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Desde los edificios que visitamos, hasta las casas en las que vivimos y las carreteras que recorremos, el acero estructural es un material de construcción versátil que ofrece resistencia estructural y versatilidad de fabricación.
Este artículo analiza más profundamente el acero estructural, su composición, características, usos y más. Para obtener información sobre grados específicos de acero estructural, consulte nuestra página de productos de acero estructural.
El acero estructural es una categoría regulada de acero que debe cumplir con los estándares de la industria para las tolerancias de composición y dimensionales. En México y Estados Unidos, ASTM International especifica y regula los grados de acero. De manera similar, Canadá y Europa tienen sus propios organismos reguladores y estándares. Si bien Leeco® Steel suministra una placa de acero CSA G40.21 y una placa de acero estándar EN, este artículo se centrará en los estándares de ASTM.
Hay una variedad de grados de acero estructural, siendo los más populares el ASTM A36 y el ASTM A572. Estos y otros grados de acero estructural se utilizan principalmente para construir bastidores de edificios y puentes. También se utilizan en la construcción de:
Según una investigación publicada por CANACERO, México consumió 28.5 millones de toneladas de acero en el 2023, un aumento del 14 % frente al 2022. Históricamente, el acero para fines de construcción representa el 50 % del consumo total anual de acero. Dado que la mayor parte del acero utilizado en la construcción es acero estructural, esto significa que México es un consumidor líder de acero estructural en América Latina.
Para comprender completamente en qué se diferencia el acero estructural del acero no estructural, como el acero utilizado en tanques de almacenamiento sobre el nivel del suelo, barcos o plataformas de camión, primero debemos observar la composición del acero estructural.
El acero se puede producir a partir del reciclaje de acero viejo o se puede fabricar a partir de materias primas. El proceso de convertir el acero reciclado en acero nuevo implica derretir el acero existente y refinarlo para que se ajuste a ciertas especificaciones. La producción de acero a partir de materias primas es un proceso mucho más largo.
El acero es una aleación compuesta de hierro y carbono, los cuales son abundantes, pero rara vez se encuentran en forma pura. Para producir acero a partir de materias primas, el hierro se extrae del mineral de hierro, que es rico en óxidos de hierro. En los Estados Unidos, la mayor parte del mineral de hierro se extrae de la taconita, que se encuentra en abundancia en Minnesota. El proceso de extracción tritura la taconita en una composición arenosa y utiliza imanes para separar el mineral de hierro (en forma de magnetita) de otros minerales y sustancias.
Si bien el hierro generalmente se considera duro y fuerte, el mineral de hierro crudo es lo suficientemente suave como para cortarlo con un cuchillo y un poco de fuerza. Es la adición de carbono lo que les da a las aleaciones a base de hierro su resistencia.
La forma más común de producir una aleación de hierro-carbono es mezclando coque, una forma de carbón rica en carbono, con mineral de hierro y aplicando calor hasta que el coque se encienda. Este intenso calentamiento hace que el coque pierda carbonos y se una a los oxígenos de los óxidos de hierro, dejando una mezcla de hierro y carbono. Este proceso se conoce como reducción.
Después de la reducción, el material contiene aproximadamente un 4 % de carbono. Luego, se somete a procesos adicionales de calentamiento y enfriamiento para reducir la cantidad de carbono, lo que hace que el material sea más duro y fuerte. El material se convierte en acero una vez que el contenido de carbono cae por debajo del 2.1 % del peso del material. Para producir acero estructural, el carbono debe reducirse aún más hasta que su composición sea de solo el 0.05 al 0.25 %..
El resultado final es el acero estructural, que cuenta con una alta relación resistencia-peso, es 100 % reciclable y tiene un precio económico. Hay muchos grados de acero estructural, todos los cuales difieren ligeramente en composición. Estas composiciones desempeñan un papel importante en la determinación del material necesario para cualquier proyecto dado.
Alternativamente, el acero puede procesarse adicionalmente, a través de tratamientos adicionales de calentamiento y enfriamiento y/o la adición de aleaciones tales como cromo, molibdeno y titanio, para aumentar la dureza. Estos procesos afectan la fragilidad general, en la mayoría de los casos, lo que hace que el material resultante no sea ideal para el uso estructural.
A continuación. se presenta la composición de algunos grados populares de acero estructural: ASTM A36, ASTM A572 y ASTM A514. Otros grados de acero estructural tienen composiciones similares, pero también pueden tener aleaciones adicionales o haber sido sometidos a procesamiento adicional.
| Calidad | Carbono | Manganeso | Fósforo máx. | Azofuro máximo | Silicio |
|---|---|---|---|---|---|
| A36 | 0,25-0,29 % | 0,80-1,20 % | 0,030 % | 0,030 % | 0,15-0,40 % |
| A572 | 0,21-0,26 % | 1,35-1,65 % | 0,030 % | 0,030 % | 0,15-0,40 % |
| A514* | 0,10-0,21 % | 0,40-1,50 % | 0,15-0,80 % |
*El A514 también contiene cromo, molibdeno, titanio, vanadio y boro.
La principal diferencia en la composición entre el acero estructural y no estructural es la presencia de aleaciones adicionales que aumentan la dureza, pero también aumentan la fragilidad. En algunos casos, las aleaciones adicionales aún producen acero de grado estructural, pero en otros casos, el acero producido es demasiado quebradizo para usarse en capacidades estructurales.
