El futuro de las barras de refuerzo de acero de alta resistencia (HSRB)

Materiales:

Se anticipa que se realizarán cambios significativos en los límites de los reforzamientos deformados para no pretensados que se dan en la Tabla 20.2.2.4a en la edición de 2019 de ACI 318

Nuevas tendencias en las barras de refuerzo de acero de refuerzo de alta resistencia

El acero de refuerzo de grado 60, con una resistencia de 60,000 psi, es el grado más comúnmente utilizado en América del Norte. Los avances recientes han permitido que los aceros de refuerzo de mayores resistencias se produzcan comercialmente.

Por lo general, se considera que las barras de refuerzo de alta resistencia (HSRB, por sus siglas en inglés) son barras de refuerzo con un límite de elasticidad superior a 60,000 psi. Este artículo presenta información pertinente sobre las propiedades de los materiales, el ACI 318 del Instituto Americano del Hormigón, los Requisitos del Código de Construcción para Concreto Estructural y Comentarios, los