El Acero Estructural en El Concreto Armado

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EL ACERO ESTRUCTURAL EN EL CONCRETO ARMADO1. INTRODUCCION:El acero es una aleacin basada en hierro, que contiene carbono y pequeas cantidades de otros elementos qumicos metlicos. Generalmente el carbono representa entre el 0.5% y el 1.5% de la aleacin. El acero utilizado en estructuras (barras y cables) es un material apto para resistir solicitaciones traccionantes, lo que lo convierte en el componente ideal para combinarse tcnicamente con el concreto simple, con el que conforma el concreto armado y el concreto preesforzado.

Adems, el acero en barras est en capacidad de resistir eficientemente solicitaciones de cortante y de torsin, aunque por su costo mucho ms elevado que el del concreto simple, el porcentaje volumtrico del acero dentro del concreto armado y del concreto preesforzado es relativamente pequeo (generalmente entre 0.5% y 3%, dependiendo del elemento estructural).

Corrugado en las varillas de acero.Cuando est adecuadamente confinado o arriostrado, el acero en barras tambin es capaz de resistir adecuadamente las solicitaciones de compresin, aunque econmicamente no sea la solucin ms apropiada. El acero empleado en el concreto armado normalmente debe presentar resaltes (varillas corrugadas) , con excepcin del acero empleado en zunchos espirales, en cuyo caso puede ser liso. Comercialmente es distribuido en varillas con distintos dimetros nominales.

Seccin transversal y peso unitario de varillas de acero.Dimetro Nominal (mm) Seccin Peso por 2 Metro Lineal Transversal (cm ) (Kg/m)

8 10 12 14

0,50 0,79 1,13 1,54

0,39 0,61 0,88 1,20

1

16 18 20 22 25 28 30 35

2,01 2,54 3,14 3,80 4,91 6,16 7,07 9,62

1,57 1,98 2,45 2,97 3,83 4,80 5,51 7,50

Varillas desde 10 hasta 25 mm. de dimetro se las consigue directamente en el mercado, en longitudes de 6, 9 y 12 m., y a partir de ese dimetro se las fabrica bajo pedido. Varillas de menos de 10 mm. se las suele expender en rollos.

Varillas y rollos de acero.En el diseo se suelen escoger varias varillas de un mismo dimetro o combinaciones de dimetros de varillas para obtener las secciones transversales requeridas. 2. PROPIEDADES MECNICAS DEL ACERO: La descripcin ms completa de las propiedades mecnicas de los aceros (propiedades utilizadas en el diseo estructural) se la realiza mediante sus curvas esfuerzo deformacin bajo cargas de traccin, las mismas que varan dependiendo de la composicin qumica del material y de sus procesos de fabricacin. En el siguiente diagrama se presentan algunas curvas esfuerzo deformacin caractersticas de los aceros.

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Curvas esfuerzo-deformacin de los aceros estructurales.Algunos de los elementos que aparecen en las curvas esfuerzo deformacin sern discutidos a continuacin. a. RANGO DE COMPORTAMIENTO ELSTICO: Es el rango de esfuerzos, a partir de la carga nula, en que el acero se deforma por cargas de traccin, pero cuando se retira tal carga recupera su geometra inicial. En la curva esfuerzo deformacin ese rango coincide con la recta que parte desde el punto de esfuerzo y deformacin nulos.

Rango elstico del acero estructural.b. ESFUERZO DE FLUENCIA:

Se define como el esfuerzo bajo el cual el acero contina deformndose sin necesidad de incrementar las cargas de traccin. En el diagrama esfuerzo deformacin de los aceros tradicionales, la fluencia coincide con una recta horizontal o casi horizontal, a continuacin del rango elstico y un pequeo tramo de transicin. El

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esfuerzo asociado se identifica como Fy.

Zona de fluencia del acero estructural.Existen aceros estructurales, trabajados en fro para lograr una mayor resistencia, que no revelan la presencia de una zona de fluencia, en cuyo caso ASTM recomienda trazar una recta paralela a la de comportamiento elstico, que arranque en el eje de las deformaciones unitarias con una deformacin de 0.002. El punto de cruce de esa recta con la curva esfuerzo deformacin definir el esfuerzo terico de fluencia del material.

Esfuerzo de fluencia en aceros sin meseta de fluencia, segn ASTM.ACI, por su parte, especifica que si el esfuerzo de fluencia observado grficamente supera los 4200 Kg/cm2, el esfuerzo de fluencia deber obtenerse de la curva esfuerzo-deformacin para una deformacin unitaria de 0.0035. No se podr utilizar en diseo un esfuerzo de fluencia superior a 5500 Kg/cm2 , con excepcin del refuerzo en espiral, en cuyo caso podr llegar hasta 7000 Kg/cm2 preesfuerzo.

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Esfuerzo de fluencia en aceros segn ACI.c. RESISTENCIA A LA ROTURA:

Es el mayor esfuerzo que puede soportar el acero, previo al proceso de colapso del material. Dentro del diagrama esfuerzo deformacin del material el inicio del colapso queda identificado mediante el punto de mayor ordenada, que se representa Fr.

