Acero (1).docx

TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES IXTAPALUCA

ALUMNOS: Martínez García Juan Carlos

NOMBRE DEL DOCENTE: Arzate Dávalos Cándido Moisés

PROYECTO:

Ensayo “Acero” LUGAR: Coatepec, Ixtapaluca, Edo. Méx.

ASIGNATURA: Estructuras de Acero

CARRERA: Arquitectura

SALON: 6601

Fecha: 11 de marzo de 2019

INTRODUCCION El presente ensayo me ayudo a investigar y analizar el material usado en estructuras, llamado acero; con el fin de dar a conocer concepto, los diferentes tipos, especificaciones y generalidades de este material empleado en una armadura de acero de una edificación. ¿Con que objetivo?, por la simple y esencial idea de la importancia del conocimiento de este elemento; fuerzas, debilidades y funcionalidad. Ya que sino se hacer un análisis estructural correcto se provocará daños a la estructura misma y como consecuencia derrumbes del mismo. Para ello mencionare uno de los acontecimientos actuales; que tuvo fecha el día 12 de julio del año 2018. “El secretario de Protección Civil, Fausto Lugo, explicó que el derrumbe en la plaza ubicada en Periférico Sur fue ocasionado por una falla estructural e informó que no se reportan lesionados.” (Milenio, 2018.) Teniendo este antecedente recalco que debemos poner mucha atención al hacer un análisis profundo; desde los tipos de materiales hasta el análisis de cargas y acciones. Por ello es irrefutable no conocer el mínimo detalle del material que se empleara; en este caso usaremos como estudio el acero. DESARROLLO Concepto del Acero El acero como material indispensable de refuerzo en las construcciones, es una aleación de hierro y carbono, en proporciones variables, y pueden llegar hasta el 2% de carbono, con el fin de mejorar algunas de sus propiedades, puede contener también otros elementos. Una de sus características es admitir el temple, con lo que aumenta su dureza y su flexibilidad. Se suele componer de otros elementos, ya inmersos en el material del que se obtienen. Pero se le pueden añadir otros materiales para mejorar su dureza, maleabilidad u otras propiedades. El hierro puro es uno de los elementos del acero, por lo tanto, consiste solamente de un tipo de átomos. Clasificación del acero Aceros aleados: Estos aceros contienen una proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos, además de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono normales.

Son aquellos aceros que se emplean para diversas partes de máquinas, tales como engranajes, ejes y palancas. Además, se utilizan en las estructuras de edificios, construcción de chasis de automóviles, puentes, barcos y semejantes. El contenido de la aleación varía desde 0,25% a un 6%.

Figura1.1 Tipos de Aceros aleados que se fabrican, su uso puede ser desde engranajes, ejes hasta chasis de autos, barcos semejantes

Para Herramientas: Aceros de alta calidad que se emplean en herramientas para cortar y modelar metales y no-metales. Por lo tanto, son materiales empleados para cortar y construir herramientas tales como taladros, escariadores, fresas, terrajas y machos de roscar.

Figura 1.2 Los aceros para herramientas, son empleados para poder cortar, modelar y perforar metales y no metales

Especiales: Los Aceros de Aleación especiales son los aceros inoxidables y aquellos con un contenido de cromo generalmente superior al 12%. Estos aceros de gran dureza y alta resistencia a las altas temperaturas y a la corrosión, se emplean en turbinas de vapor, engranajes, ejes y rodamientos. Aceros de baja aleación ultrarresistentes: Esta familia es la más reciente de las cuatro grandes clases de acero. Los aceros de baja aleación son más baratos que los aceros aleados convencionales ya que contienen cantidades menores de los costosos elementos de aleación. Aceros inoxidables: Los aceros inoxidables contienen cromo, níquel y otros elementos de aleación, que los mantienen brillantes y resistentes a la herrumbre y oxidación a pesar de la acción de la humedad o de ácidos y gases corrosivos. Algunos aceros inoxidables son muy duros; otros son muy resistentes y mantienen esa resistencia durante largos periodos a temperaturas extremas. Debido a sus

superficies brillantes, en arquitectura se emplean muchas veces con fines decorativos. El acero inoxidable se utiliza para las tuberías y tanques de refinerías de petróleo o plantas químicas, para los fuselajes de los aviones o para cápsulas espaciales. También se usa para fabricar instrumentos y equipos quirúrgicos, o para fijar o sustituir huesos rotos, ya que resiste a la acción de los fluidos corporales.

