EVALUACION DEL COMPORTAMIENTO DE BARRAS DE ACERO CON BAJO CONTENIDO DE CARBONO SOLDADAS A TOPE Y SOMETIDAS A CICLOS SEVEROS DE CARGA AXIAL

 

Enrique Castilla C. Aimé Guerrero Norberto Fernández

Instituto de Materiales y Modelos Estructurales (IMME), Facultad de Ingeniería, Universidad Central de Venezuela, ecastill@reacciun.ve

RESUMEN

El presente estudio evalúa el comportamiento de barras para refuerzo con bajo contenido de carbono (ASTM A-706) soldadas a tope y sometidas a ciclos severos de carga pulsante. En tal sentido, se ensayaron 95 barras para todos los diámetros comerciales entre ½ y 1 pulgada soldadas según lo establecido por la norma AWS D1.4. Un total de 55 barras eran de acero termotratado y las restantes 40 de acero microaleado.

Una vez alcanzado el agotamiento de algunas muestras ensayadas, se determinaron a través de las técnicas de microscopía electrónica de barrido (M.E.B.) y espectrometría de energía dispersiva por rayos X (E.D.X.), las características microestructurales y fractográficas de las uniones soldadas del refuerzo estructural.

Los resultados sugieren que las barras de acero microaleado son soldables a temperatura ambiente sin comprometer sus propiedades sismorresistentes. Para el caso de las barras de acero termotratado, los diámetros grandes (mayores o iguales a ¾ de pulgada) presentan restricciones en cuanto a su soldabilidad con fines sismorresistentes, por ser ellos posiblemente más sensibles al agrietamiento por hidrógeno.

Se concluye también sobre la profundidad de temple para barras de acero termotratado que garanticen su comportamiento dúctil al ser soldadas a temperatura ambiente.

Palabras Clave: Acero, termotratado, microaleado, soldadura, barras, tren de carga, falla frágil, falla dúctil.

EVALUATION OF THE BEHAVIOR OF BUTT-WELDT LOW-CARBON BARS OF STEEL AND SUBJECTED TO SEVERE CYCLES OF AXIAL LOAD

ABSTRACT

This study evaluates the behavior of butt-welded low-carbon reinforcing bars (ASTM A-706) subjected to severe cycles of pulsating load. The tests covered 95 bars of all commercial diameters between #4 and #8, welded according to specifications set forth in AWS D1.4. Of these, a total of 55 were of thermo-treated steel and the remaining 40 were of micro-alloy steel.

Once failure was reached in some of the tested specimens, the micro-structural and fractographic characteristics of the welded joints were determined using electronic microscope scanning and X-ray dispersive energy.

The results suggest that micro-alloy steel bars can be welded at room-temperature without affecting their earthquake-resistant properties. In the case of thermo-treated steel bars, larger diameters (equal or greater than #6) show undesired behavior for earthquake-resistant use, perhaps because they are more sensitive to hydrogen cracking.

Conclusions are also drawn as to the quench depth for thermo-treated steel bars which will guarantee ductile behavior when welded at room temperature.

Keywords: Steel, thermo-treated, micro-alloy, welding, bars, freight train, brittle failure, ductile failure.

1. INTRODUCCION

Experiencias recientes en Northridge (1994), en Kobe (1995) y en Cariaco (1997), han demostrado que pueden ocurrir sismos severos que superen las expectativas de los movimientos propuestos para el diseño de estructuras sismorresistentes. Ante esta situación, es muy probable que algunas edificaciones se vean seriamente exigidas y por lo tanto sus fuentes de disipación de energía inelástica resulten varias veces comprometidas con la ocurrencia de uno de esos terremotos. Es por esta razón, que se hace necesario generar diseños estructurales que permitan redistribuir sanamente los esfuerzos mediante el control del daño, de tal forma de permitirle a la edificación que recurra a todo lo que esté a su alcance para evitar la ruina por las acciones impuestas.

