1) Propiedades de los Aceros.

Corporación de Desarrollo
Tecnológico
SEMINARIO PUENTES: INNOVACIÓN Y
RESISTENCIA SÍSMICA
22 de marzo de 2012
Acero: Innovación y tendencias
Santiago Riveros
Magíster en Ciencias de la Ingeniería, ICHA.
www.cdt.cl
Corporación de Desarrollo Tecnológico
23 páginas
ACEROS PARA PUENTES
ING. SANTIAGO RIVEROS LOPEZ
MAGISTER CIENCIA DE LA INGENIERIA
2012
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Introducción.
• El MOP, indica que los aceros autorizados para la construcción de puentes,
serán de acuerdo a la norma AASHTO M270 (The American Association of State
Highway and Transportation Officials) en grados 36, 50,50W, HPS70W y
100/100W ó ASTM A 709 en grados 36,50,50W,HPS70W y 100/100W.
• Los aceros serán de resiliencia garantizada y se podrán usar aceros como
alternativas.
• La temperatura de ensayos ASTM A 709-95 y la Tabla 10.3.3 A de la norma
AASHTO se presenta en la Tabla 3.1003.801A, del Manual de Carreteras.
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Selección del material.
• Para uso estructural en puentes estos productos deben ser
manufacturados: cortar (a tamaño y forma), conformar en frío y
soldar un componente a otro. En la estructura, el material es
sometido a esfuerzos de tracción y compresión.
• Los tipos de aceros normales son:
i. Aceros al carbono (ASTM A36, límite de fluencia > 250 MPa).
ii. Aceros alta resistencia (ASTM A 572/A588 Gr.50, lim. Fluencia>350
MPa).
iii. Aceros tratados de baja aleación (ASTM A514/A709-HPS70W, Lím.
Fluencia >485 MPa).
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Selección del material.
Ventajas de los puentes de acero:
•Puede soportar cargas muy pesadas en largos tramos, con un peso
estructural (peso muerto) mínimo, lo que lleva a fundaciones más
pequeñas.
•El acero tiene la ventaja de una mayor velocidad de construcción, que
es vital. Muchos elementos pueden ser prefabricados y ser montados in
situ. Provoca pocas interrupciones en el tráfico urbano.
•Mayor eficiencia que las estructuras de hormigón para la resistencia
sísmica.
•La vida útil en puentes de aceros es mayor que la de puentes de
hormigón.
•Debido a la profundidad de la construcción superficial, los puentes de
aceros ofrecen una apariencia delgada, lo que los hacen estéticamente
atractivo.
•Todo esto conduce con frecuencia a los bajos costos del ciclo de vida.
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PUENTES DE ACERO EN CHILE
Puente FFCC Río Cachapoal (1889)
Puente Amolanas V Región (2000)
Viaducto del Malleco (1890)
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PUENTES FABRICADOS CON ACERO HPS 70 W U.S.A.
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1) Propiedades de los Aceros.
• Los aceros derivan sus propiedades: composición química, conformado
mecánico (deformación plástica) y tratamiento térmico.
• La composición química es fundamental para las propiedades del acero. El
carbono, manganeso, niobio y vanadio, son importantes adiciones.
Manteniendo un nivel bajo en la concentración de elementos como:
azufre, fósforo, hidrógeno, oxígeno, arsénico, estaño, bismuto, otros para
mejorar la ductilidad. La tenacidad es mejorada mediante la adición de
níquel. Por lo tanto, la composición química de cada acero tiene que ser
cuidadosamente controlada.
• La laminación en caliente (conformado mecánico) del acero permite
homogenizar e incrementar sus propiedades mecánicas. Los formatos y
dimensiones poseen tolerancias más bajas.
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1) Propiedades de los Aceros.
i.
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ii.
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•
•
•
•
Los tratamientos térmicos, incrementan la resistencia y la tenacidad de los
aceros, algunos de ellos son:
Aceros laminados en caliente (as- rolled ó sin tratamiento térmico).
Aceros laminados en caliente y normalizados (afinamiento del tamaño de
grano).
Aceros normalizados – laminados en frío.
Aceros con laminación controlada HSLA / TMCP (de última generación y de ultra
fino tamaño de grano)
Aceros templados-revenidos (QT)
Las propiedades de particular importancia para el diseñador puente incluyen:
Límite de fluencia.
Ductilidad.
