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Elección del tipo de acero para estructuras Oficinas Ciudad de México Presidente Masaryk 111 - 302 Chapultepec Morales | Miguel Hidalgo Distrito Federal | México 11570 La línea de perfiles Tel. +52 (55) 5262 7300 [email protected]...

Elección del tipo de acero para estructuras Oficinas Ciudad de México Presidente Masaryk 111 - 302 Chapultepec Morales | Miguel Hidalgo Distrito Federal | México 11570 La línea de perfiles Tel. +52 (55) 5262 7300 [email protected] más completa de México www.gerdaucorsa.com.mx  Elección del tipo de acero para estructuras Elaboración: Carlos Cházaro Rosario Octavio Alvarez Valadez Coordinación Técnica: Octavio Alvarez Valadez Diseño Gráfico: Valeria Giselle Uribe Pérez  ÍNDICE 1.- INTRODUCCIÓN 3 2.- PROPIEDADES CLAVE DEL ACERO ESTRUCTURAL 5 2.1 Ensayo de las propiedades mecánicas 6 2.1.1 Propiedades de tensión 6 2.1.2 Propiedades de dureza 6 2.1.3 Prueba de propiedades químicas y metalúrgica 6 2.2 Propiedades mecánicas de los aceros 7 2.2.2 Propiedades de tensión 7 2.2.3 Dureza 9 ELECCIÓN DEL 2.3 Características metalúrgicas 2.4 Química del acero estructural 2.4.1 Tipos de acero 10 11 11 TIPO DE ACERO 2.4.2 Elementos químicos 2.5 Soldabilidad de los aceros estructurales 12 13 PARA ESTRUCTURAS 2.6 Otras características 14 2.6.1 Influencia de la geometría de la sección transversal 14 2.6.2 Efectos de laminado en caliente 14 2.6.3 Efectos del calor localizado 15 2.6.4 Efectos del rolado en frío 15 Este artículo presenta un análisis del acero como material estructural, concentrándose en las 3.- GRADOS Y TIPOS DE ACEROS ESTRUCTURALES 16 características que son más importantes para el 3.1 Grados de acero para perfiles y placas 16 ingeniero estructural. Además de las propiedades 3.2 Grados de acero para secciones estructurales huecas y tubos. 16 3.3 Otros tipos de acero 17 mecánicas, tales como el esfuerzo de fluencia y la resistencia a la tensión, es esencial considerar la 4.- CONSIDERACIONES DE DISEÑO ESTRUCTURAL 19 ductilidad y resistencia a la fractura, así como la 4.1 Como especificar el acero estructural 19 composición química, la metalurgia y soldabilidad. 4.2 Selección de sección 19 Existe disponibilidad en el mercado, de una gran 4.3 La selección de la placa 20 variedad de grados de acero y es fundamental para la 4.4 Diseño de miembros por esfuerzos 20 elección, que el acero cumpla con los requerimientos de 4.5 Diseño de miembros por rigidez y capacidad de servicio 20 los estados límite de falla y los estados límite de 4.6 Diseño de conexiones por esfuerzos 21 servicio. Al mismo tiempo, también es importante tener 4.7 Diseño de conexiones por rigidez 21 en cuenta la fabricación y los requisitos para la compra 5.- CONSIDERACIONES DE FABRICACIÓN DEL ACERO 22 del material y las aplicaciones de campo. 5.1 Preparación de pedidos 22 5.1.1 Consideraciones generales 22 5.1.2 Preparación de pedidos 22 5.2 Perfiles de ala ancha 23 5.3 Placas de acero 24 5.4 Los ángulos y las barras 24 6.- CONSIDERACIONES RECOMENDADAS EN LA ELECCIÓN DEL TIPO DE ACERO 25 7.- PROPIEDADES QUÍMICAS 26 8.- GRÁFICA DE ESFUERZO – DEFORMACIÓN 26 9.- BIBLIOGRAFÍA 27 www.gerdaucorsa.com.mx  1. INTRODUCCIÓN La producción, fabricación, construcción y prácticas de diseño para estructuras de acero han tenido cambios importantes en los últimos diez a quince años, debido a la evolución en la producción de los aceros. Hay muchos tipos y grados de acero disponibles en el mercado, para su uso en la construcción, que cumplen con una amplia variedad de necesidades y demandas del cliente. Además, existen eventos como sismos y huracanes, que presentan nuevos retos de comportamiento y eficiencia de los materiales, algunos de los cuales han planteado preguntas sobre el diseño en acero y las prácticas de construcción. El poder analítico suministrado por programas y equipos de análisis y diseño estructural ha permitido obtener soluciones que antes eran inalcanzables, los software de diseño estructural toman en cuenta dos y tres dimensiones para la respuesta estructural. Del mismo modo, las técnicas de fabricación han permitido la mejora de las conexiones cada vez más detalladas y complejas. Por último, la investigación ha dejado ver una mejor comprensión del comportamiento estructural de los elementos, sus conexiones y estructuras completas, dando lugar a criterios de diseño con mejor comportamiento para las predicciones de la estructura. Como resultado de estas alternativas, el diseño estructural se ha hecho mucho más refinado y se apega mucho más a las condiciones reales de respuesta. Sin embargo, el tema del acero a utilizar no ha sido objeto de investigaciones. Aunque el acero no es isótropo y homogéneo, muchos diseñadores lo siguen considerando como tal, y las propiedades de los materiales utilizados en los códigos todavía se basan en las pruebas y normalizaciones elementales. Las propiedades mecánicas estándares, no se consideran para que tengan algún efecto en el comportamiento de la estructura sujeta a las condiciones de servicio. Pág.3 Elección del tipo de acero para estructuras www.gerdaucorsa.com.mx Pág. 4  2.1 Ensayo de las propiedades mecánicas 2.1.1 Propiedades de tensión 2.1.2 Propiedades de dureza Existen protocolos de pruebas para establecer las Entre más dúctil es el acero, mayor es su tenacidad. La propiedades mecánicas del material: límite de fluencia, prueba más comúnmente utilizada para obtener la resistencia a la tensión y resistencia última. Los detalles tenacidad o dureza es la prueba Charpy V o prueba de de estas pruebas están en la ASTM, principalmente. impacto CVN. Se utiliza una muestra de 10x10x55 mm con un corte mecanizado a la geometría