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¿En qué medida es dañino el doblado y enderezado en frío de varillas de refuerzo? |
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José
I. Restrepo, Francisco J. Crisafulli y Robert Park Se
ha expresado algún grado de preocupación sobre el comportamiento sísmico
del acero de refuerzo que se dobla en frío y luego se endereza en los
sitios de construcción.1-3 Por ejemplo, la industria de la
construcción con frecuencia utiliza varilla de refuerzo de diámetro pequeño,
típicamente 10 y 13 mm (3/8 y 1/2 pulg), para conectar muros de concreto de
izaje inclinado a losas de pisos y muros a cimentación. Estas varillas
sobresalen del elemento tilt-up y con frecuencia se doblan para permitir el
acomodo de los muros. Otra práctica común es doblar las varillas de
refuerzo que conectarán los muros tilt-up y la losa del piso para permitir
el posicionamiento de losas de concreto premoldeado patentadas. Las varillas
dobladas en frío se enderezan antes del colado de la capa de desgaste de
concreto sobre las losas de concreto premoldeado. Además, las varillas de
refuerzo ahogadas en la viga de cimentación a veces se doblan accidental o
deliberadamente y necesitan ser enderezadas para permitir una tarea específica
de construcción. Un
problema del doblado y enderezado de las varillas de refuerzo que están
parcialmente ahogadas en el concreto es que las varillas permanecen con un
doble doblez. Esto se debe a que es muy difícil enderezar completamente la
zona en la cual ocurrió el primer doblez, debido al excesivo endurecimiento
de trabajo en esa región. Así pues, podría esperarse que algo del doblado
de la varilla en las secciones combadas se induzca cuando estas varillas
sean sometidas a fuerzas de tensión. El efecto de este doblez inducirá a
su vez deformaciones más grandes en las fibras más exteriores de las
varillas que podrían causar una falla frágil. En
Nueva Zelandia, el estándar de construcción4
del concreto desalienta la práctica del doblado en la obra de las varillas
de refuerzo que están parcialmente ahogadas en el concreto, pero permite
esta práctica si el ingeniero de diseño o el supervisor lo aprueban. El
Reglamento de Construcción ACI 318-955 permite el doblado y
enderezado de las varillas solamente si está autorizado en los planos de
diseño o permitido por el ingeniero en el sitio. Los resultados de
investigación actualmente disponibles sobre esta materia no pueden
utilizarse para predecir si la práctica de doblado en frío en el sitio o
el enderezado de las varillas de refuerzo debe o no debe emplearse. Una
mayor información sobre este tema podría ayudar a los ingenieros de diseño
a decidir si puede usarse el doblado/enderezado en frío de las varillas de
refuerzo en regiones donde existe gran probabilidad de fluencia de la
varilla. Erasmus
y otros1, 2 han demostrado que la temperatura
de transición a la cual el modo de fractura del acero cambia de dúctil a
quebradizo se eleva como resultado del envejecimiento por deformación de
las varillas de refuerzo trabajadas en frío. Erasmus discutió los cambios
en las propiedades mecánicas de las varillas que se ven afectadas por
envejecimiento por deformación después de que las varillas han sufrido
deformación plástica. La figura 1 resalta los principales cambios causados
por el envejecimiento por deformación del acero. Por ejemplo, una varilla
de refuerzo que ha sido esforzada más allá del comienzo del endurecimiento
por deformación, puede, después de algún tiempo, ceder a un nivel de
esfuerzo más alto que antes. La resistencia última a tensión de la
varilla también puede ser afectada, pero quizás, y lo que es más
importante, la deformación por tensión última puede reducirse. Erasmus3 llegó a la conclusión de que
puede ocurrir una falla frágil en las varillas dobladas, en situaciones en
que la deformación plástica inicial es grande, la temperatura de la
varilla es baja y la deformación por tensión inducida en el refuerzo es