Tenacidad impacto Charpy (Tenacidad a la Fractura K1c, cada vez más
importante)
Módulo de Elasticidad.
Coeficiente de Expansión Térmica.
Soldabilidad.
Resistencia a la corrosión.
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2) Especificaciones Estándares (Normas).
BS 5400: Parte 3, Capítulo 6, se describen propiedades de los materiales.
Se describen especificaciones para diseño de puentes y contiene las siguientes
cláusulas:
•General.
•Límite de Fluencia.
•Tracción UTS.
•Ductilidad.
•Resiliencia Impacto Charpy (V-notch).
•Propiedades de Acero.
•Razón Modular.
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2.1 General.
Todo nuevo acero para uso estructural en puentes debe ser "laminado en
caliente" fabricado a una norma CEN europea (EN). Estas normas se publican en el
Reino Unido por BSI. Los siguientes materiales normados por CEN son
importantes para la fabricación de puentes:
BS EN 10025 (Planchas y perfiles laminados) *.
• Parte 2 - Aceros no aleados estructurales.
• Parte 3 - Los aceros de grano fino (normalizado / normalizados-laminados frío).
• Parte 4 - Los aceros de grano fino (laminación controlada ó termomecánicos).
• Parte 5 – Aceros Resistentes a la Corrosión Atmosférica (Weathering Steel).
• Parte 6 - Aceros Templados y Revenidos (QT)
BS EN 10210 (perfiles tubulares estructurales) *
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2.2 Límite Fluencia (δy)
El límite de fluencia es la característica más importante que el diseñador
tendrá que utilizar.
Los aceros comunes de puente( BS EN 1002) son:
Los aceros de δy > 355 MPa se utilizan principalmente en aplicaciones de
puente en el Reino Unido debido a la relación costo-resistencia (comparado
con otros grados).
Algunos grados de mayor resistencia ofrecen otras ventajas.
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2.3 Resistencia a la Tracción (UTS).
La BS 5400-3 requiere que la tensión mínima especificada a la tracción en
planchas y perfiles de acero no debe ser inferior a 1,2 x la tensión de fluencia
nominal. Esto no suele ser un problema para los aceros, pero requiere un examen
más detallado para aceros de alta resistencia.
2.4 Alargamiento (Ductilidad).
• La ductilidad es de suma importancia para todos los aceros en aplicaciones
estructurales. El diseñador se basa en la ductilidad de una serie de aspectos del
diseño: la redistribución de la tensión en el estado límite último, el diseño
pernos en grupos, la reducción del riesgo de propagación de fisuras por fatiga, y
en los procesos de fabricación de soldadura, deformación (doblado) y alisado
(estirado), etc.
• La ductilidad tiende a disminuir con el incremento del límite de fluencia. La
ductilidad de una plancha de acero o de perfil laminado se mide en relación con
el comportamiento ya sea en el plano (paralelo o perpendicular a la dirección de
laminación) o perpendicular al plano del elemento (espesor). Las dos medidas
tienen un significado diferente para el diseñador.
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2.5 Tenacidad a la Entalladura.
Ensayo Impacto (Charpy).
• Los aceros siempre contiene algunas imperfecciones (por ejemplo
inclusiones no metálicas), aunque de tamaño muy pequeño. Cuando estén
sometidos a esfuerzos de tracción estas imperfecciones tienden a abrirse ó
propagarse. Si el acero no es lo suficientemente tenaz la imperfección se
propaga rápidamente, sin deformación plástica, se produce una grieta.
Esto se denomina “fractura frágil" y es motivo de especial preocupación
debido a la naturaleza repentina de fracaso (catastrófico).
• La tenacidad del acero y su capacidad de absorber, energía para resistir
este comportamiento, disminuye a medida que disminuye la temperatura.
Además, la tenacidad requerida, a cualquier temperatura dada, aumenta
con el espesor.
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2.5 Tenacidad a la Entalladura.
Ensayo Impacto (Charpy).
• El test Charpy con probeta entallada V-notch de impacto es el más usado
(de ahí el uso de la “tenacidad a la entalladura” en la BS 5400: Parte
3).En la norma americana corresponde a ASTM E 23.
• Las pruebas se especifican normalmente a -20 º C y el valor mínimo
requerido es por lo general 27Joules. Otras temperaturas y valores de
energía se especifican para los grados diferentes.
En las normas BS EN 10025 y BS EN 10210 hay cuatro diferentes códigos:
• J0: 27J energía de impacto a 0°C.
