Unidad I

Acero estructural

El acero estructural se define como el producto resultante de la aleación de hierro, carbono y pequeñas cantidades de otros elementos tales como silicio, fósforo, azufre y oxígeno, que le aportan características específicas.

Tipos de aceros

El acero estructural según su forma se clasifica en:

Perfiles Estructurales: Los perfiles estructurales son piezas

de acero laminado cuya sección transversal puede ser en forma

de I, H, T, canal o ángulo.

Barras: Las barras de acero estructural son piezas de acero

laminado, cuya sección transversal puede ser circular,

hexagonal o cuadrada en todos los tamaños.

Planchas: Las planchas de acero estructural son productos

planos de acero laminado en caliente con anchos de 203 mm y

219 mm, y espesores mayores de 5,8 mm y mayores de 4,5

mm, respectivamente

Aceros para Hormigón (Acero de refuerzo para

armaduras):

Barras corrugadas.

Alambrón

Alambres trefilados ( lisos y corrugados)

Mallas electro soldables de acero – Mallazo.

Armaduras básicas en celosía.

Alambres, torzales y cordones para hormigón

pretensado.

Armaduras pasivas de acero Redondo liso para

Hormigón Armado.

Aceros para estructuras en zonas de alto riesgo

sísmico.

PROPIEDADES MECÁNICAS.

Las propiedades mecánicas de un material esta referido al reflejo de

la relación entre la respuesta o deformación ante una fuerza aplicada,

debido que en ámbito de la construcción, muchos materiales cuando

están en servicio están sujetos a fuerzas o cargas.

La descripción mas completa de las propiedades mecánicas de los

aceros (propiedades utilizadas en el diseño estructural) se la realiza

mediante una curva de esfuerzo – deformación, bajo cargas de

tracción, las mismas que varían dependiendo de la composición

química del material y su proceso de fabricación.

Aunque es difícil establecer las propiedades físicas y mecánicas del

acero debido a que estas varían con los ajustes en su composición y

los diversos tratamientos térmicos, químicos o mecánicos, con los que

pueden conseguirse aceros con combinaciones de características

adecuadas para infinidad de aplicaciones, se pueden citar algunas

propiedades.

Su densidad media es de 7.850 Kg m-3. .

El punto de fusión del acero depende del tipo de aleación. El de

su componente principal, el hierro es de alrededor de 1510 °C,

sin embargo el acero presenta frecuentemente temperaturas de

fusión de alrededor de 1375 °C (2500 °F).

Su punto de ebullición es de alrededor de 3000 °C (5400 °F).

Es fundamental señalar que Las tolerancia, dimensiones de los aceros

para la construcción se encuentran estandarizados en la norma ASTM

A 36/ A 36 -.94, en donde se encuentran las propiedades mecánicas y

químicas según el tipo de acero.

PROPIEDADES QUIMICAS:

En la industria de la construcción podemos apreciar el acero no

aleado y el acero aleado, el acero estructural es un acero aleado

como se puede mencionar en su definición. Aunque cada compañía

tiene su composición exacta para cada tipo de acero ofreciendo

catálogos detallados que le ofrecen resistencias determinadas a los

ingenieros en un ámbito general las propiedades químicas de estos

son:

Acero No Aleado:

1.6% c.

baja cantidad de manganeso, silicio, azufre y

fósforo

el azufre y fósforo son impurezas. su cantidad ha de

ser < 0.05%

manganeso (mn), < 1.6%: le da resistencia y pasa a

ser un material dúctil a temperaturas bajas.

silicio: mejora la resistencia, cantidad ha de ser <

0.6% porque puede ocurrir la fragilidad (fe3c).

Acero Aleado: Unión íntima entre dos o más metales en

mezcla homogénea:

1.6% C,

0.6 % silicio.

1.6 % manganeso, + algún otro elemento, entre los

cuales está: EL cobre y el cromo mejoran la

corrosión del acero. Un acero con >= 12% Cr, es un

acero inoxidable.

Aceros con 12% Cr, y 7% Ni, forman el grupo de acero inoxidable.

Producción del Acero

A principios del siglo XVIII ya había en Suecia y en Inglaterra laminadores movidos por molinos de agua. La máquina de vapor de Watt fue aplicada para este uso por primera vez en 1786.

A mediados del siglo XIX se producían por laminación rieles para ferrocarril de 40 m de largo; se usaba de manera generalizada el martillo de vapor y se fabricó el primer buque interoceánico hecho a base de hierro forjado. El buque, llamado SS Great Britain fue construido con doble capa de hierro y con cinco compartimentos. Su peso fue de 8 000 toneladas, cuatro de las cuales fueron de la hélice. El casco se construyó traslapando placas unidas con remaches a un poderoso marco de vigas.

La torre Eiffel, inaugurada en París en 1889, se construyó con más de 7 000 toneladas de hierro forjado. Como el acero todavía era muy caro, los constructores Forges y Mendel optaron por el hierro forjado. La fabricación masiva y, por lo tanto económica del acero estaba ya retrasada en relación con su demanda.

El primer paso para lograr la transformación masiva del arrabio en acero lo dio el inglés Henry Bessemer en 1856. La idea de Bessemer era simple: eliminar las impurezas del arrabio líquido y reducir su contenido de carbono mediante la inyección de aire en un "convertidor" de arrabio en acero. Se trata de una especie de crisol, como el que muestra en la figura 19, donde se inyecta aire soplado desde la parte inferior, que a su paso a través del arrabio líquido logra la oxidación de carbono. Así, el contenido de carbono se reduce al 4 o 5% a alrededor de un 0.5 % . Además el oxígeno reacciona con las impurezas del arrabio produciendo escoria que sube y flota en la superficie del acero líquido. Como la combinación del oxígeno con el carbono del arrabio es una combustión que genera calor; Bessemer acertadamente sostenía que su proceso estaba exento de costos por energía. La idea era fantástica.

Figura 19. Convertidor de arrabio en acero inventado por Henry Bessemer. Un flujo de aire se inyecta por la parte inferior del horno para que elimine gran parte del carbono y otras impurezas del arrabio por oxidación. Este diseño fracasó inicialmente porque el refractario que cubría las paredes del horno era de tipo "ácido".

Bessemer logró convencer a los grandes señores del hierro de la época victoriana para que aplicaran industrialmente los procedimientos que él había desarrollado a escala de laboratorio. Se invirtieron enormes recursos en el proyecto, cuyo resultado fue un escandaloso fracaso. Bessemer fue obligado a reponer el dinero a los industriales y se hundió en el mayor descrédito. Pero Bessemer no se dio por vencido. Le costó mucho darse cuenta de que el arrabio que él había empleado en sus experimentos de laboratorio era distinto al que explotaban industrialmente los fundidores ingleses. Por alguna razón, Bessemer había empleado un arrabio de bajo contenido de fósforo que contrastaba con el arrabio obtenido de muchos minerales nativos de Inglaterra y Europa que eran muy ricos en este elemento.

La pared del convertidor de Bessemer estaba recubierta con ladrillos refractarios ricos en óxido de silicio: sílice. En la jerga de los refractarios a éstos se les llama "ácidos" para distinguirlos de los óxidos metálicos, que se denominan "básicos". La triste experiencia del primer intento de Bessemer sirvió para demostrar que los refractarios ácidos entorpecen la eliminación del fósforo del arrabio. Más tarde Thomas y Gilchrist, también ingleses, probaron que el convertidor de Bessemer transformaba exitosamente el arrabio en acero si la pared del horno se recubría con refractarios "básicos", de óxido de magnesio por ejemplo. Para quitar el fósforo y el sílice del arrabio, añadieron trozos de piedra caliza que reacciona con ambos para producir compuestos que

flotan en la escoria. Esto no se podía hacer en el convertidor "ácido" de Bessemer porque la piedra caliza podría reaccionar con los ladrillos de sílica de sus paredes.

