Corporación de Desarrollo Tecnológico

Corporación de Desarrollo Tecnológico SEMINARIO PUENTES: INNOVACIÓN Y RESISTENCIA SÍSMICA 22 de marzo de 2012 Acero: Innovación y tendencias Santiago Riveros Magíster en Ciencias de la Ingeniería, ICHA. www.cdt.cl Corporación de Desarrollo Tecnológico 23 páginas

ACEROS PARA PUENTES ING. SANTIAGO RIVEROS LOPEZ MAGISTER CIENCIA DE LA INGENIERIA 2012

Introducción. El MOP, indica que los aceros autorizados para la construcción de puentes, serán de acuerdo a la norma AASHTO M270 (The American Association of State Highway and Transportation Officials) en grados 36, 50,50W, HPS70W y 100/100W ó ASTM A 709 en grados 36,50,50W,HPS70W y 100/100W. Los aceros serán de resiliencia garantizada y se podrán usar aceros como alternativas. La temperatura de ensayos ASTM A 709-95 y la Tabla 10.3.3 A de la norma AASHTO se presenta en la Tabla 3.1003.801A, del Manual de Carreteras.

Selección del material. Para uso estructural en puentes estos productos deben ser manufacturados: cortar (a tamaño y forma), conformar en frío y soldar un componente a otro. En la estructura, el material es sometido a esfuerzos de tracción y compresión. Los tipos de aceros normales son: i. Aceros al carbono (ASTM A36, límite de fluencia > 250 MPa). ii. Aceros alta resistencia (ASTM A 572/A588 Gr.50, lim. Fluencia>350 MPa). iii. Aceros tratados de baja aleación (ASTM A514/A709-HPS70W, Lím. Fluencia >485 MPa).

Selección del material. Ventajas de los puentes de acero: Puede soportar cargas muy pesadas en largos tramos, con un peso estructural (peso muerto) mínimo, lo que lleva a fundaciones más pequeñas. El acero tiene la ventaja de una mayor velocidad de construcción, que es vital. Muchos elementos pueden ser prefabricados y ser montados in situ. Provoca pocas interrupciones en el tráfico urbano. Mayor eficiencia que las estructuras de hormigón para la resistencia sísmica. La vida útil en puentes de aceros es mayor que la de puentes de hormigón. Debido a la profundidad de la construcción superficial, los puentes de aceros ofrecen una apariencia delgada, lo que los hacen estéticamente atractivo. Todo esto conduce con frecuencia a los bajos costos del ciclo de vida.

PUENTES DE ACERO EN CHILE Puente FFCC Río Cachapoal (1889) Puente Amolanas V Región (2000) Viaducto del Malleco (1890)

PUENTES FABRICADOS CON ACERO HPS 70 W U.S.A.

1) Propiedades de los Aceros. Los aceros derivan sus propiedades: composición química, conformado mecánico (deformación plástica) y tratamiento térmico. La composición química es fundamental para las propiedades del acero. El carbono, manganeso, niobio y vanadio, son importantes adiciones. Manteniendo un nivel bajo en la concentración de elementos como: azufre, fósforo, hidrógeno, oxígeno, arsénico, estaño, bismuto, otros para mejorar la ductilidad. La tenacidad es mejorada mediante la adición de níquel. Por lo tanto, la composición química de cada acero tiene que ser cuidadosamente controlada. La laminación en caliente (conformado mecánico) del acero permite homogenizar e incrementar sus propiedades mecánicas. Los formatos y dimensiones poseen tolerancias más bajas.

1) Propiedades de los Aceros. i. Los tratamientos térmicos, incrementan la resistencia y la tenacidad de los aceros, algunos de ellos son: Aceros laminados en caliente (as- rolled ó sin tratamiento térmico). Aceros laminados en caliente y normalizados (afinamiento del tamaño de grano). Aceros normalizados laminados en frío. Aceros con laminación controlada HSLA / TMCP (de última generación y de ultra fino tamaño de grano) Aceros templados-revenidos (QT) ii. Las propiedades de particular importancia para el diseñador puente incluyen: Límite de fluencia. Ductilidad. Tenacidad impacto Charpy (Tenacidad a la Fractura K1c, cada vez más importante) Módulo de Elasticidad. Coeficiente de Expansión Térmica. Soldabilidad. Resistencia a la corrosión.