de la muestra. La prueba más común para la fluencia, resistencia a la La energía necesaria para romper la muestra se registra tensión y las propiedades de deformación del acero se como el valor de CVN. Esta es una medida de la dureza conoce como tracción uniaxial. Se supone que las del acero, aunque no refleja las condiciones reales propiedades de tracción son las mismas que las de físicas. Sin embargo, se permite una comparación de compresión. Anteriormente, la muestra para la tensión diferentes aceros, y es una medida de la resistencia a la se tomaba del alma del perfil de ala ancha, orientado en propagación de grietas.La temperatura de la prueba es la dirección longitudinal. Esto cambió en 1997, de importante para la resistencia. Específicamente, la manera que las muestras ahora se toman de los patines dureza disminuye a temperaturas más bajas, lo que de los perfiles que tienen un ancho mayor a 6 pulgadas significa que el acero tiende a ser frágil en esas (152 mm). condiciones. Una serie de pruebas se realizan para desarrollar la curva de la temperatura de transición de La razón era que debido al espesor, el material del patín frágil a dúctil. Esto se utiliza para establecer los rangos presenta un esfuerzo menor a la fluencia que el de la de ductilidad (corte completo) y fragilidad (muesca) de la prueba tomada del alma. Además, los patines fractura. Los datos de transición son especialmente proporcionan un gran porcentaje de la carga axial y importantes si el acero se utiliza para las estructuras sobre todo la resistencia de los momentos de flexión de expuestas en climas de baja temperatura. perfiles W. Las propiedades de los patines son por lo tanto más representativas en el acero para fines más estructurales. Las muestras para la prueba de tensión, obtenidas con 2.1.3 Prueba de propiedades orientación transversal del espesor del patín pueden dar químicas y metalúrgica determinadas propiedades del acero. Estos resultados 2. PROPIEDADES CLAVE DEL difieren de la fluencia y los valores de resistencia a la tracción obtenida con una muestra longitudinal. En la producción de acero, los análisis químicos se realizan para obtener la composición de la muestra. ACERO ESTRUCTURAL Estudios recientes han demostrado que el esfuerzo de Estas son tomadas con rigurosos intervalos de tiempo fluencia es ligeramente inferior al mínimo especificado y para cada colada, con los apropiados ajustes hechos significativamente menor que la tensión de fluencia hasta que se obtenga la química deseada. Los uniaxial en la dirección longitudinal del patín. Sin resultados finales se registran en el Certificado de El acero se caracteriza por sus propiedades metalúrgicas, químicas y mecánicas. Hay una gran variedad de embargo, el patín no falla en la dirección del espesor en Resultado de Pruebas del molino (CMRT) o Certificado aceros, pero sólo aquellos que pueden clasificarse como aceros estructurales se consideran en este artículo. Para las pruebas físicas. Esto se atribuye al aumento de la de Calidad. Cada elemento químico tiene efectos México, la NMX-B-252, equivalente a la ASTM A6 (especificación estándar para barras, planchas, perfiles y resistencia causada por las restricciones específicos en las propiedades mecánicas y de otras tablestacas laminados de acero estructural), aunque ésta última es la más utilizada y da una lista de todos los tridimensionales en las conexiones de la estructura. propiedades del acero, incluyendo la soldabilidad.Las grados que pertenecen a esta clasificación. Además, los aceros como los utilizados para las secciones huecas pruebas metalúrgicas están dirigidas a examinar la estructurales (HSS) y el tubo, también se consideran como estructurales, aunque no están cubiertos por la norma Puesto que el acero no es homogéneo ni isótropo, las estructura y forma del grano del acero, y determinan el ASTM A6. propiedades varían de una muestra a otra. Las tipo y la ductilidad del material. Cuando la producción de muestras tomadas de diferentes lugares de la sección acero se basa en lingotes, las pruebas revelan que de Se espera que estos aceros tengan cierta resistencia a la deformación y las características de su producción que transversal, a lo largo del perfil y con variaciones de vez en cuando la segregación de carbono y la los hacen aptos para su uso en estructuras. Las propiedades se establecen a través de aleaciones químicas temperatura, darán como resultado valores diferentes. ampliación de grano se deben al mecanismo de específicas, las estructuras metalúrgicas y propiedades mecánicas. Éstas se reflejan en la respuesta del material, Esto es normal y esperado. La variabilidad se ha tenido enfriamiento del lingote. Para estos productos, es ya sea un acero de alta resistencia, un acero resistente a la intemperie, o un acero que tiene un determinado tipo en cuenta en los criterios de diseño LRFD. necesario a veces desarrollar completamente la de estructura cristalina, por mencionar algunas propiedades que son importantes. desoxidación del acero, para garantizar la estructura de grano. Esto no es necesario para los procesos de colada continua del acero, ya que todos estos productos son desoxidados. Pág. 5 Elección del tipo de acero para estructuras www.gerdaucorsa.com.mx Pág. 6  2.2 Propiedades mecánicas de los aceros Nivel de fluencia f Y En esencia, los cambios de trabajo del acero enfriado tienen mayor resistencia y baja ductilidad en un solo σ 2.2.2 Propiedades de tensión (kg/cm²) Punto alto Est material. Las deformaciones plásticas que ocurren, dejan al material sin memoria de lo que ha ocurrido (figura de fluencia 4). Esto significa que un acero originado en el molino, por ejemplo (ABCDE en la