Ottazzi pasino gianfranco_material_ensen

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  42 CAPITULO 3 Acero deRefuerzo Lecturas: 3.1 Capítulo 2 (Reinforcing Steel) del libro Reinforced Concrete Engineering – Volume 1. Edited by Boris Bresler. John Wiley. 3.2 Capítulo 6 (Properties of Materials for Reinforced Concrete) del libro Handbook of Concrete Engineering – Second Edition. Edited by Mark Fintel. Van Nostrand. 3.3 Cold Straightening of Partially Embedded Reinforcing Bars – A Different View. L.A. Erasmus. ACI Concrete International, June 1981. 3.4 ¿Cuál es la Varilla de Refuerzo más Resitente a la Corrosión? Revista Construcción y Tecnología, Febrero 2000. Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto. 3.5 Norma ASTM A615/A615M-01b. Standard Specification for Deformed and Plain Billet Steel Bars for Concrete Reinforcement. 3.6 Norma ASTM A706/A706M-01. Low-Alloy Steel Deformed and Plain Bars for Concrete Reinforcement.
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  43 3.1 Introducción El concretoes un material débil en tracción, por lo tanto se le usa junto con acero de refuerzo capaz de resistir los esfuerzos de tracción. Por ejemplo, en una viga sometida a flexión, el concreto se encarga de resistir las compresiones y las barras de acero longitudinal, colocadas cerca de la superficie en tracción, se encargan de resistir las tracciones originadas por la flexión. Adicionalmente se suele colocar refuerzo transversal, en la forma de estribos, que ayudan a resistir los esfuerzos de tracción diagonal en el concreto causados por las fuerzas cortantes. El acero también se utiliza para ayudar al concreto a soportar los esfuerzos de compresión, por ejemplo en el caso de las columnas o elementos que trabajan en compresión o flexocompresión. Esto ayuda a reducir las secciones transversales de las columnas y se puede entender si se compara la resistencia en compresión de un concreto normal, digamos de 210 kg/cm2 , con la resistencia del acero de refuerzo que utilizamos en nuestro medio que es de 4,200 kg/cm2 , es decir cada centímetro cuadrado de acero equivale a 20 cm2 de concreto trabajando en compresión. Para que el acero trabaje de manera efectiva es necesario que exista una fuerte adherencia entre el concreto y el acero, para asegurar que no ocurran movimientos relativos (deslizamientos) entre las barras de refuerzo y el concreto circundante. Esta unión o adherencia, proviene básicamente de tres fuentes: de la adhesión del tipo químico que existe en la interfase entre el acero y el concreto, de la rugosidad natural que tienen las superficies del refuerzo de acero laminado en caliente y de las corrugaciones (resaltes) con las cuales se fabrican las barras de refuerzo corrugadas. Esta última fuente es la más importante para la adherencia, y solo está presente en las barras corrugadas, en las barras lisas solamente existen las dos primeras fuentes. Adicionalmente existen otras características que conducen a un comportamiento satisfactorio del conjunto acero – concreto, estas son: a) Los coeficientes de dilatación térmica del acero y del concreto son similares. Esto permite que no se forme agrietamiento en el concreto debido a las deformaciones térmicas. b) El concreto que rodea a las barras de refuerzo provee una buena protección contra la corrosión del acero. c) La resistencia al fuego del acero desprotegido no es buena, por su alta conductividad térmica y por el hecho de que sus propiedades mecánicas se reducen notablemente cuando es expuesto a temperaturas elevadas. El concreto protege al acero de la exposición a temperaturas elevadas, como las que se producen en un incendio, permitiendo aumentar el tiempo de exposición a las temperaturas altas que es capaz de resistir una estructura. 