Figura1.3 Los aceros inoxidables tienen apariencia y propiedades higiénicas, al igual que tienen buenas propiedades de soldabilidad

Clases de aceros al carbono Contamos con otra clasificación según su aplicación. 1.- Aceros al carbono que se usan en bruto de laminación para construcciones metálicas y para piezas de maquinaria en general. 2. Aceros al carbono de baja aleación y alto límite elástico para grandes construcciones metálicas, puentes, torres, etc. 3. Aceros al carbono de fácil mecanización en tornos automáticos. En estos aceros son fundamentales ciertas propiedades de orden mecánico, como la resistencia a la tracción, tenacidad, resistencia a la fatiga y alargamiento, Estas propiedades dependen principalmente del porcentaje de carbono que contienen y demás aleantes.

Figura 4.2 Los aceros al carbono son grandes bases para la construcción de puentes, torres y demás estructuras

Acero extra suave: El porcentaje de carbono en este acero es de 0,15%, tiene una resistencia mecánica de 38-48 kg/mm2 y una dureza de 110-135. Aplicaciones: Elementos de maquinaria de gran tenacidad, deformación en frío, embutición, plegado, herrajes, etc. 3

Acero suave: El porcentaje de carbono es de 0,25%, tiene una resistencia mecánica de 48-55 kg/mm2 y una dureza de 135-160 HB. Aplicaciones: Piezas de resistencia media de buena tenacidad, deformación en frío, embutición, plegado, herrajes, etc. Acero semisuave: El porcentaje de carbono es de 0,35%. Tiene una resistencia mecánica de 55-62 kg/mm2 y una dureza de 150-170 HB. Aplicaciones: Ejes, elementos de maquinaria, piezas resistentes y tenaces, pernos, tornillos, herrajes. Acero semiduro: El porcentaje de carbono es de 0,45%. Tiene una resistencia mecánica de 62-70 kg/mm2 y una dureza de 280 HB. Aplicaciones: Ejes y elementos de máquinas, piezas bastante resistentes, cilindros de motores de explosión, transmisiones, etc. Acero duro: El porcentaje de carbono es de 0,55%. Tiene una resistencia mecánica de 70-75 kg/mm2, y una dureza de 200-220 HB. Aplicaciones: Ejes, transmisiones, tensores y piezas regularmente cargadas y de espesores no muy elevados.7 Fabricación del acero Su fabricación comienza con la reducción de hierro (producción de arrabio) el cual se convierte más tarde en Acero. Los materiales básicos utilizados son Mineral de Hierro, Coque y Caliza. El coque se quema como combustible para calentar el horno, y al arder libera monóxido de carbono, que se combina con los óxidos de hierro del mineral y los reduce a hierro. La ecuación de la reacción química fundamental de un alto horno es: Fe2O3 + 3 CO => 3 CO2 + 2 Fe La caliza de la carga del horno se emplea como fuente adicional de monóxido de carbono y como sustancia fundente. Este material se combina con la sílice presente en el mineral (que no se funde a las temperaturas del horno) para formar silicato de calcio, de menor punto de fusión. Sin la caliza se formaría silicato de hierro, con lo que se perdería hierro metálico. El silicato de calcio y otras impurezas forman una escoria que flota sobre el metal fundido en la parte inferior del horno.

El arrabio producido en los altos hornos tiene la siguiente composición:   

92% de hierro 3 o 4% de carbono 0,5 a 3% de silicio

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0,25% al 2,5% de manganeso 0,04 al 2% de fósforo Algunas partículas de azufre

El Alto Horno es virtualmente una planta química que reduce continuamente el hierro del mineral. Químicamente desprende el oxígeno del óxido de hierro existente en el mineral para liberar el hierro. Está formado por una cápsula cilíndrica de acero forrada con un material no metálico y resistente al calor, como ladrillos refractarios y placas refrigerantes. La parte inferior del horno está dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire. La parte superior del horno, contiene respiraderos para los gases de escape, y un par de tolvas redondas, por las que se introduce la carga en el horno. Los materiales se llevan hasta las tolvas en pequeñas vagonetas o cucharas que se suben por un elevador inclinado situado en el exterior del horno. Las materias primas se cargan (o se vacían) en la parte superior del horno. El aire, que ha sido precalentado hasta los 1.030ºC aproximadamente, es forzado dentro de la base del horno para quemar el coque. El coque en combustión genera el intenso calor requerido para fundir el mineral y produce los gases necesarios para separar el hierro del mineral. Los altos hornos funcionan de forma continua. Esencialmente, el CO gaseoso a altas temperaturas tiene una mayor atracción por el oxígeno presente en el mineral de hierro (Fe2O3) que el hierro mismo, de modo que reaccionará con él para liberarlo. Químicamente entonces, el hierro se ha reducido en el mineral. Mientras tanto, a alta temperatura, la piedra caliza fundida se convierte en cal, la cual se combina con el azufre y otras impurezas. Esto forma una escoria que flota encima del hierro derretido. 

