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• Dario

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Contenido 1.

INTRODUCCIÓN............................................................................................................... 3

2.

ANTECEDENTES – HISTORIA ...................................................................................... 3

3.

DESCRIPCIÓN ................................................................................................................... 7

4.

PROCESO DE FABRICACIÓN ....................................................................................... 8

5.

PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS DEL ACERO ............................................ 13

6. ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ACERO. ..................................................................................................................................... 16 6.1.

Ensayos no destructivos. ........................................................................................... 16

6.2.

Ensayos destructivos. ................................................................................................ 17



Ensayo de Tracción (estático)................................................................................... 17

 Ensayo de Dureza del Acero (El Método Brinell y El método Rockwell). (estático). ............................................................................................................................ 20 

Ensayo de resiliencia (Péndulo de Charpy). (dinámico). ....................................... 22

7. TRATAMIENTOS DEL ACERO PARA QUE CONSERVE SUS PROPIEDADES MECANICAS. ........................................................................................................................... 23 7.1.

Tratamientos superficiales ....................................................................................... 23

7.2.

Tratamientos térmicos. ............................................................................................. 24

7.3.

Tratamientos termoquímicos. .................................................................................. 24

CLASIFICACIÓN. ........................................................................................................... 26

8.

8.1.

Según el modo de fabricación. .................................................................................. 26

8.2.

Según el modo de trabajarlo. ................................................................................... 26

8.3.

Según la composición y la estructura. ..................................................................... 26

8.4.

Según los usos. ........................................................................................................... 28

USO DE LAS NORMAS ASTM EN LA PRODUCCIÓN DEL ACERO. ................... 29

9. 10.

PRODUCTOS COMERCIALES DE ACERO EN PERÚ. ....................................... 36

10.1.

Productos para construcción. ............................................................................... 36

10.2.

Barras lisas y perfiles. ........................................................................................... 38

10.3.

Planchas y bobinas laminadas en caliente. .......................................................... 40

10.4.

Planchas y bobinas laminadas en frio.................................................................. 41

10.5.

Tubos. ..................................................................................................................... 42

10.6.

Productos para sostenimiento de rocas. .............................................................. 43

10.7.

Herramientas. ........................................................................................................ 44

2 PRECIO COMERCIAL DE ACERO EN EL DEPARTAMENTO DE PUNO. ..... 45

11.

12. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN. ................................................................................................................... 46 12.1.

VENTAJAS. ........................................................................................................... 46

12.2.

DESVENTAJAS. ................................................................................................... 47

ACERO ESTRUCTURAL ........................................................................................... 50

13. 13.1.

Definición. .................................................................................................................. 50

13.2.

Ventajas de la estructura de acero. .......................................................................... 51

13.3.

La estructura y sus partes. ....................................................................................... 51

13.4.

Agotamiento del acero estructural........................................................................... 52

13.5.

Aceros estructurales modernos. ............................................................................... 53

13.6.

Perfiles de acero......................................................................................................... 54

13.6.1.

Perfiles Laminados. ........................................................................................... 54



Perfiles de alas paralelas. .................................................................................................. 55



Perfiles de alas inclinadas o Normales americanos. ....................................................... 55

14.

13.6.2.

Perfiles conformados en frío. ............................................................................ 56

13.6.3.

Perfiles soldados. ............................................................................................... 57

13.6.4.

Perfiles electrosoldados. .................................................................................... 58

13.6.5.

Perfiles tubulares con costura .......................................................................... 58

13.6.6.

Perfiles tubulares sin costura ........................................................................... 59

BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................... 59

3

1. INTRODUCCIÓN El acero es una aleación de hierro con una cantidad de carbono que puede variar entre 0,03% y 1,075% en peso de su composición, dependiendo del grado. Acero no es lo mismo que hierro. Y ambos materiales no deben confundirse. El hierro es un metal relativamente duro y tenaz, con temperatura de fusión de 1535 °C y punto de ebullición 2740 °C. La diferencia principal entre el hierro y el acero se halla en el porcentaje de carbono: el acero es hierro con un porcentaje de carbono de entre el 0,03% y el 1,075%. El acero conserva las características metálicas del hierro en estado puro, pero la adición de carbono y de otros elementos tanto metálicos como no metálicos mejora sus propiedades físico-químicas, sobre todo su resistencia. Existen muchos tipos de acero según el/los elemento(s) aleante(s) que estén presentes. Cada tipo de acero permitirá diferentes aplicaciones y usos, lo que lo hace un material versátil y muy difundido en la vida moderna, donde podemos encontrarlo ampliamente. Los dos componentes principales del acero se encuentran en abundancia en la naturaleza. El acero se puede reciclar indefinidamente sin perder sus atributos, lo que favorece su producción a gran escala. Esta variedad y disponibilidad lo hace apto para numerosos usos como la construcción de maquinaria, herramientas, edificios y obras públicas, aeronáutica, industria automotriz, instrumental médico, etc. Contribuyendo al desarrollo tecnológico de las sociedades industrializadas, pues ningún material logra igualarlo cuando se trata de resistencia al impacto o la fatiga.

2. ANTECEDENTES – HISTORIA Su llegada al campo estructural es bastante reciente porque el fatigoso trabajo necesario para producir el hierro soldable por fusión limitó su uso durante siglos a los productos de mayor precio y necesidad: las armas y los aperos agrícolas. Poco a poco se fue introduciendo como material de construcción, primero con elementos de fundición y finalmente con los redondos y elementos tubulares que facilitan la esbeltez de las modernas estructuras metálicas. Las primeras estructuras metálicas fueron puentes. En 1.887 se construyó un edificio de 12 plantas en Chicago y en 1.931 se inauguró en Nueva York el Empire State Building de 85 plantas y 379 m de altura.

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Figura N° 01: The Empire State Building. El uso del acero se multiplicó gracias al avance de la metalurgia y a la soldadura eléctrica. La característica fundamental de las modernas estructuras de acero es la simplificación estructural y la esbeltez. Desde sus primeras aplicaciones en puentes y después en rascacielos, el acero ha ido ganando uso sobre todo en edificios de viviendas y oficinas, aunque el desarrollo de la técnica del hormigón armado lo ha limitado. El campo de aplicación de las estructuras metálicas es: naves industriales, puentes (de ferrocarril, de grandes luces – mixtos – y para pasarelas peatonales), mástiles y antenas de comunicaciones, cubiertas, depósitos, silos, compuertas de presas, postes de conducción de energía eléctrica, etc. Hacia el 1.000 A.C. se fabricaba acero en el Próximo y Medio Oriente y en la India. Después de forjar el hierro con martillos, los artesanos endurecían la superficie de sus herramientas y armas calentándolas en carbón de leña al rojo vivo. En realidad conseguían una especie de acero: el hierro absorbía carbono de las brasas y se formaba una "piel" de acero en la superficie. 200 A.C.: Los indios, fabricantes de acero. Hacia el 200 A.C., los artesanos de la India dominaban ya un método mejor para producir acero. Colocaban trozos de hierro carbonado o con "piel" de acero en un recipiente de arcilla cerrado, o crisol, y lo calentaban intensamente en un

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horno. El carbono se distribuía gradualmente a través del hierro y producía una forma de acero mucho más uniforme. 1740: Redescubrimiento del acero al crisol. En 1740, el inglés Benjamin Huntsman redescubrió el procedimiento indio por casualidad, al calentar una mezcla de hierro y una cantidad cuidadosamente medida de carbón vegetal en un crisol. Pese a la invención de otros procedimientos, siguió prefiriéndose el método del crisol para obtener acero de alta calidad, hasta que en 1902 se inventó el horno eléctrico. 1856: Convertidor Bessemer. En 1856, el inventor inglés Henry Bessemer patentó un método más barato para fabricar acero en gran escala. Un chorro de aire atravesaba el hierro fundido y quemaba todo el carbono necesario para obtener el acero. Bessemer construyó un recipiente cónico de acero forrado de ladrillos refractarios que se llamó convertidor y que se podía inclinar para vaciarlo. El hierro fundido se vertía en el convertidor situado en posición vertical, y se hacía pasar aire a través de orificios abiertos en la base. El "soplado", que duraba unos veinte minutos, resultaba espectacular. El primer acero fabricado por este método era quebradizo por culpa del oxígeno absorbido. Pero un amigo de Bessemer, el escocés Robert Mushet, resolvió el problema al proponer que se añadiera magnesio después del soplado para que combinara con el oxígeno excedente en el acero, con lo que se evitaría su fragilidad y resultaría más fácil de trabajar. El producto se denomina "acero suave": hierro con bajo contenido de carbono.