alta. Yap6 combinó estas variables y llevó a cabo una prueba dinámica
en dos ensamblajes de juntas de viga exterior-columna para evaluar el
comportamiento del acero de refuerzo enganchado en condiciones de carga
reversible cíclica. Las varillas de refuerzo en la región crítica en la
junta viga-columna fueron presforzadas a 10 por ciento y luego
artificialmente envejecidas por deformación en un baño de vapor a 100 °C
por tres horas. La temperatura de la región crítica durante las pruebas
dinámicas fue mantenida a aproximadamente 6 °C. La carga en las pruebas
fue inducida con un actuador MTS calibrado para aplicar una tasa de
deformación en el refuerzo de tensión en la región crítica de la
varilla, de 0.2/seg. Se encontró que no ocurría falla frágil. Babbei y Hawkins7 llevaron a cabo un programa de investigación muy extenso para ver la
posibilidad de efectos perjudiciales del doblado/enderezado en caliente y frío
de las varillas de refuerzo en los sitios de construcción. Estos
investigadores proporcionaron recomendaciones para el doblado en caliente de
las varillas, y las limitaron al acero de refuerzo con cierta composición
química. Babbei y Hawkins recomendaron que las varillas de pequeño diámetro
podían ser dobladas/enderezadas en frío. Este
artículo presenta un resumen de los resultados de un programa experimental
sobre pruebas de tensión a una tasa de deformación alta sobre varillas de
refuerzo de diámetro pequeño probadas en condiciones de temperaturas
bajas. El objetivo principal del trabajo experimental fue observar el efecto
que la práctica del doblado, enderezado y envejecimiento por deformación
tenía sobre el comportamiento de tensión de las varillas. Programa
de pruebas El
trabajo experimental se realizó en varillas de refuerzo fabricadas en Nueva
Zelandia. En ese país, las varillas de refuerzo están disponibles en dos
grados, específicamente en Grado 300 y Grado 430.8
El 5 percentile de la resistencia a la fluencia más baja característica de
estos dos grados son fy = 300 MPa para acero de Grado 300 y fy = 430 MPa para acero de Grado 430. Ambos grados de varillas
se rolan en caliente y deben satisfacer los límites de composición química
que se muestran en el cuadro 1. El acero de grado 430 es similar al acero de
grado 300, pero tiene una microaleación con vanadio. Al hacer
microaleaciones del acero, se asegura el refinamiento del grano, lo que da
como resultado una resistencia a la fluencia más alta. La ductilidad del
acero de Grado 430 se mantiene debido a la baja temperatura de la transición
del impacto, que se logra con el proceso de microaleación. Una característica
adicional de este acero es la soldabilidad de las varillas debido al bajo
equivalente de carbón del acero. Se
realizaron 56 pruebas de tensión en varillas de 520 mm (20.5 pulg.) de
longitud para reunir información respecto al comportamiento de las varillas
de refuerzo corrugadas que se doblan y luego se enderezan. Se probaron 14
grupos diferentes de cuatro varillas en cada cada grupo. Con respecto al diámetro
de la varilla, ocho grupos estaban entre 12 mm (1/2 pulg.) de diámetro de
varillas corrugadas y seis grupos eran de varillas corrugadas de 10 mm (3/8
pulg.) de diámetro. Seis grupos de varillas eran de acero de Grado 430 y
los restantes ocho grupos eran de acero de Grado 300. Cada grupo tenía un
origen independiente con el objetivo de tener varillas de diferentes
hornadas. Las
pruebas de tensión se dividieron en las siguientes cuatro series: l
Se realizó una prueba de tensión convencional en la primera serie, es
decir, las varillas se probaron sin haberse doblado previamente, la tasa de
deformación se aplicó seudoestá-ticamente y las pruebas se realizaron a
temperatura ambiente. l
La segunda serie de varillas se probó sin haberse doblado previamente. Se
aplicó una alta tasa de deformación y las pruebas se realizaron a
temperatura de 0 °C. l La tercera serie de varillas se dobló inicialmente en frío, a ángulos
de 45 grados y luego se enderezó a una edad de deformación artificial.
