VIABILIDAD DEL USO DE LA SOLDADURA A GAS Y PRESIÓN PARA UNIR BARRAS DE ACERO DE REFUERZO EN MÉXICO. 665, Pedregal de Sto. Domingo, 04630, México, D.F.

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1 VIABILIDAD DEL USO DE LA SOLDADURA A GAS Y PRESIÓN PARA UNIR BARRAS DE ACERO DE REFUERZO EN MÉXICO C. M. A. Pacheco Martínez 1, T. Robert 2, S. M. Alcocer Martínez de Castro 1, 3 1 Centro Nacional de Prevención de Desastres, Delfín Madrigal 665, Pedregal de Sto. Domingo, 463, México, D.F. 2 Departamento de Ingeniería Metalúrgica, Facultad de Química, UNAM, Apto , Coyoacán 451, México, D.F. 3 Instituto de Ingeniería, UNAM, Apto. Postal 7-472, Coyoacán 451, México, D.F. RESUMEN Se presentan los resultados experimentales de diversos ensayes realizados en barras de acero para refuerzo de concreto que fueron unidas con la técnica de soldadura a gas y presión. Se evaluó la aplicabilidad de la técnica para ser usada con barras mexicanas. Se concluye que sí se puede aplicar, siempre y cuando se cumpla con las normas y recomendaciones del proceso. SUMMARY Experimental results of tests in reinforcing bars for structural concrete, joined through gas pressure welding are presented. The applicability of this technique to be used with Mexican rebars is assessed. It is concluded that this welding technique can be used in Mexico, but assuming that standards and recommendations of this process are complied with. GENERALIDADES Las teorías de diseño para estructuras de concreto reforzado obligan a garantizar una correcta transmisión de esfuerzo entre la masa de concreto y el acero de refuerzo para tener un trabajo de conjunto entre ambos materiales. Sin embargo, en la práctica de la construcción no ha sido sencillo lograrlo, principalmente cuando se requiere dar continuidad al acero de refuerzo. Para dar solución a la continuidad del acero de refuerzo, se han ideado diversas técnicas como son el traslape, los conectores mecánicos (roscados, atornillados, con pernos de sujeción, de estampado en frío o caliente, fundas de acoplamiento con calce o cuña, o bien extruídas), y soldaduras de arco eléctrico o de gas consumible con material de aporte. Cada técnica presenta ventajas y desventajas con respecto a las otras, mismas que son evaluadas por medio de las siguientes características distintivas: adherencia con el concreto, propiedades mecánicas finales (ductilidad, dureza, resistencia a la tensión, etc.), dimensiones, uso de equipo especial, personal especializado, tiempo de elaboración, trabajabilidad (facilidad de elaboración de la junta), entre otras. La variación en alguno de los anteriores patrones de distinción, obliga a respaldar experimentalmente el proceso de unión, lo cual puede originar el establecimiento de una nueva técnica para la formación de juntas. Lo anterior muestra el gran número de opciones de unión que pueden emplearse; sin embargo, las limitaciones propiciadas por las características del metal a unir obligan a seguir procesos muy similares en cada técnica, principalmente, en soldaduras. Cada variable repercute en el costo final de la unión, que se incrementa considerablemente cuando se requiere evaluar la confiabilidad de la junta. Para esto último, se emplean métodos de inspección destructivos y no destructivos que retardan la aceptabilidad de la unión por las diversas etapas que requieren para obtener los resultados. 1

2 En las últimas décadas, se sumó una nueva técnica para lograr la unión en barras de acero de refuerzo, conocida como Soldadura a Gas y Presión (SGP). Esta técnica tiene sus orígenes en los Estados Unidos de América, y se extendió hacia Alemania y Rusia, hasta llegar al Japón. En México, el Centro Nacional de Prevención de Desastres (CENAPRED) realizó una serie de ensayes para determinar la viabilidad del uso de la técnica de soldadura a gas y presión utilizada en el Japón como opción de unión en barras de acero para refuerzo de concreto fabricadas en el país. En el presente trabajo se exponen los resultados obtenidos al respecto. LA TÉCNICA DE SOLDADURA A GAS Y PRESIÓN La soldadura a gas y presión es un proceso de unión en estado sólido; esto significa que no se funde el metal, sólo se calienta lo suficiente para trabajarlo en un estado plástico. El principio de formación de la junta se apoya en la unión por trasferencia molecular, esto es, se permite que dos secciones se conecten formando un solo material al combinar sus átomos (intercambio de electrones de valencia). Si se deseara unir dos barras de un mismo material, y además garantizar que la unión tenga la mismas propiedades mecánicas de las barras, sería necesario reproducir las condiciones que guardan sus átomos, en particular, las distancias entre estos. Es difícil hacer intervenir los electrones de valencia sólo aplicando esfuerzos de compresión a las barras para aproximar sus átomos. Sin embargo, es posible adecuar un medio para incrementar la separación entre los electrones y el núcleo del átomo; si esto ocurre los electrones de valencia se hallarán más próximos a los restantes átomos, facilitando el enlace entre éstos. Una forma de modificar las distancias interatómicas del metal es excitando sus moléculas. Con ello se debilitan sus uniones y se favorece la interacción de los niveles energéticos (de valencia). Para ello se pueden utilizar diversas técnicas como la aplicación de vibraciones de alta frecuencia (soldadura por ultrasonido). Sin embargo, la manera mas práctica de lograrlo es elevando la temperatura del metal. La SGP se apoya en la excitación de las moléculas por calentamiento y la aplicación simultánea de esfuerzos de compresión para unir metales (figura 1). Esta técnica se aplica en aleaciones como la del acero, que está compuesta principalmente por átomos de fierro (Fe) y de carbono (C); a temperatura ambiente su arreglo atómico es estable (figura 1a), pero, al elevar la temperatura, los átomos comienzan a excitarse (figura 1b), cambiando las distancias entre ellos. La estabilidad molecular del metal se torna inestable a medida que se incrementa la temperatura, facilitando el acercamiento de átomos por la aplicación de esfuerzos de compresión. (a) calor calor (b) (c) fuerza axial al efectuarse el intercambio molecular se desvanece la linea de contacto Figura 1 Intercambio molecular (el arreglo molecular en el gráfico se aumentó excesivamente con el fin de hacer visible el proceso) 2

