Contenido de experto en archivos: el artículo conserva designaciones históricas, tablas y afirmaciones sobre la composición y propiedades mecánicas del acero, pero no es una norma válida, especificación de materiales, certificado, cálculo de construcción ni instrucción de pruebas y tratamiento térmico. Los valores de diseño dependen del tipo y lote de acero identificados con precisión, las condiciones de fabricación, el espesor, la temperatura, la soldabilidad, la tenacidad, la fatiga y la norma aplicable. El material del rodamiento debe tener documentación rastreable y ser seleccionado y controlado por un experto responsable.
Savo Kusić hoy se centra en ventanas de madera, ventanas de madera y aluminio, ventanas personalizadas, puertas y solicitudes de cotización. Este artículo queda como archivo histórico y no representa una oferta para la fabricación de refuerzo, diseño o ensayo de estructuras de acero.
Composición y marcas históricas del acero de construcción
Fundiendo minerales de hierro mezclados con combustibles y añadiendo impurezas, normalmente piedra caliza, así como introduciendo aire caliente a presión en un alto horno, se obtiene el arrabio. El arrabio contiene más de carbono 1,7%; no se puede forjar, laminar, cincelar ni prensar; por lo tanto, no se le puede dar forma de diversas formas. El hierro forjado se produce a partir de arrabio soplando aire en un convertidor básico, o a partir de chatarra y arrabio en un horno (horno Siemens-Martin). A partir de él se pueden crear varias formas laminando, presionando y forjando. Todo el hierro forjado se llama acero.
Tablas históricas: Los grados de acero, estándares, valores permitidos y procedimientos de doblado antiguos en las tablas que se muestran no deben usarse para obtener, identificar o dimensionar el material actual. Sólo son válidas la etiqueta y documentación del lote entregado, comprobando su equivalencia según la norma acordada y aplicable.
Composición química del acero de construcción
El hierro técnico no es hierro puro, sino una aleación de los elementos básicos hierro y carbono, generalmente con la adición de manganeso, silicio, fósforo, sumbo y cobre, y menos frecuentemente con aluminio, cromo, níquel, molibdeno, etc. La mezcla más importante es el carbono. El límite elástico y la resistencia a la tracción del acero fundido aumentan al aumentar el contenido de carbono hasta alcanzar aproximadamente 0,9% carbono; El alargamiento de rotura disminuye a medida que aumenta el contenido de carbono. El acero con un alto contenido de carbono debe manipularse con más cuidado al enderezar, doblar, pandear, etc.
St 37.12 contienen generalmente 0,08-0,15% carbono, luego alrededor de 0,5% manganeso y hasta 0,3% silicio. El contenido de fósforo y azufre debe ser bajo; asciende a 0,09% y 0,05% respectivamente. Como regla general, hay cobre por encima de 0,2%.
Al evaluar los resultados de los análisis químicos, se debe tener cuidado de si se trata de análisis de masas fundidas o de productos laminados; para este último, es importante si los datos de la muestra se refieren a muestras provenientes de toda la sección, o a muestras tomadas de un lugar específico (del núcleo, del borde, de un extremo).
Estructura de acero, endurecimiento, revenido y recocido
La observación de la estructura se realiza en superficies planas, cuidadosamente procesadas, esmeriladas y pulidas, que suelen estar corroídas por los ácidos. En determinados casos (p. ej., en acero sobrecalentado), los granos de acero se pueden reconocer a simple vista en muestras preparadas.
La imagen 1 muestra la estructura de un acero enfriado lentamente con un contenido de carbono de aproximadamente 0,1%, y la imagen 2 muestra la estructura de un acero enfriado lentamente con un contenido de carbono de aproximadamente 0,3%. Los granos ligeros no contienen carbono y se componen principalmente de hierro puro (de ahí el nombre de ferrita); Con un gran aumento, las áreas oscuras aparecen rayadas (perlita). Bajo el microscopio se puede reconocer que las manchas oscuras están formadas por capas más duras y más blandas; las capas más duras son carburo de hierro (Fe3C), llamado cementita, que está incrustado en la ferrita más blanda. Locales: los cristales formados a altas temperaturas se desintegran tras un enfriamiento gradual. El enfriamiento repentino del acero caliente evita que los cristales se desintegren. Si, por el contrario, se realiza un enfriamiento repentino antes de que comience la transformación de la solución sólida, entonces la solución, que de otro modo sólo puede existir a altas temperaturas, se mantendrá a temperatura ambiente. En este caso no obtenemos un material cuyo carbono esté distribuido en forma de manchas, sino un material con carbono distribuido uniformemente. El acero en esa condición muestra un límite elástico mucho mayor y una mayor resistencia a la tracción que el acero de enfriamiento lento de la misma composición química, pero también muestra menos maquinabilidad; dicho acero se llama acero endurecido.
