Boletín Técnicoversión impresa ISSN 0376723X

IMME v.39 n.3 Caracas nov. 2001

EVALUACION DEL COMPORTAMIENTO DE BARRAS DE ACERO CONBAJO 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 Centralde Venezuela, ecastill@reacciun.ve

RESUMEN

El presente estudio evalúa el comportamiento de barras para refuerzo con bajo contenido decarbono (ASTM A706) soldadas a tope y sometidas a ciclos severos de carga pulsante. En talsentido, se ensayaron 95 barras para todos los diámetros comerciales entre ½ y 1 pulgada soldadassegún lo establecido por la norma AWS D1.4. Un total de 55 barras eran de acero termotratado y lasrestantes 40 de acero microaleado.

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

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

Se concluye también sobre la profundidad de temple para barras de acero termotratado quegaranticen 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 BUTTWELDT LOWCARBON BARS OF STEEL ANDSUBJECTED TO SEVERE CYCLES OF AXIAL LOAD

ABSTRACT

This study evaluates the behavior of buttwelded lowcarbon reinforcing bars (ASTM A706)subjected to severe cycles of pulsating load. The tests covered 95 bars of all commercial diametersbetween #4 and #8, welded according to specifications set forth in AWS D1.4. Of these, a total of 55were of thermotreated steel and the remaining 40 were of microalloy steel.

Once failure was reached in some of the tested specimens, the microstructural and fractographiccharacteristics of the welded joints were determined using electronic microscope scanning and Xray

dispersive energy.

The results suggest that microalloy steel bars can be welded at roomtemperature without affectingtheir earthquakeresistant properties. In the case of thermotreated steel bars, larger diameters(equal or greater than #6) show undesired behavior for earthquakeresistant use, perhaps becausethey are more sensitive to hydrogen cracking.

Conclusions are also drawn as to the quench depth for thermotreated steel bars which willguarantee ductile behavior when welded at room temperature.

Keywords: Steel, thermotreated, microalloy, welding, bars, freight train, brittle failure, ductilefailure.

1. INTRODUCCION

Experiencias recientes en Northridge (1994), en Kobe (1995) y en Cariaco (1997), han demostradoque pueden ocurrir sismos severos que superen las expectativas de los movimientos propuestospara el diseño de estructuras sismorresistentes. Ante esta situación, es muy probable que algunasedificaciones se vean seriamente exigidas y por lo tanto sus fuentes de disipación de energíainelástica resulten varias veces comprometidas con la ocurrencia de uno de esos terremotos. Es poresta razón, que se hace necesario generar diseños estructurales que permitan redistribuirsanamente los esfuerzos mediante el control del daño, de tal forma de permitirle a la edificaciónque 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 puedecomprometer la estabilidad de una edificación. Debido a esto, la corriente actual de diseñosismorresistente se basa en impedir que se puedan desarrollar tales mecanismos con la aplicacióndel Diseño por Capacidad.

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

Fue mala la experiencia con las barras de acero soldadas en el armado principal de las pilas delelevado del autopista de la ciudad de Kobe durante el terremoto de HyogoKen Nambu del 17011995, obligando a que más de 600 m de vía colapsaran de manera frágil [1]. Definitivamente estasituación impidió la ocurrencia de los mecanismos dúctiles y con ello la necesidad de disipar energíainelástica de forma estable.

El objetivo del presente trabajo consiste en evaluar el comportamiento de las barras de acero derefuerzo de bajo contenido de carbono (ASTM A706) contra acciones severas de carga axial detracción. Para ello se ensayaron cerca de un centenar de barras entre los diámetros comerciales de½ 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 elresponsable de disipar la energía plástica en las zonas escogidas estratégicamente (articulacionesplásticas). El compromiso que pueden tener tales zonas amerita que sus aceros de refuerzo cumplancon 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 postelástica.

Ya se mencionó anteriormente de los métodos que se emplean para dar continuidad a los aceros derefuerzo longitudinal mediante empalmes. La norma COVENINMINDUR 1753 [3], en su Capítulo 18,limita cada uno de estos empalmes a cumplir algunas restricciones, si los mismos forman parte delarmado longitudinal de elementos que pertenecen al sistema resistente a sismos. Particularmente yen 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 lasprescripciones contenidas en las Subsecciones 12.13.3.1 a 12.13.3.4 alternando estas uniones paralas barras de una misma capa y manteniendo una separación entre ellas de 60 cm. o más, medidaen la dirección del eje de la pieza".

Esta regulación también se hace extensiva al caso de columnas en 18.3.3.3. La Subsección 12.13.3.2obliga a que las soldaduras cumplirán con la norma AWS D1.4, "Structural Welding CodeReinforcingSteel", de la Sociedad Americana de Soldadura [4], en donde queda muy claramente establecido queel acero base debe ser de muy bajo contenido de carbono. De todas formas, resulta evidente que nose impide que la soldadura de barras se haga en las zonas de mayor compromiso, es decir, enaquellas partes donde el acero del armado deberá plastificar para obtener disipación de energía encondición estable. Recientemente la norma ACI318 eliminó la posibilidad de ubicar las uniones debarras soldadas en aquellas zonas en donde se espera que se concentre el daño controlado enestructuras de concreto reforzado [5]..