Figura N° 02: Convertidor Bessemer.

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1864: Horno de solera abierta. El mismo año en que Bessemer presentó su procedimiento, los hermanos de origen alemán William y Friedrich Siemens estaban desarrollando un método para precalentar el aire inyectado a los hornos. A cada extremo del horno colocaron cámaras de ladrillos entrecruzados que se calentaban con los gases de la combustión y caldeaban después el aire que se inyectaba en el horno. Dos años más tarde, los hermanos Siemens patentaron un horno de solera para acero que incorporaba sus precalentadores o "regeneradores". Pero no tuvo éxito hasta que lo mejoraron dos hermanos franceses, Pierre y Emile Martín, en 1864. 1877: Revestimiento de los hornos. el hierro fundido procedente de minerales europeos solía contener un exceso de fósforo y no era apropiado para convertirlo en acero por el procedimiento de Bessemer o por el de solera, pues utilizaban hornos revestidos de sílice. En 1877, dos metalúrgicos ingleses, Percy Gilchrist y su primo Sydney Gilchrist Thomas, propusieron un revestimiento con alguna sustancia básica (no ácida) como la dolomita o la magnesita, que puede absorber el fósforo contenido en ciertos minerales. Luego se podía añadir cal durante el proceso para que se formase una escoria que se llevaría consigo el fósforo. 1902: Acero por arco eléctrico. William Siemens había experimentado en 1878 con la electricidad para calentar los hornos de acero. Pero fue el metalúrgico francés Paul Héroult (coinventor del método moderno para fundir aluminio) quien inició en 1902 la producción comercial del acero en horno eléctrico. Se introduce en el horno chatarra de acero de composición conocida y se hace saltar un arco eléctrico entre la chatarra y grandes electrodos de carbono situados en el techo del horno. El calor desarrollado por el arco funde la chatarra y produce un acero más puro que el que ha estado en contacto con los gases de combustión. Se puede añadir mineral de acero para alterar la composición del acero, y cal o espato flúor para absorber cualquier impureza. 1948: Proceso del oxígeno básico. Tras la segunda guerra mundial se iniciaron experimentos en varios países con oxígeno puro en lugar de aire para los procesos de refinado del acero. El éxito se logró en Austria en 1948, cuando una fábrica de acero situada cerca de la ciudad de Linz y de Donawitz desarrolló el proceso del oxígeno básico o L-D. Actualmente es el procedimiento más empleado en todo el mundo.

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El proceso de oxígeno básico tiene lugar en un recipiente de forma semejante al convertidor Bessemer. En él se introduce hierro fundido y chatarra de acero, y se proyecta sobre la superficie un chorro de oxígeno a velocidad supersónica. El carbono y las impurezas se queman rápidamente. 1950: Fundición continúa. En el método tradicional de moldeo, el acero fundido del horno se vierte en moldes o lingotes y se deja enfriar. Luego se vuelven al calentar los lingotes hasta que se ablandan y pasan a trenes de laminado, donde se reducen a planchas de menor tamaño para tratamientos posteriores. Pero en 1950 se introdujo la fundición continua. El acero fundido se vierte en un molde vertical y se enfría por medio de chorros de agua a medida que desciende. Al llegar al fondo, pasa sin interrupción un a un tren de laminado horizontal donde se corta en planchas del tamaño requerido. 3. DESCRIPCIÓN El acero es un metal que se deriva de la aleación entre el hierro y el carbono. Se caracteriza por su resistencia y porque puede ser trabajado en caliente, es decir solamente en estado líquido. Una vez que se endurece, su manejo es casi imposible. Los dos elementos que componen el acero (hierro y carbono) se encuentran en la naturaleza, por lo que resulta positivo al momento de producirlo a gran escala. El acero, también se encuentra compuesto por otros elementos como el cobalto, el cromo, níquel, plomo, titanio, silicio, entre otros. Gracias a sus propiedades, el acero es empleado por el hombre en la industria automotriz, en la edificación de viviendas y en muchas otras.

Figura N° 03: Acero en diversas presentaciones.

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4. PROCESO DE FABRICACIÓN La fabricación del acero se realiza a través de dos métodos: o El convertidor básico de oxígeno de alto horno ("Basic Oxygen Converter" (BOF)) o El horno de arco eléctrico (“Electrical Arc Furnace” (EAF)) En la producción de acero bruto su participación es del 70% (BOF) y del 30% (EAF). El primer método adquiere un papel dominante cuando se trata de índices elevados de producción y de la fabricación de acero bajo en impurezas. Los bajos costes energéticos y un amplio suministro de chatarra reciclada aseguran al segundo método una cuota de mercado competitiva, sobre todo cuando se utiliza el horno UHP (“Ultra High Power”). El proceso de fabricación del acero es el siguiente: El alto horno se alimenta de hierro sinterizado, producido en la planta de sinterización. En el proceso de sinterización se carga una mezcla de finos de mineral de hierro, cal y coque (carbono casi puro), y se funde parcialmente para formar una mezcla porosa de óxidos de hierro y ganga. El horno alto es un horno de tipo cuba que funciona mediante la técnica de contracorriente: la carga descendente de sinterizado y coque, cargada por la parte superior del horno, es calentada y reducida por los gases de la combustión que ascienden de la zona de tobera, donde se inyecta un chorro de aire caliente para quemar el C y convertirlo en CO. El chorro de aire se comprime por medio de un soplante y se calienta en estufas especiales a 1100°C, por medio de la combustión de los gases de escape depurados del horno. El CO reduce los óxidos de hierro (FeO, Fe2O3) y algunos de los elementos presentes en la ganga del sinterizado, para producir metal líquido. El polvo del tragante del horno alto, que contiene cerca de un 40% Fe, se recicla en el proceso de sinterizado. Por debajo de la zona de tobera, donde se da la mayor temperatura, el material fundido se acumula en el crisol, donde el hierro líquido (fundición bruta) se separa de la escoria por la diferencia de densidad. La escoria y la fundición bruta líquida (arrabio) se extraen desde diferentes piqueras. El arrabio se vacía a cucharas o torpedos (capacidad: 300 - 400 t) y se transporta a la acería para su afinado y conversión en acero. Al final de este proceso, el mineral de hierro sinterizado se ha reducido a hierro bruto en el alto horno.

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Figura N° 04: Primera etapa de la fabricación del acero. El hierro bruto se transforma entonces en el convertidor de oxígeno en acero bruto. El horno básico de oxígeno o convertidor LD (por el proceso Linz-Donawitz iniciado en 1956) está basado en la inyección de oxígeno a la colada de metal líquido por medio de una lanza. En el convertidor se cargan chatarra y cal para enfriar la colada y eliminar el fósforo, el silicio y el manganeso. El convertidor está revestido con una capa refractaria de dolomita o magnesita. El oxígeno quema el carbono como monóxido de carbono CO y gas carbónico CO2 que se recoge en el cañón de chimenea y se limpia de polvo (Fe203 y partículas de cal, etc.). Los elementos Mn, Si y P se oxidan y combinan con la cal (CaO) y el FeO formado por la oxidación del Fe, para formar una escoria fundida. Al ser estas reacciones de oxidación altamente exotérmicas, el proceso exige un enfriamiento para controlar la temperatura de la colada. Este enfriamiento se realiza cargando chatarra (residuos de fábrica y laminación reciclados) y añadiendo mineral de hierro durante el proceso de soplado. El acero se vierte a la cuchara a través de una piquera, inclinando el horno. En el transcurso de esta operación se añaden ferroaleaciones a la cuchara para controlar la composición del acero.

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Figura N° 05: Segunda etapa de la fabricación del acero.

En el proceso de horno de arco eléctrico, la carga metálica fría, principalmente chatarra, se funde mediante la energía de arcos eléctricos generados entre los extremos de electrodos de grafito y la carga metálica conductora. Los tres electrodos y la bóveda del horno se levantan y retiran del blindaje del horno girándolos para permitir la carga de la chatarra. Los electrodos mantienen el arco de acuerdo con el voltaje y el nivel de corriente escogidos para producir la potencia deseada a la deseada longitud de arco para la fusión y afino. Dado que durante el período de fusión el ruido generado por los arcos es elevado, con niveles de hasta 120 dBA, la cabina de operarios está especialmente protegida y el horno posee un cerramiento especial. Estos hornos tienen un diámetro interno de 6 a 9 metros y una capacidad de 100 a 200 toneladas de acero.