3 En la técnica SGP la generación del calor se obtiene de la combustión de gas acetileno el cual se utiliza por la facilidad con que se alcanzan elevadas temperaturas en tiempos cortos y economía y uso común en la industria. 3 mm Figura 2 Separación máxima entre resquicios Las investigaciones realizadas en el Japón, en torno al uso de la técnica de SGP, para lograr la unión de barras de acero para refuerzo de concreto (acero de alta resistencia con bajo contenido de carbono), han permitido establecer una metodología para elaborar el bulbo de soldadura (Sociedad, 1996a). El proceso comienza con la preparación de las barras, seguida de la aplicación de esfuerzos de compresión y calor. La razón de la preparación de las barras se atribuye a que, con frecuencia, se presentan irregularidades geométricas en los extremos de las barras de refuerzo ya sea por maquinado durante la laminación o recortes mal realizados con sierras manuales o flama de un soplete. Estas irregularidades deben eliminarse recortando de nuevo los extremos de las barras, procurando que el área transversal conserve un ángulo de inclinación de 9º respecto al eje longitudinal de la barra para generar mayor zona de contacto.(sociedad, 1996b). Se recomienda una separación máxima permisible entre resquicios de áreas en contacto de 3 mm, como se ejemplifica en la figura 2, así como biselar los contornos de las barras para garantizar que al deformarse los extremos, no se introduzcan impurezas entre las áreas en contacto. Una vez preparadas las barras se colocan a tope y se calientan con la flama neutra (con poco contenido de oxigeno). Esta flama se cambia posteriormente a una flama mixta (con igual contenido de oxigeno y) sólo cuando se haya cerrado completamente el espacio entre las barras. Durante este proceso se aplica presión simultáneamente hasta formar la geometría correcta del bulbo. Se puede establecer una gran gama de combinaciones de temperatura, tiempo de calentamiento, fuerza de compresión y timing o momento justo para agregar presión. Sin embargo, no todos los arreglos son prácticos y aplicables para obtener una junta aceptable. Por ello, sólo se han establecido dos métodos que son altamente utilizados en el Japón, el de dos pasos, y el de tres, denominados así, porque se ejerce presión dos y tres veces, respectivamente, durante el proceso SGP. En la figura 3 se muestra el esquema de un ciclo completo de aplicación de calor y presión de tres etapas. La primera aplicación de presión se utiliza para sellar completamente la junta; las restantes aplicaciones sirven para deformar el material y obtener las dimensiones del bulbo. Cuando el acero se deforma, el área transversal aumenta por el desplazamiento de masa; el material adyacente con temperatura menor se desplaza a la zona de la junta, por lo que se debe uniformar la temperatura hasta que se plastifica nuevamente más material. El diámetro y la longitud del bulbo al finalizar la soldadura deben satisfacer dimensiones mínimas de diámetro y longitud establecidas en 1.4 y 1.2 veces el diámetro de la barra, respectivamente. Una vez que se forma el bulbo con las dimensiones requeridas se retira la flama y se permite el enfriamiento a temperatura ambiente, permaneciendo la presión la cual es retirada sólo cuando se garantiza que la junta tiene la resistencia necesaria para no deformarse, o separarse por los esfuerzos aplicados; este momento es marcado por un cambio de coloración del metal de un tono rojo cereza a un gris. El proceso se resume en la figura 4. 3

