aceros

E. M. Alonso G., W. Martínez M., C. Lara G. , H L. Chávez G.

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ACEROS. El tema de aceros esta subdividido en dos partes:

Acero de refuerzo para concreto.

Soldadura (uniones soldadas).

El acero para reforzar concreto se utiliza en distintas formas. La más común es la barra o varilla.

Generalmente el tipo de acero se caracteriza por el límite o esfuerzo de fluencia. Este límite se aprecia claramente en las curvas esfuerzo-deformación de las varillas laminadas en caliente. El acero trabajando en frío no tiene un límite de fluencia bien definido. Las formas de lograr la resistencia ó calidad en acero: a). A base de composición química. b). A base de proceso físico en frió.

El acero es una aleación hierro-carbono que contiene aproximadamente de 0.2 a 2.0 % de carbono, que es el principal componente de la aleación, se pueden combinar además elementos como Si (silicio), Mn (manganeso), S (azufre), Cr (cromo), Mo (molibdeno), W (wolframio, tungsteno), V (vanadio), Al (aluminio), P (fósforo), entre otros.

El acero posee propiedades mecánicas notables entre las que destaca su resistencia a la tensión. Es uno de los materiales con mayor aplicación en la construcción de obra civil por su versatilidad, ya que se pueden encontrar aceros resistentes a la corrosión, al corte, de gran dureza, alto límite de fluencia, etc.

El concreto se refuerza con acero principalmente para mejorar su resistencia a la tensión y también se usa en la zona de compresión para aumentar su resistencia, reducir las deformaciones debidas a cargas de larga duración y proporcionar confinamiento lateral al concreto (estribos).

Para el sistema constructivo del concreto reforzado, son determinantes los siguientes aspectos: a) La elevada resistencia a compresión del concreto, así como la alta resistencia del acero a la tensión. b) El trabajo en colaboración del concreto y el acero, asegurado por las propiedades adherentes de ambos materiales.


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c) Los coeficientes de dilatación térmica, aproximadamente iguales del acero y el concreto. d) La protección contra la oxidación del acero por el concreto que lo envuelve.

Procesos de Fabricación. Existen diversos métodos, pero dos son las rutas siderúrgicas integrales más usadas a nivel mundial: A. Alto horno-Oxiconvertidor. B. Reducción directa-horno eléctrico. En ambos casos se obtiene el acero líquido y a partir de éste se inicia el proceso de solidificación y laminación. El volumen de producción es muy superior en la ruta A y por tal motivo es el que se ejemplifica. Descripción del Proceso Siderúrgico. 1) Materias primas fundamentales y su fabricación. Las principales materias primas para el inicio del proceso siderúrgico son: mineral de hierro, carbón mineral y caliza. Para mejorar las propiedades químicas y físicas se utilizan los siguientes procesos: *Concentración. El mineral de hierro después de ser extraído del yacimiento mineralógico, es sometido a un proceso de beneficio o preparación mecánica cuyo objetivo es incrementar el contenido de hierro, obteniéndose un concentrado del 68 % de hierro en forma de “pulpa” (mineral molido + agua). *Peletización. La pulpa del mineral de hierro se envía a la planta donde junto con otros materiales se transformará en pélets, que son aglomerados de forma esférica, formados por un proceso de boleo de discos (pélets verdes) y posteriormente se cuecen para mejorar propiedades tales como la porosidad y la dureza, quedando listos para ser enviados al proceso de alto horno. *Coquización. El carbón mineral se utiliza en la siderúrgica como combustible y agente químico. Para mejorar sus características se somete a un proceso llamado coquización que es una destilación en ausencia de aire a temperaturas del rango de 1200 a 1300 ºC, en un tiempo que varía de 16 a 18 horas para desprender los gases de los cuales se obtienen subproductos como alquitrán, benzol, amoniaco y gas de coquización. *Planta de cal. Otra materia prima importante es la caliza que actúa como fundente. En el caso de las plantas de aceración se requiere transformarla en cal de grado siderúrgico (CaO) calcinándola a temperaturas de 1200 a 1400 ºC.


