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Introducción

El acero es un material muy usado en la construcción debido a sus diversas propiedades que permiten su fácil manipulación y transporte. Además posee propiedades físicas y mecánicas que aportan ventajas al momento de emplearlo como material de refuerzo. La clasificación del acero es variada, pero en general los podemos clasificar en aceros estructurales, al carbón ordinario y por grado según los sistemas de medida (Sistemas inglés e Internacional). Además existe una clasificación física de las barras de acero, según la COGUANOR: Clase 1 o acero liso y clase 2 o acero corrugado. Cada grado de acero al ser sometido a un esfuerzo de carga genera una gráfica que determina sus propiedades de resistencia a la deformación tales como: Límite de proporcionalidad, límite elástico, límite de fluencia, punto de máxima flexión y tensión de rotura. En los últimos años la producción de acero ha estado en aumento, la ASTM ha aprobado normas que regulan la calidad de la producción de estos elementos. Las normas aprobadas por la ASTM para placas y perfiles laminados en caliente son A36, A529, A572, A242, A588, A709, A514, A852, A913 y A992. La longitud de desarrollo se determina de modo que al ser anclado desarrolle su esfuerzo de fluencia, esta longitud se aplica cuando las barras estarán sometidas a tensión: Barras rectas, barras con dobleces y cuando las barras estarán sometidas a compresión: Vigas y muros, columnas, anclajes y en la unión de barras, cuando la longitud efectiva no sea suficiente.

Objetivos Objetivo general o Comprender la importancia del acero como material de construcción e identificar sus principales propiedades y características que lo hacen uno de los materiales más usados en las obras de construcción.

Objetivos específicos 

Enlistar los grados de acero de construcción más usados y conocer las normas en las cuales se basan las industrias para su fabricación.

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Identificar los tipos de corrugas que pueden presentarse en las barras de acero y el uso que se le puede dar en la construcción a cada tipo.

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Explicar los principales puntos que se presentan en la curva de esfuerzo vs deformación de los aceros para refuerzo.

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Describir en que consiste la longitud de desarrollo de las barras de acero y las normas que especifican estas longitudes en diferentes situaciones.

Acero Acero para construcción El acero utilizado para la construcción, tal como se le conoce ahora, ha tenido una evolución interesante a lo largo de la historia de la humanidad; aunque su uso original no fue para construcción. Sus orígenes dieron la pauta para llegar a emplearlo ahora como barras de acero para refuerzo; “o varillas de hierro, como comúnmente se le denomina en la jerga del sector construcción en Guatemala, aunque barras de acero para refuerzo es el nombre técnico correcto.” (Lopez, 2011) En general, en la construcción el acero puede tener múltiples usos y de acuerdo a la carga que soporta, se clasifica en: acero estructural (refuerza losas, columnas, cimientos, postes y puentes, entre otros) y acero no estructural (empleado en elementos de construcción que no soportan mucha carga y en ornamentos decorativos). (Metal Deck, 2004:46) El acero estructural o acero para refuerzo también es empleado para armar el hormigón, para reforzar tuberías que transportan agua, gas u otros fluidos. Permite igualmente formar el armazón de edificios, sean éstos de oficinas, escuelas, fábricas, residenciales o polideportivos. Y también revestirlos en fachadas y tejados. El acero resulta ser el elemento esencial en la construcción de un proyecto de infraestructura. (Metal Deck, 2004:46). Generalidades de las propiedades del acero para refuerzo En las construcciones, la ductilidad del acero (generada por medio de la formación de articulaciones plásticas) es necesaria para disipar la energía que se produce durante un sismo, por ello se requiere que dicho acero cumpla con los estándares de manufactura dados por los códigos de manufactura industrial de los mismos. De acuerdo con Nawy (1988), el acero para refuerzo es el componente que en construcción trabaja a tensión en el concreto reforzado, esto se debe a que el concreto es fuerte en compresión, pero débil en tensión. Algunas veces se utiliza refuerzo adicional de acero para fortalecer la zona de compresión de las secciones de las vigas de concreto. Este acero es indispensable para construcciones que soportarán cargas grandes, a fin de reducir las deformaciones a largo tiempo. Acero para refuerzo empleado con el concreto consiste en barras, alambres y mallas de alambres soldados, los cuales se fabrican de acuerdo con las normas de la American Society for Testing and Materials (ASTM). Las propiedades físicas y mecánicas más importantes del acero para refuerzo, consideradas por la Comisión Guatemalteca de Normas (COGUANOR) son:

Propiedades físicas y mecánicas del acero para refuerzo

Fuente: COGUANOR, 2005 Y Nawy, 1988.

Según Nilson (2004), para lograr una acción efectiva del refuerzo es esencial que el acero y el concreto se deformen en forma conjunta, es decir, es necesario que haya una adherencia suficientemente fuerte entre los dos materiales para asegurar que no ocurrirán movimientos relativos entre las barras de acero para refuerzo y el concreto circundante. Esta unión se produce por la fuerte adhesión química que se desarrolla en la interfase acero–concreto, dada por la rugosidad natural de la superficie de las barras para refuerzo laminadas en caliente y por los resaltes superficiales que se forman en las barras para refuerzo (barras corrugadas) con el fin de proveer un alto grado de trenzado entre los materiales.

Tipos de corrugas en barras de acero para refuerzo

Fuente: Nilson, 2004

Las características adicionales del acero para refuerzo que llevan a un comportamiento conjunto acero–concreto son las siguientes (Nilson, 2004):

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Los coeficientes de expansión térmica son muy similares, esto ayuda a que no se agrieten y a evitar otros defectos no deseables ocasionados por las deformaciones térmicas diferenciales. La resistencia a la corrosión del acero descubierto es pobre por lo que el concreto que rodea el acero para refuerzo provee una excelente protección, minimizando los problemas de corrosión y los correspondientes costos de mantenimiento. La resistencia al fuego del acero desprotegido se ve empeorada por su alta conductividad térmica y porque su resistencia disminuye considerablemente a altas temperaturas. Por el contrario la conductividad térmica del concreto es relativamente baja. De esta forma, los daños producidos por la exposición prolongada al fuego son limitados a la superficie exterior del concreto, no así al acero.