4 etapas de compresión primera segunda tercera D P1 D P2 D P3 Fuerza de Compresión (kg/cm²) D P1 D P D 2 P3 temperatura presión tiempo (s) Temperatura (Cº) (a) D P1 (b) D P2 (c) D P3 (d) Figura 3 Ejemplo de ciclo completo de calentamiento y aplicación de presión Figura 4 Proceso de elaboración de SGP: a) aplicación de flama neutra y presión de confinamiento, b) cambio de flama a tipo mixta, c) presión de recalque, d) formación del bulbo con dimensiones estándar CRITERIOS DE ACEPTACIÓN DE SGP La aceptación o rechazo de la unión de dos barras de acero con la técnica a gas y presión fue el principal punto de interés de este trabajo. La Sociedad de Soldadura a Gas y Presión del Japón propone como parámetros de aceptación las dimensiones finales del bulbo, la apariencia externa, la excentricidad e inclinación de los ejes de cada tramo a unir y la resistencia a tensión de la barra soldada caracterizada por el esfuerzo de fluencia del material. Recientemente, adicionaron a estos ensayes, la prueba de inspección por ultrasonido, ensaye que permite verificar la calidad interna de la soldadura. Los criterios y valores que se deben cumplir en cada ensaye se resumen a continuación: Inspección visual. Consiste en evaluar la apariencia superficial del bulbo; por lo tanto, depende estrictamente de la experiencia del inspector para interpretar la coloración, agrietamiento y volumen sano de material. Características geométricas. En este ensaye se comparan las dimensiones finales de la junta de soldadura, con magnitudes mínimas a satisfacer, las cuales fueron aceptadas tras realizar diversos estudios experimentales en los que se aplicaron pruebas de microdureza Rockwell y Vickers. Los ensayes de microdureza se realizaron en los Laboratorios de Metalurgia de la UNAM. En la figura 5 se muestran los valores de uno de estos análisis realizados sobre el eje centroidal de una barra soldada a gas y presión. En él se detallan sólo los valores obtenidos en la junta. Las letras A y B representan segmentos de barras de acero que fueron unidos con SGP. Numero de Vickers zona de unión entre barras segmento A segmento B Distancia en centimetros respecto al extremo de una barra de 6 cm de longitud. Figura 5 Diagrama de microdureza Vickers realizada en eje de un bulbo de soldadura A B Una mayor magnitud del número de Vickers significa menor resistencia del material a la penetración de una punta de diamante que indirectamente se interpreta como una disminución de la resistencia del material a tensión. Para compensar esa pérdida, y garantizar un esfuerzo resistente a la tensión a lo largo de toda la barra, se incrementa el área transversal en la junta. Otro parámetro de calificación es la excentricidad que presentan las barras soldadas cuando no son correctamente alineadas, la cual afecta su resistencia. Por ello, la excentricidad máxima permitida es de 1/5 el diámetro de la barra. Caso similar ocurre con la inclinación final de las 4

5 barras respecto a sus ejes longitudinales, por ello también se ha establecido como valor máximo de inclinación 2 grados. En la tabla 1 se resumen los valores de las dimensiones que debe tener una junta de soldadura a gas y presión y en la figura 6 se muestra su acotamiento, según la Sociedad de Soldadura a Gas y Presión del Japón. (Sociedad 1996b). Tabla 1 Valores permitidos para las dimensiones finales del bulbo de soldadura Parámetro Valor mínimo permitido Valor máximo permitido Longitud del bulbo 1.2 veces el diámetro (1.2 D) Diámetro del bulbo 1.4 veces el diámetro (1.4 D) Excentricidad Menos de 1 / 5 D Inclinación Menos de ¼ D Nota 1 Los valores se expresan en función del diámetro de la barras (D) por unir Nota 2 La distancia entre el centro del bulbo y el plano de unión debe ser menor de ¼ diámetro de la barra. 1.2 D 1.4 D 2º d<1.4d <1/4 D e dimensiones mínimas inclinación máxima desplazamiento excentricidad forma de medir el bulbo (a) (b) (c) (d) (e) Figura 6 - Dimensiones de bulbo de soldadura Resistencia a tensión. El valor de resistencia de tensión mínimo que se consideró para calificar la calidad de las soldaduras fue el que se propone en las Normas Técnicas Complementarias para el Diseño de Estructuras de Concreto Reforzado del Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal, NTCC (DDF, 1996) y que concuerda con los valores que sugieren la Comisión Federal de Electricidad y la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos. Este valor considera que en un empalme soldado por completo, las varillas a tope y soldadas deberán ser capaces de alcanzar una fuerza de tensión por lo menos del 125 % de la resistencia especificada en el punto de fluencia de la varilla. Con respecto al ensaye de doblez guiado, éste es de tipo cualitativo y se realizó utilizando mandriles de doblez considerando el equivalente de una barra de diámetro similar al del bulbo de soldadura obtenido, esto es, 1.4 veces el diámetro de la barra (CANACERO, 1996 ). Inspección por ultrasonido. Al inicio de la aplicación de la técnica de soldadura a gas y presión, no había forma de evaluar la calidad de ésta sin tener que recurrir a ensayes destructivos. En el Japón se propuso utilizar señales de ultrasonido para detectar defectos en el interior de las soldaduras y poder calificar su calidad interna. Se establecieron procedimientos de inspección y especificaciones sólo aplicables a la técnica de SGP. El ensaye se realiza utilizando vibraciones de alta frecuencia que se generan por medio de transductores que contienen materiales piezoeléctricos (materiales que tienen la propiedad de cambiar su volumen cuando se circula corriente eléctrica a través de ellos). Con ellos se aplica presión alternada en la superficie del metal. Esta presión se transmite hacia el interior del material en forma de ondas (energía ultrasónica) y cuando la onda encuentra una variación de densidad, parte de la energía que se transmite atraviesa hacia el otro medio de diferente densidad y otra parte se refleja (rebota). La transmisión es función de la impedancia o resistencia que opone un cuerpo a la transmisión de una señal frecuentemente eléctrica o de alta frecuencia. 5