El acero de refuerzo universal ASTM A706 [6]., es un acero de bajo contenido de carbono quecumple con lo previsto en la norma AWS D1.4. Existen 2 procedimientos comerciales de producciónde este tipo de acero. Uno de ellos consiste en incluir en la composición química, pequeñascantidades (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. Laotra técnica comúnmente usada es la de someter las barras a un temple superficial, utilizando elpropio calor remanente de laminación haciendo pasar las barras por una línea de enfriamiento conagua. En los 2 casos se consiguen aceros de elevada resistencia (fy=4200 kgf/cm2) y muy buenaductilidad 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 losaceros ASTM A706, en barras soldadas, para resistir cargas axiales que generasen ciclos severosde fatiga de bajo ciclaje. De esta forma se podría garantizar su buen comportamiento, sin que sepresente algún tipo de mecanismo frágil, en miembros del sistema resistente a sismos cuando losmismos fuesen sometidos a terremotos severos. Son muchos los casos donde las barras soldadastuvieron un comportamiento inconveniente siendo sus frágiles uniones una causa principal de laruina de grandes estructuras [1]..

3. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO

Cumpliendo rigurosamente con lo establecido en la norma AWS D1.498, se prepararon un total de95 barras para ser ensayadas contra un ciclo severo de carga axial representado en la figura 1. Deesta forma, se traccionaba la barra hasta alcanzar su carga de cedencia (fy) para posteriormentecargarla con el patrón previsto de 1.1fy, 1.2fy, 1.3fy y así sucesivamente hasta alcanzar la rotura.Cada paso de carga se repitió al menos una vez después de haber descargado completamente labarra. Las fotografías de las figuras 2 y 3ilustran detalles en la preparación de algunos de losespecimenes 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 monotónicamentecrecientes hasta alcanzar su agotamiento. Esto se hizo tanto para barras vírgenes como para barrassoldadas, de forma de establecer su curva primaria o curva esqueleto y realizando en la mayoría delos casos por lo menos 2 ensayos por cada una de las categorías estudiadas. Adicionalmente, ycumpliendo con lo previsto en la figura 1, se prepararon y ensayaron varias barras por cadadiámetro disponible, en donde 29 se ejecutaron con barras de acero microaleado (8 de ellas conbarras vírgenes) y 43 con barras de acero termotratado (16 fueron vírgenes). Todo este esfuerzo sehizo con el objeto de disponer de una rica estadística que permitiese encontrar resultadosconcluyentes. A efecto de identificar cada muestra, se diseñó un sistema de marcaje que permitióordenar su clasificación. En este sentido se identificó el tipo de acero, el diámetro nominal de labarra, si está o no soldada, el tipo de ensayo y el número de muestra. En las figuras 4 y 5 sepueden apreciar el procedimiento de ensayo y su instrumentación. Se realizaron análisis químicos delos aceros mediante absorción de emisión infrarroja (carbono y azufre) y espectrofotometría porabsorción química, empleando técnicas correspondientes para detectar el resto de los elementos. Deesta forma se pudo confirmar la composición química de los aceros a ser evaluados. Adicionalmentese hicieron también ensayos de dureza y análisis metalográficos que permitieron encontrar larelación estructura propiedad.

Se emplearon electrodos de clasificación AWS E9018B3 (de bajo contenido de hidrógeno). Todo elproceso 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 delas muestras ensayadas para permitir observar detalles macrofractográficos tales como diferenciasde 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 defractura involucrado en la aparición de la falla del componente en estudio. Se realizó un esfuerzoimportante 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 todoslos requerimientos de la norma AWS D1.498, no se consiguió que todas las muestras fallarandúctilmente.

De los análisis químicos se pudo comprobar que todos los aceros ensayados cumplían con lo previstopara aceros ASTM A706. 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 tantomicroaleado como termotratado, haciendo un barrido en cortes longitudinales desde el metal basehasta el cordón de soldadura. También se realizaron pruebas de dureza en barras de acerotermotratado, desde la periferia hasta el núcleo y mediante corte transversal de las mismas, paraidentificar las fases constitutivas del acero.

Figura 6. Muestras ensayadas

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

Figura 7. Sección de barras de acero termotratado

Adicionalmente se realizaron macroataques a cortes transversales de barras de acero termotratadocon 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 mayoresdiferencias de respuesta entre los casos soldados y sin soldar cuando se les sometía a tracción hastala rotura para una acción monotónicamente creciente. Cuando a las barras se les impuso al tren decarga propuesto en la figura 1, la respuesta del acero termotratado de diámetros mayores presentódiferencia con respecto de aquel dado por las barras vírgenes, resultando en un comportamientofrágil. Para el caso de los aceros microaleados se dieron respuestas muy similares para todos loscasos.