Presurización de los hornos:

Estrangulando el flujo de gas de los respiraderos del horno es posible aumentar la presión del interior del horno hasta 1,7 atmósferas o más. Esta técnica, llamada presurización, permite una mejor combustión del coque y una mayor producción de hierro. En muchos altos hornos puede lograrse un aumento de la producción de un 25%. Cada cinco o seis horas, se cuelan desde la parte interior del horno hacia una olla de colada o a un carro de metal caliente, entre 150 a 375 toneladas de arrabio. A continuación, el contenedor lleno de arrabio se transporta a la fábrica siderúrgica (Acería).

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Refinación del Arrabio:

El arrabio recién producido contiene demasiado carbono y demasiadas impurezas para ser provechoso. Debe ser refinado, porque esencialmente, el acero es hierro altamente refinado que contiene menos de un 2% de carbono. En el alto horno, el oxígeno fue removido del mineral por la acción del CO (monóxido de carbono) gaseoso, el cual se combinó con los átomos de oxígeno en el mineral para terminar como CO2 gaseoso (dióxido de carbono). Ahora, el oxígeno se empleará para remover el exceso de carbono del arrabio. A alta temperatura, los átomos de carbono (C) disueltos en el hierro fundido se combinan con el oxígeno para producir monóxido de carbono gaseoso y de este modo remover el carbono mediante el proceso de oxidación. Principales propiedades mecánicas del acero 1- Plasticidad Es la capacidad que tiene el acero de conservar su forma después de ser sometido a un esfuerzo. Los aceros que son aleados con pequeños porcentajes de carbón, son más plásticos. 2- Fragilidad La fragilidad es la facilidad con la que el acero puede ser roto al ser sometido a un esfuerzo. Cuando el acero es aleado, con un porcentaje alto de carbón, tiende a ser más frágil. 3- Maleabilidad La maleabilidad es la facilidad que tiene el acero para ser laminado. De esta manera, algunas aleaciones de acero inoxidable tienden a ser más maleables que otras. 4- Dureza La dureza es la resistencia que opone un metal ante agentes abrasivos. Mientras más carbón se adiciones a una aleación de acero, más duro será (Kailas, s.f.) 5- Tenacidad La tenacidad es el concepto que denota la capacidad que tiene el acero de resistir la aplicación de una fuerza externa sin romperse. En el caso del acero con una concentración mediana de carbón, la tenacidad tiende a ser más alta (Chapter 6. Mechanical Properties of Metals, 2004). Principales propiedades físicas del acero 1- Cuerpo Incluyen las propiedades relacionadas con el peso del acero, su volumen, masa y densidad.

2- Térmicas Se refiere a tres aspectos fundamentales del acero: su capacidad para conducir la temperatura (conducción), su potencial para transferir calor (convección), y su capacidad de emanar rayos infrarrojos en el medio (radiación). 3- Eléctricas Se refieren a la capacidad que tiene el acero para conducir la corriente eléctrica. 4- Ópticas Estas propiedades en el caso del acero denotan su capacidad para reflejar la luz o emitir brillo. En la medida en la que el acero inoxidable es aleado con un mayor porcentaje de aluminio, mejores propiedades ópticas tendrán. 5- Magnéticas Se refiere a la capacidad que tiene el acero para ser inducido o para inducir a un campo electromagnético. Mientras más alto es el porcentaje de hierro en la aleación del acero, mayor será su capacidad de actuar como un imán (Sandhyarani, 2016). Acero estructural 1. Descripción: Acero al carbono estructural conocido como hierro negro, de calidad estructural para el uso en puentes y edificaciones remachadas, atornilladas o soldadas. 2. Normas involucradas: ASTM A 36/A 36M - 04 3. Propiedades mecánicas: Esfuerzo a la fluencia mínimo: 250 MPa (36300 PSI) Esfuerzo a la tensión: 400 – 550 MPa (58000 – 79800 PSI) Elongación mínima en 50 mm (2”): 23% Módulo de elasticidad 200 GPa (29000 KSI) 4. Propiedades físicas: Densidad 7.85 g/cm3 (0.284 lb/in3) 5. Propiedades químicas: 0.25 – 0.29 % C 0.60 – 1.20 % Mn 0.15 – 0.40 % Si 0.04 % P máx 0.05 % S máx 6. Usos: Para componentes estructurales en general. 7. Tratamientos térmicos: Usualmente a este material no se le da tratamiento térmico debido a que son parte estructural. Puede ser cementado para aumentar la dureza superficial mientras mantiene su núcleo tenaz.

