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UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA “JOSE SIMEON CAÑAS”, UCA Departamento de Mecánica Estructural, Apartado Postal (01)168, Autopista Sur, San Salvador, El Salvador, América Central Tel: +503-2210 6600. ext 1039, 1083 Fax: +503-2210 6662

Laboratorio de: MATERIALES DE CONSTRUCCION

ENSAYOS EN ACERO ESTRUCTURAL NORMAS: ASTM A 36-01

Standard Specification for Carbon Structural Steel (Especificación estándar para acero estructural al carbono)

ASTM A 370-02

Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products (Métodos estándar de ensayo y definiciones para el ensaye de productos de acero)

ASTM A 6-02

Standard Specification for General Requirements for Rolled Structural Steel Bars, Plates, Shapes, and Sheet Piling (Especificación estándar para requerimientos generales para barras, placas, perfiles y hojas de pilotes de acero estructural laminado)

OBJETIVOS a) Que el estudiante conozca los ensayos que se realizan al acero estructural. b) Que el estudiante realice el ensayo a tensión en probetas labradas a partir de un perfil estructural. DISCUSIÓN TEORICA Acero estructural El acero se define como una combinación de hierro y pequeñas cantidades de carbono, generalmente menos del 1% en peso y contiene pequeños porcentajes de algunos otros elementos. Las propiedades del acero han llevado a utilizar éste en el campo de obras de ingeniería civil por las siguientes características: a) Alta resistencia

2 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 claros, en edificios altos y estructuras con malas condiciones en la cimentación.

b) Uniformidad Las propiedades del acero no cambian apreciablemente con el tiempo como es el caso de las estructuras de concreto reforzado. c) Elasticidad El acero se acerca más en su comportamiento a las hipótesis de diseño que la mayoría de los materiales, gracias a que sigue la ley de Hooke hasta esfuerzos bastante altos. Los momentos de inercia de una estructura de acero pueden calcularse exactamente, en tanto que los valores obtenidos para una estructura de concreto reforzado son relativamente imprecisos. d) Durabilidad Si el mantenimiento de las estructuras de acero es adecuado durarán indefinidamente. e) Ductilidad La ductilidad es la propiedad que tiene un material de soportar grandes deformaciones sin fallar bajo altos esfuerzos de tensión. Cuando se prueba a tensión un acero de bajo contenido de carbono, ocurre una reducción considerable de la sección transversal y un gran alargamiento en el punto de falla, antes de que se presente la fractura. Un material que no tenga esta propiedad probablemente será duro y frágil y se romperá al someterlo a un golpe repentino. En miembros estructurales sometidos a cargas normales se desarrollan altas concentraciones de esfuerzos en varios puntos. La naturaleza dúctil de los aceros estructurales comunes les permite fluir localmente en esos puntos, evitándose así falla prematuras. Una ventaja adicional de las estructuras dúctiles es que, al sobrecargarlas, sus grandes deflexiones ofrecen evidencia visible de la inminencia de la falla. f) Tenacidad Los aceros estructurales son tenaces, es decir, poseen resistencia y ductilidad. Un miembro de acero cargado hasta que se presentan grandes deformaciones será aún capaz de resistir grandes fuerzas. Esta es una característica muy importante por que implica que los miembros de acero pueden someterse a grandes deformaciones durante su fabricación y montaje, sin fracturarse, siendo posible

3 doblarlos, martillarlos, cortarlos y taladrarlos sin daño aparente. La propiedad de un material para absorber energía en grandes cantidades se denomina tenacidad. g) Ampliaciones de estructuras existentes Las estructuras de acero se adaptan muy bien a posibles adiciones. Se pueden añadir nuevas segmentos e incluso alas enteras a estructuras de acero ya existentes en los puentes de acero con frecuencia pueden ampliarse.

h) Propiedades diversas Otras ventajas importantes del acero estructural son:  Gran facilidad para unir diversos miembros por medio de varios tipos de conectores como son las soldaduras, los tornillos y remaches.  Posibilidad de prefabricar los miembros. 

Rapidez de montaje.



Gran capacidad de laminarse en una gran cantidad de tamaños y formas.



Resistencia a la fatiga.



Reuso posible después de desmontar la estructura, y



Posibilidad de venderlo como “chatarra” aunque no pueda utilizarse en su forma presente.