Módulo de elasticidad Las características principales características que determinan los rasgos de una barra de acero para refuerzo son su punto de fluencia y su módulo de elasticidad (Es). Este último prácticamente es el mismo para todos los aceros para refuerzo y se toma como Es = 291000,000 lb/pulg2. Adicionalmente, la forma de la curva típica de esfuerzo–deformación unitaria de los aceros para refuerzo, y en particular la curvatura del tramo inicial, tiene una influencia significativa en el comportamiento de elementos de concreto reforzado (Nilson, 2004). Curva típica de esfuerzo–deformación unitaria de los aceros para refuerzo

Puntos críticos: 1) Límite de proporcionalidad, 2) Límite elástico, 3) Límite de fluencia, 4) Punto de máxima flexión y 5) Tensión de rotura.

Fuente: Nilson, 2004

Puntos de la típica curva de esfuerzo-deformación unitaria de los aceros para refuerzo Límite de proporcionalidad: En el primer tramo del ensayo existe una relación lineal entre la tensión aplicada y la deformación producida. Este coeficiente de proporcionalidad entre la tensión y la deformación se denomina módulo de elasticidad o de Young y es característico del material, así, todos los aceros tienen el mismo módulo de elasticidad aunque sus resistencias puedan ser muy diferentes. En esta zona se cumple la Ley de Hooke, donde la tensión es el resultado de multiplicar la elasticidad por la deformación unitaria, según la fórmula: Tensión (σ) = Módulo de Young (E) * Deformación unitaria (ε). Límite elástico: Hasta antes de este punto, las deformaciones se reparten a lo largo de la probeta y son de pequeña magnitud. En el caso que se retirara la carga aplicada, la probeta recuperaría su forma inicial. Pero a partir del punto 2, el material entra en la zona de deformación plástica, de forma que si se retira la carga aplicada en dicha zona la probeta recupera sólo parcialmente su forma, quedando deformada permanentemente. Límite de fluencia o cedencia: A partir de este punto se produce una deformación brusca de la probeta sin incremento de la carga aplicada. El fenómeno de fluencia se da cuando las impurezas o los elementos de aleación bloquean las dislocaciones de la red cristalina formada, impidiendo su deslizamiento, mecanismo mediante el cual el material se deforma plásticamente. Alcanzado el límite de fluencia se logra liberar las dislocaciones, produciéndose la deformación bruscamente. No todos los materiales presentan este fenómeno, en cuyo caso la transición entre la deformación elástica y plástica del material no se aprecia de forma clara. Punto de máxima tensión o carga máxima: Es el máximo de la gráfica de tensión– deformación, es decir, la máxima tensión que es capaz de soportar el material. A partir de este punto, las deformaciones se concentran en la parte central de la probeta apreciándose una evidente reducción de la sección de la probeta, denominada zona de estricción. Es en este punto a donde el material empieza lo que se denomina falla del mismo. Tensión de rotura: En la zona de estricción, las deformaciones continuarán acumulándose hasta la rotura de la probeta por esa zona. La estricción es la responsable del descenso de la curva tensión-deformación; realmente las tensiones no disminuyen hasta la rotura, sucede que lo que se representa es el cociente de la fuerza aplicada (creciente) entre la sección inicial y cuando se produce la estricción la sección disminuye, efecto que no se tiene en cuenta en la representación gráfica. Los materiales frágiles no sufren estricción ni deformaciones plásticas significativas rompiéndose la probeta de forma brusca.

Elementos que pueden formar parte de la aleación de las barras de acero para refuerzo Aluminio (Al): Se utiliza como elemento de aleación en los aceros de nitruración (tratamiento termoquímico, en el que se modifica la composición del acero incorporando nitrógeno (N) por medio de calentamiento, en una atmósfera rica en nitrógeno; su objetivo principal es aumentar la dureza superficial de las piezas, además de aumentar su resistencia a la corrosión y a la fatiga), que suele emplear aproximadamente 1% de Al. Como desoxidante se usa frecuentemente en la fabricación de muchos aceros. Todos los aceros contienen Al en bajos porcentajes, variables desde 0.001 a 0.008%. Boro (B): En cantidades del 0.001 al 0.0015% logra aumentar la capacidad de endurecimiento cuando el acero está totalmente desoxidado, pues se combina con el carbono para formar carburos proporcionando un revestimiento duro y mejorando la templabilidad. El B es usado en aceros de baja aleación, en aplicaciones como cuchillas de arado y alambres de alta ductilidad y dureza superficial. También es utilizado como trampa de N, especialmente en aceros para trefilación, para obtener valores de N menores a 80 ppm. Cobalto (Co): Elemento poco habitual en los aceros, es altamente endurecedor, disminuye la templabilidad, mejora la dureza en caliente y aumenta las propiedades magnéticas de los aceros. El Co se usa en los aceros rápidos para herramientas, aumenta la dureza de la herramienta en caliente. También se utiliza para aceros refractarios. Cromo (Cr): Elemento comúnmente empleado para la fabricación de aceros aleados, se usa indistintamente en los aceros de construcción, en aceros de herramientas, en los inoxidables y los de resistencia en caliente. Se emplea en cantidades diversas desde 0.30% a 30%, según los casos y sirve para aumentar la dureza y la resistencia a la tracción de los aceros, mejora la templabilidad, impide las deformaciones en el temple, aumenta la resistencia al desgaste y la oxidación (con concentraciones superiores al 12%). Forma carburos muy duros y comunica al acero mayor dureza, resistencia y tenacidad a cualquier temperatura. Solo o aleado con otros elementos, proporciona a los aceros características de inoxidables y refractarios; también se utiliza en revestimientos embellecedores o recubrimientos duros de gran resistencia al desgaste, como émbolos y ejes. Estaño (Sn): Se utiliza para recubrir láminas muy delgadas de acero que conforman la hojalata. Manganeso (Mn): Aparece prácticamente en todos los aceros, debido, principalmente, a que se añade para neutralizar la perniciosa influencia del azufre (S) y del oxígeno, que siempre suelen contener los aceros cuando se encuentran en estado líquido en los hornos durante los procesos de fabricación. El Mn actúa