3.2 Barras de Refuerzo Laminadas en Caliente El refuerzo de acero se distribuye normalmente en barras o varillas de sección básicamente circular, con resaltes o corrugaciones en la superficie para mejorar la adherencia con el concreto. Los aceros lisos casi no se usan como refuerzo, salvo el de 1/4” que se utiliza en nuestro medio, para el refuerzo de retracción y temperatura en los aligerados y para estribos de columnas y elementos secundarios. Los aceros lisos, que en los inicios del concreto armado eran los únicos disponibles, hoy en día han sido completamente remplazados por los corrugados, con lo cual se ha logrado una mejora sustancial en la adherencia acero – concreto. En la figura 3-1 (Fling) se muestran los principales tipos de corrugaciones de los aceros de refuerzo. El acero que se utiliza en nuestro medio tiene resaltes similares a los de la tercera columna de la misma figura. La Norma ASTM A615 especifica la altura mínima
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  44 que deben tenerlas corrugaciones o resaltes, el espaciamiento entre los resaltes y la inclinación de los mismos. Fig. 3-1 Tipos de corrugaciones en las barras de refuerzo. En la tabla 3-1, adaptada de la ASTM, se resumen las principales características de las varillas de refuerzo. Las barras de producción nacional se ajustan a estas características. Los productores de acero en los Estados Unidos distinguen los distintos diámetros asignándoles un número relacionado con el diámetro de la barra expresado en octavos de pulgada (por ejemplo la barra #5 es de 5/8”, la #6 es de 3/4”). El área de las barras puede ser calculada directamente del diámetro nominal. Las barras de producción nacional vienen en longitudes de 9 m, bajo pedido Aceros Arequipa puede fabricar barras de 12 m de longitud. SiderPerú y Aceros Arequipa fabrican, adicionalmente a las barras de 3/8”, 1/2”, 5/8”, 3/4”, 1” y 1-3/8”, barras de 8 mm y de 12 mm. Aceros Arequipa fabrica también barras de 6 mm corrugadas. Tabla 3-1 Características de las varillas corrugadas. Designación Diámetro (in) Diámetro (mm) Area (cm2) Peso (kg/m) Observaciones 2 1/4 6.4 0.32 0.250 Liso 3 3/8 9.5 0.71 0.560 4 1/2 12.7 1.29 0.994 5 5/8 15.9 2.00 1.552 6 3/4 19.1 2.84 2.235 8 1 25.4 5.10 3.973 11 1 3/8 35.8 10.06 7.907 6 mm (*) 6 0.28 0.222 Ac. Arequipa 8 mm 8 0.50 0.395 Ac. Arequipa 12 mm 12 1.13 0.888 Ac. Arequipa 7 7/8 22.2 3.87 3.042 No disponible 9 1 1/8 28.7 6.45 5.060 No disponible 10 1 1/4 32.3 8.19 6.404 No disponible 14 1 11/16 43.0 14.52 11.380 No disponible 18 2 1/4 57.3 25.81 20.240 No disponible (*) Acero de 6 mm corrugado. También se comercializa en rollos
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  45 3.3 Calidades delAcero de Refuerzo Las principales características que deben tener los aceros de refuerzo, están descritas en la Norma Peruana en el artículo 3.4 y en ACI-02 artículo 3.5. Los aceros de refuerzo que se producen en el Perú (SiderPerú, Aceros Arequipa) deben cumplir con alguna de las siguientes Normas: • Norma Peruana Itintec 341.031-A-42. Acero Grado 60. • Norma ASTM A615. Acero Grado 60. • Norma ASTM A706. Acero de baja aleación, soldable. Grado 60. La Norma A615 cubre los aceros de refuerzo que se utilizan con mayor frecuencia, en nuestro medio son prácticamente los únicos que utilizamos. La citada Norma, no limita la composición química de los aceros, salvo el contenido de fósforo. La Norma A706 cubre los aceros para aplicaciones especiales en las cuales la soldabilidad, la facilidad de doblado y la ductilidad, sean consideraciones importantes para la elección del acero. Limita la composición química del acero de tal modo que el carbono equivalente sea menor que el 0.55%. El carbono equivalente se calcula en función del contenido de Carbono, Manganeso, Cobre, Níquel, Cromo, Molibdeno y Vanadio. Las calidades del acero que cubre la Norma ASTM y que es posible emplear, como refuerzo para el concreto, se resumen en la tabla 3-2. Se indica el esfuerzo de fluencia (fy) mínimo y máximo, el esfuerzo máximo o último (fu) mínimo, a este último también se le denomina resistencia a la tracción (tensile strenght). Grado ASTM fy min (kg/cm2) fy max (kg/cm2) fu min (kg/cm2) fu/fy (min) 40 A 615 2,800 -- 4,200 -- 60 A 615 4,200 -- 6,300 -- 75 A 615 5,300 -- 7,000 -- 60 A 706 4,200 5,500 5,600 1.25 Tabla 3-2 Calidades del acero de refuerzo. Cabe resaltar que en el Perú, tanto Acero Arequipa S.A. como SiderPerú, los únicos productores de acero corrugado, solo fabrican acero de refuerzo Grado 60. La mayoría del acero disponible en nuestro medio, se ajusta a la Norma ASTM A615. Aceros Arequipa, bajo pedido, fabrica acero A706 solo en los diámetros de 5/8”, 3/4” y 1”. Este acero es soldable, desgraciadamente es más caro que el A615 y su uso no se ha difundido. Nótese en la tabla 3-2, que la ASTM A615 fija únicamente los valores mínimos de fy y de fu, no especifica un valor máximo para fy. En contraste la Norma A706 sí especifica un valor máximo para fy de 5,500 kg/cm2 . En general los fabricantes de acero se preocupan por cumplir con el valor mínimo de fy. Los ensayos de laboratorio indican que el valor de fy real puede ser mayor que el nominal, no es de extrañar valores de fy un 10% a 30% por encima del nominal, tal como se aprecia en la figura 3-2 (MacGregor) correspondiente a muestras de la producción de acero Grado 60 en los Estados Unidos. En esta muestra el 10% de los ensayos mostraron un fy 33% mayor que el valor nominal, con un coeficiente de variación cercano al 9% y muy pocos resultados por debajo del fy nominal. Un valor de fy real muy por encima del nominal no es conveniente, ya que el elemento tendrá una marcada sobreresistencia en flexión la que puede ocasionar una falla frágil por esfuerzo cortante.
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  46 Fig. 3-2 Distribuciónde los esfuerzos de fluencia medidos en ensayos de tracción. Aceros Grado 60. 3.4 Propiedades Mecánicas de las Barras de Refuerzo La figura 3-3 (MacGregor) muestra curvas típicas idealizadas esfuerzo – deformación, de los aceros de refuerzo Grado 40, 60 y 75. También se muestra en línea punteada la curva típica para los alambres con los cuales se fabrican las mallas electro soldadas (Welded wire fabric). Fig. 3-3 Curvas esfuerzo – deformación típicas. La figura 3-4 (adaptada de Fintel) muestra algunas curvas fuerza – deformación típicas de aceros con distintas calidades (40, 60 y 75) y distintos diámetros. Las curvas corresponden a la producción de acero Norteamericana. Para los aceros Grado 40 y 60 se observan claramente las plataformas de fluencia, mientras que los aceros de mayor resistencia, como el Grado 75 y los alambres para mallas electro soldadas, ya no exhiben tal plataforma.
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  47 Fig. 3-4 Curvasfuerza – deformación típicas. Los aceros Grado 60 pueden o no presentar plataforma de fluencia, dependiendo de la composición química y del proceso de fabricación. En el caso que no exista una fluencia clara, la Norma ASTM A615 especifica que la fluencia se calculará para una deformación del 0.5% para el Grado 60 y de 0.35% para el Grado 75 (ver figura 3-3). Para los aceros con una resistencia especificada mayor que la correspondiente al Grado 60 (fy = 4,200 kg/cm2 ) el ACI exige que el esfuerzo de fluencia (en este caso virtual) se calcule para una deformación de 0.35% como se indica en la figura 3-4. Los aceros que se producen en el Perú, suelen presentar un escalón de fluencia definido, salvo los aceros “trabajados en frío”. La figura 3-5 muestra los resultados de los ensayos de dos barras de 5/8” Grado 60, fabricadas por Aceros Arequipa. Se muestran también las curvas de descarga y recarga las que son paralelas a la recta inicial de carga. Solo se muestra un tramo de la curva, la gráfica se ha interrumpido mucho antes de la rotura de las barras. 0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 0 5 10 15 20 25 30 35 Deformación x 1000 Esfuerzo(kg/cm2) fy = 4,500 kg/cm2 fu = 7,400 kg/cm2 fu / fy = 1.64 descarga recarga fy = 4,350 kg/cm2 fu = 6,700 kg/cm2 fu / fy = 1.54 Fig. 3-5 Curvas típicas para aceros nacionales de 5/8” Grado 60.
