CARACTERIZACIÓN Y COMPROBACIÓN DE LAS PROPIEDADES

MECÁNICAS Y QUÍMICAS DE VARILLAS DE ACERO CORRUGADAS

ENTERAS YAL SER EMPALMADAS MEDIANTE SOLDADURA

Julio David Saquinga D.,

Universidad de las Fuerzas Armadas.

Departamento de Ciencias de la Energía y Mecánica. Carrera de Ingeniería Mecánica

Campus Sangolquí. Av. General Rumiñahui s/n, Sangolquí-Ecuador

davidespeldu@hotmail.com

Resumen— En el presente proyecto se realizó un muestreo a

nivel nacional para obtener probetas de varillas de acero de

construcción, a estas muestras se realizaron un conjunto de

ensayos mecánicos, químicos y metalográficos, todos estos bajo

una norma de referencia (NTE INEN, ASTM). Estos ensayos

caracterizaron y determinaron propiedades como límite de

fluencia, resistencia a la tracción, elongación, dureza,

microestructura y carbono equivalente, a los resultados se

comparó con los valores establecidos en NTE INEN 2167 e INEN

102. Adicionalmente se realizó un análisis de juntas soldadas

(bajo la norma AWS D1.4) las cuales determinaron su

comportamiento mecánico al ser sometidas a esfuerzos. En base a

los resultados obtenidos se puede establecer que las muestras

cumplen con los requisitos mecánicos establecidos en las normas

(INEN 2167, 102 y AWS D1.4), en lo referente a los requisitos

químicos existen valores de porcentaje de carbono de la marca

AV y AL que sobrepasan el valor máximo establecido por la

norma (0.33 % de C).

Palabras clave—caracterizacion; varillas de acero;propiedades

mecanicas; sismorresistente; normas de referencia

I. INTRODUCCION

Informes emitidos por la CAMICON acerca de la informalidad en la construcción de edificaciones y viviendas, la importancia de que los materiales que intervienen en una estructura de hormigón armado cumplan con sus características mecánicas y químicas establecidas en normas técnicas, adicionalmente la falta de control técnico al realizar juntas soldadas para empalmar varillas de construcción , sumado a esto factores como la condición geográfica del país y el crecimiento del sector de la construcción en los últimos 10 años hacen que estudios para la caracterización de materiales como las varillas de acero sean viables y oportunos aun mas cuando esta en plena vigencia la recientemente estructurada NEC (NORMA ECUATORIANA DE LA CONSTRUCCION)

A. Antecedentes

Ecuador está ubicado en el denominado cinturón de Fuego

del Pacífico en la zona donde interactúan las placas de Nazca

y Sudamericana, zona de mayor riesgo sísmico en el mundo.

Esta condición ha producido eventos telúricos de gran

magnitud en la historia contemporánea.

A partir de estos sucesos, y teniendo en cuenta la situación

geográfica del Ecuador es probable que ocurra un sismo de

gran intensidad en los siguientes años, este problema se

acrecienta con los informes de la Cámara de la Industria de la

Construcción en relación al número de edificaciones

construidas informalmente (2.5 millones).

Los requisitos que deben cumplir las principales

productoras de acero del Ecuador para la fabricación de

varillas están regulados bajo la norma INEN NTE 2167, e

INEN NTE 102 normas ecuatorianas que establece los

requisitos mecánicos (límite de fluencia, resistencia a la

tracción, elongación, relación Fy/Fu), químicos (% elementos

químicos, carbono equivalente) y dimensionales.

La informalidad, y el poco control en al industria de la

construcción, sumado a esto los requerimientos de

infraestructuras de mayor tamaño y mayor altura hace que

varillas de refuerzo de concreto necesiten de continuidad y de

más luz , para lograr estos objetivos se recurre a técnicas

como la unión mediante juntas soldadas . Si bien esta última

debe ser inspeccionada y regulada (bajo AWS D1.4),

actualmente en la informalidad se las realiza sin estas dos

consideraciones.

II. SELECCIÓN DE MUESTRAS

Las muestras se definieron tomando en cuenta cuatro

parámetros de observación (población) en base al criterio de

riesgo sísmico emitido por la NEC (Norma Ecuatoriana de la

Construcción) y un factor de volumen de ventas de acero.

A. Riesgo Sismico en el Ecuador

La NEC, en el capítulo 2 sección 2.5 “Peligro Sísmico del Ecuador y Efectos Sísmicos Locales” manifiesta que el riesgo sísmico está ligado directamente a la situación geográfica del país (condición geográfica de alto riesgo sísmico debido a la interaccion de las placas tectónicas Nazca y Sudamericana) .