Figura 4), responderá de Las propiedades más importantes de la 2530 acuerdo a la línea D'DE inicialmente después de haber sido cargado y sometido a una tensión equivalente al prueba de tensión son el esfuerzo de fluencia punto D de la curva de esfuerzo. La pendiente de la porción inicial de la curva de esfuerzo es el módulo de Fy, la resistencia a la tracción última Fu, las 2000 Módulo de elasticidad elasticidad E. La pendiente de la curva inmediatamente después de εst, es el módulo de esfuerzo por deformación εst, E es constante para todos los grados de acero estructural, equivalente a 29.000 ksi (2.039 Punto bajo debajo de la curva tensiones en la ruptura y la deformación de fluencia elástica x 106 kg/cm2). εst es más bajo y está bien definido, su valor es de alrededor de 600 a 800 ksi (42000 a 56000 1500 unitaria y la deformación total,(εu y εst), la reducción del área, y la relación Fy/Fu. La 1000 E E Deformación kg/cm2). Las prueba de ε y εst se basan en vigas sujetas a flexión más que a valores de tensión, debido a lo Deformación reducción del área es una medida efectiva, elástica total sensible de la prueba de tensión y a las variaciones en la pendiente de la curva esfuerzo-deformación. 500 ƐSt tanto para la deformación total como para la ƐY ruptura, y se considera real, porque refleja la Ɛ El calor de la soldadura y el oxicorte provoca cambios locales en la estructura del acero, a menos que la deformabilidad volumétrica. Todas estas RANGO 0.05 1.0 1.5 (%) entrada de calor y la velocidad de enfriamiento sean cuidadosamente controladas. Generalmente esto resulta ELÁSTICO propiedades se basan en la prueba común de RANGO PLÁSTICO = MESETA DE FLUENCIA RANGO DE LÍMITE en zonas muy localizadas del material en aceros de alta resistencia y baja ductilidad, como en los bordes de tensión. Sin embargo, la reducción del área, DE RUPTURA corte por flama (oxicorte) o el calor de la soldadura. Para todos los propósitos prácticos, estas zonas han no se puede determinar adecuadamente sin Figura 1 Porción Inicial de la curva aumentado los límites de fluencia en aproximadamente igual a la fuerza o la resistencia nominal del metal de muestras con sección circular, y por lo tanto, esfuerzo – deformación la soldadura. no se informa en el Certificado de Resultado para aceros de bajo contenido de carbono de Pruebas (CMTR). El CMTR tampoco proporciona los datos de deformación unitaria, ya que generalmente no hay criterios σ aceptables para la prueba. (kg/cm²) Rango inelástico Rango fy La curva de esfuerzo-deformación para el 7030 elástico Rango de deformación total acero difiere significativamente entre aceros templados (carbono-manganeso) y los 6000 Esfuerzo de fluencia, f y σ aceros de alta resistencia y baja aleación 4800 (kg/cm²) Incremento del punto D E (HSLA). Las figuras 1 y 2 muestran ejemplos 3600 0.2% de deformación de fluencia representativos de dichas curvas, y en la 2400 E E figura 3 se muestra las curvas esfuerzo deformación completas para una selección 1200 0.5% de deformación Total B C de aceros de calidad estructural producidos en EE UU y México. Las figuras 1 y 2 0.2 0.5 1.0 1.5 Ɛ (%) muestran el esfuerzo de tensión y el alargamiento en la ruptura, que son los Figura 2 Porción Inicial de la curva parámetros clave para el acero estructural. esfuerzo – deformación Específicamente, el límite superior de para aceros de alto contenido de carbono fluencia se contrasta con el nivel de fluencia para el acero dulce, en la figuras 1 y 2, indica la resistencia a la fluencia, definido por el 0.2 por ciento de deformación (deformación permanente) o el 0.5 por ciento de la σ (kg/cm²) A 514 A C' D' Ɛ (%) Ductilidad después deformación total. El límite de elasticidad A 709 G 70 W, A 852 Deformación de la deformación total 7000 residual (figura 2) se diferencia del nivel de esfuerzo A 913 G 65 de fluencia (figura 1), el efecto del 0.2 por 5300 Ductilidad después de la deformación en el rango plástico ciento del valor de desplazamiento se utiliza A 572 G 50, A 588, A 992 para los aceros que no se definen claramente A 913 G 50 3500 en la “meseta de fluencia”. A 36 Ductilidad del material virgen 1800 El módulo de elasticidad del acero E, es constante para todos los grados de 5 10 15 20 Ɛ (%) Figura 4 Curva esfuerzo – deformación de los efectos de perfiles laminados en caliente ya enfriados acero estructural, equivalente a 2.039 x 106 kg/cm2 (29,000 ksi) (200000 MPa). Figura 3 Curvas esfuerzo – deformación de algunas calidades de acero Pág.7 Elección del tipo de acero para estructuras www.gerdaucorsa.com.mx Pág.8  2.2.3 Dureza 2.3 Características La temperatura común de la prueba CVN es de 40 °F (5 °C). Las condiciones de servicio reales pueden llegar a temperaturas mucho más bajas; para requisitos especiales pueden ser necesarias otro tipo de pruebas. Ciertos metalúrgicas aceros y especialmente algunas zonas dentro de la sección transversal de los perfiles y las placas pueden presentar baja tenacidad, que son áreas fundamentales de perfiles, placas y la región de filete entre el alma y el patín de los La metalurgia del acero estructural se define, por el perfiles. La región de filete se refiere a veces como la zona k. hierro y el contenido de carbono, pero también los diversos elementos de aleación que se utilizan Las piezas gruesas de acero tienden a ser más frágiles que las delgadas; algunas de las razones de esto son que los para lograr determinada resistencia, ductilidad y núcleos de perfiles gruesos están sometidos a un menor laminado, poseen mayor contenido de carbono y tienen otras características. En el pasado, el acero se mayores esfuerzos de tensión por el enfriamiento (esfuerzos residuales) (Figura 5). producía