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Figura N° 06: Fabricación del acero, proceso de HORNO DE ARCO ELECTRICO.

Las unidades de fusión de alto rendimiento, tales como convertidores u hornos de arco eléctrico no proveen suficiente control de los contenidos de aleación. El contenido en nitrógeno y fósforo se puede reducir a niveles bajos en el convertidor, pero sólo se pueden obtener niveles muy bajos (< 2 ppm) de contenido en carbono, azufre, oxígeno e hidrógeno mediante un tratamiento subsiguiente en la cuchara. Para asegurar un acondicionamiento apropiado del acero antes del proceso de colada, en la metalurgia de cuchara se llevan a cabo la aleación del acero conforme a un análisis específico y tratamientos de afino especiales. Los objetivos de la fabricación de acero en cuchara (afino) se pueden resumir como sigue: o o o o o

Afino y desoxidación. Eliminación de los productos de la desoxidación (Mn0, SiO2, Al2O3). Desulfuración a niveles muy bajos (< 0,008%). Homogeneización de la composición del acero. Ajuste de la temperatura para la colada, recalentando si es necesario (horno de cuchara). o Eliminación de hidrógeno a niveles muy bajos mediante tratamiento de vacío.

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Una vez terminado el proceso de afino, el material pasa a la colada continua para proceder a la solidificación del material. El elemento principal del proceso de colada continua es el molde de cobre oscilante enfriado con agua. Su principal función es formar una lámina solidificada de acero que tenga la resistencia suficiente para impedir rebabas por debajo del molde. Al abandonar el molde, la hilera de material es enfriada por medio de rociadores de agua y se apoya en cilindros para evitar el pandeo hasta que se complete la solidificación. Las secciones de la hilera de material cubren la gama de productos semiacabados, como palanquillas, desbastes cuadrados o desbastes rectangulares, destinados a los laminadores de acabado en caliente.

Figura N° 07: Tercera etapa de la fabricación del acero.

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5. PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS DEL ACERO o Ductilidad Es la elongación que sufre la barra cuando se carga sin llegar a la rotura. Las especificaciones estipulan que el estiramiento total hasta la falla, no sea menor que cierto porcentaje mínimo que varía con el tamaño y grado de la propia barra. Parámetros que definen la ductilidad El comportamiento de los aceros está caracterizado por su diagrama de tensión/deformación correspondiente al ensayo de tracción, en el cual se manifiestan las variaciones de deformación en función de los incrementos de carga. Si se analiza una curva típica tensión/deformación de un acero se pueden observar dos comportamientos: Fase elástica. Las deformaciones son proporcionales a las cargas aplicadas (rama recta) hasta alcanzar el límite elástico (fy). Las deformaciones son recuperables si se descarga. Fase plástica. Una vez superado el límite elástico, las deformaciones no son proporcionales a las cargas y van aumentando con la carga unitaria hasta alcanzar el valor de la carga máxima (rama curva). A partir de este momento, la deformación continúa con incrementos de carga muy pequeños, hasta que se produce la rotura de la probeta. Las deformaciones son remanentes, es decir, no son recuperables. Durante el transcurso del ensayo, la sección inicial de la probeta disminuye hasta alcanzar el mínimo, cuando se rompe (estricción). En los aceros laminados en caliente, la identificación del límite elástico en el diagrama es muy clara, dada la existencia del “escalón de cedencia”, el cual es un tramo sensiblemente horizontal que marca el cambio entre el comportamiento elástico y el plástico. En cambio, los diagramas tensión/deformación de los aceros laminados en frío (trefilados) carecen de dicho escalón, lo cual dificulta la determinación del límite elástico. Por esta razón, la Instrucción EHE considera un límite elástico convencional correspondiente al valor de la tensión que produce una deformación remanente del 0.2 %. Su determinación sobre el diagrama se realiza trazando una

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paralela a la rama elástica desde este valor de deformación, y el punto de corte de esta recta con la curva tendrá por ordenada la tensión correspondiente al límite elástico. Habitualmente, la ductilidad del acero se ha definido mediante dos parámetros obtenidos de la citada curva σ-ε y que son recogidos en la siguiente Instrucción EHE. En cambio, los diagramas tensión/deformación de los aceros laminados en frío (trefilados) carecen de dicho escalón, lo cual dificulta la determinación del límite elástico. Por esta razón, la Instrucción EHE considera un límite elástico convencional correspondiente al valor de la tensión que produce una deformación remanente del 0.2 %. Su determinación sobre el diagrama se realiza trazando una paralela a la rama elástica desde este valor de deformación, y el punto de corte de esta recta con la curva tendrá por ordenada la tensión correspondiente al límite elástico. Habitualmente, la ductilidad del acero se ha definido mediante dos parámetros obtenidos de la citada curva σ-ε y que son recogidos en la siguiente Instrucción EHE.

Figura N° 08: Diagrama tensión/deformación de un acero laminado en caliente B 500 SD.

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Figura N° 09: Grafica tensión/deformación de un acero laminado en frio B 500 T.

Relación tensión de rotura-límite elástico (fs / fy): Es un parámetro que relaciona la tensión de colapso del acero, que suele ser la tensión de rotura o máxima (fs), con la tensión correspondiente al límite del comportamiento elástico real, siendo la más empleada el límite elástico del acero (fy). Este parámetro nos indica la reserva de resistencia que tiene el acero una vez iniciada su plastificación, y es llamado en ocasiones, endurecimiento. o Dureza Se define como la propiedad del acero a oponerse a la penetración de otro material. o Límite de fluencia, fy. Es la tensión a partir de la cual el material pasa a sufrir deformaciones permanentes, es decir, hasta este valor de tensión, si interrumpimos el traccionamiento de la muestra, ella volverá a su tamaño inicial, sin presentar ningún tipo de deformación permanente, esta se llama deformación elástica. El ingeniero utiliza el límite de fluencia de la barra para calcular la dimensión de la estructura, pues la barra soporta cargas y sobrecargas hasta este punto y vuelve a su condición inicial sin deformación. Pasado este punto, la estructura esta fragilizada y comprometida. En general, en el caso de los aceros de dureza natural, el límite de fluencia coincide con el valor aparente de la tensión correspondiente al escalón de cedencia. En los casos en que no aparece este escalón o aparece poco definido, como suele ocurrir

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con los aceros estirados en frío, es necesario recurrir al valor convencional establecido en las prescripciones, como se explica mas abajo, para aceros de resistencia mayor a 4200Kg/cm2 o Maleabilidad. Es la capacidad que presenta el acero de soportar la deformación, sin romperse, al ser sometido a un esfuerzo de compresión. o Tenacidad. Viene siendo la conjugación de dos propiedades: ductilidad y resistencia. Un material tenaz será aquel que posee una buena ductilidad y una buena resistencia al mismo tiempo.

6. ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ACERO. Cuando un técnico proyecta una estructura metálica, diseña una herramienta o una máquina, define las calidades y prestaciones que tienen que tener los materiales constituyentes. Como hay muchos tipos de aceros diferentes y, además, se pueden variar sus prestaciones con tratamientos térmicos, se establecen una serie de ensayos mecánicos para verificar principalmente la dureza superficial, la resistencia a los diferentes esfuerzos que pueda estar sometido, el grado de acabado del mecanizado o la presencia de grietas internas en el material, lo cual afecta directamente al material pues se pueden producir fracturas o hasta roturas. Hay dos tipos de ensayos, unos que pueden ser destructivos y otros no destructivos. 6.1. Ensayos no destructivos. Los ensayos no destructivos son los siguientes: o Ensayo microscópico y rugosidad superficial. Microscopios y rugosímetros. o Ensayos por ultrasonidos. o Ensayos por líquidos penetrantes. o Ensayos por partículas magnéticas.