6 La particularidad de los materiales piezoeléctricos de emitir y captar las ondas de vibración, facilita el registro de la energía reflejada y el tiempo que transcurre desde su emisión hasta la captura del reflejo. Es, a través de la energía de eco o rebote y el tiempo que tarda un haz de ultrasonido en ir y regresar al transductor, como se puede estimar la presencia, dimensión y ubicación de algún defecto en el interior del metal. Para ello, se han desarrollado diversos equipos que pueden dar una lectura de la energía de haz medido expresada en decibeles (db), ya sea través de una carátula digital o de un osciloscopio. La sensibilidad y claridad de la señal que registran los equipos de ultrasonido está en función del tipo de transductor que utilizan; en particular, de su tamaño, de la colocación del cristal y del material del que está constituido; así como, de la pérdida de energía durante la transmisión entre el transductor y el metal inspeccionado. En la interfaz ocurre la mayor difusión de energía, por ello, se utilizan medios de acoplamiento que suelen ser líquidos muy viscosos que mejoran la transmisión del ultrasonido. Para la inspección por ultrasonido se aplicó el método de reflexión de pulsos ultrasónicos que obliga a emplear dos trasductores que se colocan en caras opuestas de la barra a inspeccionar como se ilustra en la figura 7. Las frecuencias con las que se trabajaron los transductores fueron del orden de 5 MHz. La medición se realiza de la siguiente manera: se calibra el equipo estableciendo una lectura que sirve de patrón y que se obtiene de inspeccionar una zona sana (sin soldadura como que se ilustra en la figura 7a); establecido este nivel de eco inicial, se procede a la inspección del bulbo registrándose un segundo valor de eco que se compara con la señal inicial; la inspección del bulbo se realiza como se indica en la figura 7b. De acuerdo con los estudios realizados por la Sociedad de Soldadura a Gas y Presión del Japón (Sociedad 1996a), el nivel de diferencia permisible para considerar una zona sin daño o defecto alguno es de < 3dB ± 2dB. Si durante la inspección del bulbo se tienen diferencias mayores de 3 db respecto de la señal obtenida de la inspección en zona sana, se puede deducir con certeza que existe un defecto o inclusión en dicha zona. Consecuentemente, ésta se desecha; en caso contrario, se acepta por inspección ultrasónica. Defecto Costilla Sensor receptor (o transmisor) q Unión de las barras Sensor transmisor (o receptor) haz de sonido en zona sana para calibrar el equipo (a) inspección de bulbo e identificación del tamaño de defecto (b) Figura 7 - Colocación de transductores para la inspección con ultrasonido En la figura 8 se presentan las magnitudes de la señal de ultrasonido obtenidas tras inspeccionar dos barras con y sin defecto incluido, respectivamente. La señal de inspección en la zona sana es la que se presenta en primer lugar (figura 8a). Para poder tener un mejor control de la señal, ésta se reduce hasta el 5% de la pantalla; el ajuste de la lectura se conoce como nivel base (figura 8b). Enseguida, se inspecciona el bulbo y si la lectura corresponde a un bulbo sin defecto se tendrá que ampliar la señal ya que ésta es pequeña, en caso contrario, se tendrá que reducir hasta ajustar, según sea el caso, hasta el 5% de la pantalla que sirve de referencia. 6