Es natural que el efecto refrescante sea más pronunciado en las superficies, mientras que se debilita hacia el interior, lo cual es de gran importancia para el uso de acero. El acero endurecido contiene altas tensiones internas.
Procedimientos térmicos y de laboratorio: el grabado, calentamiento, templado y recocido con ácido metalográfico requieren un laboratorio o taller controlado, material identificado, equipo y protección adecuados. Un tratamiento térmico inadecuado puede provocar grietas, deformaciones, pérdida de tenacidad y elevadas tensiones residuales.
Comportamiento del acero durante los ensayos de tracción
1. Aceros estructurales ordinarios en estado laminado
A partir del ensayo de tracción, en primer lugar se puede determinar el módulo elástico E tanto para alargamientos totales como elásticos. El módulo de elasticidad del acero es 200 GPa.
Los alargamientos permanentes ocurren a bajos voltajes, pero no tienen particular importancia en la construcción. El acero ordinario comienza a “fluir” bajo cargas que para el acero de construcción comercial St 37 y el acero para hormigón I superan en su mayoría 0,24 GPa, y en secciones grandes este valor puede bajar a 0,18 GPa. Como resultado del flujo, se producen grandes deformaciones permanentes y “líneas de fluencia”. La línea del diagrama de alargamiento del acero (imagen a continuación) muestra que se ha excedido el límite elástico (en cargas de tensión, este límite también se denomina límite elástico).
Cuando, en el caso de vigas de hormigón armado, se excede el límite de estiramiento de la armadura en la zona de tracción, se producen alargamientos significativos en el acero, por lo que se crean grietas y curvaturas en la zona de tracción de la viga, lo que perjudica la capacidad de carga de la viga. En aceros con alto contenido de carbono, en aceros templados y en general en metales no ferrosos, el límite elástico característico mostrado en la imagen superior no aparece; los alargamientos permanentes generalmente aumentan y no hay un límite elástico definido. En tales casos, por regla general, se supone que el límite elástico es igual a la carga a la que se produce un alargamiento permanente de 0,2%.
Los valores no son datos de diseño: el módulo de elasticidad, el límite elástico, la resistencia y el alargamiento en el texto se transfieren de una fuente histórica. Para el cálculo se toman los valores característicos y de diseño de la clase moderna exacta, el espesor y el estado de entrega, junto con los factores parciales relevantes, las tolerancias y los requisitos de tenacidad, soldabilidad y fatiga.
2. Aceros estirados en frío
En cada varilla de acero que se endereza o dobla, se produce localmente acero estirado en frío. Al hacerlo, el acero se esfuerza localmente más allá del límite elástico; en la parte dibujada, se aumenta el límite de dibujo. Si una varilla de acero simple se carga en tensión hasta que se excede el límite elástico, al recargarla se observa que el valor del límite elástico ha aumentado. Cuanto más largo sea el intervalo de tiempo de “pausa” entre dos cargas, más aumentará el límite elástico.
Además, dado que durante el estiramiento en frío el diámetro también disminuye en proporción al alargamiento de la barra, el acero que estuvo expuesto a un estiramiento significativo antes de la prueba mostrará un límite elástico y una resistencia a la tracción significativamente mayores que el acero que no ha sido estirado; al mismo tiempo, mostrará menos resistencia al impacto.
El trefilado en frío se utiliza en la producción de aceros para hormigón IIb, IIIb y IVb (acero tor, mallas de construcción de acero), así como en la producción de alambres para armaduras pretensadas y cables para puentes colgantes.
Trabajo en frío y refuerzo: Las calificaciones y descripciones históricas de estirado en frío no son indicativas de un producto moderno. Doblar, enderezar, volver a doblar, soldar o calentar el refuerzo puede cambiar las propiedades y está permitido solo cuando lo permite la documentación del producto, el diseño y la norma aplicable.
Comportamiento del acero durante la prueba de presión
Lo dicho sobre la elasticidad y el límite de tracción del acero fundido se aplica en el sentido correspondiente a la carga de presión. Los valores del límite elástico del acero estructural (en el caso de presión se llama límite elástico) obtenidos durante el ensayo de compresión y el ensayo de tracción no difieren mucho. Sin embargo, bajo presión, un aumento de la carga más allá del límite de aplastamiento sólo es posible con elementos muy cortos.
