Ingenieria_Civil (9)

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Ingeniería Civil
Estructuras de Acero
MC J. Fernando Valdés Vázquez
Universidad 
de 
Guanajuato
EL ACERO
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1.- HISTORIA
1.1.- Clases de materiales
• Materiales ferrosos.- Son aquellos que 
contienen Hierro como elemento base, tales 
como: Hierro, acero inoxidable, fierro colado, 
ferroaleaciones, conglomerados férreos y los 
aceros.
• Materiales no ferrosos.- Son aquellos en cuya 
composición no se encuentra el hierro: como el 
cobre, zinc, plomo, estaño, aluminio, níquel y 
magnesio.
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D
E
M
A
T
E
R
I
A
L
E
S
C
L
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S
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1.2.-¿Cómo los identificamos 
físicamente?
Una forma de 
diferenciarlos 
físicamente es 
poniendo un imán, si el 
imán se acerca al 
material, es un material 
ferroso, esto sirve a 
excepción del acero 
inoxidable el cual no 
tiene propiedades 
magnéticas.
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2.- LAS PRIMERAS ESPADAS
• Ver video 01 (Espada de Hierro)
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2.1.- Fabricación del acero de damasco
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Los musulmanes
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2.2.- Espadas (Europeas VS Musulmanes)
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Para saber un poco más
Visita las siguientes paginas:
Videos:
o https://www.youtube.com/watch?v=CNuEDtnVd
eM&feature=youtu.be
o https://www.youtube.com/watch?v=V1vglkNYC
ms
Texto:
o http://www.tallerdeforja.net/?q=node/136
3.- ¿QUÉ ES EL ACERO?
– El acero es básicamente una aleación o
combinación de Hierro (Fe) y Carbono (C),
con un contenido de Carbono comprendido
entre 0.15% y 1.7% aproximadamente.
– Menos carbono nos da hierro forjado, más
carbono nos da hierro fundido.
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https://www.youtube.com/watch?v=CNuEDtnVdeM&feature=youtu.be
https://www.youtube.com/watch?v=V1vglkNYCms
http://www.tallerdeforja.net/?q=node/136
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3.1.-Obtención del acero
– El hierro no existe 
como elemento libre 
en la naturaleza. Se 
encuentra combinado 
(óxidos, silicatos, etc.)
– Los elementos 
principales para la 
obtención del acero 
son:
• Mineral de Hierro 
(Fe2O3)
• Coque
• Piedra caliza
• Aire
Aleación formada por:
Hierro 
+
Carbón Mineral 
(coque) 
+
Piedra Caliza
(carbonato de calcio)
+
Aire
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4.- FABRICACIÓN DEL ACERO
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4.1.- Los altos hornos
– Depósito troncocónico en el que se cargan desde 
arriba capas alternadas de mineral de hierro y coque
– Al quemarse el coque, libera monóxido de Carbono 
(CO)
– El CO se combina con los óxidos de hierro y los 
reduce a hierro metálico.
– La reacción química fundamental del alto horno es:
• Fe2O3 + 3 CO 3 CO2 + 2 Fe
– La caliza actúa como fundente, se combina con la 
Sílice que hay en el mineral y forma SiO3Ca de 
menor punto de fusión, formando una escoria que 
flota sobre el metal fundido.
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• El arrabio resultante tiene:
• un 92% de Fe (Hierro)
• entre un 3 y 4% de C (Carbono)
• entre 0.5% y 3% de Si (Silicio)
• entre 0.25% y 2.5% de Mn (Manganeso)
• entre 0.04% y 2% de Fósforo
• algunas partículas de Azufre
• Este producto no puede ser empleado en la 
industria, por su elevado contenido de 
“impurezas”.
• Hay que refinarlo.
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– Es el más versátil de todos los hornos para fabricar 
acero.
– Alcanza temperaturas de hasta 1930ºC y puede 
controlarse con mucha precisión.
– No se emplea combustible alguno, no se introduce 
impurezas.
– Se carga con chatarra de acero seleccionada. El 
resultado es un acero más limpio.
– Se forma un arco eléctrico entre los electrodos 
gigantes y la carga metálica, que produce un calor 
tremendo que funde la chatarra.
– Se inyecta oxígeno con una lanza para eliminar 
exceso de C, y se añaden elementos aleantes.
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4.2.- Horno de arco eléctrico
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4.3.- ¿Quieres saber más?