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2. Proceso metalúrgico. En esta etapa ya se obtienen las aleaciones hierro-carbono en estado líquido, primero el arrabio después el acero, el cual es solidificado y deformado plásticamente para obtener los productos deseados: en este caso varilla y alambrón. *Alto Horno. Es el equipo principal de una planta siderúrgica integrada, ya que en el se lleva a cabo la transformación del mineral de hierro, concentrado y aglomerado, en hierro de primera fusión o arrabio. La carga del horno está formada principalmente por mineral de hierro, en forma de pélet; combustible en forma de coque y fundente como la caliza, cuya función es favorecer la eliminación de impurezas mediante la formación de escorias fluidas que flotan en la superficie del metal líquido. Del alto horno se extrae el arrabio a través del orificio de colada colocado en la parte inferior y se deposita en medio de transporte (carros térmicos), que lo conducen a la planta de aceración para eliminar las impurezas en exceso y transformarlo en acero. *Aceración. El proceso utilizado es el de convertidores al oxígeno, en el cual las impurezas al arrabio son eliminadas por la inyección de oxígeno a presión. El oxígeno al reaccionar con las impurezas genera una gran elevación de la temperatura (aproximadamente a 1600 ºC) que hay que controlar mediante la adición de materiales refrigerantes como la chatarra. Durante el insuflado de oxígeno, se agregan cal y fluorita que actúan como escorificantes y promueven la eliminación de impurezas. Una vez terminado el soplado del O2 y comprobada la composición química deseada, el acero líquido es vaciado en ollas de transferencia, en donde se efectúa la adición de ferroaleaciones que confieren la composición química final, según el tipo de acero que se esté fabricando. *Colada Continua. El acero líquido es transferido a las máquinas de colada continua donde se transforma en una barra sólida de 125 x 125 milímetros se sección transversal con una longitud de 11 metros, llamada palanquilla. El acero se vacía en un ,molde de cobre enfriado con agua, del que se extrae por el extremo opuesto la barra recién solidificada, aunque al rojo vivo, la cual es cortada a la longitud deseada y transportada sobre mesas de almacenamiento de donde se lleva con electroimanes a los hornos de recalentamiento para el ulterior proceso de laminado. +Laminado. Consiste en la deformación plástica del acero haciéndolo pasar a través de rodillos que girando a velocidades cada vez mayores reducen la sección transversal paulatinamente hasta la obtención del producto deseado. *Laminador de Alambrón. Produce alambrón de 5.5 a 12.7 milímetros de diámetro y varillas de hasta 12.7 milímetros de diámetro. *Laminador de barras. Produce varillas de 12.7 a 38.1 milímetros de diámetro.

Influencia de los Elementos Químicos Presentes en los Aceros, en las Propiedades Mecánicas.

A continuación se describe la influencia de la mayoría de los elementos en aleación e impurezas que pueden contener los aceros.