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6.2. Ensayos destructivos. Los ensayos destructivos son los siguientes: o Ensayo de tracción con probeta normalizada. o Ensayo de compresión con probeta normalizada. o Ensayo de cizallamiento. o Ensayo de flexión. o Ensayo de torsión. o Ensayo de plegado. o Ensayo de fatiga. o Ensayo de dureza (Brinell, Rockwell, Vickers). Mediante durómetros. Todos los aceros tienen estandarizados los valores de referencia de cada tipo de ensayo al que se le somete Los ensayos mecánicos destructivos los caracterizaremos en 3 tipos: o Estáticos (aplicación lenta y gradual de la carga). o Dinámicos (aplicación por golpe). o Periódica (variable en magnitud y dirección). 

Ensayo de Tracción (estático).

El objetivo del ensayo de tracción es determinar aspectos importantes de la resistencia y alargamiento de materiales, que pueden servir para el control de calidad, las especificaciones de los materiales y el cálculo de piezas sometidas a esfuerzos. Para estos ensayos se utilizan trozos de material llamados "probetas" o "muestras". Una probeta del material es un trozo de material con dimensiones normalizadas para realizar ensayos, como el de tracción. Estas dimensiones normalizadas son la longitud de la probeta y el área de su sección transversal. Ojo no confundir con una probeta de laboratorio de física o química que sirven para medir volúmenes.

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Figura N° 10: Probetas para ensayo de tracción.

Se coloca y agarra por sus extremos la probeta entre dos accesorios llamados "agarres" o "mordazas" que sujetan la probeta en la máquina del ensayo (al principio y al final puedes ver la imagen de alguna máquina de tracción). Normalmente la probeta se coloca en vertical. Ahora comenzamos aplicar una fuerza exterior por uno de los extremos de la probeta a una velocidad lenta y constante. El otro extremo de la probeta permanecerá fijado al agarre, aunque en alguna máquina se hace fuerza sobre la probeta por los dos extremos.

Figura N° 11: Maquina de ensayos universal hidráulica.

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Todo cuerpo al soportar una fuerza aplicada trata de deformarse en el sentido de aplicación de la fuerza. En el caso del ensayo de tracción, la fuerza se aplica en dirección del eje de ella y por eso se denomina axial. La probeta se alargara en dirección de su longitud y se encogerá en el sentido o plano perpendicular. Según vamos aplicando cada vez más fuerza sobre la probeta, la probeta llegará un momento que empezará a estirarse, disminuyendo su sección y aumentando su longitud. Seguiremos aplicando cada vez más fuerza externa hasta que llegue un momento que la probeta rompe. Este momento se llama el momento de la fractura. Por este motivo se dice que el ensayo de tracción es un ensayo destructivo, la pieza se rompe y ya no sirve. Durante el ensayo vamos anotando los datos de fuerza (también llamada carga) y estiramiento de la probeta. Con los datos obtenidos en el ensayo podemos hacer un gráfica llamada "Curva de Tensión-Alargamiento".

Figura N° 12: Resultados de un ensayo de tracción para un acero corriente al carbono. Por tensión se entiende la fuerza aplicada a la probeta en cada momento, pero OJO por unidad de sección. La unidad de tensión en el SI (sistema internacional) es el Newton/metro cuadrado, aunque a veces por ser prácticos se expresa en Kg/mm2 (milímetros cuadrados). Como ves será Newtons porque es la unidad de fuerza y metros cuadrados por que es por cada unidad de sección, que como sabes la sección se mide en metros cuadrados, milímetros cuadrados, etc.

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Figura N° 13: Resultados de un ensayo de tracción para un acero de alta resistencia. Una vez finalizado el ensayo, la muestra de ensayo rota se recoge para medir la longitud final y se compara con la longitud original o inicial para obtener la elongación. Se calcula con la siguiente fórmula:

La medida de la sección transversal original también se compara con la sección transversal final para obtener la reducción del área.



Ensayo de Dureza del Acero (El Método Brinell y El método Rockwell). (estático). El ensayo de dureza mide la resistencia de un material a la penetración de un punzón o una cuchilla. Este penetrador es también llamado durómetro. El durómetro usualmente consta de una esfera, pirámide o un cono de un material mucho más duro que el acero que se está midiendo. La profundidad hasta la cual penetra este material nos entrega un valor,

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el que está tabulado, obteniéndose así una medida de la dureza del acero. Dado que el ensayo de dureza puede hacerse fácilmente, la información obtenida puede ser evaluada inmediatamente. Existen varios métodos para medir la dureza, a continuación nombraremos los dos más comunes, el método Brinell y El método Rockwell. 

Dureza Brinell (NB 297; ASTM E10). En él, una esfera de 10 mm de diámetro, usualmente de un acero endurecido, se presiona contra la superficie del material bajo una carga estática de 3.000 kg. El tamaño de la huella nos entrega una medida de la dureza bajo las condiciones del ensayo.

Figura N° 14: Maquina para ensayo Brinell 

Dureza Rockwell (NB 346; ASTM E18). A diferencia del anterior, en el test de Rockwell se aplica primero una carga pequeña (de menos de 10 kg), lo que hace que el indentador penetre hasta una cierta profundidad. Luego se aplica la carga mayor predeterminada. La diferencia en la penetración nos entrega una medida de la dureza del acero.

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Figura N° 15: Maquina para ensayo Rockwell.



Ensayo de resiliencia (Péndulo de Charpy). (dinámico). Para realizar este ensayo se utiliza el péndulo Charpy, que consta de un brazo giratorio con una maza en su extremo, que se hace incidir sobre la probeta provocando su rotura. El péndulo, de masa m, se encuentra a una altura inicial H, por lo que tiene una determinada energía potencial antes de iniciar el ensayo. Cuando se inicia el ensayo, se libera el péndulo que, tras golpear la probeta y romperla, continua con su giro, alcanzando una altura final h, por lo que tendrá una nueva energía potencial. La energía que ha absorbido la probeta durante su rotura será la diferencia de energías potenciales inicial y final. Si la probeta no se rompe y el péndulo se detiene al chocar sobre ésta, es necesario aumentar la energía potencial del péndulo, o bien aumentando la masa, o bien aumentando la altura inicial.

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Figura N° 16: Maquina para ensayo Charpy.

7. TRATAMIENTOS DEL ACERO PARA QUE CONSERVE SUS PROPIEDADES MECANICAS. 7.1. Tratamientos superficiales Debido a la facilidad que tiene el acero para oxidarse cuando entra en contacto con la atmósfera o con el agua, es necesario y conveniente proteger la superficie de los componentes de acero para protegerles de la oxidación y corrosión. Muchos tratamientos superficiales están muy relacionados con aspectos embellecedores y decorativos de los metales. Los tratamientos superficiales más usados son los siguientes: o Cincado: tratamiento superficial antioxidante por proceso electrolítico al que se somete a diferentes componentes metálicos. o Cromado: recubrimiento superficial para proteger de la oxidación y embellecer. o Galvanizado: tratamiento superficial que se da a la chapa de acero. o Niquelado: baño de níquel con el que se protege un metal de la oxidación.

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o Pavonado: tratamiento superficial que se da a piezas pequeñas de acero, como la tornillería. o Pintura: usado especialmente en estructuras, automóviles, barcos, etc. 7.2. Tratamientos térmicos. Un proceso de tratamiento térmico adecuado permite aumentar significativamente las propiedades mecánicas de dureza, tenacidad y resistencia mecánica del acero. Los tratamientos térmicos cambian la microestructura del material, con lo que las propiedades macroscópicas del acero también son alteradas. Los tratamientos térmicos que pueden aplicarse al acero sin cambiar en su composición química son: o Temple. o Revenido. o Recocido. o Normalizado 7.3. Tratamientos termoquímicos. Los tratamientos termoquímicos son tratamientos térmicos en los que, además de los cambios en la estructura del acero, también se producen cambios en la composición química de la capa superficial, añadiendo diferentes productos químicos hasta una profundidad determinada. Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento controlados en atmósferas especiales. Entre los objetivos más comunes de estos tratamientos esta en aumentar la dureza superficial de las piezas dejando el núcleo más blando y tenaz, disminuir el rozamiento aumentando el poder lubrificante, aumentar la resistencia al desgaste, aumentar la resistencia a fatiga o aumentar la resistencia a la corrosión. 

Cementación (C). Aumenta la dureza superficial de una pieza de acero dulce, aumentando la concentración de carbono en la superficie. Se consigue teniendo en cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. El tratamiento logra aumentar el contenido de carbono de la zona periférica, obteniéndose después, por medio de temples y revenidos, una gran dureza superficial, resistencia al desgaste y buena tenacidad en el núcleo.