• Ver Video 02 (Proceso del acero AHMSA)
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5.- ALEACIONES
• Esta combinación (HIERRO + CARBONO) va 
acompañada de otros elementos de aleación.
• Además de carbono, la mayoría de los aceros 
contienen pequeñas cantidades de otros 
elementos para mejorar las propiedades 
mecánicas. Estos elementos de aleación pueden 
incluir: manganeso, fósforo, níquel y silicio. Los 
elementos de aleación de metal pueden 
aumentar la resistencia del acero sin reducir la 
ductilidad. Sin embargo, en comparación con el 
carbono, estos elementos son más caros.
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5.1.- Aleaciones
Elemento Efecto
COBRE Mejora la resistencia a la corrosión 
atmosférica.
MANGANESO Desoxidante, neutraliza el azufre, 
facilitando el trabajo en caliente. 
Mejora la resistencia.
SILICIO Se emplea como desoxidante y actúa 
como endurecedor en el acero de 
aleación.
FOSFORO Y 
AZUFRE
Perjudican la tenacidad del acero.
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6.- PROPIEDADES DEL ACERO
6.1.- PROPIEDADES
FISICAS
Propiedades metálicas, sus características son:
• buena ductilidad (o maleabilidad).
• conductividad térmica elevada.
• conductividad eléctrica elevada.
• brillo metálico.
• Resistencia a la corrosión.
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6.2.- Corrosión vs oxidación
Oxidación capa protectora 
(polvito naranja)
Corrosión (perdida del 
material)
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6.3.- Propiedades mecánicas del acero
• Elasticidad
- Es la propiedad de un material en virtud de la cual, las 
deformaciones causadas por la aplicación de una fuerza, 
desaparecen cuando cesa la acción de la fuerza. 
• Ductilidad
- La habilidad del metal para fluir plásticamente antes de fractura. 
(pueden deformarse sosteniblemente sin romperse). 
• Tenacidad
- Capacidad de absorber energía en un impacto.
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• Dureza
- Resistencia a ser “rayado” por otro cuerpo.
• Uniformidad
• Rigidez
• Fragilidad
• Resiliencia
- Es una magnitud que cuantifica la cantidad de
energía por unidad de volumen que almacena un
material al deformarse elásticamente debido a una
tensión aplicada.
• Soldabilidad
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4.4.- La fundidora
• Ver video 03: La Fundidora
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7.- LA MAQUINA UNIVERSAL
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7.1.- Resistencia a la tensión
• La prueba habitual para determinar las propiedades 
mecánicas del acero es la prueba de tensión directa. En 
el ensayo de tracción directa, una muestra de material 
(llamado una probeta ó hueso de perro) se tira 
lentamente en tensión hasta que se rompa.
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• La tensión en la probeta durante la prueba (f), se calcula 
como la fuerza de tensión aplicada (P), dividida por el 
área de la sección transversal, (A):� = ��
• La deformación en la probeta ( )(épsilon), se calcula 
como el cambio de longitud ( )(delta), dividida por la 
longitud de referencia, (L):=
• La figura anterior muestra la forma de la curva esfuerzo-
deformación para un acero estructural típico. El esfuerzo 
y la deformación en el acero comienzan a ceder y se 
designan Fy y y. Para esfuerzos menores a Fy, el 
acero es elástico; el esfuerzo y la deformación están 
relacionados por el módulo de Young de elasticidad, (E):� = �
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• Cuando el acero alcanza el Fy, pierde rigidez, 
pero mantiene su resistencia. Una vez que las 
deformaciones se hacen grandes, se produce el 
endurecimiento y la resistencia aumenta de 
nuevo. El esfuerzo cuando el acero alcanza su 
fuerza máxima se designa con Fu, las 
deformaciones muy grandes (10-20%) son 
requeridas para llegar al Fu.
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7.2.- Diagrama esfuerzo-deformación del 
acero
A
P
F 
L
L
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7.3.- Diagrama de esfuerzo 
deformación del acero
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7.4.- Relación esfuerzo-deformación
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7.5.- Ejemplo 1.1 Relación entre el 
esfuerzo y la deformación
• El área de la sección transversal de una probeta de 
acero es 1.0 in2, y la longitud de referencia es 3.0 in. 
Cuando se aplica una fuerza de tensión de 5.0 Kips, el 
cupón se extiende 0.00052 in.
• ¿Cuál es el esfuerzo en el material? 
• ¿Cuál es la deformación? 