7 inspección en zona sana ajuste al 5% de la pantalla inspección del bulbo (a) (b) (c) (d) Secuencia de inspección en una soldadura sin defecto incremento de la señal al 5 % de la pantalla inspección en zona sana ajuste al 5% de la pantalla inspección del bulbo (a) (b) (c) (d) Secuencia de inspección en una soldadura con defecto disminución de la señal al 5% de la pantalla Figura 8 - Consideraciones para la obtención de la magnitud de la señal de ultrasonido en decibeles PROGRAMA EXPERIMENTAL (Ensayes aplicados y sus resultados) Se estableció un amplio plan experimental que cubrió los siguientes rubros: 1) Determinación del acero empleado, sus propiedades mecánicas, químicas y los procesos térmicos a los que se puede someter; 2) Elaboración de soldaduras (probetas); y 3) Aplicación de ensayes destructivos y no destructivos de valoración descritos en el apartado anterior. ACERO EMPLEADO (CARACTERÍSTICAS FÍSICO QUÍMICAS) Es sabido que toda técnica, para ser aplicada, debe cumplir con las hipótesis y principios bajo los cuales se ha establecido; principalmente, cuando se emplean materiales aleados o se aplican tratamientos térmicos. Con este criterio se aplicaron técnicas metalúrgicas a fin de corroborar si el proceso de SGP es también aplicable al acero de fabricación nacional. Para este estudio se utilizaron barras de acero para refuerzo de concreto laminadas en caliente, provenientes de diferentes coladas y siderúrgicas, lo que permitió tener muestras más representativas de lo que ocurre en obra. 7

8 Las barras de acero de refuerzo para concreto que se comercializan tienen un arreglo químico que obliga a que el producto presente propiedades mecánicas definidas cuando se ensaya a tensión (esfuerzo de fluencia, alargamiento, resistencia, etc.), las cuales deben garantizarse después de realizada la soldadura o bien, estar dentro de los límites establecidos para considerarse mecánicamente aceptable (SECOFI, 1991; CANACERO, 1994; SECOFI, 1996, 1996b; De Buen, 1969, 1971; ONNCCE, 2). Descripción de probetas. Para clasificar químicamente el acero utilizado en esta investigación, se obtuvieron muestras tomadas al azar, consistentes en segmentos de barras, de diámetro y marca diferente. Se obtuvieron dos muestras de las marcas H y SL, una de marca S y una de marca L, lo que hizo un total de seis probetas disponibles para el análisis químico de acero de refuerzo empleado. Análisis químico. La determinación de los elementos químicos se realizó empleando la técnica de absorción atómica que consiste en la disolución del metal en agua. A dicha solución posteriormente se le aplica calor hasta evaporarla, obteniendo así un gas compuesto por todos los elementos químicos del espécimen. Para identificar a cada elemento se hace pasar un haz de luz característica a través del vapor, la cual tiene la particularidad de coincidir con la frecuencia de uno y sólo uno de los elementos, de manera tal que sólo se presenta perturbación en aquel elemento para el cual está diseñada la intensidad luminosa de la lámpara. La cantidad de masa del elemento en la muestra se obtiene por la diferencia de energía emitida por la lámpara y la energía absorbida por la reacción con el elemento. Debido a las propiedades químicas del carbono y, en particular, a su punto de fusión, su contenido no puede ser determinado por esta técnica. Para ello, se empleó un procedimiento indirecto que consistió en la comparación de su estructura interna (micrografía del acero) con la estructura interna de probetas patrones de las que se conocían con exactitud los porcentajes de carbono. Resultados. En la figura 9 se compara una de las probetas del acero empleado con las micrográfías patrones. Las micrográfias son producto del registro fotográfico de una observación en el microscopio de luz reflejada probeta Figura 9 Comparación de la estructura interna de una sola probeta con probetas patrones, cuyo porcentaje de carbono conocido se estableció en 1, 18 45% El porcentaje de carbono no es uniforme en todas las barras de las marcas y fabricantes ensayadas, pues oscila entre.1 % y.25 % como se deduce de la tabla 2. Comercialmente, y de acuerdo con la clasificación propuesta por Altos Hornos de México (Altos, 1978) se trata de un acero tipo 11 a 125 (los dos últimos dígitos de cada cifras indican el porcentaje de carbono en una aleación de hierro-carbono). Con estos valores se debe ubicar en un diágrama hierro-carbono vs. Temperatura (figura 17), los intervalos de temperatura a los que el acero debe trabajarse, sin que exista riesgo de fusión o transformación. 8

