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Este informe de laboratorio describe un experimento realizado para determinar las propiedades mecánicas de una varilla de acero corrugado, incluyendo el límite elástico, la resistencia a la tracción y la elongación a la rotura. Se detalla el procedimiento, los cálculos y los resultados obtenidos, incluyendo una gráfica esfuerzo-deformación. El informe también analiza el comportamiento del acero como material dúctil y su importancia en la construcción.
Tipo: Ejercicios
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David Santiago Barrera Poveda Wilson Francisco Bellon Sanabria Sebastián Ferney Correales Molano Susan Ivonne Moreno Pava INGENIEROS: Oscar Javier Gutiérrez Junco Omar Fernando Robayo Avendaño INGENIERÍA CIVIL UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA TECNOLÓGICA DE COLOMBIA BOYACÁ - TUNJA 2024
Uno de los materiales más importantes en el campo de la construcción y la ingeniería es el acero, debido a sus propiedades dúctiles es el acero que le permite deformarse plásticamente sin romperse bajo una carga. Sirve para mejorar la ductilidad y la resistencia a la tracción de algunos materiales constructivos que carecen de estas características o las presentan de manera mínima, como es el caso del concreto y su uso combinado en bigas y columnas. Debido a la importancia del material en las obras de ingeniería, es fundamental evaluar la resistencia del acero al someterlo a fuerzas. Las Normas Técnicas Colombianas (NTC) de construcción exigen requerimientos mínimos en la calidad de los materiales que se usan en la construcción. En NTC 2289 se presenta estos requerimientos para las barras corrugadas de acero, que fue el material que se usó para el laboratorio. Este informe presenta los resultados de la prueba de resistencia realizada a una varilla de acero al someterla a fuerza de tracción usando una máquina de ensayo universal. En el laboratorio se registraron las observaciones necesarias, mientras que los datos de tiempo, carga y alargamiento eran tomados por un software conectado a la máquina. Se exportaron los datos en Excel y con ellos se realizó el análisis correspondiente. El objetivo es determinar experimentalmente las propiedades de la varilla de acero, como su límite elástico, la resistencia a la tracción y la elongación a la rotura. Los resultados podrían indicar. Dentro del documento se presentan los cálculos y observaciones necesarias para realizar el análisis que permita identificar y contrastar las características de la varilla con relación a sus requerimientos normativos.
La normativa ofrece valores nominales para el diámetro, área transversal de la varilla y otras medidas que deben estar industrializadas. A continuación, se presenta la table de anexa A.1 “Numero de designación de las barras corrugadas y rollos, peso (masa nominal, dimensiones nominales y requisito de los resaltes en unidades del sistema internacional (SI)” Fuente: https://www.cementoscauca.com.co/wp-content/uploads/2018/08/NTC- 2289 - EN-PDF.pdf. También presentan los valores requisitos de tracción en la tabla A.2. Requisitos de tracción.^1 Fuente: https://www.cementoscauca.com.co/wp-content/uploads/2018/08/NTC- 2289 - EN-PDF.pdf
Para la prueba de la resistencia de la varilla, se siguió la normativa Norma Técnica Colombiana (NTC) 2289, que establece los valores industriales para las varillas de acero. Como primer paso, se pesó la varilla con el fin de compararla con su masa nominal, verificando que el peso obtenido fuera al menos el 94% del valor aplicable por unidad de longitud, tal como lo estipula la norma. La varilla fue identificada con el número de designación 9M, cuya masa nominal es de 0 , 5 𝑘𝑔 𝑚
. Los 60 cm de la barra pesaron 297,1 g, por lo que se realizó una regla de tres para estimular la masa por metro. La masa en un metro de varilla correspondería 0,95 kg. Los que coincide 99% con el peso nominal. 0 , 2971 𝑘𝑔 60 𝑐𝑚 𝑥 100 𝑐𝑚 Posteriormente, se marcaron en la varilla dos líneas con una segueta a 15 cm desde ambos extremos y dentro del tramo central se realizaron marcas cada 5 cm para facilitar las mediciones durante el proceso experimental. Se colocó la varilla en la máquina universal para iniciar la prueba. Se estableció una velocidad de movimiento constante de 5 𝑚𝑚 𝑚𝑖𝑛 . Los resultados del ensayo se fueron visualizando en tiempo real a través del monitor del laboratorio. EL proceso completo, desde que inició la prueba hasta la falla, tuvo una duración de 13 a 15 minutos. No se observaron deformaciones en la varilla durante el procedimiento hasta que falló. Ilustración 5. Varilla de acero corrugado marcada Fuente: Autoría propia