• J2: 27J energía de impacto a - 20°C.
• K2: 40J energía de impacto a -20°C
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2.5 Tenacidad a la Entalladura.
Ensayo Impacto (Charpy).
•La cláusula 6.5.4 de la BS 5400-3 - 2000 describe los requisitos para la
tenacidad a la entalladura en forma de una ecuación. Relaciona el espesor
máximo del acero teniendo en cuenta las variable:
i.La temperatura efectiva mínima sobre el puente.
ii.Grado de acero (límite de fluencia y tenacidad).
iii.Factor K
Por simplicidad, la BS 5400-3 - 2000 y Tabla 3 (c), fue derivada de la
ecuación en la cláusula 6.5.4, suponiendo un factor K =1.
Los valores en la Tabla siguiente se han derivado estrictamente de
acuerdo con la ecuación en la cláusula 6.5.4.
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2.5 Tenacidad a la Entalladura.
Ensayo Impacto (Charpy).
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2.6 Propiedades del Acero.
La cláusula 6.6 de la norma BS 5400-3 simplifica los conceptos a los siguientes:
• Módulo de Elasticidad, E = 205,000 N/mm2.
• Módulo de Corte, G = 80,000 N/mm2.
• Razón de Poisson, ν = 0.3
• Coeficiente de Expansión Térmica = 12 x 10-6 /°C
2.7 Condiciones de Suministro del Acero.
En algunas de las normas existe la posibilidad de elección, ya sea por el
fabricante o por el comprador. En la norma BS EN 10025: las partes 2 y 5 hay
tres grados diferentes. Estos son:
• + AR Laminado.
• + N normalizado o normalizado- laminado.
• + M laminación controlada (proceso termomecánico)
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2.8 Soldabilidad.
• Todos los aceros estructurales son esencialmente soldable. Sin embargo,
la soldadura implica localmente calentar el material que posteriormente
se enfría.
• El enfriamiento puede ser muy rápido, debido a que el material actúa
como 'disipador de calor’, la soldadura (calor introducido) es
relativamente pequeña.
• Esto puede llevar al endurecimiento de la "zona afectada de calor“(ZAT) y
la tenacidad reducida. Cuanto mayor es el espesor del material, mayor es
la reducción de la tenacidad.
• La susceptibilidad a la fragilización también depende de los elementos de
aleación, principalmente, pero no exclusivamente, del contenido de
carbono. Esta susceptibilidad puede ser expresada como el "valor de
carbono equivalente “(CEV).
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2.8 Soldabilidad.
• Normas de soldadura (por ejemplo, la norma BS EN 1011) indican cuando
precalentar, en su caso, es necesario para un espesor de material CEV
dado, y tamaño de la soldadura.
CEV = C + 1/6 Mn + (Cr+Mo)/5 + (Ni+Cu)/15 +…
• Las últimas normas CEN (BS EN 10025: 2004) especifican los límites
máximos del CEV, por lo que el diseñador no tiene que invocar una
"opción“. Tenga en cuenta también que Los aceros bajo la norma BS EN
10025: Parte 3 y 4 por lo general tienen un valor más bajo del CEV
(máximo) que la de los aceros de la norma BS EN 10025: Las partes 2 y 5.
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2.9 Resistencia a la corrosión.
• Todos los aceros estructurales, con la excepción de los de los aceros
resistentes a la corrosión atmosférica (Weathering Steel), tiene una
resistencia similar a corrosión atmosférica. En condiciones de exposición a la
intemperie necesitan ser protegidos por un recubrimiento. No hay requisitos
especiales del acero para un recubrimiento por spray, incluyendo tanto el
aluminio y zinc. Sin embargo, si el acero será galvanizado, entonces hay una
necesidad de controlar el contenido de la aleación (en particular el contenido
de silicio). Esto puede conseguirse simplemente mediante la especificación
de que el acero es "adecuado para la inmersión en caliente de zinc fundido ó
galvanizado” (véase la opción 5 en la norma BS EN 10025).
• Los aceros resistentes a la corrosión atmosférica durante un período de
tiempo, forman un revestimiento superficial de óxidos fuertemente
adheridas ó 'pátina' que inhibe la corrosión. Cuando se usan en ambientes no
muy agresivos (cuidad, rural e industrial) estos aceros no requieren
revestimiento superficial protector.
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Comportamiento de los aceros a la corrosión
atmosférica.
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