Bessemer instaló su propia acería en Sheffield, pagó sus deudas, pronto logró una producción de un millón de toneladas por año y amasó una gran fortuna. Lo que nunca pudo recuperar fue la confianza de los industriales ingleses. De muy mala manera fue rechazado su proyecto para sustituir los rieles de ferrocarril de "hierro" forjado de esa época por los de acero que ahora todo el mundo utiliza.

La tecnología para producir, arrabio siempre estuvo inmersa en un proceso evolutivo. Un paso de una gran trascendencia se dio en el siglo XVIII, cuando el carbón mineral sustituyó al carbón de leña en los hornos. El uso del carbón de leña en las acerías dejó secuelas dramáticas en muchos países. En Inglaterra la devastación fue tan brutal que para mediados del siglo XVIII los bosques ya se habían agotado. Por más de un siglo Inglaterra tuvo que importar hierro o arrabio de Suecia, Rusia y de sus colonias americanas, debido a su insuficiencia de carbón de leña. Para bien de los bosques, en el siglo XVIII se inició el uso del carbón mineral para producir arrabio. El carbón mineral usualmente contiene sustancias volátiles indeseables para la fabricación del arrabio. Se desarrollo entonces un método que consiste en triturar y calentar el carbón mineral en hornos para que las sustancias volátiles sean expelidas, dando lugar a un carbón más refinado llamado coque.

Cuando los convertidores "básicos" de arrabio en acero entraron en operación, ya se producía carbón mineral coquizado en plantas avanzada donde además de purificar al carbón se, aprovechaban los gases expelidos. Se obtenían como subproductos amoniaco, benceno, tolueno, nafta aromática y brea de alquitrán.

LOS ACEREROS CLÁSICOS

Una vez desatada la producción masiva de acero durante la revolución industrial, la producción, mundial creció vertiginosamente, como se indica en la figura 20, impulsada por una fiebre tecnológica sin precedentes y por una demanda industrial insatisfecha. El fenómeno nunca estuvo limitado al ámbito inglés. Diez años antes de registrarse la patente de Bessemer, William Kelly había desarrollado la misma idea en Estados Unidos. Asimismo los hermanos Siemens, alemanes, y posteriormente los hermanos Martin, franceses, dieron

grandes pasos en el desarrollo de convertidores de arrabio en acero que antes de terminar el siglo XIX ya habían superado la producción a los de Bessemer (figura 21).

Figura 20. Gráfica de la producción mundial de acero en los últimos siglos. El invento de Bessemer fue el punto de partida del vertiginoso crecimiento.

Figura 21. Producción de acero en Inglaterra. Los convertidores de Bessemer, "ácidos" o "básicos", dominaron inicialmente. El sistema Siemens-Martin fue el más utilizado en las primeras siete décadas del presente siglo. Los convertidores BOF cobraron importancia en los últimos treinta años.

La geografía de la producción de acero también evolucionó. A principios del siglo XVIII Suecia era el primer productor mundial de arrabio.

Posteriormente Inglaterra tomó su lugar, manteniendo su hegemonía hasta finales del siglo XIX. En 1890 Estados Unidos rebasó a Gran Bretaña y se mantuvo como líder hasta 1971, cuando fue superado por la Unión Soviética. En la figura 22 se presentan los diez primeros productores del mundo en 1983. La situación reciente dista de ser estable. De 1976 a 1983 China pasó del octavo al cuarto lugar, Japón desplazó a Estados Unidos del segundo lugar, la Gran Bretaña pasó del séptimo al décimo y Corea del Sur se movió del lugar 25 y se puso en el 15.

Figura 22. Los diez mayores productores de acero en el mundo en 1983.

LOS ALTOS HORNOS

Antes de que desaparezcan de la faz de la Tierra, vale la pena describir a los modernos dinosaurios que ahora producen la mayor parte del acero del mundo. El proceso se puede dividir en dos grandes pasos. El primero consiste en transformar el mineral de hierro de las minas en arrabio y el segundo en convertir el arrabio en acero.

En un alto horno, cuyo esquema se presenta en la figura 23, se logra la transformación del mineral de hierro en arrabio. Este tipo de horno es el que tienen actualmente la Siderúrgica Lázaro Cárdenas-Las Truchas, en la costa del Pacifico de Michoacán; Altos Hornos de México, en Coahuila; y el que tenía la Fundidora de Monterrey que cerró hace algunos años. También este tipo de hornos fueron los que, abatidos por las recientes sacudidas tecnológicas, cayeron dinamitados a principios de 1986 en la Bethlehem Steel Corporation de Pennsylvania.

Figura 23. En el alto horno, el mineral de hierro, el coque y la caliza se cargan por la parte superior. Por las otras toberas se inyecta el aire caliente que enciende el coque y libera el monóxido de carbono necesario para reducir al óxido de hierro. El arrabio, producto final del alto horno, se colecta por una piquera en la parte inferior.

Los minerales de hierro contienen del 60 al 70% de hierro; el resto se compone de oxígeno, arena, arcilla y piedras, que a su vez contienen sílice (óxido de silicio) Es necesario deshacerse del sílice para evitar que una parte del hierro se desperdicie al formar compuestos con esta sustancia. Lo anterior se logra agregando piedra caliza. La caliza tiene la propiedad de que, a altas temperaturas, tiene mucha afinidad por el sílice y por otras impurezas que vienen con el mineral, formando compuestos que flotan en el arrabio líquido como escoria.

El mineral, junto con la piedra caliza y el coque tienen en su conjunto el nombre de carga y se introducen en el alto horno por la parte superior. La forma y el tamaño de la carga están ya muy estudiados. Primero se muelen los minerales de hiero y la piedra caliza. Luego se producen aglomerados de uno a dos centímetros de diámetro, donde la caliza se incorpora junto con el mineral.

Con bandas transportadoras se lleva la carga, es decir las esferas del mineral y la caliza, y trozos de coque, hasta la parte superior del alto horno (Figura 23). Casi todo el alto horno se mantiene lleno de carga. Por la parte inferior, utilizando ductos llamados toberas, se introduce un soplo de aire caliente que fluye por los huecos que quedan entre las partículas de la carga. Desde los tiempos de los

fundidores chinos del siglo VI hasta principios del siglo XIX el arrabio se produjo soplando con aire frío sobre la mezcla de minerales y carbón. Sin embargo, el proceso es mucho más eficiente tanto en rapidez como en consumo de coque si se sopla aire caliente adicionado con un poco de oxígeno y, eventualmente, con hidrocarburos. Cuando el soplo de aire caliente fue introducido por James Nielsen en 1828, se logró de inmediato un ahorro del 40% en el consumo de carbón.

En el alto horno, el aire caliente sirve para producir la combustión del coque y para elevar la temperatura. El oxígeno del aire se combina con el carbono para producir el monóxido de carbono que, a su vez, reacciona con el óxido de hierro para producir hierro y bióxido de carbono.

Al salir del alto horno, los gases producidos por la reacción del aire, caliente con el coque y el mineral de hierro no están totalmente quemados. Es común, que una cuarta parte de la mezcla de gases salientes sea monóxido de carbono. Este gas venenoso todavía puede quemarse, es decir, oxidarse, y el calor producido es aprovechable en el calentamiento del soplo del aire que entra. Con esto se logra además un beneficio para el ambiente al reducir las emisiones de monóxido de carbono.

Los gases que salen del alto horno son canalizados mediante duetos hacia enormes estufas donde se logra la combustión total de los mismos. En el camino, como se ilustra en la figura 24, los gases se hacen pasar por cámaras para separar el polvo que arrastran. De esas cámaras se conducen a una de las estufas (los altos hornos se acompañan al menos de dos estufas). Las estufas son cámaras de combustión revestidas, con tabiques refractarios con alta capacidad de absorber calor. Después de algunas horas de quemado de los gases la estufa alcanza altas temperaturas y en ese momento los gases se canalizan a otra de las estufas. Es entonces cuando el soplo del aire, que deberá entrar al alto horno, se pasa por la estufa para que se caliente al hacer contacto con las paredes de tabique refractario incandescente, y alcanza temperaturas superiores a los 1 000°C. En la figura 24, la estufa de la izquierda esta quemando gases y la de la derecha está calentando al soplo de aire.

