Ensayo de Acero

ENSAYO DE TRACCIÓN DE ACERO
1. Introducción
El mundo de la construcción actual, caracterizado por su gran dependencia de variables como costo y tiempo, debe gran parte de su desarrollo a la innovación e evolución; tanto de los materiales empleados como de sus propiedades mecánicas, como son el caso de la resistencia, la ductilidad y otras. En ese sentido, un material participe de gran parte de este desarrollo, es el acero; el cual a experimentado un proceso de evolución de varios cientos de años, desde la invención del hierro hasta la actualidad. El acero una mezcla, principalmente, entre hierro y carbono que además contiene otros elementos en menor proporción como son el níquel, el fosforo, el aluminio entre otros; posee buenas propiedades mecánicas como gran ductilidad y resistencia las que han hecho posible que cumpla diversas funciones ya sea como refuerzo, combinándose con otros elementos como concreto para conformar el llamado concreto armado (acero estructural), o como elemento estructural en si (acero estructural). Un punto importante de resaltar, es que el acero es producido industrialmente en grandes cantidades, por lo que es necesario contar con estándares de calidad y normas técnicas que aseguren que los elementos producidos desempeñaran eficientemente su labor. Tanto en el Perú como en el resto del mundo, una forma de corroborar la calidad del acero producido es mediante el llamado "Ensayo de Tracción" el cual consiste en aplicar una fuerza normal de tracción a un elemento designado de una muestra (espécimen) e ir controlando mediante un sistema computarizado las deformaciones producidas y, mediante un gráfico esfuerzo vs deformación, determinar las propiedades mecánicas del elemento. En el siguiente informe, se expondrán los resultados de pruebas realizadas a especímenes de acero distribuidos ampliamente en el país, para posteriormente analizar si estos cumplen los estándares de calidad necesarios.



Figura 1: Maquina universal
Usada comúnmente en ensayos
de tracción




2. Objetivos
Los objetivos del laboratorio, se basan en determinar tanto las propiedades mecánicas de los especímenes como son el módulo de resiliencia, poisson y elasticidad; así como las propiedades físicas descritas por el fabricante como el peso específico y el diámetro. Un segundo objetivo, será verificar que las muestras cumplen con los requisitos estipulados en las normas NTP 341.031 y ASTM A615.
3. Ensayos realizados
ENSAYO: TRACCIÓN EN BARRA DE ACERO CORRUGADO Y LISO
Equipo:

Máquina universal de ensayos.
Cabezales con mordazas de sujeción.
Dispositivo de medición de deformación: transductor (LVDT) y puente de soporte.
Pie de rey. - Cinta métrica con divisiones de 1 mm.

Espécimen:
- Barra de acero corrugado de ϕ " (L = 450 mm).
Procedimiento: Como se explicó, el "ensayo de tracción" consiste en someter a una fuerza de tracción a un espécimen y evaluar las deformaciones que este experimenta. Para el primer ensayo, antes de aplicar las fuerzas de tracción, definiremos dos zonas; una zona local y otra global. La zona local será inicialmente de 50 mm y se espera que en esta se produzca la falla; adicionalmente, en esta zona se evaluara la rigidez de la barra. Por otro lado, la zona global será de 200 mm y en esta se evaluará la ductilidad del espécimen. Continuando con el experimento, se coloca la varilla de acero en la maquina universal y se lo sostiene mediante mordazas a una separación de 220 mm; posteriormente, se le colocan un transductor (LVDT). Se inicia la prueba, y se comienza a aplicar fuerza axial hasta que aparezca la fluencia aproximadamente 20 KN, luego se retira el transductor para evitar que se dañe; por último, se continúa aplicando fuerza hasta llegar a la rotura. Se anotan los datos obtenidos y se procede de la misma forma con la segunda varilla. Cabe resaltar que el ensayo se configura por control de deformación y no de esfuerzo, ya que en caso contrario habría mayor cantidad de energía liberada en la rotura lo que podría afectar los equipos.








Figura 2: Barra de Acero G-60 en maquina Figura 3: Barra de Acero G-50 luego
Universal con transductores LVTD de la rotura




ENSAYO: MEDICIÓN DEL MODULO DE POISSON DEL ACERO

Equipos:
Máquina universal de ensayos.
Cabezales con mordazas de sujeción.
Medidores de deformación unitaria: Strain Gauges.

Especímenes:
- Plancha de acero.

