ACERO ESTRUCTURAL Definición de Acero Estructural En la presente Norma, el término acero estructural se referirá a aquellos elementos de acero de sistemas estructurales de pórticos y reticulados que sean parte esencial para soportar las cargas de diseño. Se entiende como este tipo de elementos a: vigas, columnas, puntales, das, montantes y otros que intervienen en el sistema estructural de los edificios de acero. Para el diseño de secciones dobladas en frío o perfiles plegados se recomienda utilizar las Normas del American Iron and Steel Institute (AISI). PROPIEDADES MECANICAS DEL ACERO ESTRUCTURAL 1. GRADOS Y TIPOS DE ACEROS ESTRUCTURALES a. Grados de acero para perfiles y placas ASTM A 36: El A 36 ha sido uno de los grados de acero primarios para todos los tipos de estructuras. Se han especificado mínimos de fy y fu de 36 y 58 ksi (2,530 y 4,080 kg/cm2). Casi todos los tamaños y tipos de perfiles y placas están todavía disponibles en el A 36 (excepto los perfiles IR, W ó H), aunque el esfuerzo de fluencia mínimo especificado baja a 32 ksi (2,250 kg/cm2) para espesores de placa de más de 8 pulgadas (203 mm). ASTM A 529: El A 529 es muy utilizado por la industria de la construcción metálica, también es un grado muy común para barras, perfiles como los ángulos, canales pequeños. El A 529 básico incluye grado 50 para los perfiles de ASTM en los grupos 1 y 2, placas de hasta una pulgada de espesor y 12 pulgadas de ancho y barras hasta 2-1/2 pulgadas de diámetro. fy y fu y los mínimos son de 50 y 70 ksi (3,515 y 4,920 kg/cm2). ASTM A 572: El A 572 está disponible en varios grados, dependiendo del tamaño del perfil y el espesor de la placa. Grado 50, con fy = 50 ksi y fu = 65 ksi (3,515 y 4,570 kg/cm2 respectivamente) está disponible en todos los tamaños de perfiles y espesores de placa hasta 4 pulgadas. Este es el grado de acero estructural más usado en el mercado de los EE UU actualmente, a pesar de que está siendo rápidamente reemplazado por A 992 para perfiles W. ASTM A 588: Este acero para intemperie fue aprobado en 1968, también conocido como “patinable” está disponible en varios grados con pequeñas variaciones en su química. El límite de fluencia mínimo especificado y resistencia a la tracción en todos los grupos de ASTM de perfiles estructurales y de planchas en espesores de 4 pulgadas y menos de 50 y 70 ksi (3,515 y 4,920 kg/cm2) respectivamente. ASTM A 992: El ASTM A 992 es el acero más reciente (1998) adicionalmente a la lista de los aceros estructurales. Está destinado para la construcción, y se aplica en perfiles W. Para todos los fines prácticos, el ASTM A 992 es el A 572 grado 50 con controles adicionales. Específicamente, además de hacer hincapié en un determinado límite de fluencia mínimo de 50 ksi (3,515 kg/cm2). El ASTM A 992 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 es mayor de 0.85, y el equivalente de
carbono no supera el 0.47%. Este acero ha sido efectivamente producido en los Estados Unidos desde mediados de 1997, y era entonces conocido como A 572 G 50 Mejorado. El material también puede ser ordenado como "A 572 con requisitos especiales, de conformidad con AISC el Boletín Técnico N ° 3" (AISC A 572-50). El ASTM A 992 ofrece una excelente soldabilidad y las características de ductilidad, al tener menor contenido de carbono, y mayor control en el Molibdeno.
b. Grados de acero para secciones estructurales huecas y tubos ASTM A 53: A 53 está disponible en los tipos E y S, donde E designa a una resistencia a la soldadura y S a tubos sin costura. El grado B es apto para usos estructurales, con el esfuerzo de fluencia y la resistencia a la tensión de 35 y 50 ksi (2,460 kg/cm2 y 3,515 kg/cm2) ASTM A 500: A 500 está disponible para perfiles redondos formados en frío HSS en tres grados, y también en tres grados para cuadrados o rectangulares formados en frío HSS. Las propiedades de HSS cuadrados y rectangulares difieren de las del HSS redondos. El grado más común es el A500 grado B, cuyo esfuerzo de fluencia y resistencia a la tracción se encuentra en el orden de los 46 y 58 ksi (3,250 y 4,100 kg/cm2) ASTM A 501: A 501 es idéntico al A 36 para todos los efectos prácticos. Se utiliza para las secciones circulares, así como HSS cuadrados y rectangulares.
2. PROPIEDADES MECANICAS DEL ACERO a. b. c. d. e. f. g. h. i. j.
El Esfuerzo de Fluencia La Resistencia a la Tensión o Resistencia Ultima Las Características de la Curva de Esfuerzo-Deformación El Módulo de Elasticidad y el Módulo Tangente La Ductilidad La Facilidad para Soldarse La Resistencia a la Fatiga La Tenacidad La Facilidad de Formado La Durabilidad
A continuación, se tratarán con más detalle cada una de éstas propiedades: 2.1.
