LONGITUD DE EMPOTRAMIENTO EN ANCLAJES

Los anclajes postinstalados en barras de refuerzo (rebar) suelen generar dudas entre ingenieros y personal de obra, especialmente sobre si la longitud de empotramiento calculada es adecuada o excesiva. Hoy aclararé este tema para evitar confusiones comunes en oficinas de diseño y obra.

Los anclajes postinstalados fijan barras (o pernos) en concreto endurecido mediante adhesivos o mecanismos mecánicos, permitiendo conexiones estructurales posteriores. Su diseño sigue normas como ACI 318, considerando distintos modos de falla (acero, concreto, adherencia) y requisitos de borde, espaciamiento y desempeño sísmico.

Existen dos teorías clave para su diseño, según la función del anclaje: la “teoría de anclaje” y la “teoría de longitud de desarrollo” (ambas están en el ACI 318-25).

En la Teoría de anclaje se usa para empotramientos cortos (entre 4 y máximo 20 diámetros de la barra a anclar), típicos en uniones concreto-acero estructural con placa base de interfase. Aquí se calcula que el anclaje resista las cargas sin buscar que la barra alcance su capacidad máxima, aceptando posibles modos de fallas frágiles. Acá se consideran cargas axiales y cortantes (y su interacción).

En la teoría de longitud de desarrollo: Aplica por lo general para uniones concreto-concreto (empalmes, extensiones), donde la barra debe alcanzar su límite de fluencia sin fallas frágiles, independiente de las cargas. Solo se considera cargas axiales y requiere longitudes de empotramiento mayores (30 diámetros y más).

La elección depende de si se busca que el acero solo resista una combinación de cargas o que “fluya” para lograr un comportamiento dúctil.

En el video se observa una gran longitud de empotramiento, probablemente para columnas o muros estructurales, donde “30 cm” serían insuficientes para un adecuado desempeño normativo. En esos casos es mejor planificar desde el diseño y usar empalmes mecánicos, pero esa será otra publicación.

Gracias por leer. Si te ha sido útil esta información puedes compartirla para ayudar a entender por qué a veces las longitudes de empotramiento de las “rebar” varían tanto.

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EMPALMES MECÁNICOS EN CONCRETO - TRASLAPO - SOLAPE

Hoy hablaremos de los empalmes en barras de acero de refuerzo, los cuales son indispensables para lograr la funcionalidad y resistencia estructural del concreto. 

El método más común es el empalme por traslape, donde las barras se superponen en una longitud determinada. Este es por lo general el más económico, pero requiere mayor espacio y genera cuantías más elevadas en ciertos puntos.

La soldadura también se utiliza para unir barras de acero de refuerzo, pero requiere que el acero sea ASTM A703 además de cumplir con rigurosos requisitos que se pueden encontrar en la norma AWS D1.4 (Structural Welding Code - Reinforcing Steel).

Por otro lado, el empalme por conector mecánico ofrece ventajas en cuanto a rapidez de instalación, menor espacio requerido y aplicabilidad en zonas congestionadas de refuerzo. Estos dispositivos deben cumplir con estándares de resistencia, ductilidad y durabilidad, y su uso está regulado por varios códigos de construcción.  Es muy común la exigencia de que desarrollen al menos el 1.25Fy  de las barras y cumplir los estándares de la ASTM A1034 (Standard Test Methods for Testing Mechanical Splices for Steel Reinforcing Bars),  el  ACI 318 (Building Code Requirement for Structural Concrete) y ACI 439.6M-17 (Mechanical Connector Qualification Requirements).

Los conectores roscados, pernados y conectores de compresión son algunos de los tipos de conectores mecánicos disponibles en el mercado. En el video vemos primero los conectores hilados en barra (roscados) y en la parte del concreto prefabricado conectores pernados (tipo flauta). Aunque muchos fabricantes ya hacen combinaciones de métodos de roscado, prensado y pernado.

Los conectores mecánicos no requieren personal calificado y ofrece ventajas en términos de rapidez, espacio y aplicabilidad, haciéndolos económicos a partir de diámetros de barra de 3/4”.

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CORROSIÓN Y BARRAS DE REFUERZO EN CONCRETO ESTRUCTURAL

La respuesta es muy interesante y no es subjetiva, solo debemos ir al código ACI 318-19. A continuación, te explico la justificación:

El Artículo 26.6.1.2 (b) del ACI318 indica: " El refuerzo no preesforzado con óxido, escamas o una combinación de ambas, debe considerarse satisfactorio, si las dimensiones mínimas (incluyendo la altura de los resaltes del corrugado) y el peso por unidad de longitud de una muestra limpiada a mano utilizando un cepillo de alambre, cumple con las normas ASTM aplicables…"

Y en su comentario R26.6.1.2(b) dice:  "Investigaciones han demostrado que una cantidad normal de óxido aumenta la adherencia. Generalmente por manejo brusco normal se pierde el óxido que está suelto y que puede perjudicar la adherencia."