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

Nitruración (N). Al igual que la cementación, aumenta la dureza superficial, aunque lo hace en mayor medida, incorporando nitrógeno en la composición de la superficie de la pieza. Se logra calentando el acero a temperaturas comprendidas entre 400 y 525 ºC, dentro de una corriente de gas amoniaco, más nitrógeno.



Cianuración (C+N). Endurecimiento superficial de pequeñas piezas de acero. Se utilizan baños con cianuro, carbonato y cianato sódico. Se aplican temperaturas entre 760 y 950 ºC.



Carbonitruración (C+N). Al igual que la cianuración, introduce carbono y nitrógeno en una capa superficial, pero con hidrocarburos como metano, etano o propano; amoniaco (NH3) y monóxido de carbono (CO). En el proceso se requieren temperaturas de 650 a 850 ºC y es necesario realizar un temple y un revenido posterior.



Sulfinización (S+N+C). Aumenta la resistencia al desgaste por acción del azufre. El azufre se incorporó al metal por calentamiento a baja temperatura (565 ºC) en un baño de sales. Entre los factores que afectan a los procesos de tratamiento térmico del acero se encuentran la temperatura y el tiempo durante el que se expone a dichas condiciones al material. Otro factor determinante es la forma en la que el acero vuelve a la temperatura ambiente. El enfriamiento del proceso puede incluir su inmersión en aceite o el uso del aire como refrigerante. El método del tratamiento térmico, incluyendo su enfriamiento, influye en que el acero tome sus propiedades comerciales. Según ese método, en algunos sistemas de clasificación, se le asigna un prefijo indicativo del tipo. Por ejemplo, el acero O-1, o A2, A6 (o S7) donde la letra "O" es indicativo del uso de aceite (del inglés: oil quenched), y "A" es la inicial de aire; el prefijo "S" es indicativo que el acero ha sido tratado y considerado resistente al golpeo (Shock resistant).

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8. CLASIFICACIÓN. 8.1. Según el modo de fabricación. o Acero eléctrico. o Acero fundido. o Acero calmado. o Acero efervescente. o Acero fritado. o Acero estirado. 8.2. Según el modo de trabajarlo. o Acero moldeado. o Acero forjado. o Acero laminado. 8.3. Según la composición y la estructura. o Aceros ordinarios. o Acero al carbono. El acero al carbono, también conocido como acero de construcción, constituye una proporción importante de los aceros producidos en las plantas siderúrgicas. De esta forma se los separa respecto a los aceros inoxidables, a los aceros para herramientas, a los aceros para usos eléctricos o a los aceros para electrodomésticos o partes no estructurales de vehículos de transporte. Cabe aclarar que en este concepto de acero de construcción se pueden englobar tanto los aceros para construcción civil como para construcción mecánica. Composición química La composición química de los aceros al carbono es compleja, además del hierro y el carbono que generalmente no supera el 1%, hay en la aleación otros elementos necesarios para su producción, tales como silicio y manganeso, y hay otros que se consideran impurezas por la dificultad de excluirlos

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totalmente azufre, fósforo, oxígeno, hidrógeno. El aumento del contenido de carbono en el acero eleva su resistencia a la tracción, incrementa el índice de fragilidad en frío y hace que disminuya la tenacidad y la ductilidad. o Acero dulce. El porcentaje de carbono es de 0,267%, tiene una resistencia mecánica de 4855 kg/mm2 y una dureza de 135-160 HB. Se puede soldar con una técnica adecuada. Aplicaciones: Piezas de resistencia media de buena tenacidad, deformación en frío, embutición, plegado, herrajes, etc. o Acero semidulce. El porcentaje de carbono es de 0,35%. Tiene una resistencia mecánica de 5562 kg/mm2 y una dureza de 150-170 HB. Se templa bien, alcanzando una resistencia de 80 kg/mm2 y una dureza de 215-245 HB. Aplicaciones: Ejes, elementos tenaces, pernos, tornillos, herrajes.

de

maquinaria,

piezas

resistentes

y

o Acero semiduro. El porcentaje de carbono es de 0,45%. Tiene una resistencia mecánica de 6270 kg/mm2 y una dureza de 180 HB. Se templa bien, alcanzando una resistencia de 90 kg/mm2, aunque hay que tener en cuenta las deformaciones. Aplicaciones: Ejes y elementos de máquinas, piezas bastante resistentes, cilindros de motores de explosión, transmisiones, etc. o Acero duro. El porcentaje de carbono es de 0,55%. Tiene una resistencia mecánica de 7075 kg/mm2, y una dureza de 200-220 HB. Templa bien en agua y en aceite, alcanzando una resistencia de 100 kg/mm2 y una dureza de 275-300 HB. Aplicaciones: Ejes, transmisiones, tensores y piezas regularmente cargadas y de espesores no muy elevados. o Aceros aleados o especiales. Los aceros aleados o especiales contienen otros elementos, además de carbono, que modifican sus propiedades. Estos se clasifican según su influencia:

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 Elementos que aumentan la dureza: fósforo, níquel, cobre, aluminio. En especial aquellos que conservan la dureza a elevadas temperaturas: titanio, vanadio, molibdeno, wolframio, cromo, manganeso y cobalto.  Elementos que limitan el crecimiento del tamaño de grano: aluminio, titanio y vanadio.  Elementos que determinan en la templabilidad: aumentan la templabilidad: manganeso, molibdeno, cromo, níquel y silicio. Disminuye la templabilidad: el cobalto.  Elementos que modifican la resistencia a la corrosión u oxidación: aumentan la resistencia a la oxidación: molibdeno y wolframio. Favorece la resistencia a la corrosión: el cromo.  Elementos que modifican las temperaturas críticas de transformación: Suben los puntos críticos: molibdeno, aluminio, silicio, vanadio, wolframio. Disminuyen las temperaturas críticas: cobre, níquel y manganeso. En el caso particular del cromo, se elevan los puntos críticos cuando el acero es de alto porcentaje de carbono pero los disminuye cuando el acero es de bajo contenido de carbono. 8.4. Según los usos. o Acero para imanes o magnético. o Acero autotemplado. o Acero de construcción. Dentro de este rubro pueden determinarse dos utilizaciones principales: hormigón armado y construcción en acero. La primera usa varillas de acero corrugado como refuerzo del hormigón, trabajando el primero en general a tracción y el segundo a compresión. En el caso de la construcción en acero se usan elementos tales como perfiles unidos mediante conexiones empernadas o soldadas. Una utilización que está teniendo crecimiento importante es la construcción mixta que combina las estructuras de acero embebidas en hormigón armado o el hormigón armado dentro de un tubo estructural. o Acero de corte rápido. o Acero de decoletado.

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o Acero de corte. o Acero indeformable. o Acero inoxidable. Los aceros inoxidables son aquellos que presentan una aleación de hierro con un mínimo de 10% de cromo contenido en masa. El acero inoxidable es resistente a la corrosión, dado que el cromo, u otros metales que contiene, posee gran afinidad por el oxígeno y reacciona con él formando una capa exterior pasivadora, evitando así la corrosión del hierro en capas interiores. Sin embargo, esta capa exterior protectora que se forma puede ser afectada por algunos ácidos, dando lugar a que el hierro sea atacado y oxidado por mecanismos intergranulares o picaduras generalizadas. Algunos tipos de acero inoxidable contienen además otros elementos aleantes, como puedan ser el níquel y el molibdeno. o Acero de herramientas. o Acero para muelles. o Acero refractario. o Acero de rodamientos.

9. USO DE LAS NORMAS ASTM EN LA PRODUCCIÓN DEL ACERO. NORMAS ASTM Desde su fundación en 1898, ASTM International (American Society for Testing and Materials) es una de las organizaciones internacionales de desarrollo de normas más grandes del mundo. En ASTM se reúnen productores, usuarios y consumidores, entre otros, de todo el mundo, para crear normas de consenso voluntarias. Además las normas de ASTM se crean usando un procedimiento que adopta los principios del Convenio de barreras técnicas al comercio de la Organización Mundial del Comercio (World Trade Organization Technical Barriers to Trade Agreement). El proceso de creación de normas de ASTM es abierto y transparente; lo que permite que tanto individuos como gobiernos participen directamente, y como iguales, en una decisión global consensuada.