Procedimiento: Con respecto a la medición del módulo de Poisson, se tiene una platina de acero con una sección transversal de 48.6 x 9 mm de una longitud de 510 mm, de igual forma que las varillas de acero, se coloca la platina en el soporte universal y se lo sujeta mediante las mordazas; luego, se le conectan 4 medidores de deformación unitaria llamados strain gauges en las 4 caras verticales de este ( 2 para deformaciones longitudinales y 2 para deformaciones transversales) y se comienza a aplicar la carga y se van midiendo las deformaciones en los 4 strain gauges . Finalmente se anotan los valores obtenidos para cada fuerza en cada medidor y se calcula el módulo de Young.












Figura 4: Platina de Acero con Figura 5: Platina montada en maquina
Strain Gauges sometida a fuerzas de tracción
ENSAYO: PESAJE DE VARILLAS DE ACERO CORRUGADO

Equipos: - Balanza con capacidad no menor a 2500 g y una aproximación de 0,5 g. - Cinta métrica con divisiones de 1 mm.
Especímenes:
- Barras de acero de diferentes diámetros.
Procedimiento: En este ensayo, se tienen varillas de acero de diversas fabricaciones, se selecciona cada una y se verifica que cada una cumpla con los valores nominales. Para ello, se hacen 3 medidas; la primera consistirá en medir el largo de la varilla usando una cinta métrica con divisiones de 1 mm; luego, se mide el diámetro, usando el pie de rey; por último, se lleva la varilla a una balanza y se calcula su peso. Finalmente, se anotan los valores obtenidos y se calcula el peso por unidad de longitud. Es importante advertir, que muchas veces el valor nominal no es el mismo ya que estas no consideran las corrugas.
Normas técnicas:
Para ambos experimentos se emplearan normas internacionales como las del American Society for Testing and Materials (ASTM) como normas nacionales, como las creadas por el Instituto Nacional de Defensa de la Competencia y de la Protección de la Propiedad Intelectual (INDECOPI), en ese sentido serán respectivamente:
ASTM 615
NTP 341.031

4. CALCULO DE LA ESTRICCION Y ELONGACION DE LAS VARILLAS ENSAYADAS
ACERO CORRUGADO G-60

Ao=197.933mm2
Ao=96.769mm2
Go=200mm
Gf=231mm

Elongación:
μ1=Gf-GoGox100%
μ1=15.5%

Estricción:
μ2=Ao-AfAox100%
μ2=51.11%
ACERO LISO G-50
Ao=202.32mm2
Af=79.96mm2
Go=200mm
Gf=257mm

Elongación:
μ1=Gf-GoGox100%
μ1=28.5%

Estricción:
μ2=Ao-AfAox100%
μ2=60.48%
DETERMINACION DE MODULO DE ELASTICIDAD Y MODULO DE POISSON DE LA PLATINA
Ao=48.6x9mm2 = 437.4 mm2
Deformación Unitaria Promedio:
Deformacion Longitudinal: Ɛ1-3= Ɛ1+ Ɛ32
Deformacion transversal: Ɛ2-4 = Ɛ2+ Ɛ42
Modulo de Poison: V=Deformación transversal Ɛ2-4Deformación longitudinal Ɛ1-3
Esfuerzo: σ= FA
Modulo de elasticidad: E=PAƐ1-3
Mediciones de los Strain Gauges:
PROPIEDAD MEDIDA
FUERZA (KN)

0
20
30
40
50
Ɛ1 * 10-6
0
250
371
493
615
Ɛ2 * 10-6
0
-72
-107
-140
-175
Ɛ3 * 10-6
0
236
357
480
599
Ɛ4 * 10-6
0
-66
-99
-132
-166
Ɛ1-3 * 10-6
0
243
364
486.5
607
Ɛ2-4 * 10-6
0
-64
-103
136
-170.5
Valores hallados:
Fuerza (KN)
20
30
40
50
Esfuerzo(MPa)
45.725
68.587
91.45
11.312
Ɛpromedio longitudinal
(1-3) (x10-6 )
232.5
650.5
470.5
587.5
Ɛ Transversal Promedio
(2-4) (x10-6 )
-69
-100.5
-132
-165
Modulo de Poisson "v"
0.297
0.287
0.28
0.281
Modulo Elastico (MPa)
196666.7
195683.3
194365.6
194573.6

Vprom = 0.286 Eprom= 195322MPa
CARACTERISTICAS FISICAS DE LAS BARRAS

MARCA
LONGITUD (m)
PESO
(kg)
ᶲ (")
Peso por longitud (kg/m)
1.Aceros Arequipa
0.80
1.1735
5/8
1.467
2.Aceros Arequipa
0.5
1.074
3/4
2.148
3.Aceros Arequipa
0.805
0.4187
3/8
0.520
4.Maestro
1.00
1.490
5/8
1.490
5.Maestro
1.535
2.240
5/8
1.460
6.SiderPeru
0.80
0.4275
3/8
0.534