Loa aceros estructurales se agrupan generalmente según varias clasificaciones principales de la ASTM e incluidos en las especificaciones y normativas de diseño tal como se muestra en la tabla 9-1: Designación Tipo de acero

Formas

Usos recomendados

ASTM A 36

Para propósitos generales

A 529

Al carbomo

A 441

De alta resistencia y baja aleación

A 572

De alta resistencia y baja aleación

A 242 A 588 A 514

De alta resistencia, baja aleación y resistente a la corrosión atmosférica De alta resistencia, baja aleación y resistente a la corrosión atmosférica Templados y revenidos

Perfiles, barras y Puentes, edificios y otras estructuras atornilladas, placas soldadas o remachadas Perfiles, barras y Similar a A 36 placas hasta 1/2" Perfiles, barras y Similar a A 36 placas hasta 8" Perfiles, barras y Construcciones atornilladas, soldadas o remachadas. No placas hasta 6" para puentes soldados los de FY = 55 o mayores Perfiles, barras y Construcciones atornilladas, soldadas o remachadas; placas hasta 4" técnica de soldado muy importante Construcciones atornilladas y remachadas Placas y barras Placas solo hasta Estructuras soldadas con mucha atención a la técnica 4" empleada; no se use si la ductilidad es importante

a

Los valores de Fy varían con el espesory el grupo

b

Los valores de FU varían con el grado y tipo

Tabla 9-1:Propiedades de aceros estructurales

Esfuerzo mínimo de

Esfuerzo

40-50

60-70

42-65

60-80

42-50

63-70

42-50

63-70

90-100

100-130

último mínimob fluenciaa (ksi) (ksi) 36 pero 32 si el 58-80 espesor es mayor de 8" 42 60-85

4 (Fuente Tabla 1-1, DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO, Método LRFD; McCormac, Alfaomega, 1991)

El acero estructural de presentan en diversidad de formas como puede apreciarse en las fig. 9-1 y 9-2.

Fig. 9-1: Perfiles laminados de acero

Fig. 9-2: Diversidad de perfiles laminados

Propiedades físicas y mecánicas del acero Una propiedad física del acero es su densidad, la sección 12.1 de ASTM A 6-02, Standard Specification for General Requirements for Rolled Structural Steel Bars, Plates, Shapes, and Sheet Piling (Especificación estándar para requerimientos generales para varillas, placas, perfiles y placas para pilotes de acero estructural laminado) se menciona que la densidad del acero estructural es asumida como 7850 kg/m³. En cuanto a las propiedades mecánicas, se necesita conocer las características elásticas, inelásticas, de fractura y fatiga de un material a fin de evaluar si es adecuado para fabricar un miembro estructural de una estructura en particular. A continuación se describen ciertas definiciones que se relacionan con los aceros estructurales.

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Elasticidad: Es la capacidad de un metal para recobrar su forma original después de ser cargado y descargado. Fatiga: Falla que se presenta cuando se aplica esfuerzo en forma repetida por encima de su límite de tenacidad a través de muchos ciclos de carga y descarga. Este esfuerzo cíclico puede ocurrir como resultado de rotación, flexión o vibración. Aún cuando el esfuerzo esté por debajo del límite elástico. Las falla por fatiga usualmente ocurren en tres etapas: primero, se inicia una grieta minúscula, sobre la superficie, generalmente tiempo después de haberse aplicado la carga. A continuación, la grieta se propaga gradualmente, conforme la carga sigue en su alternancia. Finalmente, cuando la sección transversal restante del material resulta demasiado pequeña para soportar la carga aplicada, ocurre la fractura súbita del material. Ductilidad: Es la capacidad de deformarse sin fractura en el rango inelástico; es decir, más allá del límite elástico. Elongación: Es la relación entre el alargamiento del material luego de la aplicación de carga de falla y la longitud original de calibración, generalmente se expresa en %. Tenacidad: Medida cualitativa de las propiedades de impacto de un material. Un material que resiste la rotura por impacto se dice que es tenaz. Módulo de resilencia: Máxima energía elástica absorbida por un material al aplicársele una carga. Módulo de elasticidad: También llamado módulo de Young., es la pendiente de la curva esfuerzo deformación. Esfuerzo de fluencia: Esfuerzo al cual la deformación plástica se hace importante, es el esfuerzo que divide los comportamientos elásticos y plásticos del material. Esfuerzo último: Esfuerzo máximo obtenida en un ensayo a tensión. Generalmente la propiedades mecánicas requeridas en el acero estructural es la determinación del esfuerzo de fluencia y el esfuerzo último. La Fig. 9-3 muestra las diferentes relaciones esfuerzo-deformación unitaria de diferentes materiales. Los aceros de refuerzo y los aceros estructurales tienen comportamientos similares a la fig. 9-3 (b) y el acero para malla estructural tiene un comportamiento similar al de la fig. 9-3 (c). En

6 algunos materiales el esfuerzo de fluencia es generalmente determinado como el esfuerzo que se obtiene por desplazar un línea paralela a la pendiente inicial de la curva esfuerzo deformación a 0.2% del origen, como puede apreciarse en la Fig 9-3 (b).