B. Zonificacion de Sismicidad en el Ecuador

Cada región y lugar dentro del territorio ecuatoriano está

dividido en zonas sísmicas, zonas que están caracterizadas por

el valor del factor de zona Z, este parámetro representa la

aceleración máxima del suelo de cada sector expresada como

fracción de la aceleración de la gravedad. La región costa

muestra los mas alto valores de zona sísmica en el territorio

ecuatoriano Z

Tabla 1: Valores del factor Z

Zona Sísmica I II III IV V VI

Valor factor z

0.15 0.25 0.30 0.35 0.40 0.50

Caracterización

del peligro sísmico

Intermedia Alta Alta Alta Alta Muy

Alta

POBLACIONES ECUATORIANAS Y VALOR DEL FACTOR Z

Población Provincia Z

Cuenca Azuay 0.25 Loja Loja 0.25

Guayaquil Guayas 0.40 Manabí Manta 0.50

El Oro Machala 0.40

Esmeraldas Esmeraldas 0.50 Quito Pichincha 0.40

Riobamba Chimborazo 0.40

C. Numero de Edificaciones por Provincia

Según el INEC, los Resultado del Censo 2010, establece que el Ecuador tiene 14’483499 habitantes con un numero de 4’654054 viviendas (los departamentos son los que más se incrementaron).

Tabla 2: Numero de edificaciones por provincia

PROVINCIAS CON MAYOR NUMERO DE

EDIFICACIONES A NIVEL NACIONAL

SEGÚN EL CENSO DE POBLACIÓN Y VIVIENDA 2010

Provincia Número de Viviendas

Guayas 1’077.883

Pichincha 873.228

Manabí 400.879

Azuay 273.186

Los Ríos 232.466

D. Volumen de ventas de acero de construccion en el

territorio ecuatoriano para el año 2012

La producción de varillas de refuerzo de concreto se concentra en tres empresas de capital nacional ubicadas en la Provincia de Pichincha, Cotopaxi, y Guayas, estas empresas tienen un volumen de ingresos según la Superintendencia de Compañías de 720 millones de dólares distribuidas de la siguiente manera:

Tabla 3: Volumen de ventas de las principales productoras

de acero del Ecuador

PRODUCTORAS

DE VARILLAS

CORRUGADAS

VOLUMEN

DE VENTAS

(millones $)

PORCENTAJE

%

AL 278 38.6

AN 225 31.2

AV 217 30.2

Total 720 100

III. DEFINICION DE MUESTRAS (METODO DE ESTRATOS)

Obtenidos los 4 parámetros para definir las muestras, se establece la población que para el caso son los distribuidores

comerciales de acero de construcción que dispongan de varillas de diámetros 20mm, 25mm, 32mm de marcas AL, AN, y AV a nivel nacional seleccionados de las 5000 primeras empresas rankeadas por el volumen de ventas según la base de datos del portal de información de la SIC para el año 2012, este universo lo componen 40 comercializadoras. El número de muestras a analizar se compone de 8 grupos, obteniéndose un total de 24 probetas

A. Estratificacion de la Poblacion

Se identifica los tres estratos que son de naturaleza más

homogéneos para el caso las tres marcas comercializadoras

Se realizó la afijación proporcional de las probetas para determinar los lugares en donde se obtendrán las muestras.

Tabla 4: Comercializadoras seleccionadas para obtener las

muestras

N DISTRIBUIDOR PROCEDENCIA PRODUCTOR TAMAÑO

DE

MUESTRA

1 ACEROCENTER QUITO AL

3 2 MACONSA GUAYAQUIL AL

3 MEGAPLAST QUITO AL

4 MEGAHIERRO QUITO AN

3 5 ACEROFLEX QUITO AN

6 SIEMBRAMAR GUAYAQUIL AN

7 UNIFER QUITO AV

2 8

COMERCIAL

PURUHA

RIOBAMBA AV

IV. ANALISIS DE RESULTADOS

Cumpliendo con lo especificado en la norma NTE INEN

2167 e INEN 102 en lo referente a requisitos mecánicos,

químicos y diseño antisísmico. Se puede realizar una

comparación cuantitativa y cualitativa entre los valores

obtenidos mediante ensayos y valores nominales dados por la

norma.

A. Limite de Fluencia (Requisito de norma NTE INEN 2167)

A continuación se muestra los valores obtenidos en ensayo

y los valores nominales.

Tabla 5: Valores de límite de fluencia en ensayo y nominal

Nominal AN AL Nominal AV

Real Real

540 (máx.)

420 (min)

428 452 545 (máx.)