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CARBONO. Es el elementos que tiene mayor influencia sobre las propiedades de los aceros al carbono, se ha comprobado prácticamente que la resistencia a la tensión crece con el contenido de C, alcanzado el máximo de la cantidad del 0.8 %. El límite de elasticidad también crece con el contenido de C hasta el 0.6 %, después de este límite, decrece. El alargamiento decrece a medida que aumenta el contenido de C. MANGANESO. Aumenta la resistencia al desgaste, la resistencia a la tensión y eleva el límite elástico de los aceros. Después del C, es el elemento más influyente en las propiedades del acero al carbono, empleado como refuerzo del concreto. ALUMINIO. En pequeñas cantidades mejora la resilencia (capacidad de absorber energía en la zona elástica de la gráfica esfuerzo-deformación unitaria en las pruebas de tensión en los aceros). Es el único elemento capaz de modificar apreciablemente el Módulo de Young del acero, disminuyéndolo. AZUFRE. Resulta perjudicial para la generalidad de los diferentes tipos de aceros, porque su inclusión en la masa del acero en forma de sulfuros de hierro (FeS), crea zonas débiles en los tratamientos u operaciones de transformación y produce grietas y fisuras, en las tablas de composición de los aceros aleados se indica un máximo de 0.05 % de S. COBRE: Eleva la resistencia a la tensión y el límite elástico del acero. CROMO. Aumenta la dureza del acero formando carburos de gran dureza y fortaleciendo la ferrita. Eleva también la resistencia a la tensión, el límite elástico y la tenacidad. NÍQUEL. Es in gran fortalecedor de la ferrita, lo que se traduce en una mejoría de la tenacidad en los aceros, aumenta también la resistencia a la tensión y el límite elástico en los aceros. FÓSFORO. Durante mucho tiempo se le consideró como uno de los elementos más perjudiciales, sin embargo, investigaciones más recientes han demostrado que hasta un 0.08 % de Fósforo aumenta la dureza en los aceros. Produce fragilidad en frío y disminuye la plasticidad de la ferrita. En presencia del Cromo y el Cobre, que aumentan la tolerancia al fósforo, actúa como el carbono, aumentando la dureza, la resistencia ala tensión y el límite elástico, disminuyendo la tenacidad. MOLIBDENO. Aumenta la resistencia a la tensión, el límite elástico y la dureza en los aceros, manteniendo sus valores a temperaturas relativamente elevadas. Fortalece la ferrita, forma carburos muy duros, ejerce una acción favorable sobre los demás elementos de aleación que los acompañan.


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SILICIO. Eleva el límite elástico de los aceros, también eleva la resistencia al desgaste. TITANIO. En un porcentaje del orden del 0.1 al 0.2 %, afina el tamaño de grano y eleva el límite elástico de los aceros de refuerzo en la construcción que tienen bajos contenidos de Carbono. VANADIO. Ejerce una gran influencia en la limitación del crecimiento del grano, por lo que mejora la tenacidad de los aceros, también les proporciona una gran resistencia al sobrecalentamiento. PLOMO. Es casi insoluble en el hierro y cuando se adiciona a los aceros queda formando bolsas o glóbulos aislados que hacen quebradizo al acero. Mejora la maquinabilidad y combinado con el Azufre se obtienen aceros rápidos que permiten utilizar altas velocidades de corte. WOLFRAMIO, TUNGSTENO. Forma carburos muy estables y de gran dureza que se mantienen a temperaturas elevadas (hasta 600 ºC), aumenta la dureza del acero a temperaturas elevadas. BORO. Ejerce una gran influencia sobre la templabilidad del acero. En general no se indica el porcentaje de Boro que contiene el acero, sino solamente su presencia (trazas). NITRÓGENO. En pequeñas cantidades aumenta la dureza y la resistencia a la tensión de los aceros. En porcentajes apreciables tiene una influencia nociva haciendo duros y quebradizos a los aceros. Se emplea en tratamientos superficiales como la nitruración para formar con el hierro, nitruros que confieren gran dureza superficial a los aceros.

Productos de Acero para Concretos Reforzados.

Apartado B, Catálogo 1988 de la NOM (Norma Oficial Mexicana), DGN (Dirección General de Normas) y SECOFI (Secretaría del Comercio y Fomento Industrial). 1.- Varillas. a) Corrugadas y Lisas. b) Torcidas en frío. c) De baja aleación. 2.- Alambrón. 3.,- Alambre. a) Liso. b) Corrugado. 4.- Malla Soldada.


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5.- Armaduras Soldadas. a) Sección triangular. b) para castillos y dalas.

Número de la varilla.

Diámetro _________ de la varilla Pulgadas

Nominal _________ de la varilla Milímetros

Peso kg/ml

Área Nomi-

nal, cm2

Perímetro nominal en

cm

Número de varillas de 12 m por tonelada.