La parte más caliente del alto horno se localiza justamente arriba de las toberas y se conoce como, etalaje (Figura 23). Allí la temperatura alcanza los 1800°C, alrededor de 550 grados más de los necesarios para fundir el arrabio. En estas condiciones las esferas de la carga, originalmente hechas de óxidos de hierro y

caliza, lloran (gotean) arrabio y escoria que se depositan en el crisol que está en la parte inferior del alto horno.

Figura 24. Los gases ricos en monóxido de carbono que salen del alto horno son aprovechados para calentar las estufas al completar su combustión. Mientras una de las estufas está en el proceso de combustión, la otra, previamente calentada, sirve para elevar la temperatura del aire por encima de los 1 000°C.

La escoria y el arrabio se sacan del crisol por unos ductos llamados piqueras. La piquera de escoria está colocada más arriba que la de arrabio porque la escoria flota, Frecuentemente el arrabio se traslada al convertidor en el estado líquido; sin embargo, en algunas plantas se vacía para formar lingotes. En Inglaterra, originalmente, los lingotes de arrabio tenían la forma de cerdos y por eso en inglés el arrabio es conocido como pig iron.

Los convertidores de arrabio en acero ya no son como los de Bessemer y sus contemporáneos. Conocidos generalmente por sus iniciales en inglés, los convertidores BOF (basic oxygen furnace) logran la refinación del arrabio empleando la misma idea de Bessemer para eliminar las impurezas y el exceso de carbono por oxidación, además de aprovechar el calor de la oxidación como fuente de energía para la fusión. En lugar del soplo de aire que utilizaba Bessemer, en los BOF la oxidación se hace directamente con oxígeno. Esta idea también la tuvo Bessemer porque el aire contiene solamente un 21%, de oxígeno contra un 78% de nitrógeno. Lo que pasó fue que en los tiempos de Bessemer el oxígeno puro era muy caro, de modo que no era accesible ni para hacer experimentos en el laboratorio. Cien años después la situación era otra

porque se desarrollaron métodos baratos para producir oxígeno y en la escala necesaria para abastecer a las grandes siderúrgicas.

Un esquema del convertidor BOF se presenta en la figura 25. Consiste en una olla de acero recubierta en su interior con material refractario del tipo básico, óxido de magnesio o algo así. A diferencia del convertidor de Bessemer (Figura 19) donde se soplaba el aire por la parte inferior, en el BOF se inyecta el oxígeno por una lanza que entra por la parte superior. La lanza se enfría con serpentines de agua, interiores para evitar que se funda. La carga y la descarga de la olla se hacen también por la parte superior y por eso la olla está montada en chumaceras que le permiten girar.

Figura 25. Mediante un chorro de oxígeno con polvo de piedra caliza el arrabio es convertido en acero en un BOF, El oxígeno reacciona con el carbono del arrabio y lo elimina en forma de bióxido (o monóxido) de carbono. La caliza sirve para eliminar impurezas, entre las que destaca el fósforo.

Originalmente el proceso BOF fue desarrollado en Austria para convertir arrabio con bajo contenido de fósforo (alrededor del O.3%), y en ese tiempo se bautizó con las iniciales LD, de Linz Düsenverfahren (lanza de Linz). Luego la técnica se extendió, para arrabios de alto fósforo mediante la adición al chorro de oxígeno de polvo de piedra caliza. Entonces se logró la producción de acero con arrabio de contenidos de fósforo tan altos que llegaban incluso al 2%.

Una de las grandes ventajas que desde un principio se observó en los convertidores BOF fue su capacidad para aceptar hasta un 20% de "chatarra junto con la carga de arrabio líquido.

La diferencia de precios entre la chatarra fría y el arrabio líquido ha motivado la búsqueda de tecnologías para incrementar lo más posible la carga de chatarra. Algunos éxitos en esta dirección se han obtenido al adicionar al oxígeno que entra por la lanza combustóleo y carburos de silicio y calcio.

La entrada de los convertidores BOF al mercado mundial fue muy acelerada. En la figura 21 se muestra cómo los BOF marcaron el fin de los ya obsoletos convertidores de Bessemer y de los Siemens-Martin que habían dominado por décadas.

LOS NUEVOS ACEREROS

Todas las industrias deben examinarse a sí mismas con frecuencia. El escenario que compone el estado de la tecnología, las materias primas y la fuerza de trabajo evoluciona muy rápidamente. Suele ocurrir que las premisas que motivaron el establecimiento de industrias multimillonarias pierdan vigencia a la vuelta de cinco o diez años. Y aunque esas industrias se resistan a aceptar su obsolescencia y sigan adelante, tarde o temprano sucumbirán ante las empresas más avanzadas.

Todo parece indicar que el alto horno está viviendo su ocaso. La competencia ha forzado a las plantas acereras integradas a crecer, a buscar la producción en gran escala. Su tamaño, ahora con capacidad de producir de 5 000 a 10 000 toneladas, de arrabio por día, las ha hecho muy vulnerables. Estas plantas no pueden detener su operación so pena de sufrir enormes pérdidas económicas o daños irreversibles. En forma sumamente onerosa han tenido que enfrentar problemas de liquidez financiera, de abastecimiento confiable, de materias primas y de continuidad en la relación laboral.

El suministro de coque es un problema mayor. Durante más de 250 años la industria siderúrgica ha consumido cantidades colosales de carbón mineral. Naturalmente, los mejores yacimientos de carbón se han agotado. El coque es ahora escaso, caro y de baja calidad.

Durante muchos años los metalurgistas han cuestionado la forma indirecta de obtener el acero produciendo primero el arrabio en los altos hornos. ¿Por qué

no sacar directamente el oxígeno del mineral de hierro y obtener el hierro esponja como en la antigüedad?

En el siglo pasado se propusieron y patentaron muchos métodos para reducir (desoxidar) a los minerales de hierro directamente en el estado sólido. Se sugería el uso de mezclas de gases de hidrógeno, monóxido de carbono o hidrocarburos, por su alto poder desoxidante. Varios de esos métodos eran técnicamente muy razonables pero ninguno de ellos fue capaz de competir económicamente con el alto horno. En los años cincuenta de este siglo resurgió el interés en muchos países por el desarrollo de tecnologías para producir hierro esponja. Un gran impulso salió de México, donde la compañía HYLSA fue pionera de un proceso de reducción directa muy revolucionario. En 1957 HYLSA abrió su primera planta en Monterrey. Veinte años después el proceso HYL se había extendido por todo el mundo y se habían construido plantas en Venezuela, Brasil, Zambia, Irak, Irán e Indonesia, aparte de las seis plantas en México, con capacidad superior a diez millones de toneladas anuales.

El proceso HYL utiliza una mezcla de gases rica en hidrógeno y monóxido de carbono para extraer el oxígeno del mineral de hierro. La mezcla de gases se produce a partir de gas natural y vapor de agua en un dispositivo llamado reformador, que se representa en la figura 26. El gas natural y el vapor se inyectan a una tubería de acero inoxidable que se calienta con unos quemadores. A altas temperaturas, y con ayuda de catalizadores que se ponen en el interior de los tubos, ocurre la reacción química:

Gas natural + vapor de agua ® hidrógeno + monóxido de carbono.

Figura 26. El reformador es un reactor químico que a altas temperaturas convierte una mezcla de gas natural y vapor en un gas de alto poder reductor formado de hidrógeno y monóxido de carbono.

El hidrógeno y el monóxido de carbono, agentes reductores (desoxidantes) sumamente, efectivos, salen del reformador acompañados de pequeñas cantidades de gas natural y bióxido de carbono. La tubería se conecta con los reactores reductores, que no son otra cosa que enormes vasijas metálicas donde se carga el mineral de hierro en forma de pequeñas esferas del tamaño de una canica ( a 2 cm, de diámetro), cómo se indica en la figura 27.

Figura 27. La unidad reductora consta de una enorme vasija donde se deposita un aglomerado de esferas del mineral por donde pasa el gas reductor previamente calentado a altas temperaturas. Posteriormente el gas residual es enfriado en una tubería bañada con agua.