Es decir, el óxido superficial ligero es aceptable y puede incluso mejorar la adherencia entre el acero y el concreto. 

¿Y existe una manera cuantificable de saber cuál es el límite de corrosión aceptable? Si y lo conseguimos en la sección 11 y 12 de la norma ASTM A706/A706M-22 para Barras corrugadas. La barra será aceptable siempre y cuando la pérdida de masa por eliminación del óxido superficial sea igual o inferior al 6% del peso original de la barra y que igualmente cumpla con las demás especificaciones de la norma.

Aclarado el tema, hay un “bonus” en el video y es el removedor de óxido por láser que se ve. Este método, que no requiere productos químicos, permite limpiar rápidamente grandes áreas sin desgastar el metal subyacente. Sin embargo, requiere personal capacitado para su operación, además de tener limitaciones en el tratamiento de capas gruesas de óxido y generar humos que necesitan ser gestionados adecuadamente. 

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HISTORIA DEL CONCRETO ESTRUCTURAL - CUANDO EL CONCRETO CONOCIÓ AL ACERO

El concreto estructural es uno de los materiales más importantes en la historia de la construcción. Su evolución es una historia de innovación que combina propiedades químicas y físicas únicas entre el concreto y el acero. 

Origen:

En 1824, Joseph Aspdin, un albañil inglés, patentó el cemento Portland, que se convirtió en la base del concreto moderno. Pero, el inventor del concreto reforzado fue Joseph Monier, un jardinero francés, quien en 1849 comenzó a usar alambres de acero para reforzar macetas de concreto, las cuales cuando eran de concreto simple se rompían con facilidad. En 1867, Monier patentó su sistema de refuerzo, que pronto se aplicó en la construcción de todo tipo de estructuras. El truco era sencillo: el concreto que soportaba compresión y el acero que soportaba las tracciones/tensiones.

En el siglo XX, el ingeniero francés Eugène Freyssinet desarrolló el concreto presforzado, mejorando indirectamente el comportamiento del concreto a la tracción y permitiendo construir estructuras más ligeras y de mayor luz, como puentes. La prefabricación fue el paso siguiente, pudiendo hacer elementos en taller para su instalación en obra. 

¿El uno para el otro?

El concreto y el acero tienen coeficientes de dilatación térmica similares, o sea, que se expanden y contraen de manera uniforme frente a cambios de temperatura. El concreto se adhiere firmemente al acero debido a la fricción mecánica y a una reacción química superficial entre ambos materiales. Todo esto permite que trabajen juntos para resistir esfuerzos combinados. Además, el concreto alcalino forma una capa pasivadora alrededor del acero, protegiéndolo de la corrosión. 

¿Y con otros materiales?

Aunque se han intentado combinar el concreto con otros materiales, no se ha logrado una integración tan eficiente como con el acero. En contraste, otros materiales, como la madera y los plásticos, no logran esta integración debido a diferencias en la dilatación térmica. Y las barras de fibra de carbono y vidrio no dan la ductilidad que proporciona el acero y producen mucho muchos más deformaciones en los elementos diseñador por resistencia, afectando entonces las condiciones de servicio como deflexiones y vibraciones excesivas.

El concreto estructural en un material verdaderamente fascinante. Gracias por leer hasta acá. Si te pareció interesante, comparte y síguenos. 

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VIGAS ALVEOLARES Y CASTELADAS

Las vigas casteladas y alveolares (celulares) son elementos estructurales que se derivan de las vigas de sección en "I". Su diseño permite una reducción significativa del peso al tiempo que se aumenta la resistencia estructural y la inercia. Y todo esto sin ocasionar desperdicios significativos.

Una de las principales ventajas de estas vigas es su capacidad para reducir el uso de material. Esto no solo contribuye a la sostenibilidad, sino que también resulta en ahorros significativos en costos de producción. Su diseño permite maximizar la relación entre carga y peso, lo que las hace especialmente útiles en proyectos donde el espacio y el peso son limitados. También permite pasar por su alma ductos e instalaciones que sería imposible de hacer en una viga de alma llena. 