a partir de arrabio (desarrollado en el alto horno de mineral de hierro, coque y caliza) en el horno de reverbero y hornos de oxígeno básico. Se vertía el acero fundido y se formaba en los moldes de lingotes aproximadamente con un peso de diez toneladas. Los lingotes se recalientan y se procesan para formar floraciones o losas. Éstos son laminados en caliente en forma de placas, Perfil W palanquilla, tubos, riel, hojas o tiras, o los perfiles Placa estructurales. Debido a las características principales del proceso de producción, específicamente, el enfriamiento del acero en el lingote, el cristalino o la estructura de grano del material se compone de granos variables de gran tamaño. Las estructuras de grano con elementos muy pequeños podrían presentar mayor Fig. 5 Las fallas frágiles se presentan en el núcleo de perfiles gruesos y pesados resistencia, dureza y baja deformabilidad. Lo contrario sería el caso de material con granos más El núcleo es una característica de perfiles pesados y grandes. El acero en cualquier forma, perfil o placa placas producto de lingote o palanquilla, un ejemplo debe, por lo tanto, presentar diferencias típico es el área enriquecida de carbono en el borde significativas de propiedades mecánicas y de otro del alma de las secciones producidas antes de 1980 y tipo, en toda la geometría del producto terminado. en los bordes de los patines de perfiles jumbo. Debido a la naturaleza del proceso de colada continua, los Hoy en día el método principal de producción de perfiles y placas tienen núcleos mucho más acero, para todos los perfiles y la mayoría de los pequeños, y los problemas de enriquecimiento de productos de acero, se basa en la colada continua. carbono, no son significativos para dichos productos. Además, debido a la eficiencia de la producción, los hornos de arco eléctrico son ahora más La baja dureza de la región del filete es atribuida al frecuentes. Esto ha llevado al acero que se proceso de enderezado que se utiliza en un amplio produce principalmente a partir de chatarra, en rango de tamaños de perfiles por los fabricantes de lugar de hierro en lingotes. La colada continua da acero, para garantizar el cumplimiento de los palanquillas, planchones o tochos, que sólo deben requisitos de la rectitud de la norma ASTM A6 y ser objeto de una cantidad relativamente pequeña normas similares. La rectificación se realiza mediante de pasos del material antes de alcanzar la forma el paso del perfil a través de una serie de rodillos que final. Esto contrasta con el antiguo sistema de deforma la zona plástica. La rectificación produce una laminación de lingotes o formas de planchones pequeña área en la sección del material con mayor grandes, que exigía un gran número de pasos del resistencia y menor dureza. tren de laminación para alcanzar la forma definitiva. Los perfiles pesados se enderezan con una aplicación Máquina de enderezado de patines. específica de cargas. Este proceso se conoce como La reducción del número de pasos de producción mordaza enderezadora. Los cuestionamientos del proceso de colada continua, explica por qué las relacionados con la resistencia y la ductilidad en la formas actuales tienen características de los región de filete no se aplican a esos perfiles. materiales más uniformes. Como resultado, el acero de hoy es de mayor calidad, y más uniforme que antes. Pág.9 Elección del tipo de acero para estructuras www.gerdaucorsa.com.mx Pág.10  2.4.2 Elementos Químicos 2.4 Química del acero estructural Solamente una selección de elementos químicos del acero son discutidos a continuación. 2.4.1 Tipos de acero Azufre (S): Es extremadamente perjudicial, afecta a la Los principales tipos de acero estructural se clasifican según su ductilidad en especial a la flexión transversal y reduce la composición química y características de procesamiento: soldabilidad. 1. Aceros al carbono o aceros al carbono-manganeso. Carbono (C): A mayor contenido, mayor resistencia, 2. Alta resistencia, baja aleación (HSLA). perjudica sensiblemente a la ductilidad en especial el 3. Alta resistencia, apagados y templados (QT) Aceros aleados. doblado. 4. Alta resistencia, apagados y auto-templados (QST), aceros de aleación. Cobre (Cu): La adición de cobre de hasta el 0.35%, aumenta ostensiblemente la resistencia a la corrosión Aceros al carbono o al carbono-manganeso son también conocidos como atmosférica de los aceros, también aumenta la resistencia aceros estructurales. Además de hierro, los elementos químicos a la fatiga. principales son el carbono (C) y el manganeso (Mn). Hay restricciones también en las cantidades de algunos productos químicos, en particular Cromo (Cr): Aumenta la resistencia mecánica a la de fósforo (P) y azufre (S), que tienen efectos perjudiciales de la ductilidad abrasión y a la corrosión atmosférica, pero, reduce la y soldabilidad del acero. Entre los aceros más comunes de este grupo es soldabilidad. el A36, con un esfuerzo mínimo de 36 ksi (2530 kg/cm2). Fósforo (P): Aumenta el límite de resistencia, favorece la Aceros de alta resistencia, baja aleación (HSLA), fueron desarrollados resistencia a la corrosión y la dureza, pero perjudica la durante los últimos 30 años, siendo los materiales más utilizados para las ductilidad y la soldabilidad. estructuras de acero en la actualidad. La mayor resistencia se consigue mediante la reducción del contenido de carbono y la adición de ciertos Manganeso (Mn): Es usado prácticamente en todos los elementos de aleación. Todos estos aceros son soldables y algunos han aceros estructurales, el aumento de su contenido asegura aumentado la resistencia a la corrosión. Los aceros HSLA más comunes el aumento de su resistencia