Ilustración 6. Varilla en la máquina de ensayo universal Fuente: Autoría propia. La varilla falló a los 28 cm de longitud, en una zona dentro del tercio central de la sección marcada, lo que cumple con los requisitos establecidos por la norma para este tipo de prueba. Este resultado indicó que la prueba fue exitosa y no se repitió con la segunda varilla. Ilustración 7. Varilla después del fallo Fuente: Autoría propia. Ilustración 8. Falla de la varilla a 28 cm desde el extremo
En este apartado se presentan los resultados obtenidos junto con su respectivo análisis. El software registró 1 913 datos, los cuales incluían el valor de: tiempo (s), fuerza (kN) y alargamiento (mm). A continuación, se presenta una tabla con ejemplos de datos de alargamiento cada 20 segundos. Además, se presenta el gráfico esfuerzo-deformación. Tiempo (segundos) Alargamiento (mm) Carga N Esfuerzo Mpa Deformación unitaria 50,000 4,100 22218,750 349,257 0, 100,000 8,262 29781,250 468,132 0, 150,000 12,442 31671,880 497,850 0, 200,000 16,620 34062,500 535,429 0, 250,000 20,760 35859,380 563,674 0, 300,000 24,902 37187,500 584,551 0, 350,000 29,042 38109,380 599,042 0, 400,000 33,192 38796,880 609,848 0, 550,000 45,848 39859,380 626,550 0, 600,000 50,068 39968,750 628,269 0, 650,000 54,286 40046,880 629,497 0, 700,000 58,506 40046,880 629,497 0, 740,800 61,948 39562,500 621,883 0, 741,200 61,982 39546,880 621,638 0, 741,600 62,016 39484,380 620,655 0, 750,000 62,726 38640,630 607,392 0,
Tabla 1. Datos de la varilla corrugada de alargamiento, carga, esfuerzo y deformación unitaria según el instante de tiempo Gráfica esfuerzo deformación El gráfico nos da la información necesaria para determinar los esfuerzos límites que marcan el cambio de una fase de la deformación a otra. En la ilustración 10, se representan estas fases, identificándolas con colores y la tabla 2 presenta los valores de los esfuerzos críticos que marcan a cada fase. Resistencia Alargamiento (mm) Carga N Esfuerzo Mpa Deformación unitaria De fluencia 5,200 29406,250 462,237 0, Inicial de endurecimiento por deformación 10,670 29968,750 471,079 0, Esfuerzo último 61,982 39546,880 621,638 0, Esfuerzo de fractura 63,942 34265,630 538,622 0, Tabla 2. Valores de resistencia de fluencia, esfuerzo inicial de endurecimiento por deformación, esfuerzo última y esfuerzo de fractura. Ilustración 9. Esfuerzo vs deformación unitaria de la varilla de acero corrugado. Fuente: Autoría propia 0 100 200 300 400 500 600 700 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0, Esfuerzo ( MPa) Deformación unitaria
material. A raíz de este endurecimiento, el esfuerzo empieza aumentar gradualmente para seguir estirando la varilla. Cuando se alcanzó otro esfuerzo máximo de 621, 638 MPa, los esfuerzos empiezan a disminuir, porque la varilla ya no resiste a la tensión. A medida que esto ocurre, la varilla experimenta el fenómeno de estricción, en el que el área transversal de la sección comienza a reducirse. Finalmente, la varilla se rompe con un esfuerzo de 538 MPa y un alargamiento final de 63,942 mm. Fractura de la varilla de acero corrugado. La fractura de una varilla de acero sometida a tracción en un ángulo de 45 grados se explica por la redistribución de los esfuerzos internos bajo una carga axial. Al aplicarse la fuerza a lo largo del eje de la varilla, los esfuerzos cortantes alcanzan su valor máximo en planos inclinados a 45 grados, lo que provoca que el material ceda y se deforme en esa dirección. El acero, al estar sometido a tracción, muestra una deformación considerable antes de fracturarse, lo que valida las predicciones teóricas sobre la distribución de esfuerzos. Esta redistribución interna refleja cómo los máximos esfuerzos cortantes ocurren en esos planos inclinados antes de la falla. El alargamiento de la varilla correspondió a 63.94 mm al final de haber sometido la varilla a la fuerza de tracción, el porcentaje de alargamiento total correspondió aproximadamente a 10.66 %. Con este porcentaje la varilla de acero no cumple con los requisitos de la norma ICONTEC 2289, que exige al menos un 12% para el grado 40 y un 15% para el grado 60. La deformación observada es menor a la esperada por la norma, lo que indica un alto grado de rigidez. Esto no es ideal en construcción, ya que se requiere buena ductilidad en este tipo de material. A pesar de ello, la varilla soportó una carga máxima de 630 MPa, lo que señala que su resistencia a la tracción es adecuada, aunque su capacidad de deformación es limitada. Esto sugiere que alcanzó su límite de resistencia sin la deformación suficiente para cumplir con los estándares de ductilidad. En aplicaciones estructurales, esta baja ductilidad puede provocar fracturas abruptas, comprometiendo así la seguridad de la estructura.