La ocurrencia de los mecanismos frágiles atenta contra el control del daño y por lo tanto puede comprometer la estabilidad de una edificación. Debido a esto, la corriente actual de diseño sismorresistente se basa en impedir que se puedan desarrollar tales mecanismos con la aplicación del Diseño por Capacidad.

Es práctica común en Venezuela como también en otras partes del mundo, que los fabricantes de barras de acero para refuerzo en el concreto, las distribuyan a sus consumidores en longitudes de 6 m, 9 m y 12 m. Esta situación obliga a proyectistas y constructores, a proponer técnicas de empalme dentro del concreto que les permitan hacer continuo el acero de refuerzo longitudinal en vigas y columnas. Entre ellas están solapar las barras en distancias prefijadas, empalmarlas con conexiones mecánicas, o soldarlas.

Fue mala la experiencia con las barras de acero soldadas en el armado principal de las pilas del elevado del autopista de la ciudad de Kobe durante el terremoto de Hyogo-Ken Nambu del 17-01-1995, obligando a que más de 600 m de vía colapsaran de manera frágil  [1]. Definitivamente esta situación impidió la ocurrencia de los mecanismos dúctiles y con ello la necesidad de disipar energía inelástica de forma estable.

El objetivo del presente trabajo consiste en evaluar el comportamiento de las barras de acero de refuerzo de bajo contenido de carbono (ASTM A-706) contra acciones severas de carga axial de tracción. Para ello se ensayaron cerca de un centenar de barras entre los diámetros comerciales de ½ y 1 pulgada, producidas con técnicas de microaleación (40) y por termotratado (55).

2. GENERALIDADES

En el caso de las estructuras de concreto reforzado, el acero longitudinal de vigas y columnas es el responsable de disipar la energía plástica en las zonas escogidas estratégicamente (articulaciones plásticas). El compromiso que pueden tener tales zonas amerita que sus aceros de refuerzo cumplan con 3 condiciones básicas [2]

1. Baja variabilidad del límite elástico real contra el ofrecido por el fabricante.

2. Capacidad de endurecimiento por encima del límite elástico real.

3. Alta capacidad de deformación post-elástica.

 

Ya se mencionó anteriormente de los métodos que se emplean para dar continuidad a los aceros de refuerzo longitudinal mediante empalmes. La norma COVENIN-MINDUR 1753 [3], en su Capítulo 18, limita cada uno de estos empalmes a cumplir algunas restricciones, si los mismos forman parte del armado longitudinal de elementos que pertenecen al sistema resistente a sismos. Particularmente y en el caso de barras soldadas y conexiones mecánicas la norma establece:

"18.2.2.4 Empalmes por Soldadura o Mediante Conexiones Mecánicas.

Los empalmes por soldadura o mediante conexiones mecánicas se harán de acuerdo a las prescripciones contenidas en las Subsecciones 12.13.3.1 a 12.13.3.4 alternando estas uniones para las barras de una misma capa y manteniendo una separación entre ellas de 60 cm. o más, medida en la dirección del eje de la pieza".

Esta regulación también se hace extensiva al caso de columnas en 18.3.3.3. La Subsección 12.13.3.2 obliga a que las soldaduras cumplirán con la norma AWS D1.4, "Structural Welding Code-Reinforcing Steel", de la Sociedad Americana de Soldadura [4], en donde queda muy claramente establecido que el acero base debe ser de muy bajo contenido de carbono. De todas formas, resulta evidente que no se impide que la soldadura de barras se haga en las zonas de mayor compromiso, es decir, en aquellas partes donde el acero del armado deberá plastificar para obtener disipación de energía en condición estable. Recientemente la norma ACI-318 eliminó la posibilidad de ubicar las uniones de barras soldadas en aquellas zonas en donde se espera que se concentre el daño controlado en estructuras de concreto reforzado [5]..