• ¿Cuál es el módulo de elasticidad?
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Paso 1 - Calcule el esfuerzo
Suponiendo que el acero sigue siendo elástico, el 
esfuerzo es: � = �� = 5. ����. ��2 = 5. ��
Paso 2 – Calcule la deformación
La deformación es:= = . 5 ��. �� = . 7
Paso 3 – Calcule el módulo de elasticidad
Suponiendo que el acero sigue siendo elástico,el 
módulo de elasticidad es:� = � = 5. ��. 7 = 9, ���
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7.6.- Diagramas de diferentes aceros
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7.7.- Factores de
temperatura
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Capacidad de carga
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7.7.- Factores de
velocidad de carga
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8.- SOLDADURA
Soldabilidad: Aptitud de los metales a ser unidos
por soldadura
Tipos:
– Soldabilidad Operativa
• Condiciones en las que deben realizarse las uniones, para que no 
aparezcan defectos.
– Soldabilidad Metalúrgica
• Ligada a las transformaciones físico-químicas que sufre el metal 
base, durante el ciclo térmico de la soldadura.
– Soldabilidad Constructiva
• Debida a las propiedades de conjunto de las construcciones 
soldadas.
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• La soldabilidad de los aceros al Carbono depende, a la vez, del 
contenido de ese elemento y de las impurezas que pueda llevar 
bien en estado disuelto – sulfuros, fosfuros, nitruros – o bajo forma 
de inclusiones.
• Por regla general, cuantos más elementos de aleación, menor es la 
soldabilidad.
• Un parámetro que define de manera práctica la soldabilidad de un 
acero al carbono y aleado, es el Carbono Equivalente.
• Los aceros con Cev superiores a 0.45 son soldables pero hay que 
tener un cuidado especial.
• Los aceros con Cev > 0.35 requieren precalentamiento, por regla 
general.
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8.1.- Carbono equivalente
Cev = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Cu+Ni)/15
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8.2.- Efecto 
del 
carbono 
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8.3.- Resistencia vs ductilidad
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– CARBONO
• Elemento de mayor influencia en la soldabilidad de los 
aceros
 Cuando el enfriamiento es muy rápido, da lugar a zonas templadas, duras y 
frágiles, que pueden agrietarse en el enfriamiento
 Aceros con un contenido en C superior a 0.3% son difícilmente soldables
Con el %C tiende a:
Aumentar Disminuir
•El límite elástico
•La carga de rotura
•La dureza
•Ductilidad
•Tenacidad
•Soldabilidad
•Facilidad de mecanizado
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8.4.- Ventajas y desventajas
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9.- VARIEDADES DE ACERO 
ESTRUCTURAL
• Más de treinta tipos diferentes de acero se utilizan comúnmente en 
edificios, puentes y otras estructuras. Cada tipo de acero tiene la 
química y las propiedades únicas, pero todos ellos tienen menos de 
0.3% de carbono. Los aceros son llamados por su designación 
ASTM. Tres ejemplos son ASTM A36, ASTM A992 y ASTM A325. A 
veces, la designación proporciona información acerca de las 
propiedades del acero, pero por lo general la designación es sólo 
un nombre.
NOTA:
• La Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM) publica 
normas para diversos materiales. Para el acero, estas normas 
incluyen requisitos sobre la química y la fuerza.
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9.1.- Ejemplo 1.1 Acero ASTM A36
Acero A36 es el material estándar 
para las placas de acero y 
algunas formas. Para que un 
material sea clasificado como 
A36, debe tener un límite elástico 
de al menos 36 ksi y una 
resistencia final (después de 
endurecimiento por deformación) 
de al menos 58 ksi. Acero A36 
esta generalmente entre 0.25 a 
0.28% de carbono.
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9.2.- Ejemplo 1.2 Acero ASTM A992
Acero A992 es el material 
estándar para "vigas I" comunes. 
A fin de que el material sea 
clasificado como A992 debe tener 
un límite elástico de al menos 50 
ksi pero no mayor de 65 ksi. La 
relación del rendimiento de la 
resistencia última, no puede 
exceder de 0.85. A992 tiene 
menos de 0.23% de carbono, 
pero es más fuerte que A36 a 
causa de elementos de aleación.
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9.3.- Ejemplo 1.3 Acero ASTM A325
Acero A325 es un material 
estándar para pernos. Este 
material tiene menos de 0.30% de 
carbono, pero tiene una 
resistencia a la rotura de al 
menos 105 ksi. Este material es 
tratado al calor, para aumentar la 
resistencia, pero la ductilidad se 
pierde en el proceso.
