Explorando el acero estructural
Desde los edificios que visitan las personas, hasta las casas en las que viven, pasando por las carreteras que recorren, la chapa de acero estructural es un material de construcción polivalente que proporciona versatilidad de fabricación y resistencia estructural sin un peso extremo. Este artículo profundiza en el acero estructural, su composición, características, usos y mucho más.
¿Qué es el acero estructural?
El acero estructural es una categoría de acero regulada que debe cumplir las normas de la industria en cuanto a tolerancias dimensionales y composición. En Estados Unidos, los grados de acero están especificados y regulados por ASTM International. Asimismo, Europa y Canadá tienen sus propios organismos reguladores y normas. Aunque Leeco Steel ofrece chapa de acero según la norma EN y chapa de acero según la norma CSA G40.21, este artículo se centrará en las normas ASTM.
Existe una amplia gama de grados de acero estructural, siendo los más populares ASTM A572 y ASTM A36. Estas calidades de acero, junto con otras calidades de acero estructural, se utilizan principalmente para la construcción de armazones de puentes y edificios.
También se emplean en la construcción de:
Vagones de carga
Equipos de construcción
Piezas de camiones
Maquinaria
Barras de grúa
Torres de transmisión
Bastidores de camiones
Una investigación publicada por el Instituto Americano de Construcción de Acero muestra que el acero estructural contiene el 47% de todos los materiales de construcción, por lo que es muy probable que el acero estructural sea el responsable de parte del diseño en estructuras, edificios o puentes que se encuentran las personas.
Producción y pruebas del acero estructural
Para comprender plenamente cómo varía el acero estructural del acero no estructural, como el que se utiliza en las plataformas de los camiones, los barcos o los tanques militares, es importante examinar la composición del acero estructural.
El acero puede fabricarse a partir de materias primas o a partir del reciclaje de acero viejo. Durante el proceso de transformación del acero reciclado en acero nuevo, el acero existente se funde y se refina para ajustarse a determinadas especificaciones. La fabricación de acero a partir de materias primas es un proceso mucho más largo.
El acero es una aleación que contiene carbono y hierro, ambos disponibles en abundancia pero que rara vez se encuentran en estado puro. Para fabricar acero a partir de materias primas, el hierro se obtiene del mineral de hierro, que contiene abundantes óxidos de hierro. La mayor parte del mineral de hierro de Estados Unidos se extrae de la taconita, que se encuentra en abundancia en Minnesota. Durante el proceso de extracción, la taconita se muele hasta obtener una composición arenosa, y se utilizan imanes para separar el mineral de hierro (en forma de magnetita) de otras sustancias y minerales.
Aunque a menudo se cree que el hierro es fuerte y duro, el mineral de hierro en bruto es tan blando que se puede cortar con un cuchillo y algo de músculo. Las aleaciones a base de hierro obtienen su fuerza de la adición de carbono.
Una aleación de hierro y carbono se produce generalmente combinando coque con mineral de hierro y aplicando calor hasta que el coque se enciende. El coque es una forma de carbón rica en carbono. Como resultado de este fuerte calentamiento, el coque desprende carbonos y se adhiere a los oxígenos de los óxidos de hierro, dejando una combinación de carbono y hierro. Este proceso se denomina reducción.
Tras la reducción, el material tiene alrededor de un 4% de carbono, que se somete a más procesos de calentamiento y enfriamiento para reducir la cantidad de carbono, haciendo que el material sea más fuerte y duro. En cuanto el contenido de carbono es inferior al 2,1% del peso del material, éste se convierte en acero. Para fabricar acero estructural, el carbono debe reducirse aún más hasta que su composición sea sólo del 0,05% al 0,25%.
El resultado final es un acero estructural de precio económico, 100% reciclable y con una elevada relación resistencia-peso. Existen diferentes grados de acero estructural, que varían en cierta medida en su composición. Estas composiciones ayudan considerablemente a establecer el material necesario para cualquier proyecto específico.
Por otra parte, el acero puede procesarse adicionalmente -mediante más tratamientos de calentamiento y enfriamiento y/o la adición de aleaciones, por ejemplo, de titanio, molibdeno y cromo- para aumentar la dureza. Estos procesos afectan a la fragilidad general, en la mayoría de los casos, haciendo que el material resultante no sea adecuado para aplicaciones estructurales.
Composición del acero estructural
A continuación se muestra la composición de dos grados de acero estructural muy conocidos: ASTM 572 y ASTM A36. Aunque otros grados de acero estructural poseen composiciones análogas, también pueden tener aleaciones adicionales o haber sido sometidos a un procesamiento adicional.
| Grado | Carbono | Manganeso | Fósforo | Azufre | Silicona |
|---|---|---|---|---|---|
| A36 | 0.25-0.29% | 1.03% | 0.04% | 0.05% | 0.28% |
| A572 | 0.18-0.23% | 0.5-0.7% | 0.035% max | 0.04% max | 0.150-0.3% |
| A514* | 0.12-0.21% | 0.85% | Not specified | Not specified | 0.28% |
El A514 también contiene 0,2% de molibdeno, 0,48% de cromo, 0,05% de vanadio, 0,02% de titanio y 0,003% de boro.
La presencia de aleaciones adicionales que aumentan tanto la dureza como la fragilidad es la principal diferencia de composición entre el acero no estructural y el estructural. En algunos casos, las aleaciones adicionales son capaces de crear acero de calidad estructural; sin embargo, en otros casos, el acero producido es extremadamente frágil para su uso en capacidades estructurales.
Resistencia a la cesión y a la tracción
Más allá de la composición química, los límites de tensión y rendimiento ayudan a establecer el grado de acero, así como la aplicación general.
El punto más alto de tensión es el límite elástico, en el que el material cambiará de forma permanentemente. Por ejemplo, cuando alguien salta de un trampolín, el trampolín se dobla naturalmente para absorber la energía y el peso, pero después de que esa persona salte del trampolín, el trampolín volverá a su forma original. El límite elástico del trampolín sería el punto en el que se dobla bajo la energía y el peso, y permanece permanentemente doblado incluso después de que el buzo se lance.
Una característica vital del acero estructural, el límite elástico debe tener cierta cesión para absorber el peso. Por ejemplo, el límite elástico en los puentes es el peso máximo que puede tolerar el puente antes de experimentar un daño permanente.
La resistencia a la tracción se refiere al punto en el que el material doblado se romperá. En el ejemplo del trampolín anterior, se trata de la energía y el peso necesarios para romper el trampolín.
A continuación se presenta un gráfico que muestra los puntos de tracción y de fluencia de tres tipos comunes de acero estructural. Estos puntos se calculan en kilopulgadas por pulgada cuadrada ("ksi") o en libras por pulgada cuadrada ("psi"), como se indica a continuación. En ocasiones, también se indican en megapascales.
| Grado | Punto de rendimiento | Punto de tracción |
|---|---|---|
| A36 | 36 ksi | 58-80 ksi |
| A572 | 42-65 ksi* | 0.5-0.7% |
| A514 | 100 ksi | 110-130 ksi |
El rendimiento depende del espesor, pero el grado más común es de 50 ksi.
Estos dos parámetros son muy importantes para los ingenieros a la hora de planificar el material necesario para un proyecto concreto
