Barras de refuerzo de hormigón mecanismos de endurecimiento y performance en uso
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BARRAS DE REFUERZO DE HORMIGÓN: MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO Y PERFORMANCE EN USO Jorge Madías, metallon, San Nicolás, Argentina Michael Wright, Modern Metal Consulting, Singapur Pedro Wolkowicz, Rosario, Argentina
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BARRAS DE REFUERZO DE
HORMIGÓN: MECANISMOS DE
ENDURECIMIENTO Y
PERFORMANCE EN USO
Jorge Madías, metallon, San Nicolás, Argentina
Michael Wright, Modern Metal Consulting, Singapur
Pedro Wolkowicz, Rosario, Argentina
Barras de refuerzo
Contenido
Introducción
Barras de dureza natural
Barras templadas y autorevenidas
Barras microaleadas
Corrosión
Comportamiento en sismos
Comportamiento en incendios
Conclusiones
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Introducción
: servicios tecnológicos para la
siderurgia latinoamericana
Asistencia técnica (materias primas, reducción, acería,
laminación, desarrollo de producto)
Cursos in company, abiertos y de autoaprendizaje
Servicios de metalografía
Servicios de biblioteca
Textos para publicaciones especializadas
Clientes en México: Grupo SIMEC, Gerdau Corsa,
Ternium de México, DEACERO
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Introducción
Producto clave para la
siderurgia
Generalmente producido en
acerías eléctricas
Afino en horno cuchara (si está
disponible)
Colado en máquinas de colada
continua de palanquillas, con
buza calibrada y lubricación con
aceite
Se tiende a hacer carga caliente
del horno de precalentamiento
Laminadores continuos o
abiertos
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Introducción
Laminadores exclusivos
para barras o
combinados, con salida
de alambrón
Para mantener una
productividad alta
cuando laminan
dimensiones pequeñas
de barras, tienen la
posibilidad de hacer
laminación dividida
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Introducción
Se privilegia la productividad y el bajo costo
Se tiende a producir cerca del mercado de consumo
La mayor parte de la producción es consumida en
el mercado interno
Bajo grado de internacionalización de las normas
Variaciones de país a país en función de la sismicidad,
la cultura local en materia de construcción y otros
factores
Poco peso de la norma ISO correspondiente
En A.L. seguimiento (a veces con atraso) de las normas
ASTM
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Introducción
Tres opciones tecnológicas
Dureza natural
Alto límite de fluencia obtenido mediante el mecanismo de
solución sólida de carbono y manganeso
Tratamiento térmico en línea
Menor tenor de carbono y manganeso
Barras microaleadas
Con niobio y/o vanadio
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Introducción
Cada tecnología implica particularidades
en el comportamiento en uso, aunque las
barras estén encuadradas bajo la misma
norma
Organismos normalizadores, centros de
investigación, diseñadores, fabricantes,
proveedores de equipamiento y
ferroaleaciones discuten la aptitud de cada
una en lo que hace a comportamiento en
sismos, resistencia a la corrosión e incendios
Se está empezando a considerar estos
aspectos en normas, resoluciones y
recomendaciones
Ejemplo: recomendaciones a los constructores
en Nueva Zelanda con respecto al roscado,
soldado y doblado de barras templadas en
línea y microaleadas de grado E (antisísmico)
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Dureza natural
Endurecimiento por solución sólida
Propiedades mecánicas obtenidas con tenores elevados de
carbono y manganeso
Alto carbono equivalente (particularmente para los diámetros
mayores) complica operaciones de soldadura
Ductilidad: decae con el aumento de la resistencia
No requieren equipamiento adicional en el laminador
Están presentes en muchos mercados, pero tienen un
predominio particular en Estados Unidos
Requerimiento de la norma ASTM A 706, que exige una relación entre
la resistencia a la tracción y el límite de fluencia de 1,25 como mínimo
En las barras templadas esta relación no es fácil de lograr en
condiciones que sean económicas
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Temple y autorevenido
Luego del laminado las barras, en estado austenítico ingresan a un sistema
en que la superficie es refrigerada por agua, a una presión y caudal
suficientes como para disminuir la temperatura de una capa superficial por
debajo de la temperatura de formación de martensita
Cuando la barra abandona la zona refrigerada, el calor acumulado en el
centro es conducido hacia el exterior, produciéndose el auto revenido de la
capa de martensita
En el lecho de enfriamiento, el núcleo todavía austenítico se transforma a