30

Las normas de ASTM International se usan en investigaciones y proyectos de desarrollo, sistemas de calidad, comprobación y aceptación de productos y transacciones comerciales por todo el mundo. Son unos de los componentes integrales de las estrategias comerciales competitivas de hoy en día. Estas normas son utilizadas y aceptadas mundialmente y abarcan áreas tales como metales, pinturas, plásticos, textiles, petróleo, construcción, energía, el medio ambiente, productos para consumidores, dispositivos y servicios médicos y productos electrónicos.

ESTRUCTURA DEL CÓDIGO ASTM Está formado de la siguiente manera:

Figura N° 17: Estructura del código ASTM.

¿QUE CONTIENE LA NORMA? o o o o o o o

Definiciones. Composición química. Propiedades mecánicas. Dimensiones y tolerancias. Pesos y tolerancias. Muestreos. Identificación.

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USO DE NORMAS ASTM PRODUCTO

NORMA ASTM

Barras de Construcción

ASTM A615/A615M-16 Grado 40, 60, 75 ASTM A706/A706M – 15

Barras Helicoidales

ASTM A615/A615M – 16 Grado 75

Barras Redondas Lisas Barras Cuadradas Ángulos Tees Platinas Canales U(C)

ASTM A36/A36M – 14

Planchas y Bobinas LAC/LAF

ASTM A36/A36M – 14 ASTM A1011 Tipo B

Planchas Estriadas

ASTM A36/A36M – 14

Planchas Galvanizadas

ASTM A653/A653M Tipo B

Tubos LAC

ASTM A513 Tipo 2

Tubos

ASTM A500 Grado A

Cuadro N° 01: Clasificación de los productos de acero según normas ASTM.

Las normas ASTM de materiales establecen valores para las propiedades mecánicas del acero: o o o o

Límite de fluencia. Resistencia a la tracción. Alargamiento. Doblado.

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Cuadro N° 02: Limite elástico y tensión de rotura según la ASTM.

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Figura N° 18: Gráfico de Esfuerzo – Deformación.

En el acero ASTM A36 los valores mínimos establecidos por la norma son:   

Límite de fluencia: 36 000 lbs/pulg² Resistencia a la tracción: 58 000 – 80 000 lbs /pulg² Alargamiento: 20 %

En el caso del alargamiento hay que indicar la distancia entre marcas que puede ser de 2” u 8”. ESPECIFICACIONES DE PRODUCTO Cuando el acero tiene varios grados, se indica el grado del acero a continuación de la norma. Ejemplos: ASTM A615/A615M – 16 Grado 60 ó ASTM A572 /A572M – 15 Grado 50

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Generalmente en estos casos el grado indica el valor del Límite de Fluencia en miles de libras por pulgada cuadrada (Kips). Así por ejemplo: ASTM A615 /A615M-16 Grado 60 indica las barras de construcción con un Límite de Fluencia mínimo de 60 000 libras por pulgada cuadrada. El acero ASTM A572/A572M-15 Grado 50 indica que el Límite de Fluencia mínimo de este acero estructural es de 50 000 libras por pulgadas al cuadrado.

Figura N° 19: Comparación de resistencia de los aceros según grado.

Composición química: Para efectos de garantizar ciertas características de calidad (como la soldabilidad, la tenacidad, y otras), la norma ASTM establece valores máximos permisibles para ciertos elementos: 

Carbono.



Manganeso.



Fósforo.



Azufre.



Silicio.



Cobre.

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

Níquel.



Cromo.



Molibdeno.



Aluminio.



Vanadio.



Titanio

Para medir la cantidad de aleación presente en un acero se utiliza el concepto de Carbono Equivalente (CE). Este índice tiene una influencia importante en varias de las propiedades del acero. CE = %C + %Mn/6 + %Cu/40 + %Ni/20 + %Cr/10 + %Mo/50 + %V/10 CE = 0.55 máximo Así por ejemplo la Norma ASTM A615 Grado 60 establece como límite máximo de fósforo de 0,060 %. La norma ASTM A 36 establece valores mínimos siguientes: C = 0,26% mínimo. Si = 0,40% mínimo. P = 0,040% mínimo. S = 0,050 % mínimo.

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10. PRODUCTOS COMERCIALES DE ACERO EN PERÚ. 10.1. Productos para construcción.

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10.2.

Barras lisas y perfiles.

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10.3.

Planchas y bobinas laminadas en caliente.

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10.4.

Planchas y bobinas laminadas en frio.

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10.5.

Tubos.

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10.6.

Productos para sostenimiento de rocas.

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10.7.

Herramientas.

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11. PRECIO COMERCIAL DE ACERO EN EL DEPARTAMENTO DE PUNO.

PRODUCTO

COSTO POR UNIDAD (SOLES)

Corrugado 4.7 mm Aceros Arequipa

5.50

Barra de construcción 8 mm Aceros Arequipa

11.80

Barra de construcción 3/8″ Aceros Arequipa

15.80

Barra de construcción 12 mm Aceros Arequipa

25.80

Barra de construcción 1/2″ Aceros Arequipa

27.60

Barra de construcción 5/8″ Aceros Arequipa

42.80

Barra de construcción 1″ Aceros Arequipa

117.30

Barra de construcción 3/4″ Aceros Arequipa

65.00

Barra de construcción 6 mm Aceros Arequipa

6.70

Estribos de 6mm C1(18×18) Aceros Arequipa X20 unidades Estribos 3/8″ E1(17×17) Aceros Arequipa X10 unidades Estribos de 6mm V1(15×18) Aceros Arequipa X20 unidades

18.00 22.00 16.50

1 kg. Alambre de Construcción N.16

4.00

1 kg. Alambre de Construcción N.8

4.00

1 kg. Alambre galvanizado N.16

8.50

1 kg. clavo de construcción 2″ c/c

5.00

1 kg. clavo de calamina 2″

6.50

1 kg. clavo de construcción 3″ c/c

5.00

1 kg. clavo de construcción 4″ c/c

5.00

1 Kg. clavo de construcción 2 1/2″ c/c

8.50

Cuadro N° 03: Precio del acero en Puno.

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12. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN. 12.1.

VENTAJAS.

o Alta resistencia. La alta resistencia del acero por unidad de peso implica que será relativamente bajo el peso de las estructuras; esto es de gran importancia en puentes de grandes claros, en edificios altos y en estructuras con condiciones deficientes en la cimentación. o Uniformidad. Las propiedades del acero no cambian apreciablemente con el tiempo, como es el caso de las estructuras de concreto reforzado. o Elasticidad. El acero se acerca más en su comportamiento a las hipótesis de diseño que la mayoría de los materiales, debido a que sigue la ley de Hooke hasta esfuerzos bastante altos. Los momentos de inercia de una estructura de acero se pueden calcular exactamente, en tanto que los valores obtenidos para una estructura de concreto reforzado son relativamente imprecisos. o Durabilidad. Si el mantenimiento de las estructuras de acero es adecuado durarán indefinidamente. Investigaciones realizadas en los aceros modernos, indican que bajo ciertas condiciones no se requiere ningún mantenimiento a base de pintura. o Tenacidad. Los aceros estructurales son tenaces, es decir, poseen resistencia y ductilidad. Un miembro de acero cargado hasta que se presentan grandes deformaciones será aun capaz de resistir grandes fuerzas. Ésta es una característica muy importante porque implica que los miembros de acero pueden someterse a grandes deformaciones durante su fabricación y montaje, sin fracturarse, siendo posible doblarlos, martillarlos, cortarlos y taladrarlos sin daño aparente. La propiedad de un material para absorber energía en grandes cantidades se denomina tenacidad.

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o Ampliaciones de estructuras existentes. Las estructuras de acero se adaptan muy bien a posibles ampliaciones. Se pueden añadir nuevas crujías e incluso alas enteras a estructuras de acero ya existentes, y con frecuencia se pueden ampliar los puentes de acero. o Propiedades diversas. Algunas otras ventajas importantes del acero estructural son:      

12.2.

Gran facilidad para unir diversos miembros por medio de varios tipos de conexión simple, como son la soldadura y los pernos. Posibilidad de prefabricar los miembros. Rapidez de montaje. Capacidad para laminarse en una gran cantidad de tamaños y formas. Es posible utilizarlo nuevamente después de desmontar una estructura. Posibilidad de venderlo como chatarra, aunque no pueda utilizarse en su forma existente. El acero es el material reciclable por excelencia.