también como desoxidante y evita, en parte, que durante la solidificación del acero se desprendan gases que den lugar a porosidades perjudiciales en el material. Si los aceros no tuvieran manganeso, no se podrían laminar ni forjar, porque el azufre que suele encontrarse en mayor o menor cantidad en los aceros, formarían sulfuros de hierro, que son cuerpos de muy bajo punto de fusión (981º C aprox.) que a las temperaturas de trabajo en caliente (forja o laminación) funden; y al encontrarse contorneando los granos de acero, crean zonas de debilidad, y las piezas y barras se abren en esas operaciones de transformación. Los aceros ordinarios y los aceros aleados en los que el Mn no es elemento fundamental, suelen contener porcentajes de manganeso variables de 0.30 a 0.80%. Molibdeno (Mo): Elemento habitual del acero y aumenta mucho la profundidad de endurecimiento de acero, así como su tenacidad. Los aceros inoxidables auténticos contienen Mo para mejorar la resistencia a la corrosión. Nitrógeno (N): Se agrega a algunos aceros para promover la formación de austerita o austenita. Níquel (Ni): Una ventaja del empleo del Ni es evitar el crecimiento del grano en los tratamientos térmicos, lo que produce en éstos gran tenacidad. Además el Ni hace descender los puntos críticos y por ello los tratamientos de estos aceros pueden hacerse a temperaturas ligeramente más bajas que la que corresponde a los aceros ordinarios. Experimentalmente se observa que con los aceros aleados con Ni se obtiene para una misma dureza, un límite de elasticidad ligeramente más elevado y mayores alargamientos y resistencias, que con los aceros al carbono o de baja aleación. En la actualidad se ha restringido su empleo, pero sigue siendo un elemento de aleación indiscutible para los aceros de construcción empleados en la fabricación de piezas para máquinas y motores de alta tecnología, se destacan sobre todo en los aceros Cr-Ni y Cr-Ni-Mo. El Ni es un elemento de extraordinaria importancia en la fabricación de aceros inoxidables y resistentes a altas temperaturas, en los que además de Cr se emplean porcentajes de Ni variables de 8 a 20%. El níquel es el principal formador de austerita, que aumenta la tenacidad y resistencia al impacto. El Ni se utiliza mucho para producir acero inoxidable, porque aumenta la resistencia a la corrosión. Plomo (Pb): Este elemento realmente no se combina con el acero, se encuentra en él en forma de pequeñísimos glóbulos, como si estuviese emulsionado; lo que favorece la fácil mecanización por arranque de viruta, (torneado, cepillado, taladrado, etc.) ya que el plomo es un buen lubricante de corte, por ello se añade a algunos aceros para mejorar mucho la maleabilidad. El porcentaje de Pb en los aceros oscila entre 0.15% y 0.30% debiendo limitarse el contenido de carbono a valores inferiores al 0.5% debido a que dificulta el templado y disminuye la tenacidad en caliente. Silicio (Si): Aumenta moderadamente la templabilidad, se usa como elemento desoxidante y aumenta la resistencia de los aceros bajos en C.

Titanio (Ti): Se usa para estabilizar y desoxidar el acero, mantiene estables las propiedades del acero a alta temperatura. Tungsteno o Wolframio (W): Forma con el Fe carburos muy complejos estables y durísimos, soportando bien altas temperaturas. En porcentajes del 14 al 18 %, proporciona aceros rápidos con los que es posible triplicar la velocidad de corte de los aceros al carbono para herramientas. Vanadio (V): Posee una enérgica acción desoxidante y forma carburos complejos con el hierro, que proporcionan al acero una buena resistencia a la fatiga, tracción y poder cortante en los aceros para herramientas. Zinc (Zn): Elemento clave para producir chapa de acero galvanizado.

Tipos de aceros Las características de resistencia y demás propiedades del acero y de los elementos para aleación dan como resultado diferentes tipos de acero que son usados en la industria y en la construcción. En general, se puede decir que los aceros se pueden clasificar en aceros forjados, aceros estructurales que incluye tres grados, según el límite de fluencia mínimo, aceros al carbón ordinarios y otros productos ferrosos, así como semi-productos, hierros elaborados, perfiles laminados y cables.

Clasificación del acero por grado según sistemas de medida

Fuente: COGUANOR, 2005

Aceros forjados Se puede decir que la forja es una manera de dar forma a los metales por medio de esfuerzos de compresión y tracción cuando son maleables o dúctiles, en frío o caliente, al usar martillos, prensas o martinetes. Los aceros usados para la forja tienen generalmente las siguientes características: C 0.25-0.35%, Mn 0.350.50%, Si 0.10-0.30%, S < 0.06%, P < 0.04%, rotura de tracción 40-60 kg/mm2, alargamiento 20% y dureza Brinell 130.