El proceso de fabricación de vigas casteladas y alveolares incluye el corte del alma, ensamblaje mediante soldadura y la inspección de calidad. Si te interesa conocer más sobre su diseño estructural puedes consultar la guía de diseño de la AISC N° 31 “Castellated and Cellular Beam Design”. 

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ACERO EN BOBINAS #ACERO #BOBINAS

Las bobinas de acero son elementos importantes para la ingeniería estructural, sin embargo, su transporte y manejo presentan desafíos significativos. El acero tiene un peso unitario de aproximadamente 7850 kg/m³, lo que hace que las bobinas, sean muy pesadas.

El acero en estas bobinas se utiliza para fabricar perfiles doblados en frío, que se conforman sin necesidad de aplicar calor durante el proceso. Estos perfiles se rigen por la norma AISI (American Iron and Steel Institute), que establece los estándares para asegurar su calidad y desempeño. A diferencia de la norma AISC (American Institute of Steel Construction), que se centra más en perfiles de acero en general, la AISI proporciona guías específicas para el diseño con estos perfiles.

El proceso de laminado en caliente, que se utiliza para producir las láminas que componen las bobinas de acero, induce grandes tensiones internas en el material. Estas tensiones se liberan de manera brusca cuando las bobinas se desatan. Por esta razón, el manejo y desenrollado de las bobinas de acero debe realizarse con extrema precaución y con el equipo adecuado para prevenir accidentes.

Los perfiles doblados en frío tienen aplicaciones extensas en la ingeniería estructural debido a su resistencia y eficiencia de uso. Se emplean en la construcción de estructuras ligeras, como entramados para edificios (Steel framing), correas, viguetas y sistemas de soporte. Su capacidad para ser moldeados en diversas formas sin perder resistencia los hace ideales para aplicaciones que requieren ligereza y durabilidad, pues es muy común que dichos perfiles se usen galvanizados.

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CÁLCULO DE CANTIDADES EN ESTRUCTURAS DE ACERO

 

A continuación, se presenta un breve video sobre el cálculo de cantidades en las estructuras metálicas.

Recomendamos que vea el video en pantalla completa o en esta ruta directamente en YouTube:

https://www.youtube.com/watch?v=pbUzlkVA7sk

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CORROSIÓN DEL ACERO ESTRUCTURAL

La corrosión es un proceso químico que deteriora las propiedades de los elementos metálicos especialmente del acero estructural; comprometiendo su integridad y durabilidad. Este fenómeno se produce por la reacción del acero con su ambiente. Para que exista corrosión básicamente tiene que existir un ánodo (material que pierde electrones) un cátodo (material que recibe electrones) y un electrolito que es el medio de conducción de esos electrones. El oxígeno es un acelerante de la reacción de corrosión, siendo en algunas ocasiones la oxidación el paso previo para la corrosión.

Las causas de la corrosión son múltiples y pueden incluir la presencia de cloruros, la carbonatación del concreto, la exposición a ambientes agresivos, defectos en la fabricación o en la ejecución de la obra, y la falta de protección adecuada del acero. Para prevenir la corrosión, es fundamental seleccionar materiales adecuados, diseñar elementos estructurales con protección adecuada, aplicar recubrimientos anticorrosivos adecuados, controlar la humedad y realizar inspecciones periódicas. Existen muchas maneras de proteger al acero como las pinturas, la galvanización, el cromado y la protección por ánodo de sacrificio.

Podríamos hacer un curso semestral sobre este tema de la corrosión de lo extenso que es.  A nivel de normativa también es muy extenso. Normas como las NACE (Asociación Nacional de Ingenieros de Corrosión) NACE SP0178, NACE SP0284, NACE SP0492; la Norma ISO 12944 (Protección contra corrosión), la Norma ASTM D1654 (Método de Prueba Estándar para la Evaluación de Especímenes Pintados o Recubiertos Sujetos a Ambientes Corrosivos), API 653 (Inspección, Reparación, Alteración, y Reconstrucción de tanques API 650)  y las normas SSPC (La Sociedad para Recubrimientos Protectores) son normas internacionales que deberías leer si quieres profundizar el tema, y eso solo por citar solo algunas y no las locales de cada país.

Es importante destacar que la corrosión del acero es un fenómeno complejo y que su prevención requiere un enfoque integral que combine el conocimiento técnico de un ingeniero estructural con la experiencia de un patólogo de la construcción y del mantenimiento de estructuras. En mi experiencia, de 24 años en el tema, la escogencia de un método adecuado de protección para el tipo de estructura y su ambiente de exposición, así como un plan de mantenimiento preventivo que implique inspección especializada periódica para la detección temprana de los signos de corrosión es la clave para garantizar la seguridad y durabilidad de las estructuras de acero.