mecánica, perjudica la son ASTM A 992, A 572 y A 588, con un límite elástico mínimo de 50 ksi soldabilidad pero es menos perjudicial que el carbono, (3,515 kg/cm2), aunque el A 572 y A 588 están disponibles también en afecta poco a la ductilidad. otras resistencias. La producción por colada continua de perfiles W (IR) se centra ahora en el A 992, y como resultado de esta calidad se prefiere Molibdeno (Mo): Aumenta el límite de fluencia y la para perfiles W en los Estados Unidos y en México. El A 588 es un acero resistencia a la corrosión atmosférica, mejora la patinable. soldabilidad y el comportamiento del acero a altas temperaturas. Aceros apagados y templados (QT) constituyen un pequeño grupo de materiales con fluencia mínima de 90 a 100 ksi. Estos sólo están Niobio (Nb): En poca cantidad aumenta disponibles como placas. La alta resistencia se consigue a través de una considerablemente el límite de resistencia y el límite de combinación de bajo contenido en carbono y una secuencia de fluencia, no ataca a la soldabilidad y permite disminuir el enfriamiento rápido (es decir revenido) del acero. Esto deja al material con contenido de carbono y manganeso, es favorable a la una estructura muy dura, de grano fino. La ductilidad de estos aceros es ductilidad. significativamente menor que la del carbono-manganeso y aceros HSLA. Níquel (Ni): Aumenta la resistencia mecánica, la tenacidad, Aceros apagados y auto templados (QST) están actualmente en y la resistencia a la corrosión, pero reduce la soldabilidad. disponibilidad limitada. Su alta resistencia se obtiene a través de enfriamiento selectivo de determinadas regiones de un perfil, pero Silicio (Si): Como desoxidante del acero, favorece además, el calor que se almacena en el material del procedimiento de sensiblemente a la resistencia, pero reduce la soldabilidad. rolado es utilizado para proporcionar el efecto de templado. El enfriamiento localizado deja un producto con una superficie distinta a las Titanio (Ti): Aumenta el límite de resistencia, la resistencia regiones del interior del perfil, por lo que el material en su superficie tiende a la abrasión y mejora el desempeño del acero a a ser mucho más duro y de grano más fino que el del interior. La temperaturas elevadas, también se utiliza para inhibir el soldabilidad es buena. envejecimiento precoz. Vanadio (V): Aumenta el límite de resistencia sin perjudicar la soldabilidad y la tenacidad. Pág.11 Elección del tipo de acero para estructuras www.gerdaucorsa.com.mx Pág.12  2.5 Soldabilidad de los aceros 2.6 Otras características estructurales Los procesos de soldadura disponibles son: manual, semi-automático y automático. Algunos tipos son más convenientes para la soldadura de taller, 2.6.1 Influencia de la geometría 2.6.2 Efectos de laminado en caliente mientras que otros son más convenientes para la soldadura de campo. El manual de la sección transversal de soldadura de la Sociedad Americana de Soldadura (AWS) da una descripción detallada de todos los procesos. La geometría de los productos de acero y el proceso al cual ha Antes del laminado en caliente, los blooms y los beams blank son sido sometido el material, influyen hasta cierto punto, en las recalentados a una temperatura adecuada, uniforme de Es vital que el acero tenga una composición química que garantice la fusión del características del acero. Por ejemplo, un lingote es procesado aproximadamente 1,400°C (2,300 °F). Una vez que el rolado se metal base con el metal del electrodo sin la formación de grietas o imperfecciones partiendo de un “Bloom” para que sea el punto de partida que será termina y el elemento se coloca en la cama de rodillos, el calor similares. Esta característica se conoce como la soldabilidad del acero. rolado como perfil estructural o placa. Una “beam blank” de colada debe disiparse. El proceso de enfriamiento no es uniforme, de continua entra en el tren de laminación para formar una sección I modo que el enfriamiento se lleva a cabo a diferentes ritmos. Todos los aceros estructurales disponibles en la actualidad son soldables. Sin de patín ancho. El calor que se almacena en el material antes de Algunas fibras por lo tanto, llegan a la temperatura ambiente antes embargo, los requerimientos para los aceros QT, tales como aceros A 514 son rolarse tendrá que disiparse; esto ocurre en la cama de que otras. Las fibras que se encuentren cerca de una punta del mucho más restrictivos que los A36. Para los aceros que atienden a dos enfriamiento. La disipación de calor y el enfriamiento desigual patín, por ejemplo, se enfriarán más rápido, las que están cerca de solicitaciones de las normas ASTM, por ejemplo: A 36 / A 572 certificados, la consecuente produce esfuerzos residuales. Estos esfuerzos la unión con el alma serán las últimas en llegar a la temperatura soldadura debe realizarse de acuerdo a los requerimientos del A 572. Sin embargo, residuales se presentan también producto del calor de la ambiente. para la rehabilitación estructural y/o con fines de adaptación, donde los detalles del soldadura y el oxicorte. acero que se utilizó, no se conocen, es importante para el diseñador y el fabricante Resultados del proceso de enfriamiento en la contracción de las determinar si el material es adecuado para la soldadura. El rolado en caliente del acero reduce el tamaño original del Bloom fibras. Una vez que las primeras fibras han alcanzado la y del beam blank, para llegar hasta el producto final. Durante este temperatura ambiente, también han llegado a lo que será su La medida más común de la soldabilidad es el contenido de carbono (CE). Un proceso, algunos cambios cristalinos se siguen produciendo, longitud final. Sin embargo, como