La figura 8 ilustra la comparación de la respuesta de 2 barras de acero termotratado cuando se lessometió al mismo ciclo severo de carga (figura 1). Las 2 barras eran de ¾ de pulgada de diámetronominal, siendo una de ellas soldada. Se puede observar que la soldada no pudo repetir elcomportamiento 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 elresultado 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 diámetro7/8 de pulgada. Una de ellas es de acero termotratado (falla frágil en la vecindad de la juntasoldada) 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 propagandesde la periferia hacia el otro extremo de la muestra, señalando el punto de origen o inicio de lafractura y la trayectoria de la misma para una barra de acero termotratado de 1 pulgada dediámetro. La fotografía de la figura 12 muestra una falla dúctil (copa y cono) de una barra de aceromicroaleado del mismo diámetro. En la superficie se puede apreciar el inicio de la fractura (I) en elcentro de la muestra y el labio de corte en la periferia (L). En ambos casos se trató de barrasensayadas 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 estudioshechos con ayuda del Microscopio Electrónico de Barrido (M.E.B.). Por ello solo se presentan 2 casosrepresentativos de fractura. Uno de ellos (figura 13). corresponde a una falla típica dúctil. En estecaso se trata de un detalle de una barra de acero microaleado de 1 pulgada de diámetro en dondese aprecian microhoyuelos ovalados. Esta textura se apreció en las zonas I y L. Las fotografías dela figura 14 muestran detalles de una falla frágil de una barra de acero termotratado de 7/8 depulgada 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 dela energía dispersiva por rayos X E.D.X.). En la segunda fotografía se observa en I una fracturaintergranular observada en el Microscopio Electrónico de Barrido (M.E.B.) producida muyprobablemente 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 2corresponde a la identificación general del agotamiento de las barras ensayadas de aceromicroaleado . Se incluye el tipo de muestra, el tipo de falla y su ubicación. En la gran mayoría delos casos se pudo comprobar que ni la unión soldada ni la zona afectada por el calor (Z.A.C.) fueronfuente 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 lamisma 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 alser sometidos al tren de cargas de la figura 1, a pesar de que los ensayos contra carga axial detracción monotónicamente creciente sobre barras soldadas del mismo diámetro demostraroncomportamientos satisfactoriamente dúctiles. En la fotografía de la figura 5 se ilustra uno de estoscasos en donde se evidencia una ruptura frágil.

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

La relación d/D de la tabla 1, resulta una excelente medida para cuantificar la presencia deformaciones que garanticen un mecanismo estable y dúctil contra la acción de ciclos severos decarga, similares a los que generarían los terremotos en las edificaciones. De esta forma, yconsiderando lo observado en la tabla 3, se encuentra que relaciones d/D mayores a ¾, nogarantizan respuestas que permitan que las barras de acero del refuerzo principal de los elementosque conforman el sistema resistente a sismos, disipen energía plástica adecuadamente. Por elcontrario, 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 A706, soldadas a tope a temperatura del medio ambiente y sometidas a ciclos severos decarga axial, se puede concluir lo siguiente:

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

Únicamente las barras de acero termotratado continuas y las unidas por soldadura dediámetros menores a ¾ de pulgada, presentaron propiedades mecánicas similares para ciclosde 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 depulgada, tuvieron en general fallas de tipo frágil al ser sometidas a ciclos severos de cargaaxial, contrariamente a lo ocurrido con barras de iguales diámetros pero únicamente cargadasaxialmente a tracción en forma monotónicamente creciente.

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

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

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

7. REFERENCIAS

1. Le seisme de HyogoKen 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 pararefuerzo estructural que atienda las necesidades de la Ingeniería Sismorresistente ". Boletín Técnicodel IMME, volumen 33, N° 3, octubre 1995. [ Links ]

3. Estructuras de Concreto Armado para Edificaciones. Análisis y Diseño. COVENIN MINDUR 175387.Ministerio de Fomento, Comisión Venezolana de Normas Industriales. Ministerio de DesarrolloUrbano, Dirección General Sectorial de Equipamiento Urbano, 1987. [ Links ]

4. Structural Welding Code Reinforcing Steel (ANSI/AWS D1.498). American Welding Society,Miami, Florida, 1998. [ Links ]

5. ACI Committee 318, Building Code Requirements for Reinforced Concrete (ACI 31899). AmericanConcrete Institute, Detroit, Michigan, 1999. [ Links ]

6. Standard Specification for LowAlloy Steel Deformed Bars for Concrete Reinforcement (ASTM A70696b). American Society for Testing and Materials, Easton, Md.,1996. [ Links ]

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

8. RECONOCIMIENTOS

Los autores quieren manifestar su agradecimiento a la Siderúrgica del Turbio S.A. (SIDETUR), y enespecial al Ing. Nicolás Izquierdo, por su colaboración en la donación de todas las barras de acerode refuerzo evaluadas en este trabajo; a la Lic. Ana María Rodríguez de la empresa InversionesARCOMETAL 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 laUCV.

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