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Marco terico
El trmino acero sirve comnmente para denominar, en ingeniera
metalrgica, a una
mezcla de hierro con una cantidad de carbono variable entre el
0,03 % y el 2,14 % en
masa de su composicin, dependiendo del grado. Si la aleacin
posee una concentracin
de carbono mayor al 2,14 % se producen fundiciones que, en
oposicin al acero, son
mucho ms frgiles y no es posible forjarlas sino que deben ser
moldeadas.
VENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL
Alta resistencia
La alta resistencia del acero por unidad de peso implica que ser
relativamente bajo el
peso de las estructuras; esto es de gran importancia en puentes
de grandes claros, en
edificios altos y en estructuras con condiciones deficientes en
la cimentacin.
Elasticidad
El acero se acerca ms en su comportamiento a las hiptesis de
diseo que la mayora de
los materiales, debido a que sigue la ley de Hooke hasta
esfuerzos bastante altos. Los
momentos de inercia de una estructura de acero se pueden
calcular exactamente, en tanto
que los valores obtenidos para una estructura de concreto
reforzado son relativamente
imprecisos.
Durabilidad
Si el mantenimiento de las estructuras de acero es adecuado
durarn indefinidamente.
Investigaciones realizadas en los aceros modernos, indican que
bajo ciertas condiciones
no se requiere ningn mantenimiento a base de pintura.
Ductilidad
La ductilidad es la propiedad que tiene un material para
soportar grandes deformaciones
sin fallar bajo esfuerzos de tensin altos. Cuando se prueba a
tensin un acero dulce o con
bajo contenido de carbono, ocurre una reduccin considerable de
la seccin transversal y
un gran alargamiento en el punto de falla, antes de que se
presente la fractura. Un material
que no tenga esta propiedad por lo general es inaceptable y
probablemente ser duro y
frgil y se romper al someterlo a un golpe repentino.
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Tenacidad
Los aceros estructurales son tenaces, es decir, poseen
resistencia y ductilidad. Un
miembro de acero cargado hasta que se presentan grandes
deformaciones ser aun capaz
de resistir grandes fuerzas. sta es una caracterstica muy
importante porque implica que
los miembros de acero pueden someterse a grandes deformaciones
durante su fabricacin
y montaje, sin fracturarse, siendo posible doblarlos,
martillarlos, cortarlos y taladrarlos
sin dao aparente.
La propiedad de un material para absorber energa en grandes
cantidades se denomina
tenacidad.
DESVENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL
Corrosin
La mayor parte de los aceros son susceptibles a la corrosin al
estar expuestos al aire y al
agua y, por consiguiente, deben pintarse peridicamente. Sin
embargo, el uso de aceros
intemperizados para ciertas aplicaciones, tiende a eliminar este
costo.
Aunque los aceros intemperizados pueden ser bastante efectivos
en ciertas situaciones
para limitar la corrosin, hay muchos casos donde su uso no es
factible. En algunas de
estas situaciones, la corrosin puede ser un problema real. Por
ejemplo, las fallas por
corrosin fatiga pueden ocurrir si los miembros de acero se
someten a esfuerzos cclicos
y a ambientes corrosivos. La resistencia a la fatiga de los
miembros de acero puede
reducirse apreciablemente cuando los miembros se usan en
ambientes qumicos agresivos
y sometidos a cargas cclicas.
Susceptibilidad al pandeo
Cuanto ms largos y esbeltos sean los miembros a compresin, tanto
mayor es el peligro
de pandeo. En la mayora de las estructuras, el uso de columnas
de acero es muy
econmico debido a sus relaciones elevadas de resistencia a peso.
Sin embargo, en forma
ocasional, se necesita algn acero adicional para rigidizarlas y
que no se pandeen. Esto
tiende a reducir su economa.
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Fatiga
Otra caracterstica inconveniente del acero es que su resistencia
se puede reducir si se
somete a un gran nmero de inversiones del sentido del esfuerzo,
o bien, a un gran nmero
de cambios en la magnitud del esfuerzo de tensin. (Se tienen
problemas de fatiga slo
cuando se presentan tensiones.) En la prctica actual se reducen
las resistencias estimadas
de tales miembros, si se sabe de antemano que estarn sometidos a
un nmero mayor de
ciclos de esfuerzo variable, que cierto nmero lmite.