9 Tabla 2 Resultados de análisis de muestras de acero MUESTRA % Cu % Ni % Cr % Al % Mo % W suma HYLSA *.2513 HYLSA *.2179 SAN LUIS *.13 *.2781 SAN LUIS *.31 *.5193 SICARTSA * * *.398 LASA *.168 *.3249 El porcentaje de carbono encontrado en las barras de acero de refuerzo oscila entre.1 y.25 * Indica que no se presenta. La comparación de micrografías obtenidas de diez probetas, evidenció que el porcentaje de Carbono encontrado en las barras de acero de refuerzo oscila entre.1 y.25. En la tabla 2 se muestran los porcentajes de Cobre, Níquel, Cromo, Aluminio, Molibdeno y Wolframio encontrados en el análisis químico de seis probetas. El análisis químico de las probetas se realizo en los Laboratorios de Metalurgia de la Facultad de Química de la UNAM. Ensaye de tracción. Todos los aceros utilizados en esta investigación cumplieron con lo indicado en las Normas Mexicanas NOM B y NM B (SECOFI 1988, 1992). Son aceros laminados en caliente de grado 42, y presentan un esfuerzo de fluencia mínimo de 42 kg/cm 2 (412 MPa). Resultados: Como parámetro comparativo de barras con soldadura y sin soldadura, se obtuvo el esfuerzo de fluencia de algunos especímenes representativos de cada marca empleada. Los resultados se resumen en la tabla 3. Tabla 3 - Valores de esfuerzo de fluencia medidos en el acero de refuerzo empleado Siderúrgica H SL L S Esfuerzo de fluencia (kg/cm 2 ) Resistencia (kg/cm 2 ) Esfuerzo, kg/cm² SL-SG2 1 H#8-SG3 H#8-SG Deformación, mm / mm Figura 1 - Gráfica esfuerzo deformación de algunas barras de acero En el figura 1 se muestran algunas de las curvas esfuerzo-deformación unitaria, donde el esfuerzo de fluencia cumple con el valor mínimo de 42 kg/cm 2, que recomienda la norma oficial mexicana (SECOFI 1991). 9

10 ELABORACIÓN DE SOLDADURAS La longitud de las probetas fue establecida atendiendo a las dimensiones mínimas para usar la máquina universal (Flores et al. 1999). Por ello, se utilizaron tramos de barras de acero con 3 mm de longitud, de manera tal que al soldar dos tramos se tuviera una longitud final de la probeta del orden de 6 mm Con el fin de aplicar y verificar las diversas técnicas de valoración, se elaboraron soldaduras defectuosas. Para ello se propuso que los defectos en ellas fueran ocasionados por los descuidos con mayor probabilidad de ocurrencia en la construcción de estructuras de concreto reforzado, los cuales resultaron ser adiciones de sustancias en la interfaz de la unión. Las sustancias que se utilizaron son las que comúnmente se hallan en la obra, estas fueron: pintura de aceite, pasta de cemento, agua, tierra, escoria por corte con soplete y óxido por intemperismo. También se propuso como un posible defecto, dar mayor espacio entre intersticios que los 3 mm que indica como máximo la norma industrial del Japón (Sociedad 1996b). flama bulbo barra Figura 11 Elaboración de bulbo de SGP En la mayoría de los especímenes se utilizó la técnica de SGP de tres pasos, cumpliendo con las especificaciones que marca la norma Industrial del Japón JIS Z 3881 (Sociedad 1996b). Sin embargo, durante la elaboración de la soldadura en barras del número 1 y 12 se aplicó presión más de tres veces. En la figura 11 se presenta una de las fases del proceso de formación del bulbo (toma en la que se utilizó filtro sombreado). Se puede apreciar la distribución de la flama mixta. En este ejemplo se tiene el 9 por ciento del tamaño final del bulbo. Así mismo se ejemplifica la distancia que debe guardar la flama respecto a la superficie de junta. Se elaboraron un total de 463 soldaduras en dos etapas. Inicialmente, se programaron 288 soldaduras, 24 por cada diámetro y marca seleccionados. Sin embargo, los primeros resultados de evaluación evidenciaron contradicciones, principalmente al comparar los resultados de ultrasonido con los del ensaye a tensión, por lo que se decidió ampliar el número de soldaduras con el propósito de clarificar estas diferencias y se incluyó en el programa experimental la realización de ensayes metalográficos. Siderúrgica Tabla 4 Número de soldaduras realizadas en la primera etapa Diámetro nominal / número de designación 19 mm / no mm/ no mm/ no mm/ no. 12 sin defecto con defecto sin defecto con defecto sin defecto con defecto sin defecto con defecto SL S H L* Suma total = 276 * Esta última ya no se comercializa, sin embargo, se determinó utilizarla para evaluar la aplicabilidad de la técnica en posibles reparaciones de construcciones en las que se utilizó este tipo de acero. Siderúrgica Tabla 5 Número de soldaduras realizadas en la segunda etapa Diámetro nominal / número de designación 19 mm / no mm/ no mm/ no mm/ no. 12 sin defecto con defecto sin defecto con defecto sin defecto con defecto sin defecto con defecto SL S H L* Suma total = 187 1

11 ENSAYES Ensayes no destructivos. La inspección visual, la medición de las dimensiones de los bulbos y la aceptabilidad de la probetas en función de estos parámetros se resumen en la figura 13. Para la inspección con ultrasonido, se emplearon transductores con frecuencias de 5 MHz y con un ángulo de inclinación del cristal de 7º. Los resultados de dichos ensayes y la aceptación de las barras a partir de este ensaye también se resumen en las figura 13. (a) (b) (c) (d) Figura 12 Espectro de la señal de ultrasonido, obtenida durante la inspección de barras con y sin defecto incluido. En el inciso a) se presenta la inspección de una barra sin defecto, en los restantes gráficos se presenta la señal en barras con defecto incluido, b) corte con soplete, c) tierra, d) pintura. 11