Aceros estructurales Las clasificaciones generales los agrupan en la actualidad en cuatro categorías principales y algunas tienen subdivisiones. Los aceros que utilizan el carbono como elemento principal en la aleación se denominan aceros estructurales al carbono, entre este grupo están los aceros al carbono con baja aleación. A fin de ofrecer mayores resistencias que los aceros comunes al carbono, los aceros con bajo contenido de aleación tienen cantidades moderadas de uno o más elementos de aleación, aparte del carbono. Las designaciones de las normas de la ASTM sirven para clasificar los aceros según variables de producción como proceso, contenido químico y tratamiento térmico, así como mínimos de rendimiento en propiedades de tracción y dureza. El agrupamiento por resistencia al límite de fluencia puede establecerse mediante otro sistema de clasificación. De los requisitos de la ASTM para acero estructural (para hacer refuerzo y anclajes) se clasifican los aceros para refuerzo para concreto de barras grado 40 y 60, siendo los más usados, aunque existen los de grado 75 que son reguladas por la norma ASTM A615, que son las de interés en este estudio. Aceros al carbón ordinarios Los aceros al carbono constituyen el grupo más importante de materiales utilizados en la ingeniería y en la industria. De hecho, las propiedades mecánicas de esos aceros simplemente al carbón, sin ningún elemento de aleación, y en la mayoría de los casos también sin ningún tratamiento térmico, son suficientes para atender la mayoría de las aplicaciones. Como se sabe, los estados normales de utilización de estos materiales son el acero fundido y el acero trabajado. Las piezas fundidas, generalmente requieren un tratamiento térmico de recocido o normalizado para alivio de las tensiones originadas en las solidificaciones y para homogeneización de la micro-estructura. El acero trabajado por forjado, laminación, estiramiento, trefilación, etc., es utilizado directamente en la forma de perfiles obtenidos a través de esos procesos, sin necesidad de tratamientos térmicos complejos, a no ser en los casos de trabajo final en frío, cuando es necesario eliminar el efecto de enfriamiento. Grados del acero para refuerzo en Guatemala En Guatemala, las barras de acero para refuerzo se fabrican de las palanquillas que se obtienen del metal reciclado en plantas o acerías como SIDEGUA; las mismas deben cumplir con las normas que para su efecto han sido creadas. Hay varios tipos de barras de acero para refuerzo con designaciones de la ASTM y de la COGUANOR. En estas designaciones, el grado de las barras está dado en los sistemas de medida Sistema Internacional (SI) y el Sistema Inglés. El grado del acero para refuerzo está determinado de acuerdo al límite de fluencia mínimo que tienen dichas barras, de tal forma que el punto de fluencia específico de 40,000 lb/pulg2 corresponde al grado 40 en el Sistema Inglés y su equivalente en el SI de 280 kg/cm2 o grado 280.

Es de hacer notar que el acero de grado 75 o grado 517 es un acero considerablemente más caro y las barras No. 14 y 18 suelen ser de poca demanda, por lo que tienen que ser solicitada especialmente a los fabricantes. En relación al acabado, la COGUANOR estipula que las barras se clasifican como Clase 1 para barras de acero lisas y Clase 2 para barras de acero corrugadas. Dentro de las dimensiones que las barras de acero para refuerzo deben tener, según las normas de la COGUANOR están las medidas nominales del diámetro, de la masa por metro lineal y del área de la sección transversal. En cuanto a sus tolerancias de fabricación, están expresadas en función de la tolerancia por la masa de una barra considerada. De esta cuenta, la norma indica que para las barras de diámetro nominal de 9.53 mm (3/8”) o mayores, se aceptará una tolerancia de 6% por debajo de la masa unitaria de la barra. Se indica también en dicha norma que en ningún caso, una masa unitaria mayor que la especificada en la misma podrá ser causa de rechazo (COGUANOR, 2005). La longitud de las barras de acero para refuerzo se suministra según la norma de la COGUANOR en longitudes de 6, 9 y 12 metros y se permiten tolerancias para las mismas no menores de -25 mm o no mayores de +50 mm, en la longitud en que se suministran las barras. Sobre las corrugaciones, la norma COGUANOR denominada Norma Guatemalteca Obligatoria (NGO-36011) indica que se tomará como corruga única aquella que presenta sólo un tipo de nervadura respecto al eje longitudinal de la barra y como corruga doble aquella que tenga más de un tipo de nervadura respecto al eje de la barra. La norma señala también que toda aquella corruga que presente características especiales o diferentes a las descritas deben de ser aceptadas de manera contractual entre comprador y vendedor (COGUANOR, 2005). Según esta norma, las corrugaciones de las barras deberán espaciarse a distancias uniformes y las de igual geometría serán similares en tamaño y forma, así también el espaciamiento promedio entre corrugaciones en cada lado de la barra no deberá exceder siete décimos del diámetro nominal de la barra. En cuanto al ángulo de las corrugaciones, dicha norma indica que las corrugaciones deberán localizarse con respecto al eje longitudinal de la barra, de tal forma que el ángulo no sea menor de 45°.

Tipo de corrugas según norma COGUANOR NGO 36011

a) Corruga única y b) Corruga doble

Fuente: COGUANOR, 2005

Ángulos mínimos de corrugaciones según norma COGUANOR NGO 36011

Fuente: COGUANOR, 2005

La norma determina que cuando las corrugaciones formen ángulos entre 45° y 75° inclusive, dichas corrugaciones deberán alternarse opuestas en dirección a cada lado de la barra o bien, aquellas localizadas sobre un lado deberán ser en dirección inversa, con respecto a las localizadas sobre el lado opuesto, y cuando las corrugaciones formen ángulos mayores de 75° no se requerirá alternar en la dirección. Dirección de corrugas de acuerdo al ángulo según norma COGUANOR NGO 36011

a) 45° ≤ α ≤ 75° b) 75° ≤ α ≤ 90°.

Fuente: COGUANOR, 2005

Sobre la longitud total de corrugaciones, la norma COGUANOR indica que la longitud total de cada corrugación deberá ser tal que el espacio sin corruga entre los extremos de las corrugaciones no exceda del 12.5% del perímetro nominal de la barra. En el caso de barras con más de dos espacios sin corruga, el ancho total de los espacios sin corruga no deberá exceder del 25% del perímetro nominal de la barra, la altura promedio mínima de la corrugaciones así como de las longitudes totales están referenciadas por el diámetro (COGUANOR, 2005). Normas ASTM En los últimos años, la producción del acero a nivel mundial ha tenido cambios significativos. Actualmente existen en el mercado nacional e internacional una gran variedad de tipos de acero que se usan profusamente en la industria de la construcción, naval, mecánica, petrolera y en diversas estructuras especiales, y que