DESVENTAJAS.

En general, el acero tiene las siguientes desventajas: o Corrosión. La mayor parte de los aceros son susceptibles a la corrosión al estar expuestos al aire y al agua y, por consiguiente, deben pintarse periódicamente. Sin embargo, el uso de aceros intemperizados para ciertas aplicaciones, tiende a eliminar este costo. Aunque los aceros intemperizados pueden ser bastante efectivos en ciertas situaciones para limitar la corrosión, hay muchos casos donde su uso no es factible. En algunas de estas situaciones, la corrosión puede ser un problema real. Por ejemplo, las fallas por corrosión-fatiga pueden ocurrir si los miembros de acero se someten a esfuerzos cíclicos y a ambientes corrosivos. La resistencia a la fatiga de los miembros de acero puede reducirse apreciablemente cuando los miembros se usan en ambientes químicos agresivos y sometidos a cargas cíclicas.

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Se sabe también que se dispone de aceros en los cuales se usa el cobre como un componente anticorrosivo. Generalmente, el cobre se absorbe durante el proceso de fabricación del acero.

Figura N° 19: Acero corroído. o Costo de la protección contra el fuego. Aunque los miembros estructurales son incombustibles, sus resistencias se reducen considerablemente en temperaturas que comúnmente se alcanzan en incendios, cuando los otros materiales de un edificio se queman. Han ocurrido muchos incendios devastadores en inmuebles vacíos en los que el único material combustible es el mismo inmueble. Además, el acero es un excelente conductor del calor, de manera que los miembros de acero sin protección pueden transmitir suficiente calor de una sección o compartimiento incendiado de un edificio a secciones adyacentes del mismo edificio e incendiar el material presente. En consecuencia, la estructura de acero de un edificio debe protegerse mediante materiales con ciertas características aislantes, y el edificio deberá acondicionarse con un sistema de rociadores para que cumpla con los requisitos de seguridad del código de construcciones de la localidad en que se halle. o Susceptibilidad al pandeo. Cuanto más largos y esbeltos sean los miembros a compresión, tanto mayor es el peligro de pandeo. En la mayoría de las estructuras, el uso de columnas de acero es muy económico debido a sus relaciones elevadas de resistencia a peso. Sin embargo, en forma ocasional, se necesita algún acero adicional para rigidizarlas y que no se pandeen. Esto tiende a reducir su economía.

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Figura N° 20: Modos de pandeo. o Fatiga. Otra característica inconveniente del acero es que su resistencia se puede reducir si se somete a un gran número de inversiones del sentido del esfuerzo, o bien, a un gran número de cambios en la magnitud del esfuerzo de tensión. (Se tienen problemas de fatiga sólo cuando se presentan tensiones.) En la práctica actual se reducen las resistencias estimadas de tales miembros, si se sabe de antemano que estarán sometidos a un número mayor de ciclos de esfuerzo variable, que cierto número límite.

Figura N° 21: Acero que fallo por fatiga.

50

o Fractura frágil. Bajo ciertas condiciones, el acero puede perder su ductilidad y la fractura frágil puede ocurrir en lugares de concentración de esfuerzos. Las cargas que producen fatiga y muy bajas temperaturas agravan la situación. Las condiciones de esfuerzo triaxial también pueden conducir a la fractura frágil.

13. ACERO ESTRUCTURAL 13.1. Definición. El acero estructural es el material más usado para construcción de estructuras en el mundo. Es fundamentalmente una aleación de hierro (mínimo 98%), con contenidos de carbono menores del 1% y otras pequeñas cantidades de minerales como manganeso, para mejorar su resistencia, y fosforo, azufre, sílice y vanadio, para mejorar solubilidad y resistencia a la intemperie. Es un material usado para la construcción de estructuras, de gran resistencia producido a partir de materiales muy abundantes en la naturaleza. Entre sus ventajas esta la gran resistencia a tensión y comprensión, el costo razonable y la facilidad de ensamblaje; su desventaja está en la susceptibilidad al fuego y a la intemperie.

Figura N° 22: Estructura de acero.

51

13.2. Ventajas de la estructura de acero. o

Posibilidad de prefabricación de los elementos que componen la estructura, lo que se traduce en rapidez de ejecución, exactitud dimensional y control de calidad.

o

Posibilidad de la construir de estructuras más ligeras puesto que la capacidad resistente del acero permite construcciones de grandes luces. Adaptabilidad a cualquier solución estructural por medio de entramados rígidos o articulados.

o

o

Secciones reducidas: lo que permite el máximo aprovechamiento del espacio y facilita ocultar la estructura.

o

Reducción de costos: debido fundamentalmente a la rapidez de ejecución y a la estandarización de los sistemas constructivos.

o

Son fáciles de demostrar, manteniendo un cierto valor residual.

13.3. La estructura y sus partes. Los elementos constructivos básicos son los siguientes. o

VIGAS: elementos que soportan fundamentalmente cargas transversales a su eje longitudinal. Trabajan a flexión, siendo las encargadas de transmitir las cargas de los forjados a los pilares.

o

PILARES: elementos estructurales que transmiten las cargas a la cimentación. Trabajan fundamentalmente a compresión siendo la flexión generalmente pequeña (excepto en los sistemas de rudos rígidos) o casi nula (como en los casos de nudos articulados).

o

TIRANTES: estos elementos trabajan tracción. En cada punto de unión entre elementos individuales se dispondrán uniones, que constituyen la parte más crítica de los problemas de diseño principalmente por las siguientes razones: 

De ellas depende que la estructura se ajuste al modelo teórico empleado para determinar las solicitaciones.



Son esenciales para garantizar la continuidad de la estructura y su resistencia al colapso.

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

Están poco estandarizadas.

Las uniones se pueden realzar mediante tornillos, de montaje en obra, o por soldadura, que preferiblemente se sujetara en taller. 13.4. Agotamiento del acero estructural. o FATIGA La rotura de metales no siempre está precedida de fluencia y, en consecuencia, de deformaciones apreciables. Por lo contrario, la rotura se puede presentar para cargas inferiores a la tensión de fluencia si estas cargas actúan durante un determinado número de ciclos. A este tipo de fallo de metal se le conoce con el nombre de fatiga. La fatiga, que originara el fallo prematuro del elemento es un proceso metalúrgico complicado de estudiar. Se cree que la rotura por fatiga comienza con el deslizamiento de la estructura cristalina del metal seguida de la aparición de una fisura que aumenta progresivamente de tamaño hasta que el acero no pueda aguantar más y rompe de forma brusca. La iniciación de la microfisura tiene un carácter más frágil que dúctil y estas se suelen originar en zonas de debilidad como agujeros, entalladuras o soldaduras. Factores que modifican el límite de fatiga      

Tamaño de la pieza. Tipo de carga. Acabado superficial. Tratamiento superficial. Temperatura. Ambiente

o ROTURA FRÁGIL Las roturas frágiles son consecuencia de combinación criticas de tensiones, temperatura, tamaño de las imperfecciones y falta de resistencia del metal. Factores que favorecen la rotura frágil      

Temperaturas mínimas de servicio bajas. Grandes espesores. Deformaciones en frio del acero. Tensiones residuales. Cargas dinámicas. Estados de tensiones triaxiales.

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o ROTURA DÚCTIL Las roturas dúctiles son cuando la tensión tangencial alcanza un valor determinado se produce el deslizamiento relativo entre dos bandas atómicas este deslizamiento se detiene cuando las tensiones internas de la red cristalina contrarrestan a la acción exterior. 13.5. Aceros estructurales modernos. Las propiedades del acero pueden cambiarse en gran medida variando las cantidades presentes de carbono y añadiendo otros elementos como silicio, níquel, manganeso y cobre. Un acero que tenga cantidades considerables de estos últimos elementos se denominará acero aleado. Aunque estos elementos tienen un gran efecto en las propiedades del acero, las cantidades de carbono y otros elementos de aleación son muy pequeños. La composición química del acero es de suma importancia en sus efectos sobre sus propiedades tales como la soldabilidad, la resistencia a la corrosión, la resistencia a la fractura frágil, etc. La ASTM especifica los porcentajes exactos máximos de carbono, manganeso, silicio, etc., que se permiten en los aceros estructurales. Aunque las propiedades físicas y mecánicas de los perfiles de acero las determina principalmente su composición química, también influye en ellas, hasta cierto punto, el proceso de laminado, la historia de sus esfuerzos y el tratamiento térmico aplicado. En las décadas pasadas, un acero estructural al carbono designado como A36 y con un esfuerzo mínimo de fluencia Fy = 36 klb/plg2, era el acero estructural comúnmente usado. Sin embargo, más recientemente, la mayoría del acero estructural usado en Estados Unidos se fabrica fundiendo acero chatarra en hornos eléctricos. Con este proceso puede producirse un acero de 50 klb/plg2, A992, y venderse a casi el mismo precio que el acero A36. En décadas recientes los ingenieros y arquitectos continuamente requieren aceros más fuertes, aceros con mayor resistencia a la corrosión, con mejores propiedades de soldabilidad y diversas características. Las investigaciones realizadas por la industria acerera durante este periodo han proporcionado varios grupos de nuevos aceros que satisfacen muchas de las demandas.