El acero de refuerzo universal ASTM A-706 [6]., es un acero de bajo contenido de carbono que cumple con lo previsto en la norma AWS D1.4. Existen 2 procedimientos comerciales de producción de este tipo de acero. Uno de ellos consiste en incluir en la composición química, pequeñas cantidades (microaleantes) de cromo, vanadio, niobio o molibdeno, en forma de ferroaleaciones. Este acero se está produciendo hoy en día en Venezuela aunque básicamente para la exportación. La otra técnica comúnmente usada es la de someter las barras a un temple superficial, utilizando el propio calor remanente de laminación haciendo pasar las barras por una línea de enfriamiento con agua. En los 2 casos se consiguen aceros de elevada resistencia (f_y=4200 kgf/cm²) y muy buena ductilidad con la posibilidad de ser soldados a temperatura del medio ambiente.

No se pudo identificar una normativa o procedimiento que permitiese evaluar las bondades de los aceros ASTM A-706, en barras soldadas, para resistir cargas axiales que generasen ciclos severos de fatiga de bajo ciclaje. De esta forma se podría garantizar su buen comportamiento, sin que se presente algún tipo de mecanismo frágil, en miembros del sistema resistente a sismos cuando los mismos fuesen sometidos a terremotos severos. Son muchos los casos donde las barras soldadas tuvieron un comportamiento inconveniente siendo sus frágiles uniones una causa principal de la ruina de grandes estructuras [1]..

3. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO

Cumpliendo rigurosamente con lo establecido en la norma AWS D1.4-98, se prepararon un total de 95 barras para ser ensayadas contra un ciclo severo de carga axial representado en la figura 1. De esta forma, se traccionaba la barra hasta alcanzar su carga de cedencia (f_y) para posteriormente cargarla con el patrón previsto de 1.1f_y, 1.2f_y, 1.3f_y y así sucesivamente hasta alcanzar la rotura. Cada paso de carga se repitió al menos una vez después de haber descargado completamente la barra. Las fotografías de las figuras 2 y 3 ilustran detalles en la preparación de algunos de los especimenes ensayados.

 

Pulso de carga

Figura 1. Tren de carga

 

 

Figura 2. Preparación de muestras

 

 

Figura 3. Detalles de muestras

Para cada diámetro comercial se hicieron ensayos de tracción axial con cargas monotónicamente crecientes hasta alcanzar su agotamiento. Esto se hizo tanto para barras vírgenes como para barras soldadas, de forma de establecer su curva primaria o curva esqueleto y realizando en la mayoría de los casos por lo menos 2 ensayos por cada una de las categorías estudiadas. Adicionalmente, y cumpliendo con lo previsto en la figura 1, se prepararon y ensayaron varias barras por cada diámetro disponible, en donde 29 se ejecutaron con barras de acero microaleado (8 de ellas con barras vírgenes) y 43 con barras de acero termotratado (16 fueron vírgenes). Todo este esfuerzo se hizo con el objeto de disponer de una rica estadística que permitiese encontrar resultados concluyentes. A efecto de identificar cada muestra, se diseñó un sistema de marcaje que permitió ordenar su clasificación. En este sentido se identificó el tipo de acero, el diámetro nominal de la barra, si está o no soldada, el tipo de ensayo y el número de muestra. En las figuras 4 y 5 se pueden apreciar el procedimiento de ensayo y su instrumentación. Se realizaron análisis químicos de los aceros mediante absorción de emisión infrarroja (carbono y azufre) y espectrofotometría por absorción química, empleando técnicas correspondientes para detectar el resto de los elementos. De esta forma se pudo confirmar la composición química de los aceros a ser evaluados. Adicionalmente se hicieron también ensayos de dureza y análisis metalográficos que permitieron encontrar la relación estructura propiedad.

Se emplearon electrodos de clasificación AWS E9018-B3 (de bajo contenido de hidrógeno). Todo el proceso de soldadura de barras se inspeccionó y certificó según lo previsto en AWS D1.4.

 

 

Figura 4. Dispositivos para ensayos

 

 

Figura 5. Detalles de la instrumentación

 

Con el objetivo de ubicar la zona de inicio de fractura, se hicieron inspecciones visuales en varias de las muestras ensayadas para permitir observar detalles macrofractográficos tales como diferencias de textura, marcas radiales y labios de corte. Por medio del Microscopio Electrónico de Barrido (M.E.B.), se examinaron las características microfractográficas para ratificar el mecanismo de fractura involucrado en la aparición de la falla del componente en estudio. Se realizó un esfuerzo importante en analizar puntualmente el origen de la falla cuando ésta era de tipo frágil.

