Las propiedades del acero estructural son el resultado tanto de su composición química como de su método de fabricación, incluyendo el procesamiento durante la misma. Las normas de producto definen los límites de la composición, la calidad y el rendimiento, y los diseñadores de estructuras utilizan o suponen estos límites. En este artículo se repasan las principales propiedades que interesan al proyectista y se indican las normas correspondientes a determinados productos. La especificación de las estructuras de acero se trata en otro artículo.
Stress - Strain graph.png
Propiedades de los materiales requeridas para el diseño
Las propiedades que necesitan ser consideradas por los diseñadores cuando especifican productos de construcción de acero son:
- Resistencia
- Dureza
- Ductilidad
- Soldadura
- Durabilidad.
Para el diseño, las propiedades mecánicas se derivan de los valores mínimos especificados en la norma del producto correspondiente. La soldabilidad viene determinada por el contenido químico de la aleación, que se rige por los límites de la norma del producto. La durabilidad depende del tipo de aleación: acero al carbono ordinario, acero para intemperie o acero inoxidable.
Factores que influyen en las propiedades mecánicas
El acero obtiene sus propiedades mecánicas de una combinación de composición química, tratamiento térmico y procesos de fabricación. Aunque el principal componente del acero es el hierro, la adición de cantidades muy pequeñas de otros elementos puede tener un efecto notable sobre las propiedades del acero. La resistencia del acero puede aumentar con la adición de aleaciones como el manganeso, el niobio y el vanadio. Sin embargo, estas adiciones de aleaciones también pueden afectar negativamente a otras propiedades, como la ductilidad, la tenacidad y la soldabilidad.
La minimización del nivel de azufre puede mejorar la ductilidad, y la tenacidad puede mejorarse con la adición de níquel. Por lo tanto, la composición química de cada especificación de acero se equilibra cuidadosamente y se comprueba durante su producción para garantizar que se consiguen las propiedades adecuadas.
Los elementos de aleación también producen una respuesta diferente cuando el material se somete a tratamientos térmicos que implican el enfriamiento a una velocidad prescrita desde una temperatura máxima determinada. El proceso de fabricación puede incluir combinaciones de tratamiento térmico y trabajo mecánico que son de importancia crítica para el rendimiento del acero.
El trabajo mecánico tiene lugar cuando el acero se está laminando o formando. Cuanto más se lamina el acero, más fuerte se vuelve. Este efecto es evidente en las normas de los materiales, que tienden a especificar niveles decrecientes de límite elástico con el aumento del espesor del material.
El efecto del tratamiento térmico se explica mejor si se hace referencia a las distintas rutas del proceso de producción que pueden utilizarse en la fabricación del acero, siendo las principales:
- Acero laminado
- Acero normalizado
- Acero laminado normalizado
- Acero laminado termomecánicamente (TMR)
- Acero templado y revenido (Q&T).
El acero se enfría al ser laminado, con una temperatura típica de acabado de laminación de unos 750°C. El acero que se deja enfriar de forma natural se denomina material «laminado». La normalización tiene lugar cuando el material laminado se calienta de nuevo a unos 900°C y se mantiene a esa temperatura durante un tiempo determinado, antes de dejarlo enfriar de forma natural. Este proceso refina el tamaño del grano y mejora las propiedades mecánicas, en concreto la tenacidad. El laminado normalizado es un proceso en el que la temperatura está por encima de los 900°C una vez finalizado el laminado. Esto tiene un efecto similar al del normalizado en las propiedades, pero elimina el proceso adicional de recalentamiento del material. Los aceros normalizados y laminados normalizados tienen una designación «N».
El uso de acero de alta resistencia puede reducir el volumen de acero necesario, pero el acero tiene que ser resistente a las temperaturas de funcionamiento, y también debe mostrar suficiente ductilidad para soportar cualquier propagación de grietas dúctiles. Por lo tanto, los aceros de mayor resistencia requieren una mayor tenacidad y ductilidad, que sólo pueden lograrse con aceros limpios de bajo carbono y maximizando el refinamiento del grano. La aplicación del proceso de laminación termomecánica (TMR) es una forma eficaz de conseguirlo.
El acero laminado termomecánicamente utiliza una química particular del acero para permitir una temperatura de acabado de laminación más baja, de alrededor de 700°C. Se requiere una mayor fuerza para laminar el acero a estas temperaturas más bajas, y las propiedades se conservan a menos que se recaliente por encima de 650°C. El acero laminado termomecánicamente tiene una designación «M».