Más allá de la composición química, la fluencia y la resistencia a la tensión ayudan a determinar el grado de acero y la aplicación general.
La resistencia a la fluencia es el punto máximo de tensión en el que el material cambiará de forma permanentemente. Por ejemplo, cuando salta de un trampolín, el trampolín se dobla naturalmente para absorber su peso y energía, pero una vez que salta del trampolín, el trampolín volverá a su forma original.
La resistencia a la fluencia del trampolín sería el punto en el que se dobla por debajo del peso y la energía, y permanece doblado permanentemente incluso después del salto del saltador.
La fluencia es una característica importante del acero estructural, que debe tener cierta elasticidad para absorber el peso. En puentes, por ejemplo, la resistencia a la fluencia es el peso máximo que el puente puede soportar antes de sufrir daños permanentes.
La resistencia a la tensión es el punto en el que se romperá el material doblado. En nuestro ejemplo del trampolín, este es el peso y la energía que se necesitaría para quebrar el trampolín.
El alargamiento es el porcentaje de longitud que un material estirado aumenta antes de quebrarse. En nuestro ejemplo del trampolín, este sería el porcentaje que aumenta la longitud del trampolín antes de romperse. El alargamiento se utiliza para medir la ductilidad o la capacidad de un material para estirarse antes de que se vuelva débil o quebradizo.
A continuación, se muestra un gráfico que muestra los límites de fluencia y tensión de tres tipos de acero estructural común. Estos límites se miden en libras por pulgada cuadrada (“psi”) o kilolibras por pulgada cuadrada (“ksi”), como se muestra a continuación. A veces también se hace referencia a ellos en megapascales.
| Calidad | Límite de elasticidad | Límite de tracción |
|---|---|---|
| A36 | 36 ksi | 58-80 ksi |
| A572-50 | 50 ksi | 65 ksi |
| A514 | 90-100 ksi* | 100-130 ksi* |
*El límite de fluencia y resistencia a la tensión para el ASTM A514 depende del grosor
Estas métricas son fundamentales para los ingenieros a medida que planifican el material necesario para un proyecto en particular.
Algo especialmente importante en las estructuras es su capacidad para absorber energía. Los materiales quebradizos solo pueden absorber una baja cantidad de energía antes de fracturarse o fallar. El acero estructural combina resistencia con ductilidad, lo que le permite absorber grandes cantidades de energía antes de fallar.
La prueba de impacto Charpy, denominada así por Georges Charpy, quien estandarizó la prueba de impacto, utiliza un péndulo de martillo pesado para medir la cantidad de energía que puede absorber un tipo de acero. La prueba va un paso más allá y prueba los impactos a temperaturas variables. Esto es importante para las estructuras a base de acero que están al aire libre bajo temperaturas extremas.
Las pruebas Charpy son bastante comunes para proyectos de acero estructural. Una pequeña muestra del acero, conocida como cupón, se corta de la placa maestra y se lleva a un laboratorio independiente para su análisis. Los resultados indican a los ingenieros si el material es adecuado para su proyecto.
A la hora de elegir las materias primas para la construcción de edificios, los ingenieros suelen tener en cuenta factores como la resistencia y la constructibilidad. Con su resistencia, maquinabilidad y ductilidad, el acero estructural es uno de los materiales más comunes utilizados en la construcción de edificios comerciales e industriales.
Los altos límites de tensión y la adición de aleaciones de fortalecimiento garantizan que las piezas de acero estructural sean lo suficientemente fuertes como para soportar el estrés de un edificio sin romperse. Los rascacielos, por ejemplo, a menudo se construyen de acero estructural debido a la resistencia del material. En comparación con otros materiales comunes de construcción de edificios, como el hormigón, el acero es un material fuerte, pero relativamente más liviano, utilizado para construir bastidores de edificios altos.
La maquinabilidad del acero estructural permite a los constructores de edificios soldar o atornillar el material en una variedad de formas. Dos aplicaciones comunes del acero utilizado en la construcción de edificios son las secciones estructurales, que representan aproximadamente el 25 % del acero utilizado en edificios, y las barras de refuerzo, que representan aproximadamente el 44 % del acero utilizado en edificios.
En áreas propensas a terremotos, la ductilidad es una propiedad importante del acero estructural en los materiales utilizados para la construcción de edificios. La alta ductilidad permite que los bastidores de acero estructural se estiren y se muevan bajo la tensión de un terremoto, lo que hace que el edificio sea menos propenso a sufrir daños estructurales devastadores.
La placa de acero para la construcción de edificios de prueba Charpy es importante para estructuras construidas en entornos fríos, ya que esta prueba garantiza que el acero sea lo suficientemente resistente como para soportar temperaturas extremadamente frías sin fracturarse ni romperse.
Con sus límites de tensión relativamente altos, ductilidad y presencia de aleaciones que aumentan la resistencia y maquinabilidad, el A36 y el A572 son dos grados de acero estructural que se utilizan típicamente en la construcción de edificios.
El acero estructural es el esqueleto de nuestra infraestructura, y confiamos en su resistencia, longevidad y durabilidad todos los días. Leeco Steel suministra muchos grados de placa de acero estructural a empresas de todo México y Norteamérica. Explore y reciba una cotización sobre nuestras ofertas de placa de acero estructural, o comuníquese con un experto de Leeco hoy mismo para hacer un pedido.