Esfuerzo de Fluencia, Resistencia Ultima y Curva Esfuerzo-Deformación La resistencia de los perfiles laminados en frío depende del valor del esfuerzo de fluencia, excepto en conexiones y en aquellos casos donde el pandeo elástico local o global es crítico. Los valores estipulados del esfuerzo de fluencia (Fy)
2.2.
Módulo de Elasticidad y Módulo Tangente La resistencia de los elementos que fallan por inestabilidad depende no solo de su esfuerzo de fluencia, sino también del valor del módulo de elasticidad E o del módulo tangente 𝐸𝑡 , en el caso del pandeo elástico e inelástico, respectivamente. El módulo de elasticidad se define como la pendiente de la parte inicial recta de la curva esfuerzo-deformación.
2.3.
Ductilidad La ductilidad es la habilidad de un material para poder sobrellevar deformaciones plásticas considerables sin fracturarse. Es una propiedad importante tanto como para los procesos de laminado en frío como para la seguridad estructural, ya que facilita la redistribución inelástica de esfuerzos en juntas y conexiones, donde pueden ocurrir concentraciones importantes de esfuerzos.
2.4.
Facilidad para Soldarse Los aceros fácilmente soldables son aquellos que pueden formar sin dificultad uniones soldadas libres de grietas e íntegras en condiciones de taller o campo. La facilidad para soldarse de un acero depende en esencia de la composición química del mismo y varía con el tipo de acero y el proceso de soldado usado.
2.5.
Resistencia a la Fatiga y Tenacidad La resistencia a la fatiga se define como la capacidad de un material para soportar una gran cantidad de ciclos de carga antes de fallar. Cargas cíclicas pueden ser inducidas por vibraciones de maquinaria, cargas repetitivas producidas por tráfico vehicular, etc. La resistencia a la fatiga puede medirse en curvas S-N (donde S es el valor del esfuerzo y N el número de ciclos de carga) obtenidas a partir de pruebas. En general, la relación de resistencia a la fatiga con respecto a la resistencia a la tensión en aceros varía entre 0.35 a 0.60. Estos valores son aplicables a elementos simples individuales, ya que en arreglos estructurales se ha observado que la resistencia a la fatiga de los elementos es gobernada por los detalles o las conexiones.
2.6.
La Facilidad de Formado y Durabilidad La facilidad de formado de un material se refiere a su capacidad para moldearse en una gran variedad de configuraciones geométricas sin sufrir desgarres o fallas. En el caso de los perfiles laminados en frío el acero requiere de facilidad de formado, de lo contrario las hojas de acero no podrían doblarse sin sufrir daños o desgarres. Como se verá en la siguiente sección, los procesos de formado en frío alteran las propiedades mecánicas del acero, pero no causan daños que comprometan la funcionalidad estructural de los perfiles terminados.
3. PROPIEDADES MECANICAS DEL ACERO A36
Resistencia a la tracción: Min. Punto de fluencia: Elongación en 8": Elongación en 2":
58,000 - 80,000 psi [400-550 MPa] 36,000 psi [250 MPa] 20% min 23% min
4. PROPIEDADES MECANICAS DEL ACERO A529
5. PROPIEDADES MECÁNICAS ACERO A572
Resistencia a la tracción:
Grado 42 [290] 60,000 psi
Grado 50 [345] 65,000 psi
Grado 60 [415] 75,000 psi
Grado 65 [450] 80,000 psi
[415 MPa] 42,000psi
[450 MPa] 50,000psi
[520 MPa] 60,000psi
[550 MPa] 65,000psi
[290 MPa] 20% min 24% min
[345 MPa] 18% min 21% min
[415 MPa] 16% min 18% min
[450 MPa] 15% min 17% min
Min. Punto de fluencia: Elongación en 8": Elongación en 2":
6. Propiedades mecánicas acero A588
Para espesores Para espesores inferiores a 4 in. incl entre 4 in. y 5 in. incl 70,000 psi 67,000 psi Resistencia a la tracción:
Para espesores sobre 8 in. incl 63,000 psi
Min. Punto de fluencia:
[485 MPa] 50,000psi
[460 MPa] 46,000psi
[435 MPa] 42,000psi
Elongación en 8 ": Elongación en 2 ":
[345 MPa] 18% min 21% min
[315 MPa] ... 21% min
[290 MPa] ... 21% min
7. Propiedades mecánicas acero A992
8. Propiedades mecánicas acero A53 Grado A
Grado B
Resistencia a la tracción, min:
48,000 psi [330 MPa]
60,000 psi [415 MPa]
Fluencia, min:
30,000psi [205 MPa]
35,000psi [240 MPa]
ASTM A 514 Para el material ASTM A-514, se recomienda preferentemente para estructuras de alta exigencia mecánica y soldabilidad, tales como puentes grúas, brazos telescópicos, puentes, brazos de levante, etc. Para el material 15Mo3, se recomienda su uso en la fabricación de componentes a presión, boilers, ductos expuestos a altas temperaturas, convertidores de fundición, etc. PROPIEDADES MECÁNICAS ACERO (ASTM)
A 514
Fy (min)
PRODUCTO
PLACAS Y BARRAS
% Fu/Fy elongacion (min) (min)
Fu (min)
Mpa
Ksi
kgf/cm2
Mpa
kgf/cm2
620
90
6330
690 - 900
100 - 130 1030 - 9140
15
0.7
690
100
7030
760 - 900
110 - 130 7735 - 9140
23
0.8
Ksi
ASTM A 529 Esta especificación cubre perfiles, placas y barras de acero de carbono y manganeso para construcción remachada, atornillada y soldada de edificios y para aplicaciones estructurales generales. El material bajo esta especificación esta disponible en dos grados. Grado 42 para placas y barras de 0.50 plg (12.7 mm) de espesor y Grado 50 para placas y barras de 1.00 plg (25.4 mm) de espesor. Cuando el acero vaya a ser soldado, se presupone que será usado un procedimiento de soldado consistente con el tipo de grado de acero y el uso planeado de la estructura.