ferrita y perlita
Con esta combinación de estructuras se obtiene una barra de alta
resistencia soldable, con un tenor de carbono y manganeso bien por
debajo del necesario para las barras de dureza natural
La aplicación de calor (como por ejemplo en procesos de soldadura) u
operaciones de roscado pueden eliminar la resistencia otorgada por la
capa externa templada
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Temple y autorevenido
Proceso desarrollado por el Centre de Recherches
Métallurgiques (CRM), de Lieja, Bélgica, bajo la denominación
comercial de Tempcore, en la década de 1970
Sistema de enfriamiento
Varias cajas de enfriamiento con tubos en los que se introduce un caudal
de agua de 600 a 800 m3/min, dependiendo del diámetro de la barra
que se está procesando, a una presión en el orden de 1,2 MPa
Cuando la patente se venció, los diversos proveedores de
trenes laminadores implementaron sistemas similares, bajo
varias denominaciones
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Temple y autorevenido
Esquema del
proceso
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Barras microaleadas
Dos impulsos
Productores de barras de dureza natural que necesitan
producir barras de acero soldable
Cuando se requiere alto límite de fluencia
Niobio, vanadio o combinaciones de ambos
Mecanismo: endurecimiento por precipitación
Dependiendo del tenor y tipo de microaleante y de
nitrógeno y carbono durante el proceso de laminación
o el enfriamiento posterior, precipitan carbonitruros
que generan un incremento de la resistencia mecánica
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Barras microaleadas
Niobio
En solución sólida, traba el
crecimiento de grano de la
austenita durante el
precalentamiento de las
palanquillas
Luego demora la recuperación y
la recristalización del material
durante la laminación en caliente
Finalmente, la precipitación de
pequeñas partículas de
carbonitruro de niobio aumenta
la resistencia mecánica de la
ferrita
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Barras microaleadas
Efecto de la temperatura de precalentamiento
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Barras microaleadas
Los carbonitruros de vanadio precipitan durante la laminación
y el enfriamiento de las barras, a temperaturas inferiores a la
de los carbonitruros de niobio
Desde el punto de vista del enderezado de los billets en la
máquina, la caída de la ductilidad del acero varía en
importancia y rango de temperaturas con la adición de
elementos como V, Nb y Ti
Precauciones para evitar agrietamiento
Desde el punto de vista antisísmico, el vanadio y el titanio
permiten obtener un alto alargamiento uniforme y una
elevada relación de envejecimiento por deformación
Operaciones como la soldadura pueden alterar el tamaño y
cantidad de precipitados y modificar las propiedades
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Corrosión
Aspecto superficial al
ser adquiridos o
utilizados Barras de dureza natural: laminillo
grueso
Barras tratadas: laminillo fino; pueden
oxidarse con más facilidad a la
intemperie
Barras en rollos: en enderezado
puede perderse buena parte de la
cascarilla gruesa
Corrosión de corto plazo menor:
temperatura de autorevenido baja
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Corrosión
Influencia del estado de la superficie del material
previo a su inmersión en el concreto, sobre la
corrosión posterior: resultados contradictorios
Experiencias de inmersión en hormigón con alto
contenido de cloruros: si la superficie está oxidada se
comporta mejor (se demora la activación del acero)
Hormigones de bajo contenido de cloruro: la oxidación
previa favorece la corrosión
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Corrosión
Corrosión a largo plazo
19
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
0 6 12 18 24 30 36
Exposure Duration (Months)
Mass L
oss (
gm
s/d
m2)
Quenched Steel Conventional Hot Rolled
Corrosión
Ensayo de potencial de
media celda
450 días barras
sumergidas en concreto
expuestas a una solución
de cloruro
Corrosión >90%
probable si potencial
medido más negativo
que -350 mV
Barras templadas: más
tiempo hasta – 350 mV
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Comportamiento en sismos
Tendencia a exigir alta resistencia con alta
ductilidad
21
0
2
4
6
8
10
12
14
16
200 250 300 350 400 450 500 550
Ala
rgam
ien
to u
nif
orm
e (
%)
Límite de fluencia (MPa)
Grado E antisísmico de Australia/Nueva Zelandia
Comportamiento en sismos
Límite de fluencia para grados de alta resistencia
Cierto atraso sudamericano
22
0
100
200
300
400
500
600
Comportamiento en sismos
Tendencia (relativa) a exigir alta relación de envejecimiento
por deformación