Las leyes del pandeo se aplican a varillas delgadas. Al mismo tiempo, en primer lugar se deben tener en cuenta las suposiciones oportunas, ya sea que se refieran a la forma de apoyar y apretar los extremos de la varilla, o a desviaciones del eje de la varilla respecto de la posición establecida.
Elementos prensados: la resistencia del material por sí sola no determina la capacidad de carga de la varilla. En el cálculo del elemento de hormigón se deben incluir la esbeltez, curvatura inicial, tensiones residuales, pandeo local y global, apoyos, juntas e imperfecciones.
Comportamiento del acero en ensayo de flexión
En cuanto al límite elástico (observado desde el exterior por las grandes deflexiones de los soportes o por las líneas de fluencia), es importante que se produzca durante el ensayo de flexión con tensiones ligeramente inferiores pero superiores a las obtenidas al comprobar la resistencia a la tracción de la varilla de ensayo. Después de superar el límite elástico del acero en las zonas de tracción de los soportes, las cargas pueden aumentarse si los soportes están suficientemente asegurados contra pandeo o torsión.
Prueba de flexión: la foto muestra el procedimiento de laboratorio, no los criterios de aceptación del producto. La geometría de la muestra, los soportes, la velocidad, la temperatura, la dirección de laminación y los criterios de clasificación deben corresponder a la norma aplicada y al tipo exacto de acero.
Resistencia a la fatiga del acero
Las propiedades de resistencia determinadas durante pruebas ordinarias de tensión, compresión o flexión proporcionan información detallada sobre el comportamiento del acero bajo carga estática. Al mismo tiempo, se debe tener en cuenta que el límite elástico durante una carga estática a largo plazo será ligeramente inferior al límite obtenido mediante pruebas ordinarias hasta el fallo. Si a las cargas estáticas les siguen cargas frecuentes (por ejemplo, puentes, vías de grúa, vehículos), o si sólo actúan cargas frecuentes, entonces se pueden obtener datos sobre el material sólo basándose en su comportamiento en las condiciones que más se ajusten a las condiciones prácticas. Por lo tanto, los aceros para elementos de construcción, que estarán expuestos principalmente a cargas en movimiento, se prueban mediante cargas frecuentes.
La mayoría de las veces, las cargas estacionarias y en movimiento ocurren al mismo tiempo. Los siguientes ejemplos describen la esencia del problema. Varillas que se muestran en la imagen.1están hechos del mismo material y fundidos con la misma barra. La varilla inferior se dobla lentamente mediante una carga gradual; por lo tanto, podría doblarse. La varilla superior se somete repetidamente a cargas repetidas, con tensiones mucho más bajas que las que prevalecen en la primera varilla. Después de un tiempo, la varilla superior se rompió sin mostrar ninguna deformación permanente alrededor de la fractura. Según esto, el comportamiento del material en caso de falla depende significativamente de la forma en que se aplica la carga. El ejemplo dado, que se refiere a cargas de flexión, también es característico de otros tipos de cargas. en las fotos2y3se muestran ejemplos de ensayos de tracción; imagen2se refiere a un ejemplo simple de una prueba de lágrima, y la Fig.3a ensayos de tensión variable unidireccional.
En cuanto a la aplicación de estos hechos, es importante que, además del comportamiento mostrado durante el ensayo de desgarro ordinario, se evalúe especialmente el valor de un elemento constructivo que ha sido perforado o cuya sección ha sufrido otras modificaciones. La resistencia de una varilla perforada a cargas frecuentes es mucho menor que la resistencia de una varilla no perforada, ya que aparecen umbrales de voltaje en los bordes del orificio. La tensión en el borde del agujero, si es causada por cargas frecuentes, siempre será significativamente mayor que la tensión promedio. La consecuencia es que los elementos de construcción perforados bajo cargas frecuentes muestran mucha menos resistencia que los elementos no perforados.
Una nota final sobre la fatiga: el agrietamiento por fatiga puede ocurrir con tensiones inferiores a las que causan la deformación plástica visible. Los agujeros, las piezas soldadas, los cambios bruscos de sección, la corrosión y los daños cambian la categoría de las piezas y su vida. Las estructuras sometidas a cargas repetidas requieren un cálculo de fatiga especial, un plan de inspección y una evaluación experta de cada grieta detectada.