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9.4.- Grafica de varios aceros 
estructurales 
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10.- DATOS DE PROPIEDADES
MECANICAS
• Módulo de Young
E = 200,000 Mpa
E = 2’040,000 Kg/cm2
E = 29,000 Ksi
• Modulo de Cortante
G = 787,500 Kg/cm2
G = 11,200 Ksi
• Módulo de Poisson
Elástico
n = 0.3 (aumento de volumen)
Plástico
n = 0.5 (volumen constante)
• Coeficiente de expansión térmica
• Peso Especifico del Acero
 LTTL Cx if  


 61025.11
385.7 m
Ton
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11.- NORMAS MEXICANAS
• Acero NOM-B-254 (ASTM A36)
 Esfuerzo de fluencia Fy = 2530 kg/cm2 (250 Mpa ó 36 ksi)
 Resistencia a la tensión Fu = 4200 kg/cm2 (415 Mpa ó 58 ksi)
 Módulo de elasticidad E = 2.04x106 kg/cm2 (200,000 Mpa ó 
29,000 ksi)
• Acero NOM-B-99 (ASTM A529 Grado 50)
 Esfuerzo de fluencia Fy = 3515 kg/cm2 (345 Mpa ó 50 ksi)
 Resistencia a la tensión Fu = 4920 kg/cm2 (485 Mpa ó 70 ksi)
 Módulo de elasticidad E = 2.04x106 kg/cm2 (200,000 Mpa ó 
29,000 ksi) 
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Designación de 
la ASTM
Tipo de Acero Formas Usos Recomendados Esfuerzo mínimo 
de fluencia 
Fy, en ksi.
Resistencia mínima 
especificada 
a la tensión 
Fu en ksi.
A36 Al carbono Perfiles, barras y 
placas
Edificios, puentes y otras 
estructuras atornilladas 
o soldadas 
36, pero 32 si su 
espesor es 
mayor de 8”.
58-80
A529 Al carbono Perfiles y placas 
hasta de 
½”
Similar al A36 42-50 60-100
A572 Columbio-vanadio de alta 
resistencia y baja 
aleación 
Perfiles, placas y 
barras 
hasta de 
6”.
Construcción soldada o 
atornillada. No para 
puentes soldados con 
Fy grado 55 o mayor
42-65 60-80
A242 De alta resistencia baja 
aleación y resistente a 
la corrosión 
Perfiles, placas y 
barras 
hasta de 
6”.
Construcciones atornilladas, 
soldadas o 
remachadas; técnica 
de soldado muy 
importante.
42-50 63-70
A588 De alta resistencia, baja 
aleación y resistente a 
la corrosión 
atmosférica
Placas y barras 
hasta de 
4”
Construcción atornillada 42-50 63-70
A852 Aleación templada y 
revenida
Placas y barras 
hasta de 
4”
Construcción soldada o 
atornillada, 
principalmente para 
puentes y edificios 
soldados. Proceso de 
soldadura de 
importancia 
fundamental.
70 90-110
A514 Baja aleación templada y 
revenida
Placas solo de 
2.5 a 6”
Estructura soldada con gran 
atención a la técnica; 
no se recomienda si la 
ductilidad es 
importante
90-100 100-130
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12.- INFORMATIVO
• Revisar las siguientes paginas de Internet.
• http://apta.com.es/otua/otuaesp.html
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http://apta.com.es/otua/otuaesp.html
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INVESTIGAR
Los procesos de fabricación del acero.
Realizar resumen en su libreta.
Escanear o fotografiar (en buena calidad) la tarea 
realizada en su libreta y enviarla al correo 
electrónico.
Fecha de entrega: 17-Ago-16.
Tarea No. 01
13.- TAREAS
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Tipos de pruebas mecánicas para determinar las 
propiedades del acero
INVESTIGAR
Tensión
Compresión
Dureza Brinell
Dureza Rockwell
Pruebas de Impacto
Pruebas de doblado
Tarea No. 02
http://www.monografias.com/trabajos12/pruemec/pruemec.shtml
http://www.monografias.com/trabajos12/pruemec/pruemec.shtml
http://www.monografias.com/trabajos12/pruemec/pruemec.shtml
http://www.monografias.com/trabajos12/pruemec/pruemec.shtml