No mencionada en normas de Argentina, China, Vietnam
De las que la mencionan, la alemana define un único valor, bajo (1,08)
Normas con relación más elevada (1,25)
ASTM A706, NMX-B-457, Chile (antes 1,30), Colombia, Taiwan (dos grados)
Normas con exigencia de 1,2 mínimo
Española, para barras de alta ductilidad
Turca (uno de los grados)
Australia / Nueva Zelandia: 1,15 mínimo para los grados sísmicos
Canadá: 1,15 mínimo
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Comportamiento en sismos
Limitaciones con barras templadas para obtener
relaciones de tracción/fluencia elevadas
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Comportamiento en sismos 25
Ensayo de fatiga con carga axial
Norma alemana, británica y una de las normas españolas (la correspondiente a barras de alta ductilidad)
Norma europea
Es una opción, está ampliamente detallada su aplicación
Argentina, China, Australia / Nueva Zelandia
Se puede hacer de común acuerdo (en el caso de Argentina, se remite a una norma específica)
ASTM y seguidoras; Chile Turquía, Taiwán, Vietnam: no mencionan el tema
Comportamiento en sismos
Estudio de Academia China de Investigación en
Construcción sobre performance de barras en
terremoto de Wenchuan: distintos modos de
fractura
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Edificio colapsado, fractura frágil Edificio con estribos en las columnas,
que se agrietó pero no colapsó
Comportamiento en sismos
Se descalifica uso de barras torsionadas en frío, que prácticamente no
poseen alargamiento
Se enfatiza el uso de barras con alta relación entre la resistencia a la
tracción y el límite de fluencia
Se introduce un grado con especificación de tamaño de grano
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Columna agrietada pero con estribos
resistentes; cumple función estructural Columna colapsada, con estribos
débiles
Comportamiento en sismos
Japón
1923: Terremoto Kanto, 450.000 edificios y 143.000
vidas humanas
1995: Terremoto Hanshin-Awaji, 104.906 edificios y
6.433 muertes
Código japonés de construcción: exige cálculos
estructurales incluyendo esfuerzos sísmicos desde 1924
(primero en el mundo en exigirlo)
Norma JIS exige alto alargamiento, aún para las
barras de máxima resistencia a la tracción
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Comportamiento en sismos
Bajo las extremas condiciones sísmicas, las estructuras de las
construcciones sufren un pequeño número de ciclos de
desplazamiento muy grandes
El comportamiento de las barras de refuerzo en estas
condiciones se puede estudiar mediante ensayos de fatiga de
bajo ciclo
Estudio sobre barras templadas, con nervaduras y lisas, y
barras sometidas a otros tratamientos térmicos, granallado y
corrosión
Nervaduras: reducen performance bajo carga cíclica
Ductilidad: clave para mejorar resistencia a la fatiga de bajo ciclo
Corrosión: extremadamente peligrosa para el comportamiento ante
estos esfuerzos
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Comportamiento en incendios
Una vez que la seguridad humana ha sido
garantizada en un incendio, es necesario
evaluar la capacidad de soporte de la
estructura que estuvo expuesta al fuego
Para ello es importante conocer las
propiedades residuales de los materiales
dañados
Propiedades residuales del concreto: se
conocen bien
Propiedades residuales de las barras:
datos escasos
Estudio comparativo de Universidad de
Tecnología de Milán
Comportamiento residual de diferentes
tipos de barras luego de ser sometidas
al calor, hasta 850 oC
Las barras de dureza natural mantienen
mejor su límite de fluencia que las barras
templadas
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Conclusiones
En la fabricación de barras de refuerzo de hormigón conviven diversos diseños
de material y equipamiento para la obtención de las propiedades mecánicas
requeridas
Los aceros torsionados en frío, que pierden todo alargamiento luego del
procesamiento, son todavía importantes en China e India, pero van siendo
abandonados
Predominan actualmente tres tecnologías de endurecimiento: por solución
sólida, por precipitación y por cambio en la microestructura de la superficie
Cada una de ellas tiene características particulares en cuanto a sus
propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión, resistencia al fuego y
comportamiento en sismo
Las normas y resoluciones nacionales están empezando a afinar los requisitos
de performance en uso y a tener en cuenta los procesos de fabricación
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¡Muchas gracias por su atención!
Jorge Madias – Michael Wright – Pedro Wolkowicz
San Nicolás, Buenos Aires, Argentina
www.metallon.com.ar
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