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  48 El ACI (artículo9.4) especifica que los diseños no deben basarse en un esfuerzo de fluencia de la armadura - fy - que exceda de 5,600 kg/cm2 , salvo para aceros de preesforzado. La Norma Peruana y el ACI, en elementos con responsabilidad sísmica, no permiten el empleo de aceros con una resistencia especificada a la fluencia superior al Grado 60. La Norma ASTM especifica el alargamiento o elongación de rotura mínima (medido en los ensayos en una longitud de 8”) que deben tener los aceros de refuerzo. Para el acero Grado 60 el alargamiento mínimo debe estar entre el 7 y 9% dependiendo del diámetro. La tabla 3-3 resume los requerimientos para el acero Grado 60. El alargamiento o elongación es una medida de la ductilidad del acero. Obsérvese en la tabla 3-3 que la Norma ASTM exige para el acero A706 una elongación mínima alrededor del 50% mayor que la correspondiente al acero fabricado bajo la A615, en consecuencia el A706 es bastante más dúctil y su empleo es recomendable en zonas de alta sismicidad. Tabla 3-3 Elongaciones mínimas de rotura. Designación A615 A706 Grado 60 Grado 60 Barras # 3, 4, 5, 6 9% 14% Barras # 7, 8 8% 12% Barras # 9, 10, 11 7% 12% En nuestro medio no es raro encontrar aceros trefilados o “trabajados en frío”. Estos se fabrican a partir del fierro de 1/4” estirándolo en frío, para producir diámetros de 4, 4.5, 5, 5.5 mm. Las propiedades mecánicas de estos aceros son distintas a la del acero a partir del cual se fabricaron ya que el estiramiento en frío elimina el escalón de fluencia, dando lugar a aceros frágiles con poca elongación de rotura. 3.5 Propiedades de las Barras Grado 60 3.5.1 Características Mecánicas – ASTM A615: - fy min = 4,200 kg/cm2 (fluencia nominal, valor mínimo). - fu min = 6,300 kg/cm2 (esfuerzo máximo o último o resistencia a la tracción). - Es ≈ 2’000,000 kg/cm2 (módulo de elasticidad). - Deformación en el inicio de la fluencia εy = (fy / Es). ≈ 0.0021 - Longitud de la plataforma de fluencia = variable. - Deformación de rotura >> Deformación de fluencia (30 a 40 veces). - Elongación a la rotura entre el 7% y 9% (Tabla 3-3). - Coeficiente de dilatación ≈ 11x10-6 1/C°. Valor muy parecido al del concreto el cual es ≈ 10x10-6 1/C°. Ambos coeficientes de dilatación dependen de la temperatura. 3.5.2 Soldabilidad El acero ASTM A615, por su composición química (carbono equivalente mayor a 0.5%) no es soldable en esencia. El alto contenido de carbono equivalente lo hace un acero difícil de soldar, con una alta posibilidad que se originen uniones frágiles y de baja resistencia. Es necesario utilizar procedimientos muy cuidadosos para lograr una soldadura “decente” como por ejemplo precalentar las barras y luego de soldar controlar el enfriamiento y usar electrodos de bajo contenido de hidrógeno E-7018 ó E-8018. En
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  49 general no esrecomendable soldar este acero, salvo bajo procedimientos supervisados y con mano de obra especializada. El acero fabricado bajo la Norma ASTM A706 sí es soldable. Su uso es recomendable en zonas de alto riesgo sísmico ya que facilita las reparaciones y/o refuerzo de estructuras dañadas luego de sismos intensos, o cuando se requiere reforzar o ampliar una estructura. También su uso facilita los empalmes de barras por soldadura, si fuesen necesarios. 