Luego se probaron las varillas a una alta tasa de deformación, y la
temperatura de las varillas durante las pruebas fue de 0 °C. l
La cuarta serie de pruebas fue idéntica a la tercera serie, excepto que las
varillas de refuerzo se doblaron inicialmente a un ángulo de 90 grados. Preparación
Las
varillas de refuerzo de la primera serie de pruebas no requirió preparación,
ya que podían ser probadas usando los accesorios estándar de una Máquina
de Pruebas Universal Avery. La deformación longitudinal en estas pruebas se
midió usando dos calibradores de grapa en los lados de la varilla y de 30
mm (1.2 pulg.) de longitud calibrada. Los datos de carga y deformación se
capturaron mediante un sistema de adquisición de datos. Las
varillas de la tercera y cuarta series fueron primero dobladas y se dejaron
así durante una semana antes de enderezarlas. Cada varilla se dobló colocándola
en un agujero en un bloque de concreto y usando un tubo de acero para
doblarla y enderezarla (véanse las figuras de la 2 a la 4). Las mediciones
de la deformación en la sección de la curvatura más grande en la región
doblada de las varillas de 12 mm (1/2 pulg.) de diámetro indicaban que la
deformación superficial en las fibras extremas era de aproximadamente 5 y
10 por ciento cuando las varillas se doblaron a ángulos de 45 y 90 grados,
respectivamente. Las varillas enderezadas se colocaron durante 72 horas en
un horno de temperatura controlada a 60 °C para acelerar artificialmente el
proceso de envejecimiento por deformación. El envejecimiento por deformación
era equivalente al que hubiera ocurrido si las varillas de refuerzo se
hubieran dejado durante 300 días a una temperatura de 15 °C.9 Las
varillas de la segunda, tercera y cuarta series probadas a altas tasas de
deformación fueron equipadas con calibradores de deformación por
resistencia eléctrica de gran elongación con una longitud calibrada de 5
mm (0.2 pulg.). Se tuvo cuidado en evitar la remoción excesiva de la sección
de la varilla en la región calibrada. Se pegó con goma un calibre de
deformación al lado de cada varilla. También se colocó una camisa de
acero roscada (75 mm) sobre cada extremo de la varilla y luego se la trató
con epóxicos en posición para permitir que las varillas se colocaran rápidamente
en el marco de carga. Las
pruebas de alta tasa de deformación se realizaron en una Máquina de
Pruebas Universal Drtec, con la temperatura de la varilla a 0 °C. Las
varillas se colocaron durante, al menos, 24 horas, en un congelador de
temperatura controlada puesto a 0 ± 0.5 °C. Se eligió esta temperatura
para simular las condiciones a las que podría someterse una varilla de
refuerzo ahogada en una construcción de concreto reforzado durante el
invierno en una población importante en Nueva Zelandia. Inmediatamente
antes de la prueba, se removieron las varillas del congelador y se
envolvieron en bloques de poliestireno mientras se colocaban en el marco de
carga. Durante las pruebas, la cabeza transversal de la máquina se movió a
una velocidad constante de aproximadamente 10 mm/seg, induciendo una tasa de
deformación promedio de 2.9 % /seg. en la varilla. Los datos de carga y de
deformación se capturaron por medio de un sistema de adquisición de datos
a 300 Hz. Resultados
de las pruebas Las
pruebas experimentales indicaron que el doblado y enderezado en frío de las
varillas de refuerzo no indujeron falla frágil en ninguna de las varillas
probadas. La región de dobleces en donde las varillas habían sido
inicialmente dobladas estaba completamente derecha durante las pruebas. Sin
embargo, parece que tan pronto como los dobleces se enderezaron, la región
trabajada en frío ya no participó en la disipación de energía. Este fenómeno
fue evidente debido a que las varillas permanecían frías en la región
donde fueron trabajadas en frío, mientras que en otros puntos la varilla
llegó a estar ligeramente caliente. Las mediciones de los diámetros de las
varillas hechas en diferentes localizaciones mostraron que el diámetro en
la región trabajada en frío era consistentemente más grande que en las
otras regiones. Por lo tanto, puede deducirse que la deformación en la región
trabajada en frío era más pequeña que en los otros puntos de la varilla. Las
observaciones reunidas en estas pruebas pueden explicarse fácilmente usando
la analogía de una cadena en la cual las regiones de la varilla que no se
trabajaron en frío son equivalentes a una serie de eslabones dúctiles, y
la región trabajada en frío es equivalente a un eslabón más quebradizo,
pero más fuerte. Cuando la cadena se somete a tensión, las deformacioens
plásticas y la fuerza de tensión última están controladas por el
comportamiento de los eslabones dúctiles. Sin embargo, la capacidad de
deformación y de disipación de energía de la cadena como un todo,
dependerá de la relación entre la longitud de la cadena compuesta por los
eslabones dúctiles y la longitud de la cadena compuesta por el eslabón más
quebradizo. Las
propiedades mecánicas medidas en las pruebas de tasas de deformación altas
(serie de pruebas de 2 a 4) eran todas muy similares. Los cuadros 2 y 3
muestran las propiedades mecánicas medidas de las varillas en la primera y
cuarta serie de pruebas. En estos dos cuadros, fyu
es la resistencia a la fluencia superior del acero al comienzo de la región
de la meseta de fluencia, fya
es la resistencia a la fluencia promedio del acero, esh es la deformación al principio de la región del
endurecimiento de trabajo, fsu
es la resistencia a tensión última del acero, y esu
es la deformación uniforme, medida a la resistencia a tensión última fsu (no en la fractura). La
figura 5 muestra los resultados de una prueba de tasa de deformación alta y
una prueba seudoestática. Dos de los resultados más importantes de las
pruebas a tasas de deformación más altas son el incremento en la
resistencia a la fluencia y la extensión de la región de la meseta de
fluencia. El aparente módulo de elasticidad más bajo observado en la
prueba de tasa de deformación alta en la figura 5 es el resultado de medir
la deformación con solamente un calibrador de deformación por resistencia
eléctrica fijado a un lado de la varilla. Las propiedades medidas del acero
de refuerzo probado están en concordancia con las observaciones previas,10 en las que la alta deformación
tenía un menor efecto en el acero de Grado 430 que en el acero de Grado
300. La figura 5 también muestra la velocidad de deformación derivada de
los datos registrados de un calibrador eléctrico de deformación de 5 mm de
largo. La tasa de deformación obtenida en la región de la meseta de
fluencia es notablemente diferente de la tasa nominal impuesta por el
movimiento en la cabeza transversal de la Máquina de Pruebas Universal.