TIPOS DE ESTRUCTURAS METÁLICAS Estructura Metálica Principal: La estructura metálica principal se compone de todos aquellos elementos que estabilizan y transfieren las cargas a los cimientos (que normalmente son de hormigón reforzado). La estructura metálica principal es la que asegura que no se vuelque, que sea resistente y que no se deforme. Normalmente está formada de los siguientes elementos: vigas metálicas: Las vigas metálicas son los elementos horizontales, son barras horizontales que trabajan a flexión. Dependiendo de las acciones a las que se les someta sus fibras inferiores están sometidas a tracción y las superiores a compresión. Existen varios tipos de vigas metálicas y cada una de ellas tiene un propósito ya que según su forma soportan mejor unos esfuerzos u otros como pueden ser: Viguetas: Son las vigas que se colocan muy cerca unas de otras para soportar el techo o el piso de un edificio, por ejemplo; cuando vemos un edificio que está sin terminar, suelen ser las vigas que vemos. o Dinteles: Los dinteles son las vigas que se pueden ver sobre una abertura, por ejemplo, las que están sobre las puertas o ventanas. Vigas de Tímpano: Éstas son las que soportan las paredes o también parte del techo de los edificios. Largueros: También conocidas como travesaños o carreras son las que soportan cargas concentradas en puntos aislados a lo largo de la longitud de un edificio. Pilares metálicos: Los pilares metálicos son los elementos verticales, todos los pilares reciben esfuerzos de tipo axil, es decir, a compresión. También se les llama montantes.

Estructura Metálica Secundaria: Esta estructura corresponde fundamentalmente a la fachada y a la cubierta, lo que llamamos también subestructura y se coloca sobre la estructura metálica principal, y ésta puede ser metálica o de hormigón.

Tipos de estructuras metálicas Partiendo de la base que las estructuras metálicas son artificiales ya que las ha inventado el ser humano podremos entonces destacar qué tipos de estructuras hay: Estructuras Abovedadas: Estas estructuras son todas aquellas en las que se emplean bóvedas, cúpulas y arcos para repartir y equilibrar el peso de la estructura, como por ejemplo puede verse en las catedrales o iglesias.

Estructuras Entramadas: Estas son las más comunes ya que son las que utilizan la mayoría de los edificios que podemos ver en cualquier ciudad. Emplean una gran cantidad de vigas, pilares, columnas y cimientos, es decir, una gran cantidad de elementos horizontales y verticales para repartir y equilibrar el peso de la estructura. Estas estructuras son más ligeras porque emplean menos elementos que las abovedadas por ejemplo y así pueden conseguirse edificios de gran altura.

Estructuras Trianguladas: Las trianguladas se caracterizan como su propio nombre indica por disponer sus elementos de forma triangular, suelen ser muy ligeras y económicas. Suelen utilizarse para la construcción de puentes y naves industriales. En estos casos hay dos formas que son las más utilizadas, la cercha y la celosía.

Estructuras Colgantes: Las estructuras colgantes o colgadas son aquellas que utilizan cables o barras (tirantes) que van unidos a soportes muy resistentes (cimientos y pilares). Los tirantes estabilizan la estructura, como puede verse por ejemplo en los puentes colgantes.

Estructuras Laminares: Todas aquellas formadas por láminas resistentes que están conectadas entre sí y que sin alguna de ellas la estructura se volvería inestable, como pueden ser las carrocerías y fuselajes de coches y aviones.