evolucionaron debido a las necesidades derivadas de los avances tecnológicos acelerados en los diversos campos de la ingeniería. Los aceros estructurales laminados en caliente, se producen en forma de placas, barras y perfiles de diversas formas. Las normas aprobadas por la ASTM para placas y perfiles laminados en caliente son A36, A529, A572, A242, A588, A709, A514, A852, A913 y A992. La norma A709 es especial, en ella se definen aceros convenientes para la construcción de puentes. ASTM A36: Esta norma es aplicable a una gran variedad de perfiles estructurales laminados en caliente y a placas de la misma calidad que aún están disponibles en el mercado mexicano. Tiene un esfuerzo de fluencia de 2 530 kg/cm2 (250 MPa, 36 ksi) y un esfuerzo mínimo de ruptura en tensión de 4 080 kg/cm2 a 5 620 kg/cm2 (400 a 550 MPa, 58 a 80 ksi), y su soldabilidad es adecuada. Se desarrolló desde hace muchos años en Estados Unidos para la fabricación de estructuras remachadas, atornilladas y soldadas, mejorando el contenido de carbono de los aceros disponibles en aquella época, como el ASTM A7. Con la innovación de este tipo de acero, las conexiones soldadas empezaron a desplazar a las remachadas que pronto desaparecieron. ASTM A529: El ASTM A529 se usa con mucha frecuencia en la construcción de edificios de acero, también es un grado de acero común en barras y perfiles (ángulos, canales de calidad estructural). El acero A529 básico incluye grado 50 para perfiles de los grupos 1 y 2 de la ASTM; placas hasta de una pulgada de grueso y 12 pulgadas de ancho (25x300 mm) y barras hasta de 2 1/2 in (64 mm) de grueso. Los esfuerzos Fy y Fu mínimos son 42 y 60-85 ksi (2 950 y 4 220 a 5 975 kg/cm2). ASTM A572: Este acero está disponible en varios grados dependiendo del tamaño del perfil y grueso de la placa. El grado 50, con Fy= 345 MPa o 50 ksi (3 515 kg/cm2) y Fu= 450 MPa o 65 ksi (4 570 kg/cm2) está disponible en todos los tamaños y espesores de placa hasta 100 mm (4 in). Este es el grado de acero estructural más utilizado actualmente en el mercado estadounidense, aunque está siendo sustituido rápidamente por el acero A992 en perfiles tipo W. ASTM A992: El A992 es la adición más reciente (1998) de la lista de aceros estructurales en Estados Unidos. Se produjo para usarse en construcción de edificios, y está disponible solamente en perfiles tipo W. Para propósitos prácticos se trata de un acero A572 grado 50 con requisitos adicionales. Específicamente, además de un esfuerzo de fluencia mínimo especificado de 345 MPa o 50 ksi (3 515 kg/cm2), el A992 también proporciona un límite superior de Fy de 65 ksi (4 570 kg/cm2). La relación Fy/Fu no es mayor de 0.85 y el carbono equivalente no excede de 0.50. Ofrece características excelentes de soldabilidad y ductilidad.

Grados de acero para secciones estructurales huecas (Hollow Structural Section) Las normas de acero estructural aprobadas por la ASTM para secciones estructurales huecas (HSS) son ASTM A500, A501, A618, A847 y la A53. ASTM A53: El acero A53 está disponible en tipos E y S, donde E denota secciones fabricadas con soldadura por resistencia y S indica soldadura sin costura. El grado B es conveniente para aplicaciones estructurales; con esfuerzo de fluencia y resistencia a la ruptura en tensión, respectivamente de 35 y 50 ksi (2 400 y 3 515 kg/cm2). ASTM A500: Este tipo de acero está disponible en tubos de sección circular hueca HSS formados en frío en tres grados, y también en los mismos grados de tubos HSS formados en frío, de sección cuadrada y rectangular. Las propiedades para tubos cuadrados y rectangulares HSS difieren de los circulares HSS. El grado más común tiene un esfuerzo de fluencia y una resistencia de ruptura a la tensión de 46 y 58 ksi (320 MPa o 3 200 kg/cm2 y 405 MPa o 4 100 kg/cm2). ASTM A501: Para fines prácticos El A501 es similar al acero A36. Se usa para tubos HSS de sección circular, cuadrada y rectangular. Para el diseño de miembros estructurales de acero formados en frío, cuyos perfiles tienen esquinas redondeadas y elementos planos esbeltos, se recomienda consultar las especificaciones del Instituto Americano del Hierro y del Acero (American Iron and Steel Institute, AISI). Resistencia El acero estructural es un material homogéneo e isótropo de calidad uniforme que permite soportar grandes esfuerzos, por lo que en la mayoría de los casos se obtienen miembros con espesores relativamente pequeños en comparación con sus otras dimensiones. Estas propiedades le dan mayores niveles de seguridad a una estructura sobre todo cuando está sujeta a esfuerzos causados por cargas accidentales, principalmente sismo o viento, ya que estas fuerzas pueden ocasionar inversiones de esfuerzos. La resistencia a las diversas solicitaciones de los miembros estructurales de acero depende de la forma del diagrama esfuerzo-deformación, y particularmente de los esfuerzos de fluencia Fy y de ruptura en tensión Fu. En el diseño de una estructura se buscará el equilibrio entre fuerzas externas e internas de tal manera que se obtenga una estructura resistente a las solicitaciones actuantes.

Grafica esfuerzo – deformación para varios grados de acero estructural

Grafica esfuerzo – deformación del acero. Intervalos de comportamiento estructural.

La gráfica debe mostrar una zona amplia de deformaciones crecientes bajo esfuerzo constante, con alargamiento a la ruptura no menor del 20% en probeta de 50 mm (2”) y una zona de endurecimiento por deformación, tal que la relación entre la resistencia a la ruptura en tensión y el esfuerzo de fluencia, Fu / Fy esté comprendida entre 1.2 y 1.8.