las fibras en las inmediaciones al material con un contenido de carbono muy alto (fundición de hierro, por ejemplo) no principalmente en la forma del crecimiento del grano, en las alma, todavía tienen que liberar algo de calor, se contraen más y, son soldables tradicionalmente, y efectivamente no en el sentido estructural, regiones de lento enfriamiento y en el refinamiento del grano en las como las fibras en la sección transversal de un perfil continuo, que usando los procesos de soldadura que comúnmente se emplean en los talleres de áreas de rápido enfriamiento. Para los perfiles grandes, lingotes y ejercerá una fuerza en las primeras fibras exigirá que se acorten fabricaciones de estructura de acero. El CE también se utiliza para evaluar las placas el crecimiento de los granos puede ser acompañado por la un poco más. Las fibras que se enfrían primero, tendrán que necesidades de precalentamiento para la unión soldada o de ensamble, y hay que segregación de carbono en algunas zonas. Adicionalmente trabajar más de lo necesario para alcanzar la longitud final a la tener en cuenta la influencia de hidrógeno y su retención conjunta. además del crecimiento potencial del grano, la segregación de temperatura ambiente. Estas fibras, se mantienen en un estado de carbono se manifiesta en las áreas centrales, sobre todo en acortamiento forzoso, de tal manera que terminan en un estado Están disponibles varias formulas para el CE, algunas de éstas son adecuadas grandes perfiles estructurales. Debido a su alto contenido de forzoso de esfuerzos a compresión.Cuando las últimas fibras para los aceros estructurales según lo indicado por las ecuaciones (A) a (C). Estas carbono, el núcleo tiene mayor resistencia y menor ductilidad y estén enfriadas a temperatura ambiente, se dice que todo el expresiones son empíricas, basados en las pruebas del acero dentro de ciertos tenacidad que en otras partes del perfil. Esto puede ser un material ya estará listo. En consecuencia, estas fibras están rangos de composición química. Los números que se introducen son el contenido problema cuando la soldadura debe ser depositada en o cerca del restringidas para completar la cantidad de contracción que se de elementos químicos en por ciento. núcleo, debido a las altas contracciones del metal de soldadura produciría si no estuvieran rodeadas por otras fibras. Estas fibras, que se llevará a cabo. Los problemas de este tipo han quedado por lo tanto llevarán a cabo un estado de elongación forzada o 1 A) CE = C + (Mn + Si)/6 + (Cr + Mo + Cb + V)/5 + (Ni + Cu)/15 documentados en el caso de la estructura del Orange County esfuerzos de tensión.El desarrollo de tensiones residuales es B) CE = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15 2 Convention Center en Florida, USA. mucho más complicado de lo descrito anteriormente. Sin embargo, esta presentación hace hincapié en los puntos C) Pcm = CE = C + Si/30 + (Mn + Cu + Cr)/20 + Ni/60 + Mo/15 + V/10 + 5B Los problemas de la zona del núcleo son mucho menos frecuentes principales. Una gama de tensiones residuales por lo tanto, existen 1) Para aceros ASTM A 36, A 529 G 50 debe ser menor a 0.55% para los perfiles de colada continua, debido a las diferencias en las en la sección transversal, de la compresión a la tensión, en 2) Para aceros ASTM A 992, A 572 G 50, A 572 G 60 debe ser menor a 0.47% prácticas de producción y las limitadas oportunidades de ausencia de cualquier carga aplicada externa.La cantidad de crecimiento del grano y la segregación de carbono que existen en acortamiento en el proceso de enfriamiento es independiente del estos productos. El perfil del beam blank usado para estos perfiles límite de fluencia del acero. Dado que E (módulo de elasticidad) es Para el CE de la ecuación (A), la soldabilidad se considera aceptable si el CE es implica la desaparición de pequeñas cantidades de calor, por una constante para todos los aceros, la magnitud y la distribución inferior a 0.55% apróximadamente. Esta ecuación se utiliza para el acero ASTM tanto, con mucho menos distribución variable de tamaño de grano. de las tensiones residuales es independiente de la calidad del A 529 y en el código de soldadura estructural AWS, AWS D1.1 Anexo XI. La acero. Esto explica por qué la tensión residual en general es más ecuación (B) es probablemente la de uso más común y es propuesta por el Instituto Las diferencias en los pasos en la reducción de espesores que perjudicial para los materiales de baja resistencia, porque desde Internacional de Soldadura (IIW). Un equivalente de carbono basado en la tienen lugar en los patines y alma durante el nivelado de los entonces estarán sujetos a esfuerzos que afectan en un alto ecuación (B) es considerado como una buena medida de la dureza del acero, y la perfiles dan como resultado diferentes niveles de resistencia para porcentaje a su nivel de límite de fluencia. soldabilidad es buena si el CE es de 0.47% como valor máximo para perfiles con el acero en esas regiones de la sección transversal. En otras un ancho de patín mayor de 50mm (2in) y de 0.45% para otros perfiles. El CE de la palabras, a mayores cantidades de pasos en la reducción del ecuación (C) es comúnmente referido como Pcm, composición parámetro; es una espesor, el acero tendrá mayor resistencia. Esta es una de las fórmula de carbono equivalente que fue desarrollada sobre la base de un gran razones de la menor resistencia de las alas de un perfil W, con número de pruebas de susceptibilidad al agrietamiento de los aceros HSLA (Alta respecto al alma, por ejemplo. resistencia - baja aleación) y con contenido de Boro. El nivel de aceptabilidad de la CE de la ecuación (C) es de aproximadamente 