Fig. 9-3: Relación entre el esfuerzo y la deformación unitaria para varios materiales. (a) Frágil, (b)Elástico lineal con límite de proporcionalidad bien definido, (c) Elástico lineal c límite proporcional no bien definido, (d) no lineal. Especificaciones y ensayos al acero ASTM A 370-02, Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products (Métodos estándar de ensayo y definiciones para el ensaye de productos de acero) describe una diversidad de ensayos y los detalles de las probetas a ensayar para diferentes productos de acero, aquí se hará énfasis en los más frecuentes para ingeniería civil, cuyos resultados deben ser comparados con la correspondiente especificación ASTM del material que se esté ensayando. El esfuerzo de fluencia puede ser determinado en forma genérica de 2 maneras, que se describen a continuación: a) Método de desplazamiento (Offset Method): Consiste en que se elabora un diagrama esfuerzo-deformación, en el cual se traza una línea recta mn que se desplaza paralelamente a la pendiente inicial 0A un determinado valor 0m (generalmente 0.2% de deformación unitaria) y donde esta nueva pendiente intersecta en r a la curva esfuerzo deformación se determina el valor R correspondiente al esfuerzo de fluencia como puede apreciarse en la fig. 9-4.

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Fig. 9-4: Diagrama esfuerzo deformación presentando el esfuerzo de fluencia por el método de desplazamiento. (Fuente: Fig. 8 de ASTM A 370-02)

b) . Método de extensión bajo carga (Extensión Under Load Method): Consiste en que se elabora un diagrama esfuerzo-deformación, en el cual se traza una línea perpendicular al eje horizontal mn que se desplaza in determinado valor 0m (generalmente 0.5% de deformación unitaria) y donde esta nueva pendiente intersecta en r a la curva esfuerzo deformación se determina el valor R correspondiente al esfuerzo de fluencia como puede apreciarse en la fig. 9-5.

Fig. 9-5: Diagrama esfuerzo deformación presentando el esfuerzo de fluencia por el método de extensión bajo carga. (Fuente: Fig. 9 de ASTM A 370-02)

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Fig 9-6: Tipos de especimenes de ensayo según la dirección de laminado para diferentes ensayos (Fuente: Fig. 1 de ASTM A 370-02) En la Fig. 9-6 , pueden apreciarse los tipos de especimenes de ensayo que pueden hacerse, según la dirección del laminado para diversos ensayos, segú sea especificado. Asimismo las secciones 9 y 10 establecen la geometría y dimensiones de las probetas a elaborar como por ejemplo, para el acero estructural los especimenes pueden ser del tipo placa (plate) para espesores nominales de 3/16” o mayores y del tipo hoja (sheet) para espesores nominales de 0.005” a ¾”. En las Fig. 9-7 a 9-14 pueden apreciarse los requerimientos para elaborar probetas para ensayos a tensión en diversas formas de los productos de acero.

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Fig. 9-7: Especimenes rectangulares para ensayos a tensión (Fuente: Fig. 3 de ASTM A 370-02)

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Fig. 9-8: Especimenes redondos para ensayos a tensión (Fuente: Fig. 4 de ASTM A 370-02)

Fig. 9-9: Tipos sugeridos de extremos en especimenes redondos

11 (Fuente: Fig. 5 de ASTM A 370-02)

Fig. 9-10: Cuñas de metal para especimenes tubulares en ensayos a tensión (Fuente: Fig. A2.1 de ASTM A 370-02)

Fig. 9-11: Localización especimenes longitudinales en segmentos para ensayos a tensión en productos tubulares. (Fuente: Fig. A2.2 de ASTM A 370-02)

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Fig. 9-12: Dimensiones y tolerancias para especimenes de productos tubulares (Fuente: Fig. A2.3 de ASTM A 370-02) ASTM A 36-01, Standard Specification for Carbon Structural Steel (Especificación estándar para acero estructural al carbono) describe los requerimientos químicos, físicos y propiedades mecánicas del acero estructural al carbón. En la tabla 2 de ASTM A 36 detalla los requerimientos químicos según el espesor y tipo de elemento (perfiles, placas o barras) que se muestra en la tabla 9-2. Asimismo la tabla 9-3 muestra los requerimientos a tensión en acero estructural. Esta especificación se combina con la normas ASTM A 6 y A 370.