12 En las figura 13, se presentan en forma resumida los resultados obtenidos de los ensayes no destructivos que se aplicaron sólo en soldaduras con defecto incluido. En el eje de las abscisas se indicó el tipo de defecto y en el de las ordenadas el porcentaje de barras detectadas según la técnica aplicada. Se indican con una barra sin relleno los resultados de la inspección visual, con una barra de color negro los resultados de la inspección por dimensiones mínimas y con una barra de tono gris los resultados de la inspección con ultrasonido. Porcentaje de barras detectadas EVALUACIÓN EN BARRAS DEL No. 6 visual dimensiones ultrasonido pintura cemento tierra corte con gas Defecto óxido Porcentaje de barras detectadas EVALUACIÓN EN BARRAS DEL No. 8 pintura cemento tierra corte con gas Defecto óxido Porcentaje de barras detectadas EVALUACIÓN EN BARRAS DEL No. 1 pintura cemento tierra corte con gas Defecto óxido Porcentaje de barraas detectadas EVALUACIÓN EN BARRAS DEL No. 12 pintura cemento tierra corte con gas Defecto óxido Figura 13 Porcentaje de barras detectadas según el tipo de ensaye y defecto en soldadura El cumplimiento de las dimensiones mínimas del bulbo no permite definir la calidad de la soldadura con defecto incluido. extensómetro La inspección visual permite detectar más del 5% de las barras cuyo defecto sea propiciado por la inclusión del tierra, corte con gas u óxido por intemperismo. Ensayes destructivos. Las barras soldadas fueron ensayadas a tensión en el Laboratorio de Estructuras Grandes del CENAPRED. Para obtener el registro de las deformaciones que se presentaron en la barra durante la aplicación de carga se utilizó un extensómetro; en algunos casos, se complementó la instrumentación con deformímetros eléctricos (figura 14). Esta actividad se hizo tanto en barras sin defecto como en barras con defecto incluido. Soldadura barra Figura 14 - Instrumentación de barras 12

13 Esfuerzo, kg/cm² Resultados representativos de cada tipo de barra SnLuis-Ext SnLuis-SG Deformación, mm/mm Figura 15 - Diagrama esfuerzo deformación unitaria del ensaye a tensión. Resultados. En la figura 15 se presenta la curva esfuerzo deformación de una de las barras del no.8 con soldadura sin defecto. La notación Ext indica que la lectura se obtuvo con el extensómetro y la notación SG2 indica que la lectura se obtuvo con un deformímetro eléctrico. Se observa claramente que la barra alcanzó la resistencia mínima de 1.25 veces el esfuerzo de fluencia que equivale 525 kg/cm 2. En la figura 16 se presentan los resultados del ensaye de tensión efectuado en un lote de 65 probetas de soldadura sin defecto. La resistencia que se indica en el eje de las ordenadas corresponde a la resistencia relativa obtenida tras dividir la lectura final del ensaye entre la resistencia mínima que deben de cumplir las soldadura (1.25 f y ). Se realizaron algunas soldaduras en las que se aplicó flama mixta desde el inicio y durante el proceso de soldadura, las resistencias a tensión de estos especímenes estuvieron muy por debajo del valor mínimo de aceptación, debido a que la aplicación directa de la flama mixta sobre las superficies de contacto altera la relación Hierro Carbono, provocando una zona frágil. Esta alteración no puede ser detectada por ninguna de las técnicas de inspección ensayadas. Lo que hace que tenga que prestarse especial atención en la calidad de la flama durante el proceso de soldadura. 1.8 Resistencia a tensión relativa Número de muestra Figura 16 - Resistencia a la tensión de barras sin defecto 15 material líquido material plástico 1 material sólido 5 % C Fe % Fe Aleaciones de Hierro-Carburo Temperatura, C Figura 17 Diagrama Hierro-Carbono vs Temperatura En la figura 17 se presenta el diagrama Hierro Carbono vs. temperatura, se puede apreciar que para una aleación en particular dada por la combinación de Hierro Carbono, existe una temperatura máxima a la cual se fundirá. En los procesos de soldadura como el de gas y presión, se aplica calor sin que se llegue a alcanzar la fusión del metal. Para el caso del acero de refuerzo empleado la temperatura oscilo alrededor de los 12 C. CONCLUSIONES 1- La técnica de soldadura a gas y presión sí puede emplearse, para unir barras de acero para refuerzo de concreto fabricadas en el país, si se cumple lo siguiente: 13

