E/100 es la rigidez al inicio del endurecimiento por deformación.
Ductilidad.
Ductilidad es la capacidad de un material para ser sometido a gran deformación sin
quebrarse, para soportar grandes deformaciones inelásticas sin una pérdida
significativa de resistencia. Se mide por medio del porcentaje de elongación.
Figura: Material Frágil y dúctil.
En la figura de arriba el material A es más dúctil que el material B. Aunque ambos
empiezan a fluir al mismo tiempo y alcanzan la misma resistencia.
Si el material es frágil (B), la zona alrededor del hueco llega primero a la fluencia por la
concentración de esfuerzos y alcanza rápidamente la resistencia ultima y se fractura la
sección neta antes de que el resto del material se plastifique.
Si el material es dúctil (A) el esfuerzo se distribuye en toda la sección y fluye la sección
neta. Por lo tanto el material dúctil es más resistente.
En diseño se puede usar un esfuerzo de fluencia promedio y evitar las concentraciones
de esfuerzos.
Desde le punto de vista del Estado límite de Servicio, la ductilidad da una alerta sobre
una inminente falla debido a las grandes deformaciones, es decir que avisa.
Una medida de la ductilidad es el porcentaje de elongación de la longitud calibrada. Se
calcula como
Porcentaje de elongación δ = Lf-Lo/Lo*100
Lf: distancia final entre las marcas calibradas.
Lo: longitud calibrada original.
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Relación de Poisson, ν
Para esfuerzos dentro del rango elástico, la razón de las deformaciones en direcciones
transversal y longitudinal es una constante conocida como la razón de Poisson.
ν ε
ε
εt: Deformación transversal
εl: Deformación longitudinal.
Temperatura
El esfuerzo de fluencia, el último y el módulo de elasticidad de todos los aceros
estructurales disminuyen con los incrementos de temperatura.
La relación entre el esfuerzo de fluencia a alta temperatura entre el esfuerzo de fluencia
a temperatura ambiente para aceros de baja aleación y alta resistencia, es
aproximadamente de 0.77 a 800 °F, 0.63 a 1000°F y 0 .37 a 1200°F.
La reducción en resistencia es lenta para temperaturas de hasta 260°C. A temperaturas
mayores, la reducción es lineal y alcanzan aproximadamente el 80% de su valor inicial a
los 420°C.
Las temperaturas más altas, la rigidez se reducen más rápido. A temperaturas bajo cero
la resistencia aumenta un poco.
Tenacidad.
Es la capacidad del material para resistir fracturas frágiles. Se mide con el ensayo
impacto (Charpy V -notch). La tenacidad es importante bajo cargas de Impacto o fatiga,
T cuando la temperatura es muy baja.
El ensayo de Charpy. consiste en aplicar una carga de impacto a una probeta dejando
caer martillo en forma de péndulo. La energía necesaria para romper el espécimen se
halla usando la diferencia de energía potencial gravitacional entre la posición inicial y
final de la masa. Se supone que el sistema no tiene perdidas pro fricción.
17

Comportamiento Inelástico
Después de que el material es llevado más allá del rango elástico, se supera el esfuerzo
de fluencia, y se presentan deformaciones permanentes. En ciclos de carga y descarga,
se observa en la siguiente figura que el material pierde densidad de energía de
deformación después de cada ciclo, es decir ductilidad, y el esfuerzo de fluencia
aparente es mayor que el esfuerzo de fluencia original.
Por fuerzas sísmicas se presenta un incremento de 5% a 10% en el Fy. Importante por
cargas de impacto y explosiones.
Comportamiento del Acero a Cortante
Estos ensayo son complicados de hacer. Se coloca una platina de acero como se
observa en la figura, y se carga con una fuerza cortante V y se mide el desplazamiento
lateral.
18