420 (min)

440

466 449 453

423 462 473 468 452 441

428 489 458

465 462 479

Gráfica 1: Limite de fluencia nominal vs. Límite de

fluencia en ensayo de marcas AN y AL

Se puede observar que todos los valores cumplen con lo establecido en INEN 2167 e INEN 102, se encuentran entre los rangos permitidos

B. Resistencia a la Traccion (Requisito de norma NTE INEN

2167 e INEN 102)

A continuación se muestran los valores de resistencia a la

tracción obtenidos en ensayo y comparados con sus valores

nominales.

Tabla 6: Valores de límite de Sut en ensayo y nominal

RESISTENCIA A LA TRACCION (MPa)

Nominal AN AL Nominal AV

Real Real

550 (min)

596 609 630 (min) 685 607 617 684

590 636 671

609 604 684 596 662 690

636 632 668

Gráfica 2: Resistencia a la tracción nominal vs. Resistencia

a la tracción en ensayo de marcas AN, AL y AV

Los valores de resistencia a la tracción obtenidos en ensayo

cumplen con lo especificado en INEN 2167 e INEN 102

C. Porcentaje de Elongacion (Requisito de norma NTE INEN

2167e INEN 102)

A continuación se muestran los valores de elongación

obtenidos en ensayo a tracción en las tres marcas de estudio

AN,AL y AV.

Gráfica 3: Porcentaje de Elongación

El porcentaje de elongación esta dentro de lo especificado en INEN 2167 e INEN 102

D. Relacion Sut/Sy (Condicion de Sismorresistencia)

Uno de los factores en el cual se basa la condición de

sismorresistencia es la relación existente entre la resistencia a

la tracción y el limite de fluencia, esta relación esta dada por

Su/Sy cuyo valor debe ser igual o mayor a 1.25

Gráfica 4: Relación Su/Sy

La relación Su/Sy cumple con lo especificado en las normas

E. Contenido de Carbono

Por medio de análisis de espectrometría de masas se obtuvo el

porcentaje de carbono presente en cada probeta, se compara

con su valor referencial estipulado en NTE INEN 2167 e

INEN 102.

Tabla 7: Contenido de carbono en ensayo y nominal

Muestra % Contenido de Carbono

Nominal Real

AN 0.33 0.3

0.3 0.3

0.3

AL 0.33 0.3 0.3

0.3

0.3

AV 0.33 0.36

0.37

0.36 0.36

Gráfica 4: Contenido de Carbono

El análisis determina que el 25% de las muestras

analizadas de la marca AL tiene un 3% de porcentaje sobre el

valor máximo referencial de carbono (0.33 %), mientras que el 100 % de las muestras analizadas de la marca AV tienen un

20 % de porcentaje sobre el valor máximo referencial de

carbono (0.33 %).

V. Análisis En Juntas Soldadas

Para realizar el análisis a juntas soldadas de varillas

corrugadas de acero se empleó el proceso de soldadura de arco

manual con electrodo revestido de bajo hidrogeno, se siguió

los parámetros de referencia según AWS D1.4, con estos

parámetros se obtuvo información acerca de la soldabilidad

del material y el comportamiento a esfuerzos mecánicos.

A. Elaboracion y Preparacion del Metal Base

En base a lo estipulado en AWS D1.4 se establece la

temperatura de precalentamiento del material a soldar

Tabla 8: Temperaturas de precalentamiento

La junta es de tipo a tope directo con doble bisel como se

diagrama en la siguiente figura.

Figura 1: Diseño de junta

El material de aporte se especifica en la tabla en la sección

5.1 de AWS D1.4, para el caso de este estudio se utilizaron los

siguientes electrodos:

• E8018X C3 Marca Lincoln

• E9018X Marca Indura

B. Ensayo de doblado a juntas soldadas

Se realizó un ensayo de doblado a las tres probetas de las

tres marcas de estudio, como resultado se obtuvo que la

probeta de marca AL fallo en la junta soldada rompiéndose en

su totalidad, la marca AN presenta grietas y una fisura,

mientras que la probeta AV pasa el ensayo.

Figura 2: Ensayo de doblado marca AV, AL y AN

AV

AL

AN

La falla en la soldadura se encuentra en el cordón de esta, por

lo que se puede establecer que el material base y de aporte no

tiene un comportamiento dúctil, la zona de rotura tiene un

comportamiento frágil, se produjo martensita en la zona

afectada por el calor.

C. Ensayo de traccion a juntas soldadas

A continuación se muestra los resultados del ensayo de

tracción de juntas soldadas.

