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Acero de dilatación térmica

Definición

El acero, como cualquier componente sólido, es vulnerable a la influencia en el aumento de temperatura, que causa cambios en su comportamiento estructural y resistente. Por ello, las propiedades mecánicas del acero no son las mismas en una temperatura ambiente, que en un sitio donde la temperatura es provocada y se puede llegar a cantidades que rebasen los 200 ºC, 400 ºC ó a 1000 ºC. 

Según el tipo de acero o de su aleación, se tienen diferentes índices que indican cuando puede colapsar un acero. En el caso del acero estructural, se sabe que éste cede cuando alcanza los 538 ºC. Esta temperatura se puede alcanzar de manera sencilla en caso de que se encuentre en medio de un incendio que afecte a la estructura compuesta por un material así, por lo que la solidez de la estructura se ve comprometida.

Sin embargo, previo al fallo del acero, las propiedades del acero cambiarán de diferentes maneras, por lo que este proceso es conocido como dilatación térmica, el cual expone al acero a cambios en su estructura, que varían según la composición del material. En aceros estos cambios generan alteraciones en las propiedades físicas del producto, mismas que tienen un cambio constante según la temperatura a la que sean expuestos.

Dilatación Térmica

Dilatación-térmica

Propiedades del acero de dilatación térmica

Las propiedades mecánicas del acero van variando gradualmente conforme se va produciendo el aumento de la temperatura. En los siguientes capítulos se mostrará cómo calcular las propiedades del acero a distintas temperaturas a que esté sometido. También se estudiará los materiales y sistemas más comunes empleados para la protección de las estructuras de acero contra el fuego y temperaturas elevadas, y las propiedades mínimas que le son exigibles para poder cumplir su función eficazmente.

Por último, en ocasiones a nivel de proyecto o en la fase de diseño resulta útil poder estimar la temperatura que alcanza el acero en caso de incendio para distintos momentos y con diferentes grados de protección, con objeto de poder conocer sus propiedades resistentes. Existe un método aproximado que permitirá estimar de manera aproximada la temperatura que alcanza la superficie de una estructura de acero, en función del tiempo de exposición al fuego y del grado de recubrimiento protector que disponga.

propiedades-del-acero-de-dilatación
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Tipos de Dilatación térmica

De entre los estados de agregación de la materia estudiados, el estado sólido es el que tiene las fuerzas de cohesión más fuertes, por lo que resulta más difícil observar la dilatación que en líquidos y gases. En función del número de dimensiones que predominan en el cuerpo, podemos distinguir tres casos:

  • Dilatación lineal
  • Dilatación superficial
  • Dilatación volumétrica

Dilatación lineal

Se produce cuando predomina una dimensión frente a las otras dos. Ejemplos de cuerpos que se dilatan linealmente son: varillas, alambres, barras, entre otros.

La dilatación lineal de un cuerpo viene dada por la expresión:

𝑙=𝑙0·(1+𝜆·∆𝑇)

Donde:

  • l, l0 : Longitud final e inicial respectivamente del cuerpo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el metro ( m ).
  • λ: Coeficiente de dilatación lineal. Es específico de cada material y representa el alargamiento que experimenta la unidad de longitud de un sólido, cuando su temperatura se eleva 1 K. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el K-1, aunque también se usa el ºC-1.
  • ∆T: Incremento de temperatura que experimenta el cuerpo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el kelvin ( K ), aunque también se usa el ºC.

Observa que, aunque la unidad de temperatura en el Sistema Internacional es el Kelvin, por comodidad también se usa el ºC, en cuyo caso el coeficiente de dilatación lineal λ se expresa en ºC-1, aunque su valor sea el mismo.

Dilatación lineal en sólidos

Valores típicos del coeficiente de dilatación

El coeficiente de dilatación en el caso de los líquidos suele mantenerse constante para cambios de temperatura ∆T menores de 100 grados. Algunos valores típicos para el coeficiente de dilatación lineal son:

Material Coeficiente dilatación lineal λ ( K-1 o ºC-1 )

  • Plata 3·10-5
  • Plomo 2.9·10-5
  • Zinc 2.6·10-5
  • Aluminio 2.4·10-5
  • Cobre 1.7·10-5
  • Oro 1.5·10-5
  • Vidrio 0.9·10-5
  • Diamante 0.12·10-5
  • Cuarzo 0.04·10-5
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