2) Especificaciones Estándares (Normas). BS 5400: Parte 3, Capítulo 6, se describen propiedades de los materiales. Se describen especificaciones para diseño de puentes y contiene las siguientes cláusulas: General. Límite de Fluencia. Tracción UTS. Ductilidad. Resiliencia Impacto Charpy (V-notch). Propiedades de Acero. Razón Modular.

2.1 General. Todo nuevo acero para uso estructural en puentes debe ser "laminado en caliente" fabricado a una norma CEN europea (EN). Estas normas se publican en el Reino Unido por BSI. Los siguientes materiales normados por CEN son importantes para la fabricación de puentes: BS EN 10025 (Planchas y perfiles laminados) *. Parte 2 - Aceros no aleados estructurales. Parte 3 - Los aceros de grano fino (normalizado / normalizados-laminados frío). Parte 4 - Los aceros de grano fino (laminación controlada ó termomecánicos). Parte 5 Aceros Resistentes a la Corrosión Atmosférica (Weathering Steel). Parte 6 - Aceros Templados y Revenidos (QT) BS EN 10210 (perfiles tubulares estructurales) *

2.2 Límite Fluencia (δy) El límite de fluencia es la característica más importante que el diseñador tendrá que utilizar. Los aceros comunes de puente( BS EN 1002) son: Los aceros de δy > 355 MPa se utilizan principalmente en aplicaciones de puente en el Reino Unido debido a la relación costo-resistencia (comparado con otros grados). Algunos grados de mayor resistencia ofrecen otras ventajas.

2.3 Resistencia a la Tracción (UTS). La BS 5400-3 requiere que la tensión mínima especificada a la tracción en planchas y perfiles de acero no debe ser inferior a 1,2 x la tensión de fluencia nominal. Esto no suele ser un problema para los aceros, pero requiere un examen más detallado para aceros de alta resistencia. 2.4 Alargamiento (Ductilidad). La ductilidad es de suma importancia para todos los aceros en aplicaciones estructurales. El diseñador se basa en la ductilidad de una serie de aspectos del diseño: la redistribución de la tensión en el estado límite último, el diseño pernos en grupos, la reducción del riesgo de propagación de fisuras por fatiga, y en los procesos de fabricación de soldadura, deformación (doblado) y alisado (estirado), etc. La ductilidad tiende a disminuir con el incremento del límite de fluencia. La ductilidad de una plancha de acero o de perfil laminado se mide en relación con el comportamiento ya sea en el plano (paralelo o perpendicular a la dirección de laminación) o perpendicular al plano del elemento (espesor). Las dos medidas tienen un significado diferente para el diseñador.

2.5 Tenacidad a la Entalladura. Ensayo Impacto (Charpy). Los aceros siempre contiene algunas imperfecciones (por ejemplo inclusiones no metálicas), aunque de tamaño muy pequeño. Cuando estén sometidos a esfuerzos de tracción estas imperfecciones tienden a abrirse ó propagarse. Si el acero no es lo suficientemente tenaz la imperfección se propaga rápidamente, sin deformación plástica, se produce una grieta. Esto se denomina fractura frágil" y es motivo de especial preocupación debido a la naturaleza repentina de fracaso (catastrófico). La tenacidad del acero y su capacidad de absorber, energía para resistir este comportamiento, disminuye a medida que disminuye la temperatura. Además, la tenacidad requerida, a cualquier temperatura dada, aumenta con el espesor.