2 ¼ 6.3 0.248 0.32 1.99 por rollo

2.5 5/16 7.9 0.384 0.49 2.48 217

3 3/8 9.5 0.557 0.71 2.98 150

4 1/2 12.7 0.996 1.27 3.99 84

5 5/8 15.9 1.560 1.99 5.00 53

6 3/4 19.1 2.250 2.87 6.00 37

7 7/8 22.2 3.034 3.87 6.97 27

8 1 25.4 3.675 5.07 7.98 23

9 1 1/8 28.6 5.033 6.42 8.98 17

10 1 1/4 31.8 6.225 7.94 9.99 13

12 1 1/2 38.1 8.938 11.40 11.97 9

El número de la primera columna corresponde al número de octavos de pulgada que tiene de diámetro, por ejemplo: Varilla ¼ = varilla 2/8 = No. 2, Varilla 3/8 = No. 3, Varilla 5/16 = varilla 2.5 / 8 = No. 2.5. Nota: la varilla No. 2 es lisa, se llama alambrón y se expende por rollo. Para calcular el número de varillas por tonelada, se toma, por ejemplo el peso de la varilla por metro lineal y se multiplica por la longitud de cada varilla (la varilla de primera tiene una longitud de 12 metros y la de segunda es de 9 metros). Las marcas de calidad aparecen comúnmente cada cuatro metros.

Dependiendo de su composición química se pueden obtener aceros de distintas calidades, resistencias o grados de dureza. En México se tienen los siguientes. -Grado Estructural, fy = 2 530 kg/cm2. -Grado Intermedio, fy = 3 000 kg/cm2. -Grado Duro, Grado 40, fy = 4 200 kg/cm2. Grado 60, fy = 5 270 kg/cm2. Grado 75, fy = 5 620 kg/cm2. Los aceros de grado 60 y 75 (alta resistencia) son de uso relativamente reciente (se recomienda ver folleto IMCYC, Instituto mexicano del Cemento y el


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Concreto, “Aceros de Alta Resistencia” y el reporte ACI-439, American Concrete Institute). Grado 60, contenido de C menor o igual al 0.40 %. Grado 75, contenido de C menor o igual al 0.60 % y Fósforo < 0.62 %. En los aceros con un contenido de C > 0.35 %, deberán cuidarse los empalmes soldados, utilizando los electrodos adecuados y la técnica indicada, lo mismo que para los aceros terminados o torcidos en frío.

Principales Fabricantes de Acero Para Refuerzo.

Los autorizados para utilizar el sello oficial NOM, registrados con el denominado Sello Oficial de Garantía (SOG); - Altos Hornos de México, S.A. (AHMSA)) - Hojalata y Lámina, S.A. (HYLSA) - SICARTSA (Siderúrgica Lázaro Cárdenas las Truchas, S.A.) - Aceros Ecatepec, S.A. - Industrias NYLBO, S.A. -Metalúrgica Veracruzana, S.A. Otras empresas que también fabrican acero para refuerzo son: - Aceros Jalisco, S.A. - Aceros San Luis, S.A. - Corrugados y Perfiles Comerciales, S.A. - Deacero, S.A. - Fundiciones de Hierro y Acero, S.A. - Siderúrgica de Yucatán, S.A. - Acero Preformado, S.A. - Aceros Nacionales, S.A.

Propiedades Mecánicas.

Módulo de Elasticidad o de Young. Es la relación entre el esfuerzo de tensión y la correspondiente deformación unitaria provocada en el tramo recto de la gráfica esfuerzo- deformación unitaria, en la zona de proporcionalidad, es decir donde se cumple la Ley de Hooke, hasta un punto antes del límite de fluencia (límite de proporcionalidad, yield point).

Trazar Gráfica Esfuerzo-Deformación Unitaria.


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Donde: L.P. Límite de proporcionalidad. Es el punto hasta el cual los esfuerzos son proporcionales a las deformaciones (tramo recto de la gráfica), a partir de él ya no son proporcionales (por ello la línea es semicurva). fy. Límite de fluencia. Ahí comienza a fluir el acero. fmáx. Máximo esfuerzo que soporta el acero. fruptura. Esfuerzo de ruptura del acero. Zona plástica. Al retirar la carga que produjo la deformación en ésta zona, el acero no recupera su forma original. Zona Elástica. En esta zona al retirar la carga que produjo la deformación el acero recupera su forma original.