Los detalles de todo lo indicado anteriormente se discuten ampliamente en la referencia 7.

4. RESULTADOS EXPERIMENTALES

La figura 6 presenta una fotografía de todas las muestras ensayadas. A pesar de cumplir con todos los requerimientos de la norma AWS D1.4-98, no se consiguió que todas las muestras fallaran dúctilmente.

De los análisis químicos se pudo comprobar que todos los aceros ensayados cumplían con lo previsto para aceros ASTM A-706. Para el caso de aceros microaleados no se superó el carbono equivalente (C.E.) en 0.478% y en aceros termotratados este límite fue de 0.537% (menores que 0.55%).

Con los ensayos de dureza ("Vickers") se caracterizó el acero en condición soldada tanto microaleado como termotratado, haciendo un barrido en cortes longitudinales desde el metal base hasta el cordón de soldadura. También se realizaron pruebas de dureza en barras de acero termotratado, desde la periferia hasta el núcleo y mediante corte transversal de las mismas, para identificar las fases constitutivas del acero.

Figura 6. Muestras ensayadas

A través de análisis metalográficos microscópicos y macroscópicos para metal base y uniones soldadas, se observó para el metal base del acero microaleado una microestructura ferrítico-perlítica (fase dúctil) típica de los aceros hipoeutectoides. Mientras que en las barras de acero termotratado además de conseguirse esta microestructura en el núcleo, se encontró en la periferia una microestructura martensítica (fase frágil) seguida de un área anular de Bainita (figura 7). En las uniones soldadas se evaluaron los cambios microestructurales que ocurrieron en la soldadura y el metal base.

Figura 7. Sección de barras de acero termotratado

Adicionalmente se realizaron macroataques a cortes transversales de barras de acero termotratado con el fin de determinar la profundidad de temple. La tabla 1 resume el resultado de tal evaluación, siendo D el diámetro exterior de la barra, d el diámetro del núcleo y P la profundidad de temple.

De los ensayos de tracción en barras, se comprobó que los 2 tipos de acero no mostraban mayores diferencias de respuesta entre los casos soldados y sin soldar cuando se les sometía a tracción hasta la rotura para una acción monotónicamente creciente. Cuando a las barras se les impuso al tren de carga propuesto en la figura 1, la respuesta del acero termotratado de diámetros mayores presentó diferencia con respecto de aquel dado por las barras vírgenes, resultando en un comportamiento frágil. Para el caso de los aceros microaleados se dieron respuestas muy similares para todos los casos.

 

La figura 8 ilustra la comparación de la respuesta de 2 barras de acero termotratado cuando se les sometió al mismo ciclo severo de carga (figura 1). Las 2 barras eran de ¾ de pulgada de diámetro nominal, siendo una de ellas soldada. Se puede observar que la soldada no pudo repetir el comportamiento dúctil de la virgen.

Figura 8. Respuesta de aceros termotratados

Con las barras de acero microaleado se obtuvo un mejor comportamiento. La figura 9 enseña el resultado de barras de 1 pulgada de diámetro para todos los casos considerados.

 

Deformación unitaria(%)

Figura 9. Respuesta de aceros microaleados

 

La fotografía de la figura 10 muestra la fallas que se dieron en unas barras de acero de diámetro 7/8 de pulgada. Una de ellas es de acero termotratado (falla frágil en la vecindad de la junta soldada) y la otra es de acero microaleado (falla dúctil lejos de la unión).