2.5 Tenacidad a la Entalladura. Ensayo Impacto (Charpy). El test Charpy con probeta entallada V-notch de impacto es el más usado (de ahí el uso de la tenacidad a la entalladura en la BS 5400: Parte 3).En la norma americana corresponde a ASTM E 23. Las pruebas se especifican normalmente a -20 º C y el valor mínimo requerido es por lo general 27Joules. Otras temperaturas y valores de energía se especifican para los grados diferentes. En las normas BS EN 10025 y BS EN 10210 hay cuatro diferentes códigos: J0: 27J energía de impacto a 0 C. J2: 27J energía de impacto a - 20 C. K2: 40J energía de impacto a -20 C

2.5 Tenacidad a la Entalladura. Ensayo Impacto (Charpy). La cláusula 6.5.4 de la BS 5400-3 - 2000 describe los requisitos para la tenacidad a la entalladura en forma de una ecuación. Relaciona el espesor máximo del acero teniendo en cuenta las variable: i.la temperatura efectiva mínima sobre el puente. ii.grado de acero (límite de fluencia y tenacidad). iii.factor K Por simplicidad, la BS 5400-3 - 2000 y Tabla 3 (c), fue derivada de la ecuación en la cláusula 6.5.4, suponiendo un factor K =1. Los valores en la Tabla siguiente se han derivado estrictamente de acuerdo con la ecuación en la cláusula 6.5.4.

2.5 Tenacidad a la Entalladura. Ensayo Impacto (Charpy).

2.6 Propiedades del Acero. La cláusula 6.6 de la norma BS 5400-3 simplifica los conceptos a los siguientes: Módulo de Elasticidad, E = 205,000 N/mm2. Módulo de Corte, G = 80,000 N/mm2. Razón de Poisson, ν = 0.3 Coeficiente de Expansión Térmica = 12 x 10-6 / C 2.7 Condiciones de Suministro del Acero. En algunas de las normas existe la posibilidad de elección, ya sea por el fabricante o por el comprador. En la norma BS EN 10025: las partes 2 y 5 hay tres grados diferentes. Estos son: + AR Laminado. + N normalizado o normalizado- laminado. + M laminación controlada (proceso termomecánico)

2.8 Soldabilidad. Todos los aceros estructurales son esencialmente soldable. Sin embargo, la soldadura implica localmente calentar el material que posteriormente se enfría. El enfriamiento puede ser muy rápido, debido a que el material actúa como 'disipador de calor, la soldadura (calor introducido) es relativamente pequeña. Esto puede llevar al endurecimiento de la "zona afectada de calor (ZAT) y la tenacidad reducida. Cuanto mayor es el espesor del material, mayor es la reducción de la tenacidad. La susceptibilidad a la fragilización también depende de los elementos de aleación, principalmente, pero no exclusivamente, del contenido de carbono. Esta susceptibilidad puede ser expresada como el "valor de carbono equivalente (CEV).

2.8 Soldabilidad. Normas de soldadura (por ejemplo, la norma BS EN 1011) indican cuando precalentar, en su caso, es necesario para un espesor de material CEV dado, y tamaño de la soldadura. CEV = C + 1/6 Mn + (Cr+Mo)/5 + (Ni+Cu)/15 + Las últimas normas CEN (BS EN 10025: 2004) especifican los límites máximos del CEV, por lo que el diseñador no tiene que invocar una "opción. Tenga en cuenta también que Los aceros bajo la norma BS EN 10025: Parte 3 y 4 por lo general tienen un valor más bajo del CEV (máximo) que la de los aceros de la norma BS EN 10025: Las partes 2 y 5.

2.9 Resistencia a la corrosión. Todos los aceros estructurales, con la excepción de los de los aceros resistentes a la corrosión atmosférica (Weathering Steel), tiene una resistencia similar a corrosión atmosférica. En condiciones de exposición a la intemperie necesitan ser protegidos por un recubrimiento. No hay requisitos especiales del acero para un recubrimiento por spray, incluyendo tanto el aluminio y zinc. Sin embargo, si el acero será galvanizado, entonces hay una necesidad de controlar el contenido de la aleación (en particular el contenido de silicio). Esto puede conseguirse simplemente mediante la especificación de que el acero es "adecuado para la inmersión en caliente de zinc fundido ó galvanizado (véase la opción 5 en la norma BS EN 10025). Los aceros resistentes a la corrosión atmosférica durante un período de tiempo, forman un revestimiento superficial de óxidos fuertemente adheridas ó 'pátina' que inhibe la corrosión. Cuando se usan en ambientes no muy agresivos (cuidad, rural e industrial) estos aceros no requieren revestimiento superficial protector.

Comportamiento de los aceros a la corrosión atmosférica.