El proceso del acero templado y revenido comienza con un material normalizado a 900°C. Se enfría rápidamente o se «templa» para producir un acero de gran resistencia y dureza, pero de baja tenacidad. La tenacidad se restablece recalentándolo a 600°C, manteniendo la temperatura durante un tiempo determinado y dejando que se enfríe de forma natural (revenido). Los aceros templados y revenidos tienen una designación «Q».
El temple consiste en enfriar un producto rápidamente por inmersión directa en agua o aceite. A menudo se utiliza junto con el revenido, que es un tratamiento térmico de segunda etapa a temperaturas inferiores al rango de austenización. El efecto del revenido es ablandar las estructuras previamente endurecidas y hacerlas más resistentes y dúctiles.
Time - Temperature Rolling Chart 1.png
Resistencia
Resistencia a la cesión
La resistencia a la cesión es la propiedad más común que el diseñador necesitará, ya que es la base utilizada para la mayoría de las normas dadas en los códigos de diseño . En las normas europeas para los aceros estructurales al carbono (incluidos los aceros resistentes a la intemperie), la designación principal se refiere al límite elástico, por ejemplo, el acero S355 es un acero estructural con un límite elástico mínimo especificado de 355 N/mm².
Las normas de producto también especifican el rango permitido de valores para la resistencia a la tracción final (UTS). El UTS mínimo es relevante para algunos aspectos del diseño.
Aceros laminados en caliente
Para los aceros al carbono laminados en caliente, el número citado en la designación es el valor del límite elástico para el material de hasta 16 mm de espesor. Los diseñadores deben tener en cuenta que el límite elástico se reduce al aumentar el espesor de la chapa o la sección (el material más fino se trabaja más que el grueso y el trabajo aumenta la resistencia). Para los dos grados de acero más comunes utilizados en el Reino Unido, los límites elásticos mínimos especificados y la resistencia a la tracción mínima se muestran en la tabla siguiente para los aceros según la norma BS EN 10025-2 .
| Grado | Resistencia a la tracción (N/mm2) para un espesor nominal t (mm) | Resistencia a la tracción resistencia a la tracción (N/mm2) para el espesor nominal t (mm) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| t ≤ 16 | < t ≤ 40 | < t ≤ 63 | < t ≤ 80 | < t ≤ 100 | < t ≤ 150 | |
| S275 | 275 | 265 | 255 | 245 | 410 | 400 |
| S355 | 355 | 345 | 325 | 470 | 450 | |
El anexo nacional del Reino Unido de la norma BS EN 1993-1-1 permite utilizar el valor mínimo de fluencia para el espesor concreto como límite elástico nominal (característico) fy y la resistencia mínima a la tracción fu como resistencia última nominal (característica).
Se dan valores similares para otras calidades en otras partes de la norma BS EN 10025 y para los perfiles huecos según la norma BS EN 10210-1.
Aceros conformados en frío
Existe una amplia gama de calidades de acero para aceros en banda adecuados para la conformación en frío. Los valores mínimos de límite elástico y resistencia a la tracción se especifican en la norma de producto correspondiente BS EN 10346.
La norma BS EN 1993-1-3 tabula los valores del límite elástico básico fyb y de la resistencia a la tracción final fu que deben utilizarse como valores característicos en el diseño.
Aceros inoxidables
Los grados de acero inoxidable se designan mediante un «número de acero» numérico (como 1.4401 para un acero austenítico típico) en lugar del sistema de designación «S» para los aceros al carbono. La relación tensión-deformación no tiene la clara distinción de un punto de fluencia y los valores de «fluencia» de los aceros inoxidables se citan generalmente en términos de una resistencia a la prueba definida para una deformación permanente determinada (convencionalmente la deformación del 0,2%).
Las resistencias de los aceros inoxidables estructurales más utilizados oscilan entre 170 y 450 N/mm². Los aceros austeníticos tienen un límite elástico menor que los aceros al carbono de uso común; los aceros dúplex tienen un límite elástico mayor que los aceros al carbono comunes. Tanto para los aceros inoxidables austeníticos como para los dúplex, la relación entre la resistencia a la rotura y el límite elástico es mayor que para los aceros al carbono.