Longitud de desarrollo Longitud de desarrollo de barras a tensión Barras rectas La longitud de desarrollo, Ld, en la cual se considera que una barra a tensión se ancla de modo que desarrolle su esfuerzo de fluencia, se obtendrá multiplicando la longitud básica, Ldb dada por la siguiente ecuación, por el factor o los factores indicados en la tabla 5.1. Las disposiciones de esta sección son aplicables a barras de diámetro no mayor que 38.1 mm (número 12). Ldb =

1.15 𝑎𝑠 𝑓𝑦

=

0.36 ∗ 𝑑𝑏 ∗ 𝑓𝑦

(𝑐 ∗ 𝑘𝑡𝑟 )√𝑓′𝑐 √𝑓′𝑐 Donde 𝑎𝑠 = Área transversal de la barra 𝑑𝑏 = Diámetro transversal de la barra 𝑓𝑦 = Esfuerzo especificado de fluencia de refuerzo transversal Por sencillez en el diseño, se permite suponer Ktr =0, aunque haya refuerzo transversal. En ningún caso Ld será menor que 300 mm. La longitud de desarrollo, Ld, de cada barra que forme parte de un paquete de tres barras será igual a la que requeriría si estuviera aislada, multiplicada por 1.20. Cuando el paquete es de dos barras no se modifica Ld. Barras con dobleces Se refiere a barras a tensión que terminan con dobleces a 90 o 180 grados. En estas barras se toma como longitud de desarrollo la longitud paralela a la barra, comprendida entre la sección crítica y el paño externo de la barra después del doblez. La longitud de desarrollo se obtendrá multiplicando la longitud de desarrollo básica dada por la expresión 0.24 ∗ 𝑑𝑏 ∗ 𝑓𝑦 /√𝑓′𝑐 Por el factor o los factores de la tabla siguiente que sean aplicables, pero sin que se tome menor que 150 mm ni que 8db.

Longitud de desarrollo de las barras con dobleces

Factores que modifican la longitud básica de desarrollo

Si se aplican varias condiciones, se multiplican los factores correspondientes; excepto en zonas de articulaciones plásticas y marcos dúctiles. Longitud de desarrollo de barras a compresión La longitud de desarrollo de una barra a compresión será cuando menos el 60 por ciento de la que requeriría a tensión y no se considerarán efectivas porciones dobladas. En ningún caso será menor de 200 mm. Vigas y muros Requisitos generales En vigas y muros con cargas en su plano, la fuerza de tensión, se valuará con el máximo momento flexionante de diseño que obra en la zona comprendida a un peralte efectivo a cada lado de la sección.

Factores que modifican la longitud básica de desarrollo de barras con dobleces

Si se aplican varias condiciones, se multiplican los factores correspondientes. Los requisitos del párrafo anterior se cumplen para el acero a tensión, si: a) Las barras que dejan de ser necesarias por flexión se cortan o se doblan a una distancia no menor que un peralte efectivo más allá del punto teórico donde, de acuerdo con el diagrama de momentos, ya no se requieren. b) En las secciones donde, según el diagrama de momentos flexionantes, teóricamente ya no se requiere el refuerzo que se corta o se dobla, la longitud que continúa de cada barra que no se corta ni se dobla es mayor o igual que Ld +d. Este requisito no es necesario en las secciones teóricas de corte más próximas a los extremos de vigas libremente apoyadas. c) A cada lado de toda sección de momento máximo, la longitud de cada barra es mayor o igual que la longitud de desarrollo, Ld. d) Cada barra para momento positivo que llega a un extremo libremente apoyado, se prolonga más allá del centro del apoyo y termina en un doblez de 90 ó 180 grados, seguido por un tramo recto de 12db o 4db, respectivamente. En caso de no contar con un espacio suficiente para alojar el doblez, se empleará un anclaje mecánico equivalente al doblez.

Los siguientes requisitos deben respetarse además de los anteriores: a) En extremos libremente apoyados se prolongará, sin doblar, hasta dentro del apoyo, cuando menos la tercera parte del refuerzo de tensión para momento positivo máximo. En extremos continuos se prolongará la cuarta parte. b) Cuando la viga sea parte de un sistema destinado a resistir fuerzas laterales accidentales, el refuerzo positivo que se prolongue dentro del apoyo debe anclarse de modo que pueda alcanzar su esfuerzo de fluencia en la cara del apoyo. Al menos la tercera parte del refuerzo negativo que se tenga en la cara de un apoyo se prolongará más allá del punto de inflexión una longitud

no menor que un peralte efectivo, ni que 12db, ni que un dieciseisavo del claro libre. Columnas Las barras longitudinales de columnas de planta baja se anclarán en la cimentación de manera que en la sección de la base de la columna puedan alcanzar un esfuerzo igual al de fluencia en tensión multiplicado por 1.25. En columnas que deban resistir fuerzas laterales accidentales, se supondrá que se cumple el requisito de la sección 5.1.1, si la longitud de desarrollo de toda barra longitudinal no es mayor que dos tercios de la altura libre de la columna. Anclajes mecánicos Cuando no haya espacio suficiente para anclar barras por medio de doblez, se pueden usar anclajes mecánicos. Estos deben ser capaces de desarrollar la resistencia del refuerzo por anclar, sin que se dañe el concreto. Pueden ser, por ejemplo, placas soldadas a las barras, o dispositivos manufacturados para este fin. Los anclajes mecánicos deben diseñarse y en su caso comprobarse por medio de ensayes. Bajo cargas estáticas, se puede admitir que la resistencia de una barra anclada es la suma de la contribución del anclaje mecánico más la adherencia en la longitud de barra comprendida entre el anclaje mecánico y la sección crítica. Elementos típicos en los que pueden ser necesarios los anclajes mecánicos son las vigas diafragma y las ménsulas. Anclaje del refuerzo transversal El refuerzo en el alma debe llegar tan cerca de las caras de compresión y tensión como lo permitan los requisitos de recubrimiento y la proximidad de otro refuerzo. Los estribos deben rematar en una esquina con dobleces de 135 grados, seguidos de tramos rectos de no menos de 6db de largo, ni menos de 80 mm. En cada esquina del estribo debe quedar por lo menos una barra longitudinal. Las barras longitudinales que se doblen para actuar como refuerzo en el alma deben continuarse como refuerzo longitudinal cerca de la cara opuesta si esta zona está a tensión, o prolongarse una longitud Ld más allá de la media altura de la viga si dicha zona está a compresión. Dobleces del refuerzo El radio interior de un doblez no será menor que fy/19√𝑓′𝑐 veces el diámetro de la barra doblada (fy/60√𝑓′𝑐 si se usan kg/cm²), a menos que dicha barra quede doblada alrededor de otra de diámetro no menor que el de ella, o se confine adecuadamente el concreto, por ejemplo mediante refuerzo perpendicular al plano de la barra.

