Propiedades del Acero y Ensayos de Materiales: Resistencia, Ductilidad y Tenacidad

Ventajas y Desventajas del Acero

El acero es un material fundamental en la construcción y la industria, pero como todo material, presenta una serie de ventajas y desventajas que deben considerarse:

Ventajas del Acero:

• Alta resistencia.
• Construcción rápida y con opción a desmontaje.
• Prefabricación.
• Mayor ductilidad.
• Mayor precisión.
• Valorización (posibilidad de reciclaje y reutilización).

Desventajas del Acero:

• Corrosión (requiere protección).
• Menor estabilidad frente al fuego (pierde resistencia a altas temperaturas).
• Mayor coste inicial en algunos casos.
• Mayor esbeltez (lo que puede llevar a inestabilidad o pandeo si no se diseña adecuadamente).
• Mantenimiento periódico y continuado.
• Fatiga (susceptible a fallas por cargas cíclicas).

Diferencia entre el Método de Ritter y el Método de Nudos

En el cálculo de estructuras, especialmente en celosías, se utilizan diferentes métodos para determinar las fuerzas internas en las barras:

• El método de nudos consiste en desmontar una estructura, dibujando por separado los diagramas de los sólidos libres de cada una de las partes, y aplicar las condiciones de equilibrio de cada una de ellas. Es útil para calcular todas las fuerzas en una estructura.
• En cambio, el método de Ritter o método de secciones permite calcular directamente la tensión de una barra determinada sin necesidad de obtener la de las barras restantes. Es ideal cuando solo se necesita conocer la fuerza en una o pocas barras específicas.

Ensayo de Tracción

El ensayo de tracción es una prueba fundamental para caracterizar las propiedades mecánicas de los materiales:

Consiste en someter a una probeta normalizada a un esfuerzo axial de tracción creciente hasta que se produce la rotura de la probeta. Este ensayo mide la resistencia de un material a una fuerza estática o aplicada lentamente.

Parámetros clave del Ensayo de Tracción:

• Fy: Límite elástico (punto a partir del cual el material comienza a deformarse plásticamente).
• Fu: Carga unitaria o resistencia a la tracción (carga máxima que el material puede soportar antes de la rotura).
• Emax: Deformación bajo carga máxima.
• Eu: Deformación permanente de la rotura.
• E: Módulo elástico o Módulo de Young (medida de la rigidez del material en la zona elástica).

Ductilidad del Acero

La ductilidad es una propiedad crucial en el diseño de estructuras, especialmente en zonas sísmicas:

La ductilidad nos indica la capacidad de almacenamiento de energía de deformación del acero antes de la fractura. Se relaciona con la capacidad del material para deformarse plásticamente sin romperse.

En el diagrama esfuerzo-deformación del acero, se distinguen dos zonas principales:

• Zona elástica (representada comúnmente en color rosa): Corresponde a la energía de deformación elástica, la cual es recuperable una vez que se retira la carga.
• Zona plástica (representada comúnmente en color morado): Corresponde a la energía de deformación plástica, la cual es no recuperable y resulta en una deformación permanente del material.

Factores que Influyen en la Tenacidad del Material

La tenacidad es la capacidad de un material para absorber energía y deformarse plásticamente antes de la fractura. Depende de varios factores:

• Temperatura: A menor temperatura, el material tiende a fragilizarse.
• Espesor del producto: Un mayor espesor puede fragilizar el material debido a mayores restricciones a la deformación plástica.
• Deformación previa: Los procesos de conformado en frío (endurecimiento por deformación) fragilizan el material.
• Clases de esfuerzo: Las cargas dinámicas o de impacto generan más roturas de tipo frágil que las cargas estáticas.
• Estado triaxial de tensiones: Los estados de doble y triple tracción (tensiones en múltiples direcciones) fragilizan el material.
• Condiciones de ejecución: Cambios bruscos de secciones, entalladuras y rebajes, entre otros, pueden actuar como concentradores de tensión y fragilizar el material.

Ensayo de Resiliencia (Ensayo Charpy)

El ensayo de resiliencia, también conocido como ensayo de Charpy, es utilizado para determinar la tenacidad de un material y su comportamiento frente a impactos:

1. Primero, se prepara una probeta de acero con una entalla en forma de V, creando así un plano de debilidad concentrador de tensiones.
2. A continuación, se deja caer un péndulo con forma de C que golpea a la probeta a una temperatura de ensayo determinada.
3. Por último, se determina si la superficie de falla corresponde a un tipo de rotura dúctil o frágil, observando la apariencia de la fractura.

La temperatura de transición es aquella en la que el acero pasa de presentar un comportamiento frágil a uno dúctil. Es un parámetro crítico para la selección de materiales en aplicaciones a bajas temperaturas.

Equivalencias de Unidades:

• 1 kp (kilopondio) o kg (kilogramo-fuerza) = 9,81 N (Newtons)
• 1 lb (libra-fuerza) = 0,454 kp
• 1 t (tonelada-fuerza) = 1000 kp
• 1 lb (libra-fuerza) = 4,448 N