La norma BS EN 1993-1-4 tabula los valores nominales (característicos) del límite elástico fy y de la resistencia última a la tracción mínima fu para los aceros según la norma BS EN 10088-1 para su uso en el diseño.
Dureza
Image of V-notch impact test piece.jpg
La naturaleza de todos los materiales es contener algunas imperfecciones. En el acero estas imperfecciones toman la forma de grietas muy pequeñas. Si el acero no es suficientemente resistente, la «grieta» puede propagarse rápidamente, sin deformación plástica, y dar lugar a una «fractura frágil». El riesgo de fractura frágil aumenta con el grosor, la tensión de tracción, los elevadores de tensión y a temperaturas más frías. La tenacidad del acero y su capacidad para resistir la fractura por fragilidad dependen de una serie de factores que deben tenerse en cuenta en la fase de especificación. Una medida conveniente de la tenacidad es el ensayo de impacto Charpy V-notch (véase la imagen de la derecha). Este ensayo mide la energía de impacto necesaria para romper una pequeña muestra con muescas, a una temperatura determinada, mediante un único golpe de impacto de un péndulo.
Las diferentes normas de producto especifican valores mínimos de energía de impacto para diferentes subgrados de cada grado de resistencia. Para los aceros estructurales no aleados, las principales designaciones de los subgrados son JR, J0, J2 y K2. Para los aceros de grano fino y los aceros templados y revenidos (que suelen ser más resistentes, con una energía de impacto mayor) se utilizan diferentes designaciones. En la siguiente tabla se ofrece un resumen de las designaciones de tenacidad.
| Estándar | Subgrado | Resistencia al impacto | Temperatura de ensayo | BS EN 10025-2 BS EN 10210-1 |
JR | 27J | 20oC |
|---|---|---|---|
| J0 | 27J | 0oC | |
| J2 | 27J | -20oC | |
| K2 | 40J | -20oC | |
| BS EN 10025-3 | N | 40J | -20oc |
| NL | 27J | -50oc | BS EN 10025-4 | M | 40J | -20oc |
| ML | 27J | BS EN 10025-5 | J0 | 27J | 0oC |
| J2 | 27J | -20oC | K2 | 40J | -20oC |
| J4 | -40oC | ||
| J5 | 27J | -50oC | |
| BS EN 10025-6 | Q | 30J | -20oc | QL | 30J | -40oc |
| QL1 | 30J | -60oc |
Para aceros de calibre fino para conformación en frío, no se especifican requisitos de energía de impacto para el material de menos de 6 mm de espesor.
La selección de una subrasante apropiada, para proporcionar una tenacidad adecuada en situaciones de diseño, se da en la norma BS EN 1993-1-10 y su asociada UK NA. Las normas relacionan la temperatura de exposición, el nivel de tensión, etc., con un «espesor límite» para cada subrasante de acero. La norma PD 6695-1-10 contiene útiles tablas de consulta y en la norma ED007 se ofrecen orientaciones sobre la selección de una subrasante adecuada.
Estas normas de diseño se desarrollaron para estructuras sujetas a fatiga, como puentes y estructuras de soporte de grúas, y se reconoce que su uso para edificios en los que la fatiga desempeña un papel menor es extremadamente seguro.
La publicación P419 del SCI presenta límites de espesor de acero modificados que pueden utilizarse en edificios en los que la fatiga no es una consideración de diseño. Estos nuevos límites se han derivado utilizando exactamente el mismo enfoque detrás de las normas de diseño del Eurocódigo, pero reducen de manera crucial el crecimiento de grietas debido a la fatiga. Se utiliza la palabra «reducir», ya que suponer que no hay crecimiento en absoluto sería eliminar por completo el efecto de la fatiga. Se permite cierta fatiga (20.000 ciclos) basándose en la orientación indicativa de una norma DIN.
El término «cuasi-estático» cubriría tales estructuras – en realidad que puede haber algún ciclo limitado de carga, pero que normalmente no se consideraría – el enfoque de diseño es considerar todas las cargas como estáticas. La clave del nuevo enfoque es la fórmula para expresar el crecimiento de la grieta bajo 20.000 ciclos. Los expertos de la Universidad de Aquisgrán (que participaron en el desarrollo del Eurocódigo) proporcionaron esta expresión tan importante.
En un artículo técnico del número de septiembre de 2017 de la revista NSC se pueden consultar más antecedentes.