0.23%. Pág.13 Elección del tipo de acero para estructuras www.gerdaucorsa.com.mx Pág.14  3. GRADOS Y TIPOS DE ACEROS ESTRUCTURALES 2.6.3 Efectos del calor localizado Un gran número de grados de acero estructural están ASTM A 992: El ASTM A 992 es el acero más reciente disponibles para los perfiles, placas y perfiles huecos (1998) adicionalmente a la lista de los aceros estructurales. estructurales y tuberías en el mercado. Los más Está destinado para la construcción, y se aplica en perfiles Los efectos del calor a partir de fuentes tales como la importantes se discuten brevemente a continuación. W. Para todos los fines prácticos, el ASTM A 992 es el soldadura y corte con soplete dependerá de la magnitud y la duración del calor involucrados. Sólo A 572 grado 50 con controles adicionales. Específicamente, los perfiles pequeños o placas serán afectados significativamente. Para perfiles con medianos a 3.1 Grados de acero además de hacer hincapié en un determinado límite de fluencia mínimo de 50 ksi (3,515 kg/cm2). El ASTM A 992 grandes dimensiones el calor localizado sólo para perfiles y placas también ofrece un límite superior para el límite de fluencia fy de 65 ksi (4,600 kg/cm2). La relación de resistencias, fy/fu, no afectará a la distribución de tensiones residuales en las inmediaciones de la soldadura o de llama (TABLA 1) es mayor de 0.85, y el equivalente de carbono no supera el de corte. Como el calor es intenso y muy localizado, 0.47%. Este acero ha sido efectivamente producido en los el enfriamiento posterior será muy rápido. El índice La ASTM aprobó las normas para las placas y laminados en Estados Unidos desde mediados de 1997, y era entonces de enfriamiento se puede bajar con caliente que son A 36, A 572, A 242, A 588, A 709, A 852, conocido como A 572 G 50 Mejorado. El material también precalentamiento o poscalentamiento, lo que A 514, A 913 y A 992. El ASTM A 529, A 709 es único, puede ser ordenado como "A 572 con requisitos especiales, disminuirá las tensiones residuales. define los aceros aptos para la construcción de puentes, los de conformidad con AISC el Boletín Técnico N ° 3" (AISC distintos grados de acero por debajo del A 709 tienen A 572-50). El ASTM A 992 ofrece una excelente El alto índice de enfriamiento asociado con la equivalentes como A 36, etc. soldabilidad y las características de ductilidad, al tener soldadura y corte con soplete provoca cambios en la menor contenido de carbono, y mayor control en el ASTM A 36: El A 36 ha sido uno de los grados de acero Molibdeno. estructura del grano en las inmediaciones de la fuente primarios para todos los tipos de estructuras. Se han de calor. Estos resultados en un material de grano especificado mínimos de fy y fu de 36 y 58 ksi (2,530 y 4,080 fino en las proximidades de la soldadura y la llama de corte, lo hacen más fuerte, más duro y menos dúctil kg/cm2). Casi todos los tamaños y tipos de perfiles y placas están todavía disponibles en el A 36 (excepto los perfiles IR, 3.2 Grados de acero para que el resto del metal base. W ó H), aunque el esfuerzo de fluencia mínimo especificado baja a 32 ksi (2,250 kg/cm2) para espesores de placa de secciones estructurales más de 8 pulgadas (203 mm). huecas y tubos ASTM A 529: El A 529 es muy utilizado por la industria de la 2.6.4 Efectos del rolado en frío construcción metálica, también es un grado muy común Las especificaciones de acero estructural para las para barras, perfiles como los ángulos, canales pequeños. secciones huecas estructurales (HSS) son ASTM A 500, Algunos de los efectos del rolado en frío ya se han El A 529 básico incluye grado 50 para los perfiles de ASTM A 501, A 618 y A 847, para tubos de acero es ASTM A 53. comentado. Por ejemplo, el enderezado se hace en los grupos 1 y 2, placas de hasta una pulgada de espesor Los más importantes se discuten a continuación. normalmente a temperaturas cercanas a la y 12 pulgadas de ancho y barras hasta 2-1/2 pulgadas de temperatura ambiente, lo que se clasifica como diámetro. fy y fu y los mínimos son de 50 y 70 ksi (3,515 y ASTM A 53: A 53 está disponible en los tipos E y S, donde enderezado en frío. A fin de lograr una curvatura 4,920 kg/cm2). E designa a una resistencia a la soldadura y S a tubos sin permanente en la configuración de un elemento costura. El grado B es apto para usos estructurales, con el ASTM A 572: El A 572 está disponible en varios grados, esfuerzo de fluencia y la resistencia a la tensión de 35 y 50 recto, las deformaciones plásticas se presentan dependiendo del tamaño del perfil y el espesor de la placa. ksi (2,460 kg/cm2 y 3,515 kg/cm2) como consecuencia, con el resultado de que las Grado 50, con fy = 50 ksi y fu = 65 ksi (3,515 y 4,570 kg/cm2 tensiones residuales originales son redistribuidas. Un respectivamente) está disponible en todos los tamaños de perfil rolado en frío, tiene entonces valores más bajos ASTM A 500: A 500 está disponible para perfiles redondos perfiles y espesores de placa hasta 4 pulgadas. Este es el de esfuerzos residuales. grado de acero estructural mas usado en el mercado de los formados en frío HSS en tres grados, y también en tres EE UU actualmente, a pesar de que está siendo grados para cuadrados o rectangulares formados en frío En los perfiles rolados en frío, se manifiesta en rápidamente reemplazado por A 992 para perfiles W. HSS. Las propiedades de HSS cuadrados y rectangulares ciertas regiones una mayor resistencia localizada y difieren de las del HSS redondos. El grado más común es menor deformabilidad. Para la fabricación en ASTM A 588: Este acero para intemperie fue aprobado en el A500 grado B, cuyo esfuerzo de fluencia y resistencia a general se recomienda evitar la soldadura