Documentar e incluir las Gráficas Esfuerzo-Deformación Unitaria Para los

Diferentes Grados de Acero de Refuerzo. El Módulo de Young o de Elasticidad es la tangente del tramo recto de la gráfica Esfuerzo-deformación Unitaria y es: Grado 40, E = 2 000 000 kg/cm2 Grado 60, E = 2 039 000 kg/cm2 Grado 75, E = 2 100 000 kg/cm2 Comercialmente el acero para refuerzo del concreto, se expende de la manera siguiente: a) En forma de barras o varillas se sección circular y corrugadas ( las corrugaciones son protuberancias que salen del cuerpo principal de la barra y sirven para aumentar la adherencia entre el acero y el concreto. Todas las varillas, con excepción del alambrón No. 2, tienen corrugaciones). b) Mallas de alambrón o acero soldado. Se ha comenzado a generalizar el uso de mallas como refuerzo de losas, muros y algunos prefabricados. Estas mallas están formadas por alambres unidos por puntos de soldadura en los cruces o intersecciones. El acero e del tipo trabajado en frío, con esfuerzo de fluencia del orden de 5 000 kg/cm2. El espaciamiento entre las varillas varía entre 30, 40 o 50 cm en cada sentido de la retícula y los diámetros de las mismas varían de 2 a 7 milímetros aproximadamente, se expenden por hojas o rollos. El acero empleado en la construcción de estructuras prefabricadas, pre-tensadas o post-tensadas es de resistencia francamente superior a los aceros ya descritos. Su límite de resistencia (resistencia última) está entre 14 000 y 22 000 kg/cm2 y su límite de fluencia definido por el esfuerzo correspondiente a una deformación permanente del 0.002, está entre 12 000 y 19 000 kg/cm2. Algunas formas de corrugaciones en varillas de refuerzo: En X. Costillas perpendiculares al eje. En espiral. Inclinadas. Todas las corrugaciones están debidamente especificadas en cuanto al ancho y alto, separación entre ellas, forma, etc.


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Pruebas de Laboratorio Realizadas al Acero de Refuerzo para Concreto.

- Pruebas de tensión (obtención de la gráfica Esfuerzo-Deformación Unitaria, Módulo de Elasticidad) - Pruebas de doblado. - Determinación física de características.

Aceros Terminados en Frío. Son aquellos aceros que después de su laminación se someten a un proceso físico en frío que consiste en un torcimiento en frío de la barra combinado con un ligero alargamiento, lo que origina una ordenación cristalina que da por resultado la elevación de la resistencia y su gráfica esfuerzo-deformación unitaria, para las pruebas de tensión en aceros, pierden totalmente su zona de proporcionalidad y fluencia, característica fundamental en los aceros a base de composición química por lo tanto el término “límite de fluencia” para este tipo de aceros no tiene sentido y se determina sólo para comparación de calidad con otros aceros (generalmente por el método de la línea paralela a la gráfica). En México, Aceros Ecatepec S.A. fabrica aceros TOR 60 con un fy = 6 000 kg/cm2, en estos aceros deberá tenerse especial cuidado en los empalmes o traslapes soldados y deberán seguirse las instrucciones de fábrica.

Documentar e incluir la Gráfica Esfuerzo- Deformación Unitaria de los Aceros TOR.

SOLDADURA.

Recientemente la soldadura ha llegado a ser el método más común de unir entre sí componentes metálicos de estructuras debido a que las conexiones soldadas son eficientes, económicas y limpias. La soldadura por fusión es un proceso de unir metales mediante la aplicación de calor. En la soldadura de arco, este calor se produce mediante un arco eléctrico entre los materiales que se van a unir y un electrodo. El intenso calor generado por el arco eléctrico funde el metal base de las piezas a soldar y el electrodo, al dejar de aplicar el calor el metal se enfría y se obtiene una conexión continua. El electrodo es una varilla de metal con un recubrimiento que se funde durante el proceso de soldado, aportando así metal a la junta. El recubrimiento al quemarse forma un escudo gaseoso que protege al arco eléctrico de las impurezas de la atmósfera y también actúa así como un fundente que permite que las impurezas floten hasta la superficie del metal fundido. Existen dos tipos básicos de juntas soldadas: juntas de traslape y juntas a tope. Las demás formas son variaciones de estas dos.

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