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TIPOS DE VARILLA DE REFUERZO PARA EL CONCRETO-HORMIGÓN ARMADO-REFORZADO

Vemos en el video un cargamento de varillas de acero que nuestro “Paco” pidió por “Temu”, tuvo que devolverlas porque no pasó los ensayos de tracción XD.

Ahora ya en serio, hablemos de las barras de refuerzo de concreto armado, las cuales deben cumplir las normas ASTM A615 o ASTM A706 (o sus equivalentes en sus respectivas regiones del mundo).

El acero A706 a veces es menos conocida pero es una especificación introducida desde lo años 70, que garantiza propiedades de fluencia controladas y soldabilidad, especialmente para estructuras sismo resistentes. Según el código ACI 318, se exige su uso en elementos estructurales sismo resistentes, a menos que las varillas A615 cumplan ciertos requisitos.

Entre las diferencias entre A706 y A615 tenemos:

Control de calidad: A706 tiene composición química específica y un mejor control entre la fluencia y la tensión máxima.

Ductilidad vs. Resistencia: A706 es más dúctil, pero ligeramente menos resistente. Sin embargo, su menor resistencia no afecta el diseño sismo resistente convencional.

No es incorrecto usar A615 pero si estas cumplen con las especificaciones mínimas que exige la ACI 318. Esas especificaciones son: Que La resistencia real a la fluencia basada en ensayos realizados por la fábrica no sea mayor que el fy (esfuerzo de fluencia) en más de 125 MPa y que la relación entre la resistencia real de tracción (rotura) y la resistencia real de fluencia no sea menor de 1.25.

En muchos países se exige el uso del A706 para evitar problemas en obra al utilizar al mismo tiempo unas varillas adecuadas para elementos sismo resistentes y otras que no, pues se prestaría a la confusión y problemas en el control de calidad de los materiales. ¿Sabes si en tu país exigen obligatoriamente el uso de acero A706 en edificaciones?

Ahora que lo sabes, sería bastante genial que lo compartieras, lo guardas y nos regalaras un “me gusta”, nos ayudaría un montón con el algoritmo de esta red social.

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CUANDO LAS ESTRUCTURAS CAEN: REGISTRADO EN VIDEO COLAPSO DE NAVE INDUSTRIAL EN TEXAS

En abril de 2015 en la Escuela Superior Argyle en Texas se registró el colapso de una nave industrial de grandes luces, la cual estaría realmente destinada para el uso deportivo del instituto.

Colapsó en el proceso de construcción, a las 07:30am ante unas ráfagas de viento de bajas velocidades. El hecho produjo un (1) muerto y tres (3) heridos. 

La estructura, enteramente en perfiles metálicos, era parte de un paquete de bonos de $ 45 millones para mejorar las instalaciones deportivas de la Escuela. La construcción  fue hecha por Northstar Group Constructores y había estado en marcha durante unos tres meses. 

A continuación se muestra el video del colapso donde se puede notar cómo pórtico tras pórtico se va desmoronando.

¿Qué causó el colapso?

¿Fue error de diseño? NO. El colapso fue debido a que torpemente el constructor no había colocado ninguno de los arriostramientos ni en los laterales ni el techo, haciendo terriblemente inestable la estructura ante el viento. Un error que cualquier estudiante de ingeniería hubiese detectado.

Otro elemento estructural que ayudó al colapso fue el hecho de que las columnas no eran prismáticas, trayendo como consecuencia que los momentos flectores en las bases de las columnas fueran muy pequeños en ambas direcciones, no extrañando que las platinas de anclaje se hayan diseñado a sólo carga axial sin considerar nada de momento (práctica común en éste tipo de estructuras).  Esa hipótesis trabaja bien siempre los pórticos tengan sus arriostramientos y contravientos colocados.

Como podemos destacar, se cumple aquella máxima que cita: "Las estructuras no se comportan como se modelan, sino como se construyen".

¿Qué aprendimos con éste hecho?

Que es importante que al constructor sepa los principios de un correcto montaje de estructura metálica, el no colocar los arriostramientos sino al final de la construcción fue un error garrafal. Siempre se deben arriostrar las estructuras metálicas, sino harán de las suyas nuestras amigas las cargas de viento. Otro caso parecido sucedió con "LA ESCOLLERA" un edificio en Cartagena de Indias, el cual además de tener errores en las conexiones, no estuvo arriostrado. Por supuesto colapsó. Pero esa, es otra historia. Hasta el próximo artículo mensual.