Acero Estructural: Propiedades, Historia y Diseño en Ingeniería Civil

Propiedades Fundamentales de los Materiales Estructurales

Tenacidad

La tenacidad es la propiedad de un material para absorber energía en grandes cantidades, caracterizándose por su resistencia y ductilidad.

Parámetros de Resistencia y Deformación

• Límite de Fluencia (o Cedencia): Es la deformación brusca de la probeta sin incremento de carga aplicada durante una prueba de tracción.
• Módulo de Elasticidad: Representa el grado de rigidez de un material y es el resultado de dividir su esfuerzo unitario entre su deformación unitaria correspondiente.
• Resistencia Última: Se refiere a las deformaciones que se acumulan en la parte central de la probeta hasta alcanzar el punto de ruptura.

Historia y Evolución de los Materiales en la Construcción

El Hierro en la Construcción

Las construcciones en hierro se inician en el siglo XIX. El primer puente de hierro colado fue construido en 1779.

Materiales Tradicionales vs. Hierro

Materiales usados anteriormente: piedra, madera, barro.

Diferencias del hierro con materiales tradicionales: Ofrece menos limitantes de diseño, mayor flexibilidad y permite grandes luces. Es un material más liviano en relación con las cargas que soporta.

Comportamiento del Acero como Material Estructural

Eficiencia del Acero bajo Esfuerzos

El acero es más eficiente bajo esfuerzos de tensión.

Fenómeno de Fatiga

Fatiga: Es el fenómeno de falla de una estructura debido a la repetición de cargas. Es crítica para elementos sometidos a tensión, donde se observan fisuras que crecen con la repetición de cargas hasta provocar la falla. No se presenta de la misma manera en compresión.

Tipos de Estructuras y Elementos de Acero

Estructuras de acero (estructuras estáticamente determinadas).

• Elementos a Tensión: (Ej. Contravientos). Son comunes en estructuras de acero por su ligereza, a diferencia de la madera.
• Elementos a Flexión: Vigas de acero.
• Elementos a Compresión: Columnas.
• Elementos a Flexo-compresión: Columnas.
• Uniones: Transmiten distintos tipos de fuerzas y momentos (pernadas y soldadas).

Métodos de Diseño Estructural (LRFD y ASD)

• LRFD (Load and Resistance Factor Design): Diseño por factor de carga y resistencia, buscando la menor probabilidad de fallo.
• ASD (Allowable Stress Design): Los miembros trabajan a la mitad de su esfuerzo admisible. Para cargas de servicio, la estructura trabaja a la mitad de la fluencia del acero. Este método no calcula la naturaleza del fallo de la misma manera que un diseño más avanzado.

Prueba de Tracción

La prueba de tracción permite determinar la deformación de un material en función de la fuerza aplicada.

Consideraciones de Diseño: Economía y Sismos

El uso de piezas más livianas es beneficioso por razones de economía y resistencia sísmica.

Comparación con la Madera

En la madera, las fuerzas se aplican en el sentido de la fibra.

Características y Ventajas del Acero

Contexto Histórico y Composición

Características del Acero como Material Estructural: Su uso masivo se inicia alrededor de 1850, producto de la Revolución Industrial. A mediados del siglo XIX, los materiales predominantes eran piedra, madera o barro. El hierro colado no prosperó como material de construcción a gran escala, aunque su uso fue anterior a 1850. El acero es hierro al que se le ha extraído carbono. Requiere más mantenimiento que el concreto. El primer puente de hierro (no acero) fue en Inglaterra. La diferencia principal entre hierro y acero es el contenido de carbono.

Representación del Comportamiento

El comportamiento del acero como material de construcción se representa mediante el diagrama esfuerzo-deformación.

Ventajas Clave del Acero

Ventajas del Acero: Posee una zona elástica más amplia. El concreto a tensión soporta apenas la décima parte de lo que resiste a compresión. El módulo de elasticidad del acero es significativamente mayor (E = 29,000,000 lbs/plg²; Fy = 36,000 lbs/plg²), mientras que en el concreto es de 3,000 a 4,000 lbs/plg², lo que indica que el acero resiste mucho más.

Contexto Histórico y Composición

Características del Acero como Material Estructural: Su uso masivo se inicia alrededor de 1850, producto de la Revolución Industrial. A mediados del siglo XIX, los materiales predominantes eran piedra, madera o barro. El hierro colado no prosperó como material de construcción a gran escala, aunque su uso fue anterior a 1850. El acero es hierro al que se le ha extraído carbono. Requiere más mantenimiento que el concreto. El primer puente de hierro (no acero) fue en Inglaterra. La diferencia principal entre hierro y acero es el contenido de carbono.

Representación del Comportamiento

El comportamiento del acero como material de construcción se representa mediante el diagrama esfuerzo-deformación.

Ventajas Clave del Acero

Ventajas del Acero: Posee una zona elástica más amplia. El concreto a tensión soporta apenas la décima parte de lo que resiste a compresión. El módulo de elasticidad del acero es significativamente mayor (E = 29,000,000 lbs/plg²; Fy = 36,000 lbs/plg²), mientras que en el concreto es de 3,000 a 4,000 lbs/plg², lo que indica que el acero resiste mucho más.

Contexto Histórico y Composición

Características del Acero como Material Estructural: Su uso masivo se inicia alrededor de 1850, producto de la Revolución Industrial. A mediados del siglo XIX, los materiales predominantes eran piedra, madera o barro. El hierro colado no prosperó como material de construcción a gran escala, aunque su uso fue anterior a 1850. El acero es hierro al que se le ha extraído carbono. Requiere más mantenimiento que el concreto. El primer puente de hierro (no acero) fue en Inglaterra. La diferencia principal entre hierro y acero es el contenido de carbono.

Representación del Comportamiento

El comportamiento del acero como material de construcción se representa mediante el diagrama esfuerzo-deformación.

Ventajas Clave del Acero

Ventajas del Acero: Posee una zona elástica más amplia. El concreto a tensión soporta apenas la décima parte de lo que resiste a compresión. El módulo de elasticidad del acero es significativamente mayor (E = 29,000,000 lbs/plg²; Fy = 36,000 lbs/plg²), mientras que en el concreto es de 3,000 a 4,000 lbs/plg², lo que indica que el acero resiste mucho más.