Los aceros inoxidables son, por lo general, mucho más resistentes que los aceros al carbono; los valores mínimos se especifican en la norma BS EN 10088-4. La norma BS EN 1993-1-4 establece que los aceros austeníticos y dúplex son adecuadamente resistentes y no son susceptibles de fractura frágil para temperaturas de servicio de hasta -40°C.
Ductilidad
La ductilidad es una medida del grado en que un material puede deformarse o alargarse entre el inicio de la fluencia y la eventual fractura bajo carga de tracción, como se demuestra en la figura siguiente. El diseñador se basa en la ductilidad para varios aspectos del diseño, como la redistribución de la tensión en el estado límite último, el diseño del grupo de pernos, la reducción del riesgo de propagación de grietas por fatiga y en los procesos de fabricación de la soldadura, el doblado y el enderezado. Las distintas normas para los grados de acero de la tabla anterior insisten en un valor mínimo de ductilidad, por lo que las hipótesis de diseño son válidas y, si se especifican correctamente, el diseñador puede estar seguro de su adecuado rendimiento.
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Soldadura
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(Imagen cortesía de Mabey Bridge Ltd)
Todos los aceros estructurales son esencialmente soldables. Sin embargo, la soldadura implica la fusión local del acero, que posteriormente se enfría. El enfriamiento puede ser bastante rápido porque el material circundante, por ejemplo la viga, ofrece un gran «disipador de calor» y la soldadura (y el calor introducido) suele ser relativamente pequeño. Esto puede provocar un endurecimiento de la «zona afectada por el calor» (ZAC) y una reducción de la tenacidad. Cuanto mayor sea el espesor del material, mayor será la reducción de la tenacidad.
La susceptibilidad a la fragilidad también depende de los elementos de aleación, principalmente, pero no exclusivamente, del contenido de carbono. Esta susceptibilidad puede expresarse como el «Valor Equivalente de Carbono» (CEV), y las diversas normas de producto para los aceros al carbono ofrecen expresiones para determinar este valor.
La norma EN 10025 establece límites obligatorios para el CEV para todos los productos de acero estructural cubiertos, y es una tarea sencilla para aquellos que controlan la soldadura asegurarse de que las especificaciones del procedimiento de soldadura utilizado están calificadas para el grado de acero apropiado, y el CEV.
Otras propiedades mecánicas del acero
Otras propiedades mecánicas del acero estructural que son importantes para el diseñador incluyen:
- Módulo de elasticidad, E = 210.000 N/mm²
- Módulo de cizallamiento, G = E/ N/mm², a menudo tomado como 81.000 N/mm²
- Relación de Poisson, ν = 0,3
- Coeficiente de expansión térmica, α = 12 x 10-6/°C (en el rango de temperatura ambiente).
Durabilidad
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(Imagen cortesía de Hempel UK Ltd.)
Otra propiedad importante es la prevención de la corrosión. Aunque existen aceros especiales resistentes a la corrosión, normalmente no se utilizan en la construcción de edificios. La excepción es el acero resistente a la intemperie.
El medio más común para proporcionar protección contra la corrosión al acero de construcción es la pintura o el galvanizado. El tipo y el grado de protección del recubrimiento requerido depende del grado de exposición, la ubicación, la vida útil del diseño, etc. En muchos casos, en situaciones de sequedad interna no se requieren revestimientos de protección contra la corrosión, salvo una protección adecuada contra el fuego. Existe información detallada sobre la protección contra la corrosión del acero estructural.
Acero resistente a la intemperie
El acero resistente a la intemperie es un acero de alta resistencia y baja aleación que resiste a la corrosión mediante la formación de una «pátina» protectora adherida, que inhibe la corrosión posterior. No es necesario ningún revestimiento protector. Se utiliza mucho en el Reino Unido para los puentes y se ha utilizado en el exterior de algunos edificios. También se utiliza para elementos arquitectónicos y estructuras escultóricas como el Ángel del Norte.
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Acero inoxidable
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El acero inoxidable es un material altamente resistente a la corrosión que puede ser utilizado estructuralmente, especialmente cuando se requiere un acabado superficial de alta calidad. A continuación se indican los grados adecuados para la exposición en entornos típicos.