Uniones de barras Las barras de refuerzo pueden unirse mediante traslapes o estableciendo continuidad por medio de soldadura o dispositivos mecánicos. Las especificaciones y detalles dimensionales de las uniones deben mostrarse en los planos. Toda unión soldada o con dispositivo mecánico debe ser capaz de transferir por lo menos 1.25 veces la fuerza de fluencia de tensión de las barras, sin necesidad de exceder la resistencia máxima de éstas.

Comentarios

Acero para construcción El acero en el ámbito de la construcción es un material bastante conocido, aunque es vagamente conocido como hierro o varillas de hierro, cuando su nombre técnico es barras de acero para refuerzo. Una de las cualidades de este material es que se le puede dar una variedad de usos, de acuerdo con la carga que soportara, pero sin perder su principal función estructural. Lo podemos emplear en armaduras de hormigón como: Losas, columnas, zapatas, vigas, etc. El uso del acero en la construcción debería tecnificarse aún más, es decir, debería capacitarse al personal que trabajé en determinada obra de construcción para que conozcan las propiedades y característica del material con el que estén trabajando, esto evitaría una mala calidad en las construcciones, ya que el acero es bastante usado como refuerzo del concreto, es muy necesario que se cumpla con las normas técnicas del manejo de material para que se conserve su calidad y de esta manera se estarían evitando problemas y contratiempos o lo peor, errores técnicos por el mal uso o tratamiento del material al estar colocándolo en obra. Las grandes fábricas certifican que el acero es de buena calidad ya que hay normas establecidas que determinan las indicaciones con las que deben cumplir, deberían de cumplir principalmente con los ensayos de las propiedades mecánicas para asegurar la calidad de su producto. Y las distribuidoras de este producto deberían adquirir las especificaciones que la industria ha usado en la elaboración de las barras de acero, esto con el propósito de que las personas que lleguen a adquirir un material a una venta de productos de construcción sepan que están comprando un material con una certificación, esto genera una mayor confianza en el uso del producto. Las medianas y pequeñas empresas dedicadas a la distribución de productos de construcción deberían de conocer las características del material que adquieren, es decir, es necesario que comprendan que el acero es un material de gran importancia en una obra de construcción, por lo tanto deberían al menos de indicar a sus clientes las mejoras que obtendrían con el uso adecuado del material. La implementación de trifoliares con el propósito de hacer llegar a los clientes recomendaciones para el uso del material, será beneficioso no solamente en lo económico para ellos mismos, sino para lograr un desarrollo social continuo, si se logran hacer construcciones apropiadas y de calidad, se logrará una satisfacción de las personas involucradas en el proceso constructivo.

Tipos de acero y normas que debe cumplir Para crear una obra de construcción que satisfaga las condiciones mínimas para que puedan vivir o desenvolverse socialmente un determinado grupo de personas, debemos conocer la calidad de los materiales que empleemos. Cuando usemos el acero es necesario que conozcamos los grados y tipos que existan en nuestro medio, antes de iniciar con la obra debemos identificar las opciones que podamos elegir para evitar hacer modificaciones o alteraciones en un diseño establecido. La información sobre la calidad y sobre todo las propiedades que nos aporta cada tipo de acero es determinante al momento de elegir el material a utilizar. Además debemos de conocer las especificaciones de las normas, es necesario que el material cumpla con las especificaciones de las normas internacionales y las modificadas por la GOGUANOR para ser aplicadas en nuestro medio. Podemos comparar, las especificaciones adquiridas por parte de la industria encargada de elaborar el producto, la cual debe realizar los ensayos correspondientes para determinar la calidad de sus productos, con las restricciones que las normas establecen para cada tipo de material, esto nos certificará que el producto que estamos usando cumple con los requisitos necesarios para lo cual está siendo empleado. Es importante conocer la condición física que presenta cada tipo de barra de acero, es decir, su longitud, diámetro, si es corrugada o lisa. Estas condiciones físicas están determinadas por un uso específico o adecuado para el material, por ejemplo, las corrugas presentes en las barras de acero tienen la función de mejorar la adherencia entre el concreto y la barra de acero, ya que al combinar estos dos materiales creamos uno solo (concreto reforzado), con mejores propiedades, entonces estos dos materiales deben trabajar en conjunto y por ello tanto el acero como el concreto deben tener la adherencia suficiente para que no se separen, ya que si esto sucede la estructura deja de ser una sola y ocurren las fallas. Las gráficas de esfuerzo vs deformación determinan el comportamiento que sufre el material al estar sometido a una carga, sabemos que cuando se diseña una estructura estará sujeta a cambios en la respectiva carga, por lo tanto es importante conocer el comportamiento o el cambio de esta grafica con el aumento del grado de acero. Con el propósito de establecer según la necesidad de la obra, la calidad del acero que se debería emplear.