RELACIONES ESFUERZO-DEFORMACIN DEL ACERO ESTRUCTURAL
Para entender el comportamiento de las estructuras de acero, el
ingeniero debe estar
familiarizado con las propiedades de ste. Los diagramas
esfuerzo-deformacin presentan
informacin valiosa necesaria para entender cmo se comporta el
acero en una situacin
dada. No pueden desarrollarse mtodos satisfactorios de diseo, a
menos que se disponga
de informacin completa relativa a las relaciones
esfuerzo-deformacin del material que
se usa.
Si una pieza de acero estructural dctil se somete a una fuerza
de tensin, sta comenzar
a alargarse. Si se incrementa la fuerza de tensin a razn
constante, la magnitud del
alargamiento aumentar en forma lineal dentro de ciertos lmites.
En otras palabras, el
alargamiento se duplicar cuando el esfuerzo pase de 6 000 a 12
000 psi (pounds per
square inch; se usar lb/plg2). Cuando el esfuerzo de tensin
alcance un valor
aproximadamente igual a tres cuartos de la resistencia ltima del
acero, el alargamiento
comenzar a aumentar ms y ms rpidamente sin un incremento
correspondiente del
esfuerzo.
El mayor esfuerzo para el que todava es vlida la ley de Hooke o
el punto ms alto de la
porcin recta del diagrama esfuerzo-deformacin se denomina lmite
proporcional. El
mayor esfuerzo que un material puede resistir sin deformarse
permanentemente se llama
lmite elstico. Este valor rara vez se mide realmente y para la
mayora de los materiales
de ingeniera, incluido el acero estructural, es sinnimo del
lmite proporcional. Por esta
razn, se usa a veces el trmino lmite proporcional elstico.
El esfuerzo en el que se presenta un incremento brusco en el
alargamiento o deformacin
sin un incremento en el esfuerzo, se denomina esfuerzo de
fluencia. Es el primer punto
del diagrama esfuerzo-deformacin para el cual la tangente a la
curva es horizontal. El
esfuerzo de fluencia es para el proyectista la propiedad ms
importante del acero, ya que
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muchos procedimientos de diseo se basan en este valor. Ms all
del esfuerzo de fluencia
hay un intervalo en el que ocurre un incremento considerable de
la deformacin sin
incremento del esfuerzo. La deformacin que se presenta antes del
esfuerzo de fluencia
se denomina deformacin elstica; la deformacin que ocurre despus
del esfuerzo de
fluencia, sin incremento de esfuerzo, se denomina deformacin
plstica. Esta ltima
deformacin es generalmente igual en magnitud a 10 o 15 veces la
deformacin elstica.
La fluencia del acero sin esfuerzo puede parecer una seria
desventaja, pero en
realidad es una caracterstica muy til.
Despus de la deformacin plstica, existe un rango en el cual es
necesario un esfuerzo
adicional para producir deformacin adicional, a esto se le
denomina endurecimiento por
deformacin. Esta porcin del diagrama esfuerzo-deformacin no
resulta muy importante
para los proyectistas actuales porque las deformaciones son muy
grandes. En realidad, la
curva alcanza su esfuerzo mximo y luego disminuye poco a poco
antes de la falla. Se
presenta una marcada reduccin de la seccin transversal del
miembro (que se denomina
estriccin del elemento) justo antes de que el miembro se
fracture.
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En la figura siguiente se muestra un diagrama comn de
esfuerzo-deformacin para un
acero frgil. Desafortunadamente, la baja ductilidad o fragilidad
es una propiedad que por
lo general se asocia con la alta resistencia del acero (aunque
no necesariamente asociada
con los aceros de alta resistencia). Como es conveniente tener a
la vez alta resistencia y
gran ductilidad, el proyectista tendr que decidir entre los dos
extremos o buscar un
trmino medio entre ellos. Un acero frgil puede fallar
repentinamente, sin previo aviso,
cuando se sobrecargue y durante el montaje puede fallar debido a
los impactos propios
de los procedimientos de construccin.
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ACEROS ESTRUCTURALES MODERNOS
Aceros al carbono
Estos aceros tienen como principales elementos de resistencias
al carbono y al manganeso
en cantidades cuidadosamente dosificadas.