El mineral de hierro que se emplea en las plantas de HYL generalmente tiene la composición del cuadro 1. Alrededor del 30% del mineral es oxígeno asociado con el hierro que debe removerse al reaccionar con el hidrógeno o con el monóxido de carbono. Este objetivo se logra en un 85 o un 90% además de añadir al producto hierro esponja, un 2% de carbono.

La economía de los recursos energéticos consumidos y generados en el proceso es muy importante para obtener precios competitivos. Por esta razón, las plantas HYL se componen de cuatro unidades reductoras para aprovechar al máximo la energía y el potencial de reducción de los gases. En la figura 28 se ilustra cómo mientras una de las unidades reductoras se está descargando del

hierro esponja y cargando de mineral, el flujo de gases reductores está pasando a través de las otras tres unidades. El gas reductor que sale al final todavía se aprovecha para quemarse en el reformador y en otras etapas de proceso.

CUADRO 1.- Composición del mineral de hierro empleado en el proceso HYL

Sustancia Porcentaje en masa

Hierro 67% Oxígeno (en el hierro) 67% Fósforo 0.05% Azufre 0.02% Óxido de calcio 1.8% Óxido de magnesio 0.75% Óxido de aluminio 1.03% Óxido de silicio 1.3% Impurezas 1.1%

Figura 28. Una planta de reducción directa es un ensamble de un reformador y varias unidades reductoras. Las materias primas y los minerales en el proceso HYL son aprovechados al máximo al emplear el gas reductor residual como combustible para las unidades calefactoras.

De hecho las plantas, en realidad, son una maraña de tubos y válvulas que llevan muchas horas de ingeniería, y cuyo único objetivo es exprimir al máximo los recursos de las materias primas y de los combustibles.

Figura 29. El horno de arco consta de una vasija recubierta con refractarios donde se coloca chatarra y/o hierro esponja, que se funden con el paso de una corriente eléctrica introducida con electrodos de grafito.

El hierro esponja se convierte en acero líquido en un horno de arco eléctrico. El horno eléctrico funde al hierro esponja, y a la chatarra que usualmente se agrega, haciendo pasar por ellos enormes cantidades de corriente eléctrica. El horno eléctrico se muestra en la figura 29. El acero fundido se pasa a una olla donde, en ocasiones, se hace el ajuste final de la aleación. Finalmente, el acero se vacía en moldes adecuados a cada proceso de fabricación posterior.

MINIACERÍAS

Un competidor implacable de las grandes plantas integradas (que parten del mineral de hierro y terminan con productos acabados de acero) ha surgido de los miles de millones de toneladas de acero que ellas mismas han producido. La chatarra es hoy una materia prima nada despreciable para la fabricación de acero, que suele aprovecharse en plantas pequeñas conocidas como miniacerías, donde la chatarra se funde en hornos de arco eléctrico. Técnicamente, su sistema de operación es muy sencillo. La materia prima se consigue con un buen comprador de chatarra capaz de asegurar un suministro regular. Esto no es nada fácil porque las fuentes de chatarra son muy irregulares. Un buen "chatarrero" debe además distinguir entre los distintos tipos de chatarra disponible. La chatarra de primera es aquella, que viene en trozos chicos en relación con el tamaño del horno, de buen grosor con pocos elementos indeseables como el cinc de los galvanizados, por ejemplo. Las piezas de acero grandes no son tan atractivas para los chatarreros porque su manejo es difícil y porque dejan mucho espacio vacío entre una y otra pieza.

La chatarra se carga al horno de arco eléctrico y se funde al exponerse al paso de una enorme corriente eléctrica. La corriente eléctrica llega a la chatarra a través de electrodos de carbono (grafito). Cuando la chatarra se pasa al estado líquido, lo cual ocurre en algunos minutos, los operadores toman una muestra y la llevan al laboratorio de análisis. En cuestión de segundos, con la ayuda de espectrómetros modernos, se determina la composición química del acero. En particular , son de interés los siguientes elementos: carbono, manganeso, fósforo, azufre, silicio, cromo y bronce. El hierro, la base de la aleación, se determina por balance. Generalmente es necesario hacer algún ajuste a la aleación mediante la adición de otros elementos necesarios o de formadores de escoria para retirar elementos indeseables como el fósforo o el azufre.

Del horno eléctrico, el acero líquido se pasa a una olla donde en ocasiones se pasa a una máquina de colada continua para producir barras de acero de sección cuadrada de 10 a 15 centímetros por lado y de 6 a 8 metros de longitud, llamadas palanquillas.

Figura 30. En el proceso de colada continua se producen barras de sección cuadrada (palanquillas) en un molde, directamente a partir de acero líquido. La colada continua produce un ahorro considerable de trabajo y energía con respecto a los procesos menos recientes que producen lingotes con el acero líquido, los cuales se calientan posteriormente al rojo vivo y se laminan para formar las palanquillas.

El proceso de colada continua se desarrolló en Europa en los años cincuenta para producir secciones de acero directamente a partir de acero líquido. Anteriormente se producían lingotes que, más tarde, se laminaron en rodillos para formar las palanquillas. La colada continua, con la cual se procesa más de un tercio de la producción mundial de acero, se ilustra en la figura 30. El acero líquido de la olla se vacía en un recipiente de donde, a velocidad controlada, pasa a un molde de sección cuadrada. Las paredes del molde se lubrican para que el acero no se adhiera y se mantienen "frías" refrigerándolas con serpentines de agua. El molde además, se hace vibrar para ayudar a que el acero se deslice. El molde no tiene tapa inferior porque el acero que ha solidificado en el extremo inferior, sirve como tapa. Después de pasar por el molde, el acero, ya sólido pero al rojo vivo, pasa por una serie de rodillos que lo jalan hasta llegar a una plancha donde, con sopletes, la sección cuadrada se corta en tramos de la longitud deseada.

La palanquilla es la materia prima para los molinos de laminación donde, a base de rodillos, se conforman productos como varillas corrugadas, alambrones y barras de secciones cuadradas, hexagonales o redondas.

Debido a la sencillez de su proceso, las miniacerías tienen un costo de inversión bajísimo comparado con el de las plantas integradas; no están técnicamente obligadas a mantenerse en operación permanentemente, es decir, pueden apagar sus instalaciones e irse una semana de vacaciones sin ningún problema; y su tamaño permite ubicarlas cerca de los grandes centros de consumo de acero y producción de chatarra para lograr un ahorro importante en materia de transportes.

Como las acerías suelen ser un problema para el medio ambiente, muchas miniacerías están equipadas con dispositivos para el control de emisiones contaminantes.

Unidad II

Miembros

Cada estructura es un ensamblaje de partes o miembros individuales que deben ser unidos de alguna manera, usualmente en sus extremos. La soldadura es una de esas maneras y fue tratada en el tema anterior. La otra es por medio de pasadores, como remaches o pernos. En este tema trataremos principalmente sobre pernos, en particular, pernos de alta resistencia.

Pernos de alta resistencia

Los dos tipos básicos de pernos de alta resistencia son designados por ASTM como A325 y A490. Estos pernos tienen cabeza hexagonal y se usan con tuercas hexagonales no terminadas. Pernos A325 son de acero con mediano contenido de carbono, tratados al calor, su esfuerzo a la fluencia varía aproximadamente entre 5700 a 6470 kgf/cm2, dependiendo del diámetro.

Los pernos A490 son también tratados al calor, pero son de acero aleado con un esfuerzo de fluencia de 8085 a 9140 kgf/cm2, dependiendo del diámetro. Los pernos A449 son usados ocasionalmente cuando se necesitan diámetros mayores de 1½" hasta 3".

Los pernos de alta resistencia tienen diámetros entre ½" a 1½". Los diámetros más usados en construcción de edificios son 3/4" y 7/8", mientras los tamaños más comunes en diseño de puentes son 7/8" y 1".