14 a) Cumplir con la norma JIS propuesta por la Sociedad de Soldadura a Gas y Presión. b) Se deberá adaptar la temperatura máxima de la flama al tipo de acero empleado. c) El personal que realizara la soldadura deberá tener una constante capacitación. d) La geometría del bulbo de soldadura no debe tener cambios bruscos o accidentados. Deberá presentar un contorno esférico, con el fin de tener mejor distribución de esfuerzos en dicha zona. 2- No es posible detectar el óxido provocado por una flama oxidante en la zona de la junta de ambas barras por soldar. Este tipo de flama se debe emplear después de que se haya sellado por completo la junta. Además, la cantidad de calor obtenida con esta flama debe de ser acorde con el diagrama aleación (hierro-carbono) contra temperatura para evitar fundir el metal. 3- El diámetro y la longitud mínimos que deben tener los bulbos de soldadura, establecidos respectivamente en 1.4 y 1.2 veces el diámetro de la barra por unir, son correctos para emplearse como límitantes en la unión de barras de acero de refuerzo fabricados en el país. 4. El tiempo invertido en la formación de una soldadura con la técnica de gas y presión, es función del diámetro de la barra y del espacio para maniobrar. Variando entre tres y cinco minutos para barras del número 6 y 8, y de cuatro a siete minutos en barras del número 1 y 12. RECOMENDACIONES 1. Emplear la técnica de soldadura a gas y presión en barras con contenido de carbono que se encuentre dentro de los intervalos encontrados en el acero empleado en esta investigación. Para barras con diferente contenido de carbono, es recomendable determinar el porcentaje de carbono y ajustar la técnica con un diagrama hierro carbono contra temperatura. 2. Calibrar el equipo de ultrasonido con el metal a emplear y no utilizar las piezas metálicas patrones, pues tienen otra densidad. 3. La inspección por ultrasonido detecta principalmente inclusiones de materiales y no cambios en la microestructura. 4. Soldar las barras procurando que las costillas de la varilla queden a 9º respecto a las costillas de la otra barra de tal forma que se puedan tener dos planos para la colocación de los transductores y consecuentemente se tendrá mayor zona de inspección. ESTUDIOS FUTUROS 1. Investigar los intervalos de variabilidad de los elementos químicos del acero de refuerzo para concreto y establecer los intervalos de aplicabilidad en función de los procesos de unión y resistencia mecánica, ya que algunos de los elementos tienden a segregarse produciendo zonas frágiles. 2. Verificar la aplicación del ultrasonido con diferentes transductores y frecuencias, con el fin de reducir el intervalo de variabilidad de los parámetros de aceptación. REFERENCIAS. Altos Hornos de México, Fundidora.Monterrey, Siderúrgica Lázaro Cárdenas Las Truchas, (1978) Compendio de Términos Siderúrgicos Básicos, Altos Hornos de México S.A, Tercera Edición, México, pp

15 De Buen, O. (1969), Nociones de Metalurgia de la Soldadura, Instituto de Ingeniería, UNAM, México D.F., enero, De Buen, O. (1971), Recomendaciones para soldar varillas de refuerzo en estructuras de concreto, no 293, Instituto de Ingeniería, UNAM, México D.F., octubre, CANACERO 1994, Método de prueba mecánicos para productos de aceros, Norma Mexicana Siderúrgica NMX-B-172, pp CANACERO 1996, Prueba de doblado para productos de acero Norma Mexicana NMX-B-113, pp 1-7 Flores, L. et al. (1999), Manual de referencia rápida para el Laboratorio de Estructuras Grandes, Cap. 6, Sistema Nacional de Protección Civil, Centro Nacional de Prevención de Desastres, México, junio. Secretaría de Comercio y Fomento Industrial, (1991), Norma Mexicana NMX-H-172, Procedimientos para soldar acero estructural, Dirección General de Normas, México. Secretaría de Comercio y Fomento Industrial, (1992), Varillas corrugadas y lisas procedentes de lingote o palanquilla para refuerzo de concreto Dirección General de Normas, México. Departamento del Distrito Federal (1996), Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras de Concreto, Gaceta Oficial del Departamento del Distrito Federal, México, 7 pp. Secretaria de Comercio y Fomento Industrial, (1996a), Proyecto de Norma Oficial Mexicana, NOM-123- SCFI Varilla corrugada de acero para refuerzo de concreto, Dirección General de Normas, México Secretaría de Comercio y Fomento Industrial, (1996b), Norma Oficial Mexicana, NMX-H , Procedimientos de soldadura estructural para acero de refuerzo, Dirección General de Normas, México, 49 pp. Sociedad de Soldadura a Gas y Presión del Japón, (1996a), Soldadura a Gas y Presión en Japón, Centro Nacional de Prevención de Desastres, México, 1996, Marzo, pp. 7. Sociedad de Soldadura a Gas y Presión del Japón, (1996b), Manual de Soldadura a Gas y Presión, Centro Nacional de Prevención de Desastres, México, Marzo, pp. 15. ONNCCE, 2, proyecto de norma PROY-NMX-C-47-ONNCCE-2 Industria de la construcciónvarilla corrugada de acero para refuerzo de concreto - especificaciones y métodos de prueba 15