3.5.3 Diámetros Mínimos de Doblado del Acero de Refuerzo. La Norma Peruana en los artículos 7.2 y 7.3 establece los diámetros mínimos de doblado para las barras de refuerzo. Estos diámetros mínimos de doblado, no deben confundirse con el diámetro de la prueba de doblado especificada por las Normas ASTM. 3.5.4 Efecto de la Temperatura. El acero expuesto a altas temperaturas pierde (reduce) sus propiedades mecánicas (fy, fu, Es). A partir de los 450 C° aproximadamente, la reducción en fy y fu crece rápidamente. El recubrimiento de concreto protege, dentro de ciertos límites, al acero de refuerzo del fuego, prolongando el tiempo necesario para que sus propiedades mecánicas se vean afectadas por el efecto de las altas temperaturas. La figura 3-6 (MacGregor) muestra el efecto de las altas temperaturas en la resistencia del acero, para las barras trabajadas (estiradas) en frío (cold-drawn), para las barras laminadas en caliente (hot-rolled) y para las barras de alta resistencia.. Fig. 3-6 Efecto de las altas temperaturas en la resistencia del acero. La figura 3-7 (MacGregor) muestra la influencia de la temperatura en la resistencia a la compresión del concreto simple. Se muestran las curvas correspondientes a tres tipos de agregados distintos. En general tanto la resistencia a la compresión como el módulo de elasticidad del concreto diminuyen con las temperaturas altas, mientras que el coeficiente de dilatación aumenta. Los concreto fabricados con agregados con carbonatos (calizas, dolomitas) son menos sensibles a la altas temperaturas que los fabricados con agregados silicios (granito, areniscas, cuarcitas). Estos últimos son los más utilizados en nuestro medio.
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  50 El color delconcreto luego de un incendio, es un indicador aproximado de las temperaturas que se han alcanzado. En la parte inferior de la figura 3-7 se indican algunos rangos de temperatura asociados con el color del concreto. En general cuando el color ha pasado del rosado al gris, es probable que el concreto haya sido dañado de manera importante por las temperaturas. Fig. 3-7 Efecto de las altas temperaturas en la resistencia del concreto. 3.6 Mallas Electro Soldadas Las mallas electro soldadas se utilizan como refuerzo prefabricado para el concreto. Consisten en alambres lisos o corrugados colocados horizontal y verticalmente, los alambres se sueldan eléctricamente en las intersecciones conformando mallas con aberturas cuadradas o rectangulares. Se las usa como refuerzo en pavimentos, losas, muros y en general en estructuras con refuerzo longitudinal y transversal dispuesto en un patrón regular. La ventaja que tienen es la de ahorrar mano de obra ya que de utilizar refuerzo convencional, las armaduras deben “tejerse” manualmente. Las Normas ASTM establecen las características que deben tener tanto las mallas como los alambres que la componen, por ejemplo la ASTM A496 especifica las características del alambre corrugado utilizado para la fabricación de mallas corrugadas. En este caso el acero debe tener un esfuerzo de fluencia mínimo de 4,900 kg/cm2 y un esfuerzo último mínimo de 5, 600 kg/cm2 . El uso de las mallas electro soldadas debe evaluarse cuidadosamente en aquellas estructuras que requieran ductilidad, como lo son las estructuras que deban soportar sismos y en las cuales las fuerzas de diseño se han obtenido reduciendo el espectro elástico de respuesta. Esto se debe a que el alambre con el cual se fabrican las mallas suele ser frágil con una elongación a la rotura entre el 1% y el 3%, valores bastante menores a los exigidos para el acero corrugado de refuerzo (tabla 3-3). La reducción en la ductilidad se origina por el proceso de estiramiento en frío (trefilado) al cual son sometidos los alambres. Este proceso conlleva a un endurecimiento por deformación del acero y elimina el escalón de fluencia.