Comparación entre los distintos grados de pernos hexagonalespara uso estructural, a Tracción Directa

Los pernos A307 son hechos de acero de baja resistencia (acero con bajo contenido de carbono) y son los pernos más baratos, sin embargo, producen las conexiones más costosas porque se requerirán muchos más para una conexión en particular. Su uso principal es en estructuras livianas, secundarias, miembros de arrostramiento u otras situaciones donde las cargas son pequeñas y estáticas por naturaleza. Estos pernos generalmente vienen con cabeza y tuerca cuadradas y se conocen como pernos comunes

La capacidad resistente al corte está controlada por el área resistente más que por la ubicación misma del plano de corte. Cuando el plano de corte pasa por el cuerpo del perno, la capacidad resistente y de deformación se maximiza y cuando pasa por la parte roscada se minimiza.

Las gráficas son por demás elocuentes sobre la prohibición del re-uso de los pernos A490 y al cuidado en la re-utilización de los pernos A325

Los pernos de alta resistencia se aprietan para que desarrollen un esfuerzo a tracción especificado, lo que resulta en una fuerza sujetadora predecible en la junta. Por lo tanto, la transferencia de cargas de servicio a través de una junta es debida a la fricción entre las piezas que se unen. Las juntas formadas por pernos de alta resistencia se pueden diseñar de dos maneras:

Conexiones críticas a deslizamiento (tipo de fricción), donde se desea una alta resistencia a deslizamiento bajo cargas de servicio.

Conexiones tipo aplastamiento, donde no es necesaria una alta resistencia a deslizamiento bajo cargas de servicio.

Fuerzas presentes en una unión resistente al deslizamiento.

El deslizamiento entre las partes conectadas de una unión sólo se obtiene cuando el vástago del perno toma contacto con el borde de la perforación. En

este estado de deslizamiento total, la carga es transferida por corte y aplastamiento sin la intervención de la pretracción del perno.

Inicialmente, la tensión está concentrada en el punto de contacto, pero el incremento de la carga resultará en una distribución más uniforme.El perno mismo también soporta esta tensión, pero usualmente no se considera ya que por evidencia experimental la falla por aplastamiento solo puede ocurrir cuando las planchas sean de acero de mayor dureza que la del perno, cosa que normalmente no ocurre.

Los modos de falla por aplastamiento depende de factores geométricos, del diámetro del perno y de el espesor del material a unir. A menudo la falla se produce por corte o desgarramiento de la plancha después de una gran deformación frente a la perforación.

Miembros sometidos a carga Axial, tracción axial y flexotracción

Tracción

Se denomina tracción al esfuerzo interno a que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos fuerzas que actúan en sentido opuesto, y tienden a estirarlo.

Lógicamente, se considera que las tensiones que tiene cualquier sección perpendicular a dichas fuerzas son normales a esa sección, y poseen sentidos opuestos a las fuerzas que intentan alargar el cuerpo.

Deformaciones

Un cuerpo sometido a un esfuerzo de tracción sufre deformaciones positivas (estiramientos) en ciertas direcciones por efecto de la tracción. Sin embargo el estiramiento en ciertas direcciones generalmente va acompañado de acortamientos en las direcciones transversales; así si en un prisma mecánico la tracción produce un alargamiento sobre el eje "X" que produce a su vez un encogimiento sobre los ejes "Y" y "Z". Este encogimiento es proporcional al coeficiente de Poisson (ν):

\varepsilon_y = \varepsilon_z = -\nu \varepsilon_x

Cuando se trata de cuerpos sólidos, las deformaciones pueden ser permanentes: en este caso, el cuerpo ha superado su punto de fluencia y se comporta de forma plástica, de modo que tras cesar el esfuerzo de tracción se mantiene el alargamiento; si las deformaciones no son permanentes se dice que el cuerpo es elástico, de manera que, cuando desaparece el esfuerzo de tracción, aquél recupera su longitud primitiva.

La relación entre la tracción que actúa sobre un cuerpo y las deformaciones que produce se suele representar gráficamente mediante un diagrama de ejes cartesianos que ilustra el proceso y ofrece información sobre el comportamiento del cuerpo de que se trate.

Resistencia en tracción

Como valor comparativo de la resistencia característica de muchos materiales, como el acero o la madera, se utiliza el valor de la tensión de fallo, o agotamiento por tracción, esto es, el cociente entre la carga máxima que ha

provocado el fallo elástico del material por tracción y la superficie de la sección transversal inicial del mismo.

Comportamiento de los materiales

Son muchos los materiales que se ven sometidos a tracción en los diversos procesos mecánicos. Especial interés tienen los que se utilizan en obras de arquitectura o de ingeniería, tales como las rocas, la madera, el hormigón, el acero, varios metales, etc.

Cada material posee cualidades propias que definen su comportamiento ante la tracción. Algunas de ellas son:

Elasticidad (módulo de elasticidad)

Plasticidad

Ductilidad

Fragilidad

Catalogados los materiales conforme a tales cualidades, puede decirse que los de características pétreas, bien sean naturales, o artificiales como el hormigón, se comportan mal frente a esfuerzos de tracción, hasta el punto que la resistencia que poseen no se suele considerar en el cálculo de estructuras.

Por el contrario, las barras de acero soportan bien grandes esfuerzos a tracción y se considera uno de los materiales idóneos para ello. El acero en barras corrugadas se emplean en conjunción con el hormigón para evitar su fisuración, aportando resistencia a tracción, dando lugar al hormigón armado.

Ejemplos

Cualquier elemento sometido a fuerzas externas, que tiendan a flexionarlo, está bajo tracción y compresión. Los elementos pueden no estar sometidos a flexión y estar bajo condiciones de tracción o compresión si se encuentran bajo fuerzas axiales.

flexo-tracción

Es aquel hormigón que está diseñado para soportar las deformaciones originadas por flexión de un elemento.

Los esfuerzos de flexo-tracción se dan en una viga, para aquellos elementos de la misma que están situados debajo del plano neutro. Los situados por encima sufrirán esfuerzos de flexo compresión. Si consideramos una sección de la viga serían los puntos ubicados debajo de la línea neutra.

Se aplica a Adoquines y Losetas de concreto para pavimentos.

Consta de dos apoyos para la base colocados a 1 cm del borde y desde arriba se aplica la fuerza induciendo un esfuerzo de corte en el elemento hasta que se fractura en dos

Métodos de diseños

La resistencia de los miembros estructurales, sus juntas y conexiones se determinará mediante

Métodos aceptados de análisis estructural para las acciones contempladas en el Capítulo 10. El diseño se hará para la hipótesis de solicitaciones que sea crítica y también deberá verificarse para las otras hipótesis para demostrar que el diseño es adecuado. En el análisis se tomarán en cuenta las excentricidades adicionales que se espera ocurran durante la vida útil de la estructura en aquellos miembros, elementos o conexiones que tiendan a acumular deformaciones residuales bajo cargas repetidas de servicio.

En el diseño se permitirá tanto el análisis elástico como el análisis plástico. El análisis plástico estará limitado solamente para los aceros con tensiones de cedencia inferiores a 4570 kgf /cm2 y que cumplan con los requisitos de la

Sección 4.1.1, los Artículos 9.4 y 15.4, la Sección 16.2.3, y los Artículos 18.2 y 24.2

Alternativamente, durante el lapso de provisionalidad de esta Norma, se podrá utilizar el Método delas Tensiones Admisibles según la Norma venezolana COVENIN- MINDUR 1618-82 con las modificaciones indicadas en las Disposiciones Transitorias al final del Articulado.

Clasificación según el tipo de conexión

Bajos las condiciones que se establecen en este Artículo, se autorizan dos Tipos básicos de conexiones con sus correspondientes hipótesis de diseño, cada uno de estos Tipos controlará de una manera específica el comportamiento y la respuesta tanto de la estructura como la de cada una de sus partes, condicionando las dimensiones y resistencia de los miembros y sus conexiones.

En el análisis de la estabilidad de la estructura se incorporará el efecto de la flexibilidad de las conexiones según se especifica en el Capítulo 9. Además de los requisitos generales del presente Artículo, el diseño de cada Tipo de conexión cumplirá con todos los otros requisitos particulares exigidos en esta Norma.

Conforme a lo requerido en el Artículo 3.1, el diseño de todas las conexiones será compatible con el Tipo señalado en los planos.

Tipo TR, estructuración con conexiones totalmente restringidas Este Tipo de construcción se designa comúnmente como "estructuración con conexiones rígidas" (pórtico rígido o continuo) y se supone que durante las deformaciones de la estructura las conexiones tienen la suficiente rigidez para mantener inalterados los ángulos originales entre los miembros que se intersectan.

Tipo PR, estructuración con conexión es parcialmente restringidas Este Tipo de construcción supone que las conexiones no tienen la suficiente rigidez para mantener los ángulos entre los miembros que se intersectan. Cuando se ignore la restricción de las conexiones, como en la "estructuración con conexiones flexibles"(sin restricción o de extremos simplemente apoyados), en lo que respecta a las cargas gravitacionales, los extremos de las vigas se conectan únicamente para resistir fuerzas cortantes y están libres de girar bajo las cargas verticales. Los pórticos con conexiones del Tipo PR cumplirán con los siguientes requisitos:

1. Las conexiones y los miembros conectados son adecuados para resistir la carga gravitacional mayoradas trabajando como vigas simplemente apoyadas.

2. Las conexiones y los miembros conectados son adecuados para resistir las solicitaciones mayoradas debidas a las cargas laterales.

3. Las conexiones tienen una capacidad de rotación inelástica suficiente para evitar sobretensiones en los medios de unión bajo las solicitaciones mayoradas producidas por la combinación de cargas gravitacionales y laterales.

Excepto que se ignore la restricción de la conexión, el uso de uso de conexiones Tipo PR exige que el análisis y el diseño incluyan las características de su comportamiento, como la resistencia, la rigidez y la ductilidad entre otras. El grado de restricción y en general el comportamiento de las conexiones Tipo PR deberá establecerse de manera analítica o experimental o estar suficientemente documentado en la literatura técnica.

Área total y área neta efectiva en miembros sometidos a flexión

Excepto las vigas de sección reducidas, tal como se definen en el Apéndice G, o que experimentalmente se demuestre la idoneidad de su comportamiento sismo resistente, no se permitirán cambios abruptos del área de las alas de las vigas donde se espere la formación de rótulas plásticas.

El pandeo

Es un fenómeno de inestabilidad elastica que puede darse en elementos comprimidos esbeltos, y que se manifiesta por la aparición de desplazamientos importantes transversales a la dirección principal de compresión.

En ingenieria estructural el fenómeno aparece principalmente en pilares y columnas, y se traduce en la aparición de una flexion adicional en el pilar cuando se halla sometido a la acción de esfuerzos axiales de cierta importancia.

Miembros sometidos a flexión

Los miembros sometidos a flexión son las vigas, porque su función principal es soportar cargas que actúan en dirección perpendicular a su eje longitudinal, las que generan los momentos flectores.

Una viga es un elemento estructural diseñado para soportar cargas aplicadas transversalmente a su eje longitudinal, y para transferir esas cargas a puntos designados en la viga, denominados apoyos. Estos pueden estar integrados por muros de carga, columnas u otras vigas (a veces denominadas trabes) a las cuales la viga ensambla. Las vigas aquí consideradas son miembros largos y rectos que tienen un área de sección transversal constante. Están sujetas principalmente a flexión, que suelen acompañarse de cortante. Con menos frecuencia, se ven sujetas a torsión.

Las vigas se clasifican o agrupan de varias maneras, con base en la manera en que se apoyan, su ubicación, su función dentro del edificio y sus propiedades físicas, como la esbeltez del alma, etc., como se describen a continuación:

a) Con base en la posición, el tipo o el número de apoyos en el plano de flexión, una viga se clasifica en cualquiera de los siguientes tipos:

Viga Simplemente Apoyada: está articulada en un extremo y tiene soporte de rodillo en el otro.

Viga en Cantiliver o Voladizo: esta empotrada en un extremo y está libre en el otro.

Viga con Saliente: descansa sobre dos apoyos, de tal manera que se extiende con libertad más allá del apoyo de uno o de ambos extremos.

Viga Cantiliver Apoyado: esta fijo en un extremo y tiene soporte de rodillo en el otro.

Viga Doblemente Apoyada: tiene ambos extremos libres fijos contra la rotación.

Viga Continua: está apoyada en tres o más soportes.

b) Con base en la función que desempeñan o en la ubicación en un edificio, las vigas son también conocidas con otros nombres. Así:

Viga de Piso o Vigueta: soporta de manera directa, una losa de piso o un sistema de entrepiso.Viga de techo o Vigueta: soporta directamente una techumbre o una losa de techo.Viga Joist: es una viga con esparcimiento reducido que soporta en forma directa el techo o el piso (lamina de metal o losa de concreto) de una construcción.Trabe: suele ser una viga mayor en una estructura que soporta vigas más pequeñas. Las trabes, por lo general, tienen esparcimientos amplios.Correas: son vigas de techo de los galpones o las construcciones de limitada altura, que soportan las láminas onduladas de cerramientos, o el entramado donde apoyan las tejas o entablonadas de madera que cubren el piso superior de las viviendas.Largueros: son las vigas de las paredes de los galpones, que apoyan en las columnas perimetrales. También se designas largueros a las vigas de puentes, las cuales tienen grandes luces y pueden estar solicitadas mediante estructuras colgantes o atensoradas.Dinteles: son las vigas que coronan las aberturas o vanos de las puertas y ventanas en muros y tabiques, soportando el peso del tramo superior de pared que sobre ellos descansa.

SECCIONES USUALES DE LAS VIGAS METÁLICAS.

Las secciones transversales de las vigas metálicas pueden ser:

Secciones de alma llena

Secciones de alma perforada

Perfiles doble T

Canales doble

Secciones tubulares

Cerchas o armaduras de techos

Vigas caladas

Las vigas laminadas de usos más comunes son los perfiles I, que son secciones doblemente simétricas. Estos perfiles son muy eficientes cuando se cargan en el plano del alma y tienen soporte lateral. La ventaja de estos perfiles es que gran porcentaje del metal se concentran en los patines, donde está sometido a mucho esfuerzo y tiene un brazo de palanca grande y efectivo. Actualmente, hay tres tipos de perfiles I laminados: los perfiles de patín ancho (W) (figura 9.a), los perfiles estándar americanos (S) (figura 9.b) y los perfiles misceláne0 (M). Los perfiles W tienen peralte mayor a los perfiles S, donde estos tienen patines de espesor variable, y los perfiles W de espesor uniforme y patines más anchos que los perfiles S. El perfil W de patín más ancho en comparación con el perfil S, da como resultado vigas con mayor estabilidad lateral. Las secciones misceláneas son de la misma forma que las W, pero más ligeras para el mismo peralte. Las HSS rectangulares son secciones de vigas doblemente simétricas que dan como resultados vigas rígidas a la torsión y estables lateralmente (figura 9.c). Se recomienda para claros grandes y situaciones de diseño que incluyen soporte lateral incompleto. Las secciones T (figura 9.d) rara vez se usan como vigas, puesto que son relativamente ineficiente a la flexión. Los canales (figura 9.e) se usa para soportar cargas ligeras, y suelen usarse con frecuencia como largueros, cinturones, dinteles, entre otros.

Cuando las cargas exceden la capacidad de las vigas laminadas disponibles, o cuando se desean secciones más eficientes para soportar cargas más ligeras en claros más largos, los miembros compuestos suelen usarse en lugar de perfiles laminados (véase figuras 9.f, g, h, i y j). En la industria de construcciones metálicas prefabricadas, es una práctica común soldar tres placas juntas para formar secciones eficientes de vigas con forma I (figura 9.f). La resistencia y la rigidez de un perfil S y W rolado disponible se aumentan al soldarle placas a sus patines, conocidas como cubre-placas (figura 9.g). Se usan cuatros placas soldadas juntas para formar un cajón torsionalmente rígido para vigas con cargas pesadas y sin soporte lateral como trabes o trabes de grúa (figura 9.h).

Figura 9. Secciones transversales de vigas.

Diferentes tipos de flexión

Según la dirección de las cargas exteriores, en relación a los ejes principales de inercia de una sección, la flexión se pueden clasificar en.

Flexión normal Flexión biaxial u oblicua

Flexión normal es la producidas por cargas cuya resultante coincide con uno de los ejes principales de inercia, flexión oblicua cuando coincide con los dos ejes de inercia principales.

Los ejes principales de inercia de una sección son los ejes de baricéntricos ortogonales a los cuales corresponden los momentos de inercia máximos y mínimos y su producto de inercia es nulo. Todo eje de simetría resulta principal de inercia. En una sección doble T como la figura 9.a, si la resultante de las

cargas coinciden con el eje menor de inercia y, la sección resiste con su eje de mayor inercia x, se aprovecha al máximo su capacidad resistente.

Por el contrario, si las cargas se cortan por el eje x (caso b), la sección resiste con su eje de menor inercia y, no resultando eficaz. La flexión oblicua corresponde a las cargas inclinadas respecto a los ejes principales (figura 10.c). Es el caso típico de miembros que resisten cargas gravitacionales conjuntamente con acciones laterales como las debidas a viento o sismo. Usualmente en este caso se resuelve descomponiendo las cargas según los ejes principales de inercia.

Figura 10. Flexión normal y oblicua.

Según el tipo de solicitaciones que se presentan en las vigas, la flexión puede a su vez clasificarse en:

Flexión pura Flexión simple y plana Flexión compuesta Flexión general Flexión torsión

Se conoce por flexión pura el caso donde actúa únicamente un momento flector constante como se muestra en la figura 10.a. La flexión simple o plana si soporta momento flector y corte simultáneamente, como se muestra el esquema b, y resulta compuesta cuando presenta momento flector y esfuerzo axial, como en el caso c. por último, la flexión general se caracteriza por la simultaneidad de momentos flectores, corte y esfuerzos axiales como el caso d.

Adicionalmente, a todas a estas flexiones puede sumarse la torsión, como en el esquema e, dando lugar a la flexo-torsión.

Figura 11.

Para estudiar la naturaleza de las tensiones que se presentan en una viga, se tomará como ejemplo una viga simplemente apoyada, donde actúa una carga puntual en el centro del tramo, esta carga se va incrementando, tal como lo muestra la Fig. 12 y se van generando ciertas etapas que describen la variación de las tensiones en la sección transversal.

Fig. 12. Etapas sucesivas de carga hasta la formación de la rótula plástica

Capacidad por momento plástico

La capacidad por momento plástico es el momento requerido para formar la articulación plástica y se puede determinar a partir de un estudio de la distribución de las tensiones que se presentan en la sección transversal de la viga, sometidas a flexión.

La Viga está en el rango elástico

La Viga ha alcanzado el límite de cedencia

Comienza a ceder las alas y parte del alma

Se forma la Rótula plástica y se desarrolla en toda la sección el momento plástico

P

P+ΔP1

P+ΔP1+ΔP2

P+ΔP1+ΔP2+ΔP3

A = área de toda la sección transversala = distancia entre los centroides de las dos medias áreasZ = Módulo de sección plástico

Diseño de vigas, según el método de los estados límites

El diseño por flexión de una viga de acero consiste en seleccionar un perfil de acero cuya sección transversal tenga suficiente resistencia para soportar los momentos flectores que actuarán sobre ella. Los momentos flectores actuantes debe ser menor o igual al momento resistente de la viga, es decir se debe cumplir la siguiente relación:

Donde:Mu : Momento proveniente de la combinación de cargas factorizadasMt : Momento teórico resistente de la vigafb : Factor de resistencia para flexión = 0.90φbM t : Momento flector resistente de la viga.

Para determinar el momento teórico resistente de una viga debe estudiarse como fallará la viga si es sometida a cargas que la lleven al estado límite de agotamiento de su resistencia.

M p=F y Ac a=F y At a=F y(A2

)a=F y Z

Z=( A2

)a

M u≤φb M t

SecciónCompacta

SecciónNo compacta

SecciónEsbelta

Estados Límites de agotamiento resistente

Los estados límites de agotamiento resistente contemplan diferentes posibilidades en el comportamiento de falla de las vigas, bajo cargas factorizadas. La resistencia a flexión resulta el menor de los valores obtenidos al considerar los siguientes estados límites:

Cedencia Pandeo local de alas y/o alma Pandeo lateral torsional (PLT)

Clasificación de las secciones transversales

Las secciones transversales de los perfiles estructurales se clasifican en compactas, no compactas y esbeltas. El parámetro utilizado para establecer esta clasificación es el valor de la relación de esbeltez () del ala o del alma (la que gobierne el diseño) al compararlo con los valores referenciales p y r

indicados por la norma en la tabla 4.1.

Fig. 12. Relación entre la relación de esbeltez y el momento teórico resistente

M t

λrλ p

M r

M p

λ

Tal como lo muestra la Fig. 12, si la relación de esbeltez () es menor al

valor p, la sección es compacta y el momento teórico es el momento plástico Mp; en caso que la relación de esbeltez esté entre los valores p y r el pandeo ocurrirá después que alguna parte de la placa haya cedido debido a la suma de la tensión aplicada y la tensión residual preexistente, la curva de pandeo en esta región se supone que varía linealmente con y la sección de los perfiles es no compacta; pero si la relación de esbeltez es mayor a r, los elementos de placas se pandearán en el rango elástico donde la resistencia es inversamente proporcional al cuadrado de la relación de esbeltez, tales perfiles tienen sección esbelta.

Una sección compacta es aquella que tiene un perfil suficientemente robusto de manera que es capaz de desarrollar una distribución de tensiones totalmente plástica antes de pandearse.

Expresiones del Momento Teórico Resistente, considerando pandeo local

CedenciaEl estado límite de agotamiento resistente por cedencia será φbMt , con el factor de minoración de la resistencia teórica a flexión φb = 0.90. Para diseño por análisis plástico, cuando λ ≤ λpd , y para diseño por análisis elástico cuando λ ≤ λp

Mt = MpDonde

Mp = Momento plástico teórico.Para secciones homogéneas, Mp = Fy *Z ≤ 1.5 My.Para secciones híbridas, Mp se calculará de la distribución plásticas de las tensiones.My = Momento correspondiente a la cedencia de la fibra extrema de una sección para una distribución elástica de las tensiones.Para secciones homogéneas, My = Fy *S.

Para secciones híbridas, My = Fyf *S siendo Fyf la tensión cedente del acero de las alas.

Pandeo Local

El estado límite de agotamiento resistente por pandeo local de las alas y/o el alma de las secciones con elementos esbeltos será φbMt , donde φb es el factor de minoración de la resistencia teórica a flexión Mt , calculada por las siguientes fórmulas para los siguientes límites de λ dados en el Apéndice B y la Tabla 4.1, respectivamente:

(a) Cuando λp < λ ≤ λr

El momento determinado por pandeo local de alas y/o almas será

(b) Cuando λ > λr :

El momento determinado por pandeo local del ala será

Mt = Mcr = S *Fcr < Mp

Pandeo Lateral Torsional

La falla por pandeo lateral torsional es aquella que se origina por la deformación lateral de la fibras de la sección longitudinal de la viga sometidas a compresión. Este pandeo se produce cuando no existen soportes laterales suficientemente cercanos que impidan que esta sección a compresión se deforme en la dirección más débil, que suele ser la dirección perpendicular a la carga aplicada de mayor valor. Es decir, este tipo de falla depende

M t =M p−(M p−M r )( λ−λ p

λr− λp )

PandeoPlástico(Zona 1)

PLTInelástico(Zona 2)

PLTElástico(Zona 3)

directamente de la longitud entre arriostramientos laterales, tal como lo refleja el gráfico de la Fig. 13. en el cual se observan tres etapas que se describen a continuación

Fig. 7. Variación del momento teórico resistente de acuerdoa la distancia entre arriostramientos transversales.

Pandeo plástico (zona 1)

El pandeo lateral no ocurrirá si las alas a compresión de un miembro se soportan lateralmente a intervalos frecuentes. Si se tiene un soporte lateral continuo o estrechamente espaciado, las vigas se pandearán plásticamente, es decir, cuando en toda la sección transversal se halla desarrollado una rótula plástica, lo cual puede apreciarse en el primer segmento de la curva de la Fig. 7, hasta que L toma el valor de Lp.

Pandeo inelástico (zona 2)

Conforme se incrementa la separación entre los soportes laterales, la sección puede cargarse hasta que algunas, pero no todas las fibras comprimidas estén bajo la tensión Fy, en este caso la sección tendrá una capacidad de rotación insuficiente para permitir la redistribución total de momento. En otras palabras, en esta zona se puede flexionar el miembro hasta que se alcance la deformación de cedencia en algunos, pero no en todos sus elementos a compresión, antes de que ocurra el pandeo, éste se denomina pandeo inelástico. La longitud máxima sin soporte lateral con la que aún se puede alcanzar Fy en un punto extremo de

M t

LbLrLp

M r

M p

la sección transversal de la viga es el límite del intervalo inelástico que se denota con Lr, su valor depende de las propiedades de la sección transversal de la viga, de la tensión de cedencia del material y de las tensiones residuales presentes en la viga.

Pandeo elástico (zona 3)

Cuando la distancia entre los soportes laterales de la viga es mayor a Lr, la sección pandeará en forma elástica, es decir, antes de que se alcance la tensión de cedencia en cualquier punto. Al aumentar esta longitud, el momento de pandeo se vuelve cada vez más pequeño. En esta zona el momento teórico es un momento denominado crítico (Mcr) que depende de la resistencia a la torsión y la resistencia al alabeo de la viga.

Tensiones Residuales

Son tensiones que están presentes en los perfiles estructurales, sean estos laminados o soldados, originados al momento de su fabricación, dado que no todas las zonas de la sección transversal se enfrían igual. Por ejemplo cuando se fabrica un perfil I, es lógico suponer que los extremos de las alas se enfrían antes que lo hace la zona de la intersección de las alas con el alma. Al ocurrir esto las regiones de empalme de las alas y el alma se tratan de contraer, encuentran impedido este movimiento por el resto de las alas y del alma que ya se han enfriado, de manera que las regiones que se enfrían primero quedan sometidas a tensiones de compresión y las últimas a tensiones de tracción.

Expresiones del Momento Teórico Resistente, considerando pandeo lateral torsional

Lb≤Lp

Lp<Lb≤Lr

Lb>Lr

M t =M p

M t =Cb (M p−(M p−M r )( Lb−Lp

Lr−Lp))≤M p

M t =M cr≤M p

Mp: Momento plástico teórico

M p=F y∗Z≤1,5∗M y

Cb : Coeficiente de flexión que depende del gradiente de momentos

Mmax : Valor absoluto del momento máximo en el segmento entre arriostramientosMA, MB y MC : Valores absolutos de los momentos a L/4, L/2 y 3L/4 respectivamente.

Longitud no arriostrada lateralmente para desarrollar la capacidad de flexión plástica (Lp)

(a) Para perfiles doble T, secciones híbridas y canales

Lp=1 ,74∗r y∗√ EF yf

(b) Para barras rectangulares

Lp=1,26 x 10−3∗E∗r y

M p

√J∗A

Longitud sin arriostramiento lateral (Lr) y el momento de pandeo lateral correspondiente (Mr).

a) Para perfiles doble T y perfiles canal

C b=12 .5Mmax

2.5Mmax+3M A+4MB+3MC

L r=r yC1FL

√1+√1+C2∗FL2

[kg /cm2]

[ 1

kg/cm2 ]2

Fr : Tensión residual de compresión en el alaFr = 700 kg/cm2 para perfiles laminados en calienteFr = 1160 kg/cm2 para perfiles soldadosFyf : Tensión de cedencia en las alasFyw : Tensión de cedencia del alma

b) Para barras rectangulares sólidas y secciones tipo cajón

Lr=1 ,91 x10−2∗E∗r y

M r

√J∗A

Donde:

Momento elástico crítico

a) Para perfiles doble T y perfiles canal

M r=F L∗Sx

C1=πSx √ E∗G∗J∗A

2

C2=4Cw

I y( S x

G∗J )2

M r=F yf∗Sx

M cr

M cr=Cb∗π

Lb √E∗I y∗G∗J+( π∗ELb

)2

∗I y∗Cw

M cr=Cb∗Sx∗C1∗√2

Lb/r y √1+ C12∗C2

2(Lb /r y )2

b) Para barras rectangulares sólidas y secciones tipo cajón simétricas

c) Secciones T y ángulos dobles dispuestos en T.

Para almas traccionadas

Para almas comprimidas

B=±2,3∗ d

Lb

∗√ I yJ

El signo (+) se aplicará cuando el alma está solicitada en tracción y el signo (-) cuando esté comprimida. Se usará el signo negativo si a lo largo de toda la longitud no arriostrada, el extremo libre del alma está comprimido.

Diseño por corte

Los requerimientos para el diseño por corte se encuentran en el artículo 16.4 de la Norma COVENIN 1618: 1998. Este artículo se aplica a las almas de las vigas que no estén reforzadas por rigidizadores y es válida para las secciones de uno y dos ejes de simetría, incluyendo las vigas híbridas y los perfiles canal solicitado por fuerzas cortantes en el plano del alma.

Determinación del área del alma (Aw)

Aw=d∗tw Dónde: d: Altura total del miembro

M cr=1 ,91 x10−2∗E∗Cb∗√J∗A

Lb /r y

M t=M cr=π∗√E∗I y∗G∗J

Lb

(B+√1+B2)

M t ≤1,5∗M y

M t ≤M y

tw: espesor de su alma

Resistencia al corte

La resistencia minorada a corte de las almas no rigidizadas, con una relación

ancho/espesor h/tw ≤ 260, será φv∗¿ V

t¿, con:

φv=0 ,90V t=0,6∗F yw∗Aw∗Cv

Con los siguientes valores para Cv

Cuando

htw

≤2,4∗√E /F yw

Cv=1

Cuando 2,4∗√E/F yw<

htw

≤3∗√E /F yw

Cv=2,4∗√E /F yw

h /tw

Cuando 3∗√E /F yw<

htw

≤260

Cv=7 ,38∗E

(h/ tw)2∗F yw

Si h /tw es mayor que 260, se requieren rigidizadores del alma y debe aplicarse el capítulo 17 de la norma COVENIN 1618:1998.

La resistencia minorada a corte de almas con rigidizadores y el diseño de los rigidizadores se especifican en los artículos 17.3 y 17.4 respectivamente. Los paneles del alma sometidos a cortes muy elevados se tratan en el artículo 20.8.

La resistencia minorada a corte en la dirección del eje débil de las secciones antes mencionadas y en secciones asimétricas se regirá por las disposiciones del artículo 18.3.

La resistencia minorada a corte en las conexiones se trata en los artículos 21.15 y 21.16.

Flechas admisibles

La flecha admisible depende de la función de la viga y de la naturaleza de los elementos no estructurales de la construcción, tales como: paredes frisadas, recubrimiento de techos, uso de yeso o de vidrios en tabaquerías que podrían dañarse con deformaciones excesivas de las vigas ubicadas en contacto con éstos.

La norma venezolana para estructuras de acero no especifican valores límites para las flechas admisibles, pero hace referencia a criterios establecidos en la norma canadiense, (CSA, 1989), cuya información se resume en los cuadros siguientes:

De acuerdo con W. Segui, la flecha es un estado límite de servicio, no de resistencia, por lo que deben calcularse con cargas de servicio, en su libro sugiere los siguientes valores para deflexiones máximas permisibles, las que no deben superar a las calculadas con las cargas de servicio, es decir, la suma de la carga permanente y la carga variable.

TIPO DE CONSTRUCCIÓN FLECHA MAXIMA PERMISIBLEEnyesada L/360De piso no enyesado L/240De techo no enyesado L/180