 

Figura 10. Ruptura de barras

 

Con análisis macrofractográficos se pudieron identificar en forma mas precisa los inicios de falla. Como un ejemplo de ello se puede apreciar en la figura 11, como las marcas radiales se propagan desde la periferia hacia el otro extremo de la muestra, señalando el punto de origen o inicio de la fractura y la trayectoria de la misma para una barra de acero termotratado de 1 pulgada de diámetro. La fotografía de la figura 12 muestra una falla dúctil (copa y cono) de una barra de acero microaleado del mismo diámetro. En la superficie se puede apreciar el inicio de la fractura (I) en el centro de la muestra y el labio de corte en la periferia (L). En ambos casos se trató de barras ensayadas contra el ciclo severo de carga de la figura 1.

Figura 11. Falla de barra de acero termotratado

 

Figura 12. Falla de barra de acero microaleado

Para el caso de los análisis microfractográficos resultaría muy extenso el mostrar todos los estudios hechos con ayuda del Microscopio Electrónico de Barrido (M.E.B.). Por ello solo se presentan 2 casos representativos de fractura. Uno de ellos (figura 13). corresponde a una falla típica dúctil. En este caso se trata de un detalle de una barra de acero microaleado de 1 pulgada de diámetro en donde se aprecian microhoyuelos ovalados. Esta textura se apreció en las zonas I y L. Las fotografías de la figura 14 muestran detalles de una falla frágil de una barra de acero termotratado de 7/8 de pulgada de diámetro. En la primera fotografía se observan en las zonas L y cerca de I, microhoyuelos ovalados con silicatos en su interior (esta composición fue determinada por medio de la energía dispersiva por rayos X - E.D.X.). En la segunda fotografía se observa en I una fractura intergranular observada en el Microscopio Electrónico de Barrido (M.E.B.) producida muy probablemente por fragilidad por hidrógeno.

Figura 13. Microfractografía de barra de acero microaleado

 

               

Figura 14. Microfractografía de barra de acero termotratado

5. ANALISIS DE RESULTADOS

Las tablas 2 y 3 resumen de forma general la experiencia con los ensayos mecánicos de las barras. La tabla 2 corresponde a la identificación general del agotamiento de las barras ensayadas de acero microaleado . Se incluye el tipo de muestra, el tipo de falla y su ubicación. En la gran mayoría de los casos se pudo comprobar que ni la unión soldada ni la zona afectada por el calor (Z.A.C.) fueron fuente de fragilidad de las muestras ensayadas contra el tren de carga de la figura 1.

TABLA 2. Ubicación y tipo de fractura en barras de acero microaleado

 

La tabla 3 presenta el resultado de los ensayos con barras de acero termotratado. Se deriva de la misma que las barras de diámetro menor fueron tan dúctiles como aquellas que no fueron soldadas. Las barras de diámetros mayores (¾, 7/8 y 1 pulgada) presentaron varios casos de fallas frágiles al ser sometidos al tren de cargas de la figura 1, a pesar de que los ensayos contra carga axial de tracción monotónicamente creciente sobre barras soldadas del mismo diámetro demostraron comportamientos satisfactoriamente dúctiles. En la fotografía de la figura 5 se ilustra uno de estos casos en donde se evidencia una ruptura frágil.

De los análisis metalográficos efectuados en secciones de barras de acero termotratado, se demostró que el núcleo estaba formado por una mezcla de ferrita y perlita, microestructura típica de los aceros dúctiles. Contrariamente, la periferia se identificó con una estructura martensítica, y entre estas dos, un anillo de microestructura bainítica. Estas últimas formaciones resultan muy atractivas para alcanzar altos niveles de resistencia aunque no cuentan con propiedades para desarrollar buena ductilidad.

La relación d/D de la tabla 1, resulta una excelente medida para cuantificar la presencia de formaciones que garanticen un mecanismo estable y dúctil contra la acción de ciclos severos de carga, similares a los que generarían los terremotos en las edificaciones. De esta forma, y considerando lo observado en la tabla 3, se encuentra que relaciones d/D mayores a ¾, no garantizan respuestas que permitan que las barras de acero del refuerzo principal de los elementos que conforman el sistema resistente a sismos, disipen energía plástica adecuadamente. Por el contrario, pueden ser fuente de fragilidad atentando contra el control del daño.