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Actualmente existe una gran cantidad de aceros clasificados por la ASTM e incluidos en la especificación AISC. Los aceros estructurales generalmente se agrupan en varias clasificaciones principales de la ASTM: o Los aceros al carbono A36, A53, A500, A501 y A529. o Los aceros de baja aleación y de alta resistencia A572, A618, A913 y A992. o Los aceros de baja aleación, alta resistencia y resistentes a la corrosión A242, A588 y A847. 13.6. Perfiles de acero. Normalmente los perfiles de acero se pueden clasificar según el tipo de proceso de producción que le da origen, según se detalla a continuación: 13.6.1. Perfiles Laminados. Los perfiles laminados se producen a partir de la laminación en caliente de palanquillas o tochos hasta darle la conformación deseada. Entre sus características destaca su uniformidad estructural pues no presentan soldaduras o costuras y tienen un bajo nivel de acumulación de tensiones residuales localizadas. Se distinguen, básicamente en dos grandes familias:

Figura N° 23: Perfiles laminados.

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 Perfiles de alas paralelas. Los perfiles de ala paralela se producen en secciones tipo “I” y “H”, también denominadas doble T y los perfiles H de al. Se caracterizan por tener alas perpendiculares al alma, de caras paralelas, rectilíneas y de espesor constante que dejan ángulos redondeados en los encuentros interiores entre el ala y el alma. Son muy utilizados en la fabricación de estructuras, ya que su geometría paralela y rectilínea facilita las uniones, conexiones y encajes.

Figura N° 24 - 25: Perfiles de alas paralelas.

 Perfiles de alas inclinadas o Normales americanos. Los perfiles normales americanos o de alas inclinadas se producen básicamente en secciones tipo “I”, “U” y “L” y se caracterizan por tener los exteriores de las alas perpendiculares al alma, mientras las caras interiores de las alas presentan una inclinación de hasta un 14% respecto de la cara exterior, por lo que los espesores de las alas son decrecientes. Las uniones entre las caras exteriores e interiores de las alas, así como las uniones entre las alas y el alma, son redondeadas.

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Figura N° 26 - 27: Perfiles de alas inclinadas. 13.6.2. Perfiles conformados en frío. Los perfiles conformados en frío o doblados se obtienen por la conformación de planchas planas en forma de chapas o flejes sin cambiar su temperatura. El proceso se puede hacer mediante plegado, en cuyo caso su longitud está limitada por el largo de la plegadora, (usualmente de entre 3.000 y 6.000mm) y los espesores mayores se sitúan alrededor de los 12mm, también dependiendo de la potencia de la plegadora. Se pueden hacer mediante proceso continuo en una línea perfiladora o “roll former”, en cuyo caso, el largo de fabricación es continuo y la longitud es teóricamente indefinida, aunque limitada normalmente a medidas comerciales o a limitaciones del transporte. Los espesores máximos en las líneas perfiladoras, difícilmente superan los 6mm. Su característica geométrica principal es que los cantos y vértices que presentan son redondeados. Se producen usualmente en secciones tipo “U”, “C” (o canal atiesado), “L” y algunas variantes según cada productor (Omega, Sigma, etc.). A diferencia de los tubos, esta familia de perfiles conformados suele denominarse también como perfiles abiertos.

Figura N° 28: Perfil C.

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Figura N° 29: Perfil Z.

13.6.3. Perfiles soldados. Una alternativa frecuentemente utilizada para enfrentar las limitaciones de disponibilidad de perfiles laminados y responder a exigencias de diseño específicas es la producción de perfiles soldados, fabricados a partir de planchas planas de acero que son sometidas a corte, armado y soldadura. Esta estrategia permite obtener una casi ilimitada variedad de formas, geometrías y espesores de perfiles a partir de las secciones o flejes que son empalmados mediante soldadura, normalmente de arco sumergido. Una de las características de los perfiles soldados es que permiten la producción de perfiles de sección variable. El proceso de producción permite desarrollar esta actividad desde instalaciones semi-artesanales a complejas instalaciones industriales. La soldadura produce deformaciones térmicas en las alas, que deben ser compensadas previamente o corregidas luego de su producción.

Figura N° 30: Perfil soldado.

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13.6.4. Perfiles electrosoldados. La producción de perfiles soldados mediante electrosoldadura por resistencia eléctrica (o electrofusión) permite altas productividades de perfiles en secciones que varían entre 100 y 500mm y espesores entre 3 y 12mm.

Figura N° 31: Perfil electrosoldado.

13.6.5. Perfiles tubulares con costura La fabricación de perfiles tubulares de sección redonda, cuadrada o rectangular, tanto para transporte de fluidos, gases o para efectos estructurales se realiza a partir de procesos continuos o de cilindrado de planchas, según los requerimientos de dimensión y espesor del producto esperado. Estos perfiles, cuando tienen cierto tamaño y resistencia (espesores superiores a 3mm) se denominan secciones huecas estructurales, siendo su denominación en inglés: HSS.

Figura N° 32: Perfil tubular con costura.

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13.6.6. Perfiles tubulares sin costura El proceso de producción de tubos sin costura se realiza por laminación en caliente de palanquillas redondas (esbozos) mediante un mandril de expansión en un proceso también conocido como extrusión. Y se producen en espesores variables entre 2,9 y 20,6mm y en secciones entre 26,7 y 355,6mm.

14. BIBLIOGRAFIA  (.). Historia y desarrollo del acero. 20/05/2019, de Acero.es Sitio web: https://acero.es/historia-y-desarollo/  Alejandro Concha. (2010). Historia del Acero. 20/05/2019, de ArchDaily Sitio web: https://www.archdaily.pe/pe/02-44191/historia-del-acero  (.). Historia del acero. 20/05/2019, de Arkiplus Sitio web: https://www.arkiplus.com/historia-del-acero/  Acero - Inventos y Descubrimientos. 11/06/2019, de Acanomas Sitio web: http://www.acanomas.com/Inventos-y-Descubrimientos/1445/Acero.htm  (2016). HIERRO Y SUS ALEACIONES, METALES UTILIZADOS EN LA CONSTRUCCIÓN. 18/05/2019, de Ferra2 Sitio web: http://www.ferra2.com/hierro-y-sus-aleaciones/  Tema 2. Ensayos de materiales. 08/06/2019, de e-ducativa Sitio web: http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/4750/4913/html/index.htm l  Estudio y Clasificación de los Aceros. 16/05/2019, de INGEMECANICA Sitio web: https://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn101.html  Sugeydi Parra. (2018). Acero estructural y sus características. 25/06/2019, de Laminas y Aceros de Yucatán, S.A. Sitio web: https://blog.laminasyaceros.com/blog/caracter%C3%ADsticas-del-aceroestructural  (2018). Perfil metálico. 16/06/2019, de Wikipedia Sitio web: https://es.wikipedia.org/wiki/Perfil_met%C3%A1lico

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 Secciones de Perfiles de Acero. 18/06/2019, de webdelprofesor Sitio web: http://webdelprofesor.ula.ve/nucleotrujillo/americab/01-introducion/1-11.html  (2017). Tablas de perfiles metálicos. 18/05/2019, de ESTRUCTURANDO Sitio web: http://estructurando.net/tablas-de-perfiles-metalicos/  Clasificación de los aceros. 15/06/2019, de edu.xunta.es Sitio web: https://www.edu.xunta.es/espazoAbalar/sites/espazoAbalar/files/datos/146494717 4/contido/428_clasificacin_de_los_aceros.html