Estructuras Geodésicas: Son estructuras poco comunes que están formadas por hexágonos o pentágonos y suelen ser muy resistentes y ligeras. Son estructuras que normalmente tienen forma de esfera o cilindro. Tipos de uniones Para que todos los elementos de la estructura metálica se comporten perfectamente según se ha diseñado es necesario que estén ensamblados o unidos de alguna manera. Para escoger el tipo de unión hay que tener en cuenta cómo se comporta la conexión que se va hacer y cómo se va a montar esa conexión. Existen conexiones rígidas, semirrígidas y flexibles. Algunas de esas conexiones a veces necesitan que sean desmontables, que giren, que se deslicen, etc. Dependiendo de ello tendremos dos tipos de uniones fundamentales: POR SOLDADURA: La soldadura es la más común en estructuras metálicas de acero y no es más que la unión de dos piezas metálicas mediante el calor. Aplicándoles calor conseguiremos que se fusionen las superficies de las dos piezas, a veces necesitando un material extra para soldar las dos piezas. En el siguiente enlace tienes los tipos de soldadura explicados: Soldadura Oxicetilénica Aplicaciones: Láminas de Acero o Hierro. Se utiliza en construcción, en la industria naval y en la automovilística. Tipo: Homogénea. Material de Aportación: El mismo que el de las piezas que se van a unir. Temperatura de Soldadura: Mayor de 3.000ºC. Instrumento: Soplete Oxiacetilénico. La soldadura oxicetilénica es la forma más difundida de soldadura autógena. No es necesario aporte de material. Este tipo de soldadura puede realizarse con material de aportación de la misma naturaleza que la del material base (soldadura homogénea) o de diferente material (heterogénea) y también sin aporte de material (soldadura autógena). Para lograr una fusión rápida (y evitar que el calor se propague) se utiliza un soplete que combina oxígeno (como comburente) y acetileno (como combustible).

POR TORNILLO: Los tornillos son conexiones rápidas que normalmente se aplican a estructuras de acero ligeras, como por ejemplo para fijar chapas o vigas ligeras.

REMACHES EN CALIENTE O ROBLONES: Las primeras estructuras metálicas empleadas en los puentes a mediados del siglo XIX se construían a partir de hierro colado y/o forjado, materializándose las uniones mediante remaches en caliente o roblones. Para hacer este tipo de uniones, las planchas que se debían unir se perforaban en un régimen que se determinaba por cálculo, reforzando los empalmes y traslapes con planchas igualmente perforadas de acuerdo con el mismo patrón. Muchas veces estas planchas adicionales llegaron a representar hasta el 20% del peso total de la estructura.

CONEXIONES APERNADAS: Otra forma frecuente de materializar uniones entre elementos de una estructura metálica es mediante pernos. Hoy, el desarrollo de la tecnología ha permitido fabricar pernos de alta resistencia, por lo que estas uniones logran excelentes resultados.

CONCLUSION Finalizando el presente concluyó un concepto esencial; la expresión estructura, que se planteó en este trabajo nos refiere a aquella parte de un edificio que absorben las cargas gravitacionales y laterales, así mismo las transmiten al suelo de manera que mantienen en pocas palabras la estabilidad de la construcción. Es decir que entre éstos se incluyen los cimientos, columnas, muros de “carga”, vigas, conexiones, etc. Esperando que la finalidad de este trabajo se haya logrado. Necesito reiterar que dentro de un análisis estructural debe ser muy exacto y completo. Tomando en cuenta, como uno de los primeros puntos son los materiales. Este ensayo hablo del acero; un material esencial en una construcción.

Aquí denotamos sus principales características, tanto físicas y mecánicas; dentro de estas tenemos la durabilidad, flexibilidad, etc. Todo esto para el mejor uso del elemento y sus aplicaciones como son los tipos de estructuras; que si esta base no esta muy bien diseñada las consecuencias pueden llegar a ser catastróficas como un derrumbe. BIBLIOGRAFIA

McComac, Jack C. (2012). Diseño de estructuras de acero: método LRFD-2ª ed. Alfaomega, México. Chapter 6. Mechanical Properties of Metals. (2004). Obtenido de Mechanical Properties of Metals: virginia.edu. Materia, T. (August de 2002). Total, Materia. Obtenido de Mechanical Properties of Metals: totalmateria.com. Sandhyarani, N. (4 de August de 2016). Obtenido de Physical Properties of Steel: buzzle.com.