TABLA 3. Ubicación y tipo de fractura en barras de acero termotratado

6. CONCLUSIONES

Del resultado de los análisis de la respuesta de 95 barras de acero para refuerzo estructural del tipo ASTM A-706, soldadas a tope a temperatura del medio ambiente y sometidas a ciclos severos de carga axial, se puede concluir lo siguiente:

• Las barras de acero microaleado continuas y aquellas unidas por soldadura presentaron, para todos los diámetros estudiados, propiedades mecánicas similares para ciclos de carga axial muy severos, siendo sus mecanismos de falla del tipo dúctil.

• Únicamente las barras de acero termotratado continuas y las unidas por soldadura de diámetros menores a ¾ de pulgada, presentaron propiedades mecánicas similares para ciclos de carga axial muy severos, siendo también sus mecanismos de falla del tipo dúctil.

• Las barras de acero termotratado soldadas y de diámetros iguales o mayores de ¾ de pulgada, tuvieron en general fallas de tipo frágil al ser sometidas a ciclos severos de carga axial, contrariamente a lo ocurrido con barras de iguales diámetros pero únicamente cargadas axialmente a tracción en forma monotónicamente creciente.

• Los estudios fractográficos y metalográficos de las barras de acero termotratado soldadas que fallaron frágilmente, sugieren que muy posiblemente el mecanismo operante en la fractura fue la "fragilidad por hidrógeno".

• Se encontró que la relación d/D mayor a ¾ para barras de acero termotratado, garantizaba respuestas dúctiles en barras soldadas, independientemente del ensayo efectuado.

• Se recomienda no permitir la ubicación de uniones soldadas en las barras de acero principal en las zonas de mayor compromiso por las acciones generadas por terremotos. Mas particularmente cuando éstas se hacen sobre barras de acero termotratado.

7. REFERENCIAS

1. Le seisme de Hyogo-Ken Nambu (Kobé, Japon) du 17 Janvier 1995. Rapport de la misión AFPS, Association Francaise du genie parasismique, 1995.        [ Links ]

2. Castilla, E. y Llanos, S. "Consideraciones para una propuesta de norma venezolana de acero para refuerzo estructural que atienda las necesidades de la Ingeniería Sismorresistente ". Boletín Técnico del IMME, volumen 33, N° 3, octubre 1995.        [ Links ]

3. Estructuras de Concreto Armado para Edificaciones. Análisis y Diseño. COVENIN MINDUR 1753-87. Ministerio de Fomento, Comisión Venezolana de Normas Industriales. Ministerio de Desarrollo Urbano, Dirección General Sectorial de Equipamiento Urbano, 1987.        [ Links ]

4. Structural Welding Code - Reinforcing Steel (ANSI/AWS D1.4-98). American Welding Society, Miami, Florida, 1998.        [ Links ]

5. ACI Committee 318, Building Code Requirements for Reinforced Concrete (ACI 318-99). American Concrete Institute, Detroit, Michigan, 1999.        [ Links ]

6. Standard Specification for Low-Alloy Steel Deformed Bars for Concrete Reinforcement (ASTM A 706-96b). American Society for Testing and Materials, Easton, Md.,1996.        [ Links ]

7. Guerrero, A. "Evaluación del comportamiento de cabillas de acero con bajo contenido de carbono soldadas a tope y sometidas a ciclos severos de carga pulsante". Trabajo Especial de Grado para optar por el Título de Ingeniero Metalúrgico, Facultad de Ingeniería, Universidad Central de Venezuela. Caracas, mayo, 2000.        [ Links ]

8. RECONOCIMIENTOS

Los autores quieren manifestar su agradecimiento a la Siderúrgica del Turbio S.A. (SIDETUR), y en especial al Ing. Nicolás Izquierdo, por su colaboración en la donación de todas las barras de acero de refuerzo evaluadas en este trabajo; a la Lic. Ana María Rodríguez de la empresa Inversiones ARCOMETAL por la donación de los electrodos. Igualmente se quiere reconocer la colaboración del Prof. Amado Quintero de la Escuela de Ingeniería Metalúrgica de la Facultad de Ingeniería de la UCV.