Estructuras Metálicas
Ductilidad

Ingeniería Estructural Acero






Spectra Ingeniería

Las estructuras metálicas son utilizadas para el diseño y construcción no solo de edificaciones simples, sino también de edificaciones de gran envergadura como edificios altos y/o de uso industrial. 

El material por excelencia utilizado para estas estructuras es el acero, posee dos características que lo hacen ideal para este tipo de construcciones: su alta resistencia mecánica y su gran ductilidad. 

Las estructuras sismorresistentes son, por excelencia, construidas en acero por su capacidad para resistir considerablemente las cargas generadas durante los sismos.

El diseño estructural contempla el comportamiento de las estructuras de forma dúctil, de tal manera que al presentarse una falla esta pueda ser apreciada a simple vista, bien sea por la aparición de una fisura o deformación, previniendo así a los usuarios de la edificación y dándoles tiempo para desalojarla antes de que se produzca un colapso total.

Ductilidad en una conexión viga – Columna de acero estructural

¿Qué es la Ductilidad en Estructuras Metálicas?

Para entender el concepto de ductilidad primero se debe hablar acerca del límite elástico de los materiales, en este caso, del acero. El límite elástico o límite de elasticidad es la tensión máxima que un material elastoplástico puede soportar sin sufrir deformaciones permanentes. 

El límite elástico marca la frontera del paso del material del estado plástico a su estado de fluencia o cedencia irrecuperable.

Los diagramas de esfuerzo – deformación del acero brindan información valiosa acerca de su comportamiento. 

Esta es crucial para realizar buenos diseños estructurales.

La ductilidad del acero se refiere a la capacidad del material para deformarse bajo el efecto de carga sin romperse, en este punto se ha sobrepasado el límite elástico del material.

El acero es una aleación que está compuesta en más de un 98% de hierro, con pequeñas cantidades de carbono, silicio, manganeso, azufre, fósforo y otros elementos. 

Sus propiedades están determinadas, en cuanto a resistencia y dureza, por el carbono.

El acero con bajo contenido de carbono posee gran ductilidad, al someterlo a esfuerzos de tensión altos este tiende a reducir considerablemente su sección transversal, evidenciándose además un gran alargamiento en el punto de falla. 

Al escoger un material no dúctil, con alto contenido de carbono, se estaría optando por un material frágil el cual se romperá con facilidad al someterlo a un golpe repentino, incluso en los procedimientos propios de la etapa de construcción.

Los aceros que se consideran frágiles no tienen esfuerzos de fluencia claramente definidos y esto dificulta mucho su utilización en el diseño estructural porque las fórmulas asociadas a estos diseños requieren tener valores concretos para este parámetro.

Diagrama de esfuerzo – Deformación para un acero con bajo contenido de carbono vs. uno con alto contenido de carbono

Así que, hay que buscar un balance en las aleaciones en el acero, ya que estas modifican considerablemente las propiedades del mismo y de su optimización depende el acero adecuado para la construcción que se tenga en mente.

¿Cómo Medir la Ductilidad?

La ductilidad puede medirse a través de dos parámetros que se obtienen de una prueba de tracción en el elemento:

Prueba de tracción en acero

  • Porcentaje de elongación – con el cual se mide la deformación plástica obtenida por la diferencia en la medida de las muestras antes y después del ensayo.
  • Reducción porcentual del área – la cual consiste en medir el cambio en el área transversal antes y después de la prueba en el punto de fractura.

A los efectos de cálculo es importante conocer los tipos de acero más comunes y sus respectivos límites de fluencia. Por tanto, se muestra en la siguiente tabla la clasificación realizada por la ASTM (American Society for Testing and Materials) y que son consideradas también en las especificaciones AISC (American Institute of Steel Construction) cuyos valores referenciales pueden ser utilizados para el diseño estructural de estructuras metálicas.

En conclusión, es importante tener en cuenta la ductilidad del acero ya que esta propiedad nos da información certera acerca del comportamiento que este puede tener. Diseñar una estructura dúctil tiene sus ventajas, y se deben aprovechar al máximo:

  • La naturaleza dúctil del acero estructural le permite fluir localmente en los puntos de concentración de los esfuerzos evitando las fallas prematuras y súbitas.
  • Al sobrecargarlas evidencian con facilidad grandes deflexiones que avisan oportunamente de la falla.
  • Gran capacidad de absorción de solicitaciones sísmicas.

Referencias:

  • Guía práctica para el diseño de estructuras de acero de conformidad con la Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC 2015. Ministerio de Desarrollo Urbano y Vivienda / Secretaría de Gestión de Riesgos.
  • McCormac, Jack; et al. Diseño de Estructuras de Acero. Alfaomega, 5ta edición. México, 2012.

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