Tabla 9: Resultado ensayo de tracción a juntas soldadas

Identificación

de la muestra

Diámetro de

Probeta (mm)

Sy

(MPa)

Su

(MPa)

A

%

Relación

Su/Sy

AN 20 481 531 3 1.1

AL 20 438 571 5 1.3

AV 20 423 619 8 1.5

A= Elongación porcentual luego de la rotura

Como resultado del ensayo de tracción, se puede observar

que valores de elongación y la relación Su/Sy no cumplen con

lo establecido en la norma. Para determinar si el material

sufrió una falla dúctil o frágil se midió la estricción presente

en el área de soldadura luego del ensayo

Z=(So-Sr)/So* 100

Z= Estriccion

So= Area nominal

Sr= Area sección reducida luego del ensayo

Para probetas de marca AN

Z=(314.2-280.6)/314.2*100

Z=10%

De acuerdo al porcentaje de elongación y estricción se puede

considerar que la fractura ha sido frágil.

Para probetas de marca AL

Z=19%

De acuerdo al porcentaje de elongación y estricción se puede

considerar que la fractura ha sido frágil.

Para probetas de marca AV

Z=17%

De acuerdo al porcentaje de elongación y estricción se puede

considerar que la fractura ha sido frágil

D. Macroscopia a juntas soldadas

A continuación se detalla los resultados del ensayo

macroscópico a las tres muestras de estudio

Figura 2: Ensayo de doblado marca AV, AL y AN

AL

AV

AN

Muestra Discontinuidad Tamaño (mm) Requerimiento

AN Escoria 1 Sumatoria máxima = 10 mm en 250 mm

Escoria 0.2

Escoria 0.4

Escoria 0.1

Escoria 0.1

Escoria 0.2

Porosidad 0.3x0.2 -

Falta de fusión 1

AL Escoria 0.4 Sumatoria máxima =

10 mm en 250 mm Escoria 0.6

Escoria 0.1

Escoria 0.1

Porosidad 1.5 -

AV Escoria 0.1

La macroscopia realizada a juntas soldadas muestra una mayor

discontinuidad en la marca AN, la marca AV no presenta

discontinuidades.

VI. CONCLUSIONES

Mediante la realización de ensayos mecánicos, químicos y

análisis estadístico se caracterizó y comprobó las propiedades

mecánicas y químicas de varillas de acero que sirven como

refuerzo de concreto.

Al finalizar el estudio se puede establecer que las muestras

que fueron ensayadas cumplen con los requisitos mecánicos

dispuestos en INEN 2167 e INEN 102, en lo referente a los

requisitos químicos existen valores de porcentaje de carbono

de la marca AV y AL que no cumple con lo establecido en

INEN 2167, estos valores sobrepasan el valor máximo de 0.33

% de carbono establecido en la norma.

Un análisis de espectrometría determina que el 25% de las

muestras analizadas de la marca AL tiene un 3% de porcentaje

sobre el valor máximo referencial de carbono, mientras que

para la marca AV el 100 % de las muestras analizadas de la

marca AV tienen un 20 % de porcentaje sobre el valor

máximo referencial de carbono (0.33 %).

Condición de sismoresitencia como es la relación Su/Sy

determina que el100% de la muestras de la marcas AN, AL y

AV con valores promedio de 11%, 9% y 24 %

respectivamente sobrepasan el valor referencial de 1.25.

VII. REFERENCIAS

[1] Hibbeler R.C. (2006). Mecánica de Materiales. México: Pearson

Educación.

[2] Lind. DouglasS. (2012). Estadística Aplicada a los Negocios y la Economía 15 ed. México: Mc Graw INTERAMERICANA EDITORES S.A.

[3] Mott Robert L. (2006). Diseño de Elementos de Maquinas. Obtenido de .https://cesarlindao.files.wordpress.com/2013/06/resistencia-de-los-materiales-robert-montt-5ta-edicic3b2n.pdf.

[4] Timoshenko S. (1957). Resistencia de Materiales Primera Parte Teoria Elemental y Problemas. Madrid: Espasa- Calpe S.A.

[5] K. Elissa, “Title of paper if known,” unpublished.

[6] R. Nicole, “Title of paper with only first word capitalized,” J. Name Stand. Abbrev., in press.

[7] Y. Yorozu, M. Hirano, K. Oka, and Y. Tagawa, “Electron spectroscopy studies on magneto-optical media and plastic substrate interface,” IEEE Transl. J. Magn. Japan, vol. 2, pp. 740-741, August 1987 [Digests 9th Annual Conf. Magnetics Japan, p. 301, 1982].

[8] M. Young, The Technical Writer’s Handbook. Mill Valley, CA: University Science, 1989.