Longitud de desarrollo La longitud de desarrollo nos ayuda a aprovechar de una mejor manera la longitud efectiva de las barras de acero, uno de los principales problemas en el manejo de este producto en una obra de construcción donde implique la realización de empalmes y dobleces, es el desaprovechamiento y perdida de material por el desconocimiento por parte de los trabajadores de las obras. Es indispensable conocer la cantidad necesaria para realizar los empalmes y la curva que debería ser realizada al momento de hacer dobleces ya sea a 90 grados o a 180 grados. Basándonos en las tablas que establecen las normas para la longitud de desarrollo, podemos enlistar algunos ejemplos, el largo útil para los estribos, eslabones, barras de refuerzo, varillas para la armadura de zapatas y columnas. Algunas de las condiciones que debemos tomar en cuenta para determinar la longitud de desarrollo son: El diámetro de la barra, la condición de la barra (lisa o corrugada), el recubrimiento de la barra, el concreto que será usado en conjunto con las barras de acero. Esto se hace necesario porque sabemos que el acero estará sujeto a flexión por lo tanto, las barras no deben deprenderse o separarse de su posición, ya que de otra forma dejaría de ser un elemento estructural en conjunto con el concreto. Las fórmulas que definen la longitud de desarrollo están enlazadas con las propiedades mecánicas de las barras de acero, es decir, es importante conocer que el acero fluye cuando se somete a cargas que creen flexión en la estructura por lo tanto, en el cálculo de la longitud de desarrollo de las barras de acero se debe considerar el límite de fluencia del acero para que al momento de enlongarse los empalmes no se separen, o en el caso de los dobleces, que estos no se abran.

Tratamientos El manejo del material es importante para definir la calidad de un trabajo de construcción en el cual se esté utilizando acero. Pero algo indispensable es el transporte y almacenaje ya que si ignoramos este proceso el material estará sujeto a factores ambientales que modifiquen sus propiedades físicas y químicas. Los principales factores con los que debemos estar al tanto son: El viento, el agua y el suelo. El acero al estar en contacto con el agua y aire, inicia con un proceso de oxidación y corrosión que convierte al material en deficiente para ser usado estructuralmente, el suelo contiene partículas orgánicas y minerales y cuando el acero está en contacto con estos materiales puede servir como medio de transporte de materia que altere la composición del concreto.

Por conveniencia debemos tratar este tema con responsabilidad ya que el ignorar ciertas condiciones, hará que la calidad del producto y nuestros servicios sean deficientes. Es importante advertir a los trabajadores sobre el manejo y conservación adecuada del producto, para que cuando sea útil, pueda ser aprovechado de una buena manera. Una bodega de almacenamiento que cumpla con condiciones de seguridad, limpieza y orden, contribuye a un buen manejo y una mayor conservación de los materiales. Esto también contribuye en un control del uso apropiado del equipo y maquinaria sea útil en el proceso de la construcción. En las obras de construcción deberían de colocar normativas del manejo y control de los productos para crear un ambiente de calidad, esto sería de gran beneficio para las personas que participarían directamente en la obra y los dueños de la obra, ya que se evitarían errores o confusiones al momento de utilizar un determinado material. Específicamente en el caso del acero, se evitarían desordenes en el empleo de los grados correctos en las secciones correctas de la obra de construcción.

Conclusiones 

El uso del acero como material de construcción radica en las ventajas que proporcionan sus propiedades, tales como: Alta resistencia mecánica aun con un peso propio reducido, facilidad de montaje y transporte debido a su ligereza, buena resistencia al impacto, la homogeidad del material, etc. Al unir el acero con el concreto se crea un elemento estructural con la capacidad para soportar esfuerzos de flexión y compresión, esto crea una mayor estabilidad y resistencia a los esfuerzos de corte que podría sufrir la estructura, esta es la razón por la cual el acero es un material muy empleado en la construcción.

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Los grados del acero más usados, en el sistema ingles esta dado en Psi: Grado 40, 60 y 75. En el sistema internacional de medidas esta dado en kg/cm2, estos son: Grado 280, 414 y 517. La clasificación general de estos grados de acero es; estructural. Estos grados de acero son regulados por la norma ASTM A-615. El grado No. 75 es un acero considerablemente más caro y por lo tanto las barras No. 14 y 18, que son las que cumplen con este grado, suelen ser de poca demanda.

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La COGUANOR clasifica a las barras de acero corrugadas como clase 2, los tipos de corruga según la norma COGUANOR NGO-36011 son: Corruga única y corruga doble. Además esta norma establece que el ángulo mínimo que deben tener las corrugaciones es de 45°. Cuando el ángulo este entre 45 y 75°, en el anverso y reverso de la barra las corrugas deben alternarse. Cuando el ángulo esté entre 75 y 90° no será necesario que la barra de acero presente la alternación.

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En la curva de esfuerzo vs deformación de los aceros para refuerzo se presentan 5 puntos críticos: El límite de proporcionalidad, limite elástico; hasta este punto el material recupera su forma original sin sufrir deformación plástica, límite de fluencia; se da cuando las impurezas de la aleación bloquean las dislocaciones de la red cristalina, punto de carga máxima; cuando el material soporta la máxima tensión y tensión de rotura; después de que el material falle, las deformaciones continuaran hasta que el material se rompa de forma brusca.

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La longitud de barras de acero permisibles por la COGUANOR son: 6, 9 y 12 metros y se permiten tolerancias para las mismas no menores a -25mm y no mayores a +50mm. En barras rectas se permite una longitud de desarrollo que permita que el acero logre alcanzar su esfuerzo de fluencia. En las barras con dobleces se debe usar una relación que depende del ángulo de doblez, 90 0 180°, la longitud de desarrollo en este caso se refiere a la longitud de luz entre los lados paralelos de la barra, después de los dobleces. En el caso de las barras longitudinales usadas en columnas, se determinara de manera que su base pueda alcanzar un esfuerzo de fluencia en tensión multiplicado por 1.25.

Referencias

Lopez, J. V. (2011). Verificación de las características físicas y propiedades mecánicas de barras de acero para refuerzo. Guatemala. COGUANOR (Comisión Guatemalteca de Normas). Norma Guatemalteca Obligatoria (NGO) 36011:2005. 2ª revisión. Guatemala: Ministerio de Economía, 2005. Metal Deck. Manual técnico. Colombia: Andes. 2004. 99 p. Nawy, Edward. Concreto reforzado, un enfoque básico. México: Prentice-Hall Hispanoamericana, 1988. 743 p. Nilson, Arthur. Diseño de estructuras de concreto. 12ª ed. Colombia: Mc Graw-Hill, 2004. 722 p. Grupo AZERO (Altos hornos de México). Manual de diseño para la construcción con acero. México.