Aceros de alta resistencia y baja aleacin
Existe un gran nmero de aceros de este tipo clasificados por la
ASTM. Estos aceros
obtienen sus altas resistencias y otras propiedades por la
adicin, aparte del carbono y
manganeso, de uno a ms agentes de aleacin como el columbio,
vanadio, cromo, silicio,
cobre y nquel. Se incluyen aceros con esfuerzos de fluencia
comprendidos entre 40
klb/plg2 y 70 klb/plg2.
USO DE LOS ACEROS DE ALTA RESISTENCIA
Actualmente existen en el mercado ms de 200 aceros con esfuerzos
de fluencia mayores
de 36 klb/plg2. La industria del acero est experimentando ahora
con aceros cuyos
esfuerzos de fluencia varan entre 200 klb/plg2 y 300 klb/plg2, y
esto es slo el principio.
Mucha gente de esta industria cree que en unos cuantos aos se
dispondr de aceros con
fluencias de 500 klb/plg2.
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Ensayo a la traccin
Debido a la gran cantidad de informacin que puede obtenerse a
partir de este ensayo, es
sin duda alguna, uno de los test mecnicos ms empleados para el
acero. La versatilidad
del ensayo de traccin radica en el hecho de que permite medir al
mismo tiempo, tanto la
ductilidad, como la resistencia. El valor de resistencia es
directamente utilizado en todo
lo que se refiere al diseo. Los datos relativos a la ductilidad,
proveen una buena medida
de los lmites hasta los cuales se puede llegar a deformar el
acero sin llegar a la rotura.
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Al iniciarse el ensayo, el material se deforma elsticamente;
esto significa que si la carga
se elimina, la muestra recupera su longitud inicial.
Cuando el esfuerzo alcanza su mximo valor de resistencia a la
tensin, se forma en la
barra una estriccin o cuello, la cual es una reduccin
localizada
en el rea de la seccin transversal, en la que se concentra todo
el alargamiento
posterior.
Una vez formado este cuello, el esfuerzo disminuye al aumentar
la deformacin
y contina disminuyendo hasta que la barra se rompe.
FRACTURAS EN EL ACERO:
Es la separacin de un slido bajo tensin en dos o ms piezas. En
general, la fractura
metlica puede clasificarse en dctil y frgil. La fractura dctil
ocurre despus de una
intensa deformacin plstica y se caracteriza por una lenta
propagacin de la grieta. La
fractura frgil se produce a lo largo de planos cristalogrficos
llamados planos de fractura
y tiene una rpida propagacin de la grieta.
FRACTURA DCTIL
Esta fractura ocurre bajo una intensa deformacin plstica.
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La fractura dctil comienza con la formacin de un cuello y la
formacin de cavidades
dentro de la zona de estrangulamiento. Luego las cavidades se
fusionan en una grieta en
el centro de la muestra y se propaga hacia la superficie en
direccin perpendicular a la
tensin aplicada. Cuando se acerca a la superficie, la grieta
cambia su direccin a 45 con
respecto al eje de tensin y resulta una fractura de cono y
embudo.
FRACTURA PLANA:
La produccin de la rotura a lo largo de la superficie cnica
tiene su origen en el hecho
que a medida que el vrtice de la fisura plana en forma de disco
se acerca a la superficie
de la barra, se pierde triaxialidad de tensiones porque la
tensin normal a la superficie
libre es nula. Por lo tanto, la constriccin plstica disminuye y
consecuentemente las
tensiones de corte a 45 del eje se tornan preponderantes, lo que
conduce a la rotura
plstica a lo largo de tales planos.
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Objetivos del ensayo
- Determinar los esfuerzos de fluencia y rotura de una varilla
corrugada de acero
de 3/8 de dimetro.
- Determinar la deformacin unitaria de una varilla corrugada de
acero de 3/8 de
dimetro.
- Analizar el tipo de falla que se da en la varilla de
acero.
Materiales utilizados
Mquina de prueba universal.-
Varillas de acero y regla
Control del modelo terico matemtico
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Las varillas ensayadas son hechas de acero con especificacin
ASTM A615 grado 60,
con un esfuerzo de fluencia de:
Fy=4280 kg/cm2 como mnimo
Y una resistencia a la traccin de:
R=6320 kg/cm2
De acuerdo a las dimensiones de nuestra varilla, la fuerza en la
que se alcanza la fluencia
son los presentados en el acpite siguiente, donde nos muestra
los resultados de los dos
ensayos realizados en el laboratorio.
