Un gran diseño empieza con un pequeño detalle
RELACIONES DE ESFUERZO DEFORMACIÓN EN EL ACERO
Imagen tomada de STEEL STRUCTURES Desing and Behavior | Charles G. Salmon
Introducción
Para diseñar estructuras de acero seguras y eficientes, es crucial entender las propiedades mecánicas del material. Los diagramas esfuerzo-deformación aportan información vital sobre el comportamiento del acero bajo diferentes condiciones de carga. Este conocimiento permite formular métodos de diseño adecuados y predecir el rendimiento del material frente a diversas solicitaciones.
Rango Elástico y Ley de Hooke
Cuando una pieza de acero estructural dúctil es sometida a una fuerza de tensión, esta comienza a alargarse proporcionalmente al esfuerzo aplicado. Dentro de este rango elástico, el alargamiento cumple con la Ley de Hooke:
\[
\sigma = E \cdot \varepsilon
\]
Donde:
\( \sigma \): Esfuerzo normal (en psi o Pa)
\( E \): Módulo de elasticidad del acero ≈ 29, 000 ksi
\( \varepsilon \): Deformación unitaria
El comportamiento elástico se mantiene hasta alcanzar el límite proporcional, el mayor esfuerzo para el cual sigue siendo válida la relación lineal entre \( \sigma \) y \( \varepsilon \)
Esfuerzo de Fluencia y Deformación Plástica
Al superar el límite elástico, el acero comienza a experimentar una deformación
plástica. Este fenómeno se observa en el diagrama esfuerzo-deformación como
un tramo horizontal, donde el material se deforma significativamente sin un
incremento adicional en el esfuerzo.
Diferenciación entre Deformación Elástica y Plástica
La deformación total puede descomponerse como:
\[
\varepsilon_{\text{total}} = \varepsilon_{\text{elástica}} + \varepsilon_{\text{plástica}}
\]
Deformación elástica: Reversible; el material recupera su forma al eliminar la carga.
Deformación plástica: Permanente; no se recupera tras retirar la carga.
La magnitud de la deformación plástica es entre 10 y 15 veces mayor que la elástica.
Este comportamiento dúctil es crucial, ya que permite redistribuir esfuerzos y prevenir
fallas catastróficas en las estructuras.
Endurecimiento por Deformación
Más allá de la etapa de fluencia, el acero requiere un esfuerzo adicional para continuar deformándose,
conocido como endurecimiento por deformación. En esta etapa, la relación esfuerzo-deformación se describe mediante:
\[
\sigma = K \cdot \varepsilon^n
\]
Donde:
\( K \): Coeficiente de endurecimiento
\( n \): Exponente de endurecimiento (determinado experimentalmente)
Este fenómeno se observa principalmente en materiales sometidos a grandes deformaciones, pero no tiene
tanta relevancia práctica en los diseños estructurales, ya que las deformaciones involucradas son extremas.
Comportamiento del Acero bajo Altas Temperaturas
Las propiedades mecánicas del acero se ven afectadas por la temperatura:
Aumento moderado de temperatura (hasta 700 °F): Incrementa ligeramente la resistencia a la tensión.
Elevadas temperaturas (entre 800 °F y 1,000 °F): Disminuyen drásticamente la resistencia y la ductilidad.
Temperaturas extremas (por encima de 1,200 °F): El acero pierde casi toda su capacidad resistente.
En incendios o durante el proceso de soldadura, las altas temperaturas redondean el diagrama esfuerzo-deformación,
eliminando el tramo lineal característico del comportamiento elástico.
Fragilidad a Bajas Temperaturas
Cuando la temperatura del acero desciende por debajo de 32 °F, su resistencia incrementa ligeramente,
pero su ductilidad y tenacidad se reducen drásticamente. Este comportamiento puede provocar fallas súbitas
y peligrosas bajo impactos o cargas dinámicas.
Propiedades del Acero Relacionadas con su Composición
El acero es una aleación compuesta mayoritariamente por hierro (> 98\%), con pequeñas cantidades de carbono,
silicio, manganeso, azufre, y otros elementos.
Carbono: Influye significativamente en las propiedades mecánicas. \( \Delta \sigma_y = 0.5 \, \text{ksi} \)
por cada incremento del 0.01\% de carbono.
Sin embargo, mayores contenidos de carbono reducen la ductilidad y soldabilidad.
Otros elementos: La adición de cromo, níquel o silicio aumenta la resistencia, pero también el costo y la
complejidad en la fabricación.
Recuperación de Deformaciones
Si un miembro de acero no excede su límite elástico, recuperará su forma original tras eliminar la carga. Sin embargo,
al sobrepasar este límite, la estructura presentará deformaciones residuales.
Este fenómeno puede analizarse gráficamente:
Se carga el miembro hasta alcanzar una deformación plástica.
Se descarga, siguiendo una línea paralela al tramo elástico inicial.
La intersección con el eje de deformación indica el nivel de deformación residual.