El comportamiento de tensión-deformación de los aceros inoxidables difiere del de los aceros al carbono en varios aspectos. La diferencia más importante es la forma de la curva de tensión-deformación. Mientras que el acero al carbono suele presentar un comportamiento elástico lineal hasta el límite de fluencia y una meseta antes de que se produzca el endurecimiento por deformación, el acero inoxidable tiene una respuesta más redondeada sin un límite de fluencia bien definido. Por lo tanto, los límites elásticos de los aceros inoxidables se definen generalmente para una deformación permanente determinada (convencionalmente el 0,2% de deformación), como se indica en la figura de la derecha, que muestra curvas experimentales típicas de tensión-deformación para los aceros inoxidables austeníticos y dúplex comunes. Las curvas mostradas son representativas de la gama de materiales que probablemente se suministren y no deben utilizarse en el diseño.
| Descripción | Grado | Mínimo 0.2% de resistencia a la prueba (N/mm2) | Resistencia máxima a la tracción (N/mm2) | Alargamiento a la rotura (%) | Aceros austeníticos básicos al cromo-níquel | 1.4301 | 210 | 520 – 720 | 45 | 1.4307 | 200 | 500 – 700 | 45 | Aceros austeníticos al molibdeno-cromo-níquel | 1.4401 | 220 | 520 – 670 | 45 |
|---|---|---|---|---|
| 1.4404 | 220 | 520 – 670 | 45 | |
| Aceros dúplex | 1.4162 | 450 | 650 – 850 | 30 |
| 1.4462 | 460 | 640 – 840 | 25 | |
Las propiedades mecánicas se aplican a la chapa laminada en caliente. Para la chapa laminada en frío y en caliente, las resistencias especificadas son entre un 10 y un 17% superiores.
| BS EN ISO 9223 Clase de corrosión atmosférica | Entorno exterior típico | Acero inoxidable adecuado |
|---|---|---|
| C1 (Muy baja) | Desiertos y zonas árticas (humedad muy baja) | 1.4301/1.4307, 1.4162 |
| C2 (Baja) | Zonas áridas o poco contaminadas (rurales) | 1.4301/1.4307, 1.4162 |
| C3 (Media) | Zonas costeras con bajos depósitos de sal Zonas urbanas o industrializadas con contaminación moderada |
1.4401/1.4404, 1.4162 (1.4301/1.4307) |
| C4 (Alta) | Ambiente urbano e industrializado contaminado Zonas costeras con depósitos de sal moderados Entornos viales con sales de deshielo |
1.4462, (1.4401/1.4404), otros dúplex más altamente aleados o austeníticos |
| C5 (Muy alto) | Ambientes industriales severamente contaminados con alta humedad Ambientes marinos con alto grado de depósitos de sal y salpicaduras |
1.4462, otros dúplex más aleados o austeníticos |
Los materiales adecuados para una clase superior pueden utilizarse para las clases inferiores pero podrían no ser rentables. Los materiales dentro de los paréntesis podrían considerarse si se acepta cierta corrosión moderada. La acumulación de contaminantes corrosivos y cloruros será mayor en lugares protegidos; por lo tanto, podría ser necesario elegir un grado recomendado de la clase de corrosión inmediatamente superior.
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- NA+A1:2014 a BS EN 1993-1-1:2005+A1:2014, Anexo Nacional del Reino Unido al Eurocódigo 3: Diseño de estructuras de acero Normas generales y normas para edificios, BSI
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- BS EN 10346:2015 Productos planos de acero con revestimiento continuo en caliente para conformación en frío. Condiciones técnicas de entrega. BSI
- BS EN 1993-1-3:2006 Eurocódigo 3: Diseño de estructuras de acero. Reglas generales – Reglas suplementarias para miembros y chapas conformadas en frío, BSI.
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- BS EN 10025-4: 2019, Productos laminados en caliente de aceros estructurales, Parte 4: Condiciones técnicas de entrega para aceros estructurales de grano fino soldables laminados termomecánicos, BSI
- BS EN 10025-5: 2019, Productos laminados en caliente de aceros estructurales, Parte 5: Condiciones técnicas de entrega para aceros estructurales con resistencia mejorada a la corrosión atmosférica, BSI
- BS EN 10025-6: 2019, Productos laminados en caliente de aceros estructurales, Parte 6: Condiciones técnicas de entrega para productos planos de aceros estructurales de alto límite elástico en estado templado y revenido, BSI
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