Esto es debido a que la deformación en la región de la meseta de fluencia
se incrementa, ya que la fluencia tiene lugar en pequeñas bandas discretas
(bandas de Lüders) a lo largo de la varilla. Las bandas elásticas
permanecen entre las bandas Lüders hasta que se alcanza la región de
endurecimiento de trabajo. En este punto es cuando la varilla entera ha sido
plásticamente deformada. Este efecto implica que el concepto de tasa de
deformación en la región de la meseta de fluencia no puede ser fácilmente
cuantificado, ya que depende de la longitud del calibrador. Conclusiones Se
llevó a cabo una serie de pruebas en varillas de refuerzo dobladas,
enderezadas y envejecidas en frío para verificar si la práctica de doblado
y enderezado de las varillas de refuerzo en el sitio tiene efectos
perjudiciales cuando estas varillas están sometidas a alta deformación y
condiciones de baja temperatura. Las
pruebas mostraron que en muchas situaciones, cuando las varillas de diámetro
pequeño son dobladas y luego enderezadas en frío, la fluencia de las
varillas puede expandirse a regiones alejadas de las porciones trabajadas en
frío, sin comprometer la deformabildad de la conexión. Por lo tanto,
aparentemente no existe la necesidad de impedir la práctica de doblar en la
obra varillas de refuerzo de diámetro pequeño que están parcialmente
ahogadas en el concreto y en conformidad con el análisis de colado que se
da en el cuadro 1, y que satisfacen las siguientes condiciones de esta serie
de pruebas: a)
la varilla no se dobla a un ángulo mayor de 90 grados, b)
las varillas se doblan y enderezan solamente una vez, c)
la deformación uniforme del refuerzo esu
correspondiente a la resistencia a la tensión última del acero no es menor
de 14 por ciento. Reconocimientos Este
documento se preparó como parte del programa de investigación apoyado por
la New Zeland Public Good Science Fund, Contrato UOC, 306.
Los autores reconocen la colaboración de Pacific Steel Ltd. por
haber donado parte del acero de refuerzo. Referencias 1. Erasmus, L.A. y L.N. Pussegoda, “Strain Age
Embrittlement of Reinforcing Steels,” New Zealand Engineering, vol.
32, núm. 8, 1977, pp. 178-183. Jose
I. Restrepo es miembro del ACI y conferencista Senior en ingeniería civil
en la Universidad de Canterbury, Nueva Zelandia.
Francisco J. Crisafulli es miembro del ACI y conferencista Senior en
ingeniería civil en la Universidad de Cuyo, Mendoza, Argentina.
Rober Park es miembro honorario del ACI y profesor de ingeniería
civil y vicecanciller suplente en la Unviersidad de Canterbury, Nueva
Zelandia. Este artículo se publicó en Concrete International y se reproduce con la autorización del American Concrete Institute.
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Resumen: Se
exponen aquí los resultados de un estudio realizado en Nueva Zelandia para
observar el efecto que tienen el doblado, enderezado y envejecimiento por
deformación sobre el comportamiento de tensión de las varillas de
refuerzo, una cuestión que ha causado cierta preocupación en relación con
el comportamiento sísmico del acero así tratado.
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Instituto Mexicano
del Cemento y del Concreto, A.C. |
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