El esfuerzo cortante promedio es τ= V/A, la deformación de cortante es γ=Δ/L, y se
gráfica deformación de cortante vs. Esfuerzo cortante promedio.
La pendiente de la curva en la parte elástica es el módulo de cortante G. Se relaciona
con el modulo elástico por la siguiente fórmula:
E
G =
2( 1+
v)
Si se tiene: E = 200.000 MPa
v = 0,3
Entonces: G = 76.900 MPa
Acero dulce: G = 11.000ksi – 75 GPa
Aluminio: G =4000ksi – 2.8 GPa
Donde v es la relación de Poisson
El esfuerzo a la fluencia en cortante τy se relaciona en forma experimental y teórica
con la resistencia a la fluencia en tensión Fy, por medio de la Teoría de falla de Von
Misses.
σ y
τ y = = 0.
557σ
y
1.
8
Experimental mente se ha encontrado que τy=0.60Fy, mientras que τu =0.60Fu.
1.7 TIPOS DE CARGA
Carga Muerta (D): Estipuladas en el capítulo B.3 del NSR-10, incluye:
Peso propio de los materiales, acabados
Equipo permanente
Carga estacionaria y constante.
Se peude calcular con bastante precisión, por lo que los factores de mayoración son
bajos para esta carga.
Carga Viva (L): El NSR-10 especifica unos valores mínimos de acuerdo al capítulo
B.4.Incluye:
Peso de personas, muebles equipo móvil, vehículos
Depende del tipo de uso de la edificación
No es estacionaria cambia en el tiempo
Los factores de mayoración son más grandes, debido a que es difícil cuantificarla.
Carga de Viento (W)
Se calcula de acuerdo al capítulo B.6 del NSR-10.
Se supone estática.
Se supone que la presión actúa perpendicular a la superficie sobre la que actúa.
Cargas de sismo (E)
Se define por medio de un espectro de respuesta según capítulo a del NSR-10, que tien
una tasa de recurrencia de 475 años, con una probabilidad de superar las ordenadas
espectrales de 10%.
19

Se supone que actúa en las dos direcciones horizontales (100% y 30% y viceversa) con
el espectro multiplicado por toda la aceleración de la gravedad y para las aceleraciones
verticales, se multiplica por 2/3.
Otras Cargas
Temperatura (T)
Presión lateral de suelo (H)
Presiones de fluidos (F)
Granizo (G)
Cargas vivas de cubierta (Lr)
Carga de empozamiento de agua
Cargas Especificadas por Código
El calculista estructural debe estimar las cargas a la que estará sometida la estructura
durante su vida útil.
EI análisis estructural debe hacerse para todas las posibles combinaciones de carga
ya sean cargas de servicio o cargas de diseño de acuerdo al capítulo B.2 del NSR-10.
El diseño se puede hacer por dos métodos: esfuerzos admisibles y resistencia última.
Diseño Esfuerzos Admisibles
Se uso hasta los años 80.
Fcalculado

Fractura en tensión φ 0.75
Flexión φ 0.9
Diseño por Estado límite
Representa el límite en el modo de falla por estado límite para no ser excedido, ya sea
de resistencia o servicio.
El Estados limite de resistencia está relacionado con la seguridad estructural y la
máxima capacidad de carga. El Margen de seguridad es grande.
Los estados límite de servicio afectan la función el uso de la estructura. El margen de
seguridad puede ser pequeño.
1.8 SECCIONES COMPUESTAS
• ∑
∑
•
• n = número de partes componentes
• Ai = Área i
• Yi = Centroide de cada sección
• Y= Centroide sección compuesta
• d1, d2 = Distancia desde el centroide de la sección compuesta hasta el centroide de
cada sección
Teorema de los ejes paralelos
El momento de inercia alrededor de un eje centroidal de una sección compuesta, es igual al
momento de inercia respecto al eje centroidal de cada sección, más el área por el cuadrado de
la distancia entre ejes centroidales.
1
21

Radio de giro:
Módulo de la sección
= distancia a la fibra superior e inferior hasta donde se calcula el esfuerzo.
Inercia de rectángulo.
12
Inercia de un triangulo
3
Problema: Calcular el momento de inercia alrededor del eje fuerte Ixx, radio de giro, peso por
unidad de longitud
y modulo de la sección compuesta por Perfil IPE 270 (Perfil I) y
UPN, mostrada. c.s.c: Centroide de la sección compuesta.
Propiedades geométrica IPE
Altura exterior d = 270 mm ; Ixx = 57´900.000 mm4
Espesor patín tf = 10,2 mm ; Iyy = 4200000 mm4
Ancho patín bf = 135 mm ; Sxx = 428.888,9 mm3
Espesor alma tw = 6,6 mm ; Syy = 62.222,22 mm3
Área = 4590 mm2
22

UPN (Perfil canal)
Altura exterior d = 200 mm ; Ixx = 19´110.000 mm4
Espesor patín tf = 11,5 mm ; Iyy = 5´483.000 mm4
Ancho patín bf = 75 mm ; Sxx = 191.100 mm3
Espesor alma tw = 8,5 mm ; Syy = 26.997,997mm3
Área = 3219 mm2
Centroide UPN.
∑ A X
A
177 8,5 8,5 2
2 75 11,5 75 2
22,1 mm
3219
∑ AY A 4590 270 2
3219 22.1
70,24 mm
4590 3219
Inercia sección compuesta.
d 270
70,24 64,76mm
2
d 70,24 22,1 92,34mm
57900000 4590 64,76 1483000 3219 92,34
106´080.1754
Radio de giro
,
116.6
Modulo de sección
Sxx 106´080175,1
199,76
106´080175,1
70,24 75
531038,1mm3
730378,53
Peso por unidad de longitud
7800
3
3219
4590
1000 60.91
23