Tabla 9-2: Requerimientos químicos para acero estructural al carbono (Fuente: Tabla 2 de ASTM A 36-01)

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Tabla 9-3: Requerimientos a tensión para acero estructural al carbono (Fuente: Tabla 3 de ASTM A 36-01) ASTM A 6-02, Standard Specification for General Requirements for Rolled Structural Steel Bars, Plates, Shapes, and Sheet Piling (Especificación estándar para requerimientos generales para barras, placas, perfiles y hojas de pilotes de acero estructural laminado) describe los requerimientos químicos, formas y frecuencia de muestreo, tolerancias dimensionales y otros para barras placas, perfiles y hojas para pilotes. En la tabla C de ASTM A 6 detalla la mínima cantidad de ensayos a realizar de acuerdo a sus espesores y se presenta en la tabla 9-4. Esta especificación se combina frecuentemente la norma A 370.

14 Tabla 9-4: Cantidad mínima de ensayos a tensión requeridos en productos estructurales en longitudes de corte discreto (Fuente: Tabla C de ASTM A 6-02) MATERIAL Y EQUIPO Materiales:  1 Probeta tipo hoja labrada de perfil angular con las siguientes dimensiones:

Extremo 1

Extremo 2 T B L C A W T R

>4 > 12 ± 0.750 > 3.0 0.500  0.010 Espesor del Material > 0.5 Nota: Todas las dimensiones se encuentran en pulgadas.

Equipo:  1 Calibrador de 0.001” de precisión  1 Cinta métrica de 3 m o 5 m.  1 Máquina de aplicación de carga a tensión  1 Deformímetro de 2” de ramo de calibración  2 Placas de sujeción. PROCEDIMIENTO Determinación de dimensiones Se procede a tomar 3 lecturas del ancho y espesor de las probetas labradas (2 a los extremos y 1 al centro) en su sección reducida y las dimensiones del largo y ancho de los extremos de sujeción y su radio de curvatura. Asimismo se procede a calcar el perímetro exterior de la probeta en un papel, (para posteriormente estimar el radio de filete R).

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Ancho 1, espesor 1

Ancho 2, espesor 2

Ancho 3, espesor 3

Fig. 9-13: Lugares donde se deben determinar las dimensiones Realización de marcas en tramo de calibración Se procede a realizar las marcas con el punzómetro en la sección delgada, a partir de la parte central de tal forma que se tenga un tramo de calibración de 2”.

Tramo de calibración de 2”, (centrado)

Fig. 9-14: Lugares donde se deben hacer la marcas del tramo de calibración Colocación de probeta en mordaza y deformímetro A continuación el personal técnico colocará el deformímetro digital de 2” en la parte media de la probeta labrada y la colocará entre las mordazas de sujeción de la máquina de ensayo. Aplicación de carga para determinación de esfuerzos de fluncia y último.

16 Hecho lo anterior aplicará carga a una razón de separación de los cabezales de la máquina no mayor de (1/16”)/min hasta determinar el esfuerzo de fluencia ya sea por el método de desplazamiento a 0.2% (offset) o por el método de extensión a 0.5%. Una vez se ha determinado el esfuerzo de fluencia, el personal técnico retira el deformímetro digital de 2” y continúa la aplicación de carga. Para determinar el esfuerzo último fu., la razón de separación de los cabezales, no excederá de 1/2”/min. En ningún caso la razón mínima de separación de cabezales, excederá de 1/10 la razón utilizada para determinar los esfuerzos de fluencia y último respectivamente. Determinación de la elongación de la probeta Una vez fallada la probeta, se procede a quitarla de las mordazas de sujeción y a unir nuevamente a probeta, colocar nuevamente en en punzómetro, teniendo el cuidado que uno de sus extremos coincida con la marca originalmente hecha y se punzona en el otro extremo. Posteriormente se determina y registra el alargamiento respectivo y se anota el sitio y tipo de falla.