Mpa
Ksi
kgf/cm2
Mpa
Ksi
kgf/cm2
42
290
42
2951
415
42
4216
% elongacion (min) 22
50
345
50
3514
485
70
4919
21
ACERO PRODUCTO GRADO (ASTM) A 529
PLACAS Y BARRAS
Fy (min)
Fu (min)
Fu/Fy (min) 1.43 1.4
ASTM A 570 Esta especificación cubre láminas y cintas de acero de carbono laminado en caliente en longitudes cortadas o en carretes. Este material puede usarse para propósitos estructurales cuando se requieran valores mecánicos de prueba, y está disponible en espesores máximos de 0.229 pulg (6 mm) excepto por lo que se especifica para A568, A568M, A749 y A749M.
Mpa
Ksi
kgf/cm2
Mpa
Ksi
kgf/cm2
30
210
30
2108
340
50
3443
% elongacion (min) 21
33
230
33
2319
358
52
3654
18
1.58
36
250
36
2530
365
53
3724
17
1.47
40
275
40
2811
380
55
3865
15
1.38
45
310
45
3162
415
60
4216
13
1.33
50
345
50
3514
448
65
4568
11
1.3
ACERO PRODUCTO GRADO (ASTM)
A 570
LAMINA Y CINTA
Fy (min)
Fu (min)
Fu/Fy (min) 1.63
ASTM A 572 Esta especificación cubre perfiles, placas y barras de acero de alta resistencia y baja aleación. Los Grados 42 y 50 se recomiendan sean usados en construcción remachada, atornillada y soldada de edificios, puentes y otras aplicaciones. Los Grados 60 y 65 se recomiendan sean usados para construcción remachada y atornillada de puentes y para construcción remachada, atornillada y soldada para otras aplicaciones. Para construcción soldada de puentes la tenacidad de muesca es un requisito importante. Para esta u otras aplicaciones donde los requisitos de tenacidad de muesca sean indicados, estos serán negociados entre el productor y comprador. El uso de columbio, vanadio y nitrógeno, o combinaciones de estos, bajo las limitaciones de la Sección 5 del ASTM, estarán bajo la opción del productor a menos que se especifique lo contrario. Cuando se desee usar uno de estos elementos o una combinación de ellos, se hace referencia al Requisito Suplementario S90 del ASTM en donde dichos elementos y sus combinaciones comunes se enlistan por su tipo. Cuando dicha designación sea deseada, tanto el grado como el tipo deberán ser especificados. Fy (min)
ACERO PRODUCTO GRADO (ASTM)
A 572
PLACAS Y BARRAS
Fu (min)
kgf/cm2 Mpa
% elongacion (min)
Fu/Fy (min)
Ksi kgf/cm2
Mpa
Ksi
42
290
42
2951
415
60
4216
24
1.43
50
345
50
3514
450
65
4568
21
1.3
60
415
60
4216
520
75
5270
18
1.25
65
450
65
4568
550
80
5622
17
1.23
ASTM A 588 Esta especificación cubre perfiles, placas y barras de acero de alta resistencia y baja aleación para construcción remachada, atornillada y soldada a ser usado principalmente en miembros estructurales cuando el ahorro en peso y la durabilidad adicional son importantes. La resistencia a la corrosión atmosférica del acero en la mayoría de los ambientes es substancialmente mejor que el acero al carbono con o sin adición de cobre. Cuando se expone apropiadamente a la atmósfera este acero puede ser usado sin pintura para muchas aplicaciones. Esta especificación está limitada a material de hasta 8 pulg (20 cm) de espesor. Cuando el acero vaya a ser soldado, se presupone que será usado un procedimiento de soldado consistente con el tipo de grado de acero y el uso planeado de la estructura.
Mpa
Ksi
kgf/cm2
42
290
42
2952
435
63
4430
46
317
46
3235
462
67
4710
1.5
50
345
50
3514
482
70
4920
1.4
A 588
Placas y Barras
Fu (min)
% Fu/Fy elongacion (min) (min) 1.5
Fy (min) ACERO PRODUCTO GRADO (ASTM) Mpa Ksi kgf/cm2