DESCRIPCION Y DIBUJO DE LA FORMA DE FALLA DEL ENSAYO DE TRACCION



(a) Falla de Material muy dúctil
(b) Metal Ligeramente dúctil
(c) Fractura por fragilidad

Grafica 1: Tipos de falla por tracción de los materiales según su dureza


El tipo de falla que se observa en las varillas en el ensayo de tracción es en el caso del acero corrugado es una falla parecida al tipo b con una ligera forma cónica; y, por otro lado, la falla que se observa en la varilla de acero liso es una falla que tiene más tendencia a la forma de tipo a que se observa en la que vemos en la Grafica 1, con una forma cónica alargada sin punta. Lo cual en ambos casos muestra la ductilidad que ambos materiales poseen, siendo sin embargo más dúctil el acero G-50.



5. Evaluación de resultados

FICHA TÉCNICA DE SIDERPERÚ PARA ACERO CORRUGADO G60

FICHA TÉCNICA DE ACEROS AREQUIPA PARA ACERO CORRUGADO G60



Con las tablas anteriores:
Varilla1 -------> La varilla uno procedente de Aceros Arequipa de 5/8" tiene un peso por longitud de 1.467 el cual es inferior al peso especificado por la norma que es 1.552.
Varilla2 -------> La varilla dos también procedente de Aceros Arequipa de ¾" tiene 2.148 de peso por longitud el cual también es inferior al 2.235 requerido.
Varilla3 -------> La varilla tres procedente de Aceros Arequipa de 3/8" debería pesar por lo menos 0.560, pero su peso de la varilla tomada es inferior y es 0.520.
Varilla4 -------> La varilla cutro procedente de Maestro de 5/8" pesa 1.490 pero debería pesar 1.552, esa barra también tiene inferioridad de peso.
Varilla5 -------> La varilla cinco de marca Maestro de 5/8" tiene un peso de 1.460 que es inferior a los 1.552 exigidos.
Varilla6 -------> La varilla seis de Sider Perú de 3/8" debería pesar 0.560 pero su peso es de 0.534 que es significativamente menor.

6. Comentarios y Conclusiones

Fuentes de error:
Ensayo de Traccion: Varillas de Acero

Se debe tener en cuenta que el área transversal utilizada fue constante (48.6mm x 9 mm); sin embargo se sabe que durante el periodo de estricción el área disminuye hasta llegar a la rotura.
La curva carga vs deformación no se muestra totalmente lineal en un principio como sugiere la teoría (rango elástico), y esto se debe que las tenazas tienen la tendencia a resbalar de la varilla (entre corrugaciones para la corrugada y simplemente resbalar para la varilla lisa)
Otra fuente de error considerable es la interpretación de los gráficos esfuerzo vs deformación unitaria para obtener las propiedades de energía del material, pues al tener una curva difícil de modelar, el área bajo la curva que era utilizada para hallar el módulo de tenacidad.
Ya dada el proceso de tracción, la ruptura no siempre se da en la parte central. Esto ocurrió en la varilla de acero corrugado, el cual presento una falla fuera de marca (FM).
Ensayo de Traccion: Lectura en Strain Gauge
Para la obtención del módulo de poisson se utilizaron strain gauges, estos registraron una medición de deformación unitaria, la cual podría resultar en un posible error al medir la carga correspondiente para cada registro del strain gauge.
Al obtener el peso por unidad de longitud de las varillas, la principal fuente de error está relacionada a la calidad de medida tomada por los alumnos, pues la posibilidad de errar al tomar una medición de longitud o de peso está latente siempre.


Conclusiones:
El ensayo de tracción realizado permite corroborar las hipótesis estudiadas sobre los materiales de construcción, comprobar sus propiedades y verificar su resistencia. Este ensayo permite verificar la calidad de un material estructural, verificando que su resistencia sea la nominal o superior y así se pueda diseñar de manera óptima.
Se puede concluir también que el acero corrugado utilizado en el ensayo cumple con la normativa del ASTM A615, el acero liso las de la normativa ASTM A36 y el ensayo cumple con las generalidades de la norma técnica peruana 341.031.2008. Lo cual permite corroborar al acero como material estructural.
Se comprobó que el acero liso se comporta de manera más dúctil que el acero corrugado, pues en ambos parámetros de medición (elongación y estricción) se tuvieron resultados que permitieron identificar al acero liso como más dúctil, tal como se esperaba.