Probeta de muestra

Fig. 9-15: Foto de una probeta ya fallada

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EJEMPLO ILUSTRATIVO Cálculos a) Determinación del área de la sección transversal: Se promedian los anchos W y espesores T de la sección reducida y se multiplican sus promedios para así obtener el área de la sección transversal A. Ancho promedio W = (0.499”+0.502”+0.503”)/3 = 0.501” Espesor promedio T = (0.342”+0.342”+0.343”)/3 = 0.343” Área A = 0.501”  0.342” = 0.171 pulg². b) Determinación de esfuerzos de fluencia, último y elongación Se Dividen las cargas de fluencia Fy y última Fu entre el área A de la sección transversal. Esfuerzo de fluencia fy = 10180 lbf / 0.171 pulg² = 59532 psi  59.5 ksi Esfuerzo último fu = 12330 lbf / 0.171 pulg² = 72105 psi  72.1 ksi Elongación en 2” (%) = (Gf-G)/G100 = (2.484-2)/2100 = 24.2% c) Comparación de resultados con especificación A 36 c.1 Requisitos de dimensiones de probeta (versus Fig. 3 de ASTM A 370-02) Descripción Longitud extremo 1 de sujeción, B1 Longitud extremo 2 de sujeción, B2 Ancho 1, extremo de sujeción, C1 Ancho 2, extremo de sujeción, C2 Ancho de sección reducida extremo 1, W1 Ancho de sección reducida central , W2 Ancho de sección reducida extremo 2, W3 Espesor en sección reducida extremo 1, T1 Espesor en sección reducida centro, T2 Espesor en sección reducida extremo 1, T1 Radio de filete 1, R1 Radio de filete 2, R2 Radio de filete 3, R3 Radio de filete 4, R4

Unidad pulg pulg pulg pulg pulg pulg pulg pulg pulg pulg pulg pulg pulg pulg

Valor 4.640 4.642 0.752 0.753 0.499 0.502 0.503 0.342 0.342 0.343 0.612 0.752 0.812 0.553

Especificado Observación Cumple >3 Cumple aprox 0.750

Cumple

0.500±.0.010

Cumple

0.343±0.03*

Cumple

> 0.500

Cumple

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UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA “JOSÉ SIMEÓN CAÑAS” Departamento de Mecánica Estructural, Apartado Postal (01) 168, Autopista Sur, San Salvador, El Salvador, América Central. Tel: +503-2210-6600 ext 1039, 1083. Fax:+503-2210-666 Ensayo en acero estructural de acuerdo a ASTM A 370-01 Descripción del material: Proyecto: Fecha de ensayo: Tipo de probeta: Tramo de calibración:, G Método determinación fluencia:

Probeta maquinada, proveniente de viga de acero estructural W18x50, según A 36 Ensayo académico 3 de enero de 2008 Hoja 2" Por desplazamiento a 0.2% de deformación unitaria (offset)

Dimensiones de probeta Descripción Longitud extremo 1 de sujeción, B1 Longitud extremo 2 de sujeción, B2 Ancho 1, extremo de sujeción, C1 Ancho 2, extremo de sujeción, C2 Ancho de sección reducida extremo 1, W1 Ancho de sección reducida central , W2 Ancho de sección reducida extremo 2, W3 Espesor en sección reducida extremo 1, T1 Espesor en sección reducida centro, T2 Espesor en sección reducida extremo 1, T1 Radio de filete 1, R1 Radio de filete 2, R2 Radio de filete 3, R3 Radio de filete 4, R4

Unidad pulg pulg pulg pulg pulg pulg pulg pulg pulg pulg pulg pulg pulg pulg

Valor 4.640 4.642 0.752 0.753 0.499 0.502 0.503 0.342 0.342 0.343 0.612 0.752 0.812 0.553

Cargas de fluencia y última y alargamiento de tramo de calibración Descripción Carga de fluencia, Fy Carga última, Fu Longitud final tramo de calibración, Gf

Unidad lbf lbf pulg

Valor 10180 12330 2.484

AlargamientoTipo y sitio de falla Parcialmente cono y cráter

Tipo de falla

Dentro del tercio medio del tramo de calibración

Sitio de falla Responsable del ensayo:

WG

G

* De tabla 1 ASTM A 6-02

T

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c.2 Requisitos de esfuerzos y elongación (versus Tabla 3 de ASTM A 36-01) Descripción Esfuerzo de fluencia, Fy Carga última, Fu Elongación en 2"

Unidad ksi ksi %

Valor 59.4 72.0 24.2

Especificado Observación >=36 Cumple 58-80 Cumple >=21.0 Cumple

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.  ASTM A 6, Standard Specification for General Requirements for Rolled Structural Steel Bars, Plates, Shapes, and Sheet Piling, Vol. 01.04, edición 2003.  ASTM A 36, Standard Specification for Carbon Structural Steel, Vol. 01.04, Edición 2003.  ASTM A 370, Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products, Vol. 01.04, edición 2003.  DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO, MÉTODO LRFD, Jack C McCormac, Alfaomega editores, 1991.  DISEÑO BÁSICO DE ESTRUCTURAS DE ACERO, Bruce G Johnston, F. J. Lin, T.V. Galambos, Prentice Hall Hispanoamericana, 3ª edición, 1988.