Resistencia a la rotura del acero de refuerzo.

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Resistencia a la rotura de cables de acero de preesfuerzo.El esfuerzo de rotura es siempre superior al esfuerzo de fluencia, para todo tipo de acero estructural. En concreto armado, la reserva de capacidad entre el esfuerzo de fluencia y el de rotura no es utilizada directamente en el diseo, debido a las grandes deformaciones que se requeriran para alcanzar ese esfuerzo mayor, por lo que se utiliza como elemento de diseo exclusivamente al esfuerzo de fluencia. d. MDULO DE ELASTICIDAD: Es la pendiente de la recta que identifica al rango elstico de comportamiento de los materiales, y en el caso del acero se representa :Es

Mdulo de elasticidad del acero de refuerzo.Numricamente el mdulo de elasticidad es el cociente entre el esfuerzo y la deformacin unitaria dentro del rango elstico.

.

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Es = / En los aceros estructurales slidos en barra o en perfil, utilizados en el concreto armado, prcticamente en todos los casos se tiene un nico mdulo de elasticidad, lo que en las curvas esfuerzo deformacin se refleja en la pendiente nica de los aceros con caractersticas diferentes . E s = 2'100000 Kg / cm2

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e. DUCTILIDAD: Igual que en el caso del concreto, existen dos maneras bsicas de medir la ductilidad: por deformacin y por energa de deformacin. La ductilidad por deformacin de los aceros estructurales utilizados en concreto armado fcilmente supera a diez.

Deformaciones de fluencia y ltimaDd

= u / y

Donde: Dd: u : y: ndice de ductilidad por deformacin Deformacin unitaria de rotura Deformacin unitaria de inicio de fluencia el

Para la especificacin del inicio de fluencia se simplifica el diagrama esfuerzo deformacin, eliminndose la zona de transicin entre rango de comportamiento elstico y la zona de fluencia.

La ductilidad por energa de deformacin de los aceros empleados en concreto armado generalmente supera a veinte.

Energa de deformacin elstica.

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Energa de deformacin ltimaDonde: Ded: Au: Ay: ndice de ductilidad por energa de deformacin Energa de deformacin unitaria de rotura Energa de deformacin unitaria de inicio de fluencia

OTRAS PROPIEDADES DEL ACERO: a. DENSIDAD:

La densidad del acero slido es de 7850 Kg/m3. b. RESISTENCIA A LA CORROSIN: Muchos aceros utilizados en estructuras requieren de una resistencia especfica a la corrosin, cuando van a estar expuestos a ambientes agresivos, para lo que es necesario que en el proceso de fundicin se incluyan componentes adicionales, especialmente nquel, con una proporcin entre 2 y 4% de la aleacin. Este tipo de aceros no se lo consigue en barras, en nuestro medio, pero se lo puede adquirir en perfiles importados, laminados en caliente.

Acero de refuerzo con corrosin

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Existen aceros resistentes al desgaste, que suelen utilizarse en estructuras con elementos mviles como puentes gras metlicos, que utilizan Manganeso entre un 10 y un 18% de la aleacin. La presencia de Nquel y Cromo en la aleacin permite la obtencin de aceros con propiedades combinadas como inoxidables y resistentes a ataques qumicos, o de gran resistencia, dureza y elasticidad.

COMPORTAMIENTO DEL CONCRETO ARMADOINTRODUCCIN: El concreto armado es un material estructural en el que se integran las propiedades del concreto simple y del acero de refuerzo. Para que se produzca ese trabajo integrado es necesario que ambos materiales bsicos estn ntimamente unidos e interaccionen a travs de las fuerzas de adherencia que se desarrollan en sus superficies de contacto.

Integracin del concreto y el acero de refuerzo.Con el objeto de favorecer esa adherencia, la superficie del acero debe ser rugosa por lo que estructuralmente se utilizan varillas de acero corrugado, y el concreto debe ser vibrado luego de ser colocado en los moldes.

Acero corrugado y concreto vibrado.

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Por aspectos de costo, el acero de refuerzo representa un pequeo porcentaje del volumen total del concreto armado de la estructura (generalmente alrededor del 2%, aunque en casos especiales puede superar el 5%). Para lograr un comportamiento unificado en el concreto armado (como si fuera un nico material), el concreto simple debe recubrir totalmente a las varillas de acero. EL PRINCIPIO DE COMPATIBILIDAD DE DEFORMACIONES: Debido a la integracin de los materiales (concreto simple y acero), cuando actan cargas sobre el concreto armado, las deformaciones en el acero son similares a las deformaciones del concreto simple que rodea a las varillas, hecho que ha sido verificado experimentalmente Inclusive cuando el concreto simple se fisura a causa de exceso de solicitaciones de traccin, en las zonas prximas a esas fisuras se cumple, en promedio, el principio de compatibilidad de deformaciones. EL PRINCIPIO DE NAVIER - BERNOULLI: En elementos estructurales de desarrollo lineal (vigas y columnas rectas y en arco), las secciones transversales planas antes de la deformacin permanecen planas luego de la deformacin .

Principio de Navier-Bern