Prediccin del comportamiento estructural:
De acuerdo con el tipo de acero que tenemos; el comportamiento
estructural debera ser
el siguiente:
-La varilla debe mantenerse estable hasta alcanzar el esfuerzo
de fluencia.
-Una vez alcanzado el esfuerzo de fluencia, la varilla comienza
a estirarse sin un aumento
del esfuerzo.
-Alcanzado el esfuerzo de rotura, la varilla se rompe bajo una
falla dctil.
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Ensayos y clculos justificativos
Presentacin de datos de ensayo:
Sabiendo que el acero trabajado es el siguiente:
Los resultados de los ensayos son:
DATOS DE LAS BARRAS ENSAYADAS
Grado del acero (Ksi) 60
Longitud Inicial (cm) 15
Dimetro nominal (pulg) 3/8
rea nominal (cm2) 0.713
Fuerza de fluencia
(Kg)
Fuerza Mxima
(Kg)
Fuerza de
Rotura(Kg)
Longitud Inicial
(cm)
Longitud final
(cm)
ENSAYO 1 3200 5217 4242 15 17.1
ENSAYO 2 3200 5287 4260 15 17.4
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Resultados de los ensayos:
Esfuerzo de
fluencia
(Kg/cm2)
Esfuerzo
Mximo
(Kg/cm2)
Esfuerzo de
Rotura(Kg/cm2)
Variacion de
Longitud
(cm)
Deformacin
Unitaria
ENSAYO 1 4490.87 7321.52 5953.20 2.1 0.14
ENSAYO 2 4490.87 7419.75 5978.47 2.4 0.16
Esfuerzo de fluencia (Ksi) Esfuerzo Mximo (Ksi) Esfuerzo de
Rotura(Ksi)
ENSAYO 1 63.87 104.13 84.67
ENSAYO 2 63.87 105.53 85.03
Con ayuda del mdulo de Young del acero (29000 Ksi), podemos
realizar un bosquejo
del diagrama esfuerzo deformacin que aunque no vaya a ser exacto
ser de gran
explicacin tenerlo.
0
63.87
104.13
84.67
0
20
40
60
80
100
120
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16
Esfu
erzo
(K
si)
Deformacin Unitaria
Esfuerzo vs deformacin (ensayo N1)
0
63.87
105.53
85.03
0
20
40
60
80
100
120
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16
Esfu
erzo
(K
si)
Deformacin Unitaria
Esfuerzo vs deformacin(ensayo N2)
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Conclusiones y recomendaciones
- Determinar los esfuerzos de fluencia y rotura de una varilla
corrugada de acero
de 3/8 de dimetro.
- Determinar la deformacin unitaria de una varilla corrugada de
acero de 3/8 de
dimetro.
- Analizar el tipo de falla que se rotura en la varilla de
acero.
- A pesar de no contar con las deformaciones exactas, se puede
trazar un grfico
Esfuerzo vs Deformacin a grandes rasgos, con ayuda del mdulo de
Young,
para as tener idea del comportamiento del acero a la
traccin.
- Se ha comprobado que el esfuerzo de fluencia nominal de un
acero es menor que
el que se obtiene si se ensaya, demostrando as que dicho acero
cumple con su
especificacin y es apto a usar con el valor dado por la empresa
dedicada a la
fabricacin de este.
- Se aprendi a usar la maquina encargada del ensayo a traccin la
cual nos
servir en el futuro, si es que queremos comprobar de nuevo, las
propiedades de
un acero, que siempre se debe hacer, as sea la proveedora
confiable.
Deformacin unitaria del acero (izquierda), forma de rotura
(derecha)
-
Grupo de trabajo: Gonzalo, Alejandra, Guido y Carlos.
-
Universidad Nacional De San Agustn
Facultad
Ingeniera Civil
CURSO:
DISEO EN ACERO Y MADERA
Docente:
ING. FIDEL COPA
TRABAJO:
ENSAYO DE TRACCION EN BARRAS DE ACERO
PRESENTADO POR:
1. ARCE HUAHUCHAMPI, GONZALO MOISES
2. QUISPE LOPE, GUIDO
3. SANCHEZ YANCAPALLO, ALEJANDRA SOLEDAD
4. TICONA MAMANI, CARLOS ALBERTO
AREQUIPA PER-2015