en o cerca 1968, también conocido como “patinable” está disponible en la tracción se encuentra en el orden de los 46 y 58 ksi (3,250 de las áreas de la sección transversal del rolado o varios grados con pequeñas variaciones en su química. El y 4,100 kg/cm2) límite de fluencia mínimo especificado y resistencia a la doblado frío. Esto requiere un diseño y detallado tracción en todos los grupos de ASTM de perfiles ASTM A 501: A 501 es idéntico al A 36 para todos los que considere estas regiones. estructurales y de planchas en espesores de 4 pulgadas y efectos prácticos. Se utiliza para las secciones circulares, menos de 50 y 70 ksi (3,515 y 4,920 kg/cm2) así como HSS cuadrados y rectangulares. respectivamente. Pág.15 Elección del tipo de acero para estructuras www.gerdaucorsa.com.mx Pág.16  TIPO DE ACERO DIFERENTES USOS -Placas de Conexión -Anclajes de barras redondas lisas (OS) y perfiles (LI) -Cuerdas Superiores e Inferiores de Armaduras (LI) ASTM A 36 -Montantes y Diagonales de Armaduras (LI) -Largueros Tipo Joist (OS ó LI) -Contravientos de Cubiertas (OS) -Placas hasta 1” de espesor (Placas de Conexión, Placas Base, Cartabones, etc.) -Canales (CE) pequeños utilizados para alfardas de ASTM A 529 G 50 escaleras y conexiones de postes de viento -Cuerdas de Armaduras de (LI) -Montantes y Diagonales (LI) -Contravientos Laterales (LI) -Placa Hasta 4” -Vigas Principales tipo (IR) ASTM A 572 G 50 -Vigas Secundarias tipo (IR) -Columnas de Perfiles tipo (IR) -Mezzanines TABLA 1 3.3 Otros tipos de Acero ASTM A 588 -Acero Patinable (por lo general es una acero que estará sometido a la intemperie) -Plataformas Marinas -Puentes ASTM A 709 -Torres de Transmisión A veces es necesario el uso de los aceros con normas no nacionales. En estos casos es fundamental -Vigas (IR) -Columnas (IR) para el diseñador de cerciorarse de que todas las -Mezzanines (IR) ASTM A 992 propiedades de los materiales satisfagan las -Postes de viento (IR) -Espectaculares (IR) necesidades de diseño, incluyendo la química, la -Trabes Carril metalurgia, y las propiedades mecánicas -Tubos Estructurales ASTM A 53 equivalentes a los criterios pertinentes. Los aceros -Columnas de secciones huecas cuadradas (HSS u OR) pueden incluir los grados de aceros producidos en -Columnas de secciones huecas circulares (OC) ASTM A 500 Canadá, los cuales son producidos bajo las -Columnas de secciones huecas rectangulares (HSS u OR) Canadian Standards Association (CSA), en la -Bastidores (PTR u OR) CORRELACION DE LAS NMX Y ASTM mayoría de los grados, los requisitos son ASTM A 501 -Bases de tanques de gas, de agua, etc (PTR u OR) DE ACEROS ESTRUCTURALES generalmente muy cerca de las contrapartes de Nomenclatura Fy(3) Fu(4) EE.UU. Por ejemplo, CSA G40.21-350W es NMX ASTM MPa Kg/cm 2 MPa Kg/cm 2 (1) (2) prácticamente idéntico al A 572 (50); G40.21-350A es el mismo que A 588. B-254 A 36 250 2,530 400 a 4,080 a 1) Norma Mexicana 550 5,620 Los grados de acero que se producen fuera del 345 3,515 485 4,950 A 529 mercado de América del Norte pueden tener 2) American Society for Testing and Materials 380 3,880 485 4,950 diferentes requisitos, según el país de origen. Los 320 3,235 460 4,710 requisitos que se aplican a las calidades de acero 3) Valor mínimo garantizado del esfuerzo correspondiente B-282 A 242 345 3,515 485 4,920 nacional y sus productos, se aplican igualmente a al límite inferior de fluencia del material 290 2,950 414 4,220 esos materiales. 345 3,515 450 4,570 4) Esfuerzo mínimo especificado de ruptura en tensión. B-284 A 572 414 4,220 515 5,270 Cuando se indican dos valores, el segundo es el máximo 450 4,570 550 5,620 admisible A 992 345 3,515 450 a 4,570 a 620 6,330 5) ASTM especifica varios grados de acero A 500, B-177 A 53 240 2,460 414 4,220 para tubos circulares y rectangulares B-199 A 500 320 3,235 430 4,360 (5) B-200 A 501 250 2,530 400 4,080 6) Para perfiles estructurales; placas y barras ASTM A 588 345 3,515 483 4,920 (6) especifica varios valores, que dependen del grueso del material 250 2,550 400 4,080 345 3,515 450 4,590 7) Depende del grado; ASTM especifica A 709 485 4,950 585 5,965 grados 50, 60, 65 y 70 690 7,036 585 7,750 620 6,322 690 7,040 A 913 345 a 3,515 a 448 a 4,570 a (7) 483 4,920 620 6,330 Pág.17 Elección del tipo de acero para estructuras www.gerdaucorsa.com.mx Pág.18  4. CONSIDERACIONES DE 4.3 La selección 4.5 Diseño de miembros DISEÑO ESTRUCTURAL de la placa por rigidez y La construcción en acero también hace uso extensivo a capacidad de servicio las placas. Algunos ejemplos son las vigas construidas La selección de los tipos de acero estructural para ser utilizado en un proyecto es con 3 placas o columnas de 4 placas, placas base de Además de diseñar los miembros para proporcionar unos realizado por el Ingeniero que está ejecutando el diseño estructural. columnas y placas de conexión diversas. Están niveles mínimos de resistencia, también deben ser Las consideraciones para determinar la aplicación más eficiente del acero son: disponibles en una amplia gama de espesores y es consideradas la rigidez y la capacidad de servicio. El generalmente mas fácil conseguir en acero ASTM A 36 diseño por solicitaciones de servicio, requiere que el 1. Eficiencia estructural, en términos de menor costo. y con menos frecuencia en ASTM A 572 G 50. diseñador considere las cargas de servicio solamente, 2. Simplicidad y facilidad de conexiones a los miembros estructurales. para garantizar que el comportamiento sea el previsto. Esto contrasta con el diseño por resistencia utilizando 3. Costo unitario relativo del perfil o la placa. 4. La disponibilidad del material. 4.4 Diseño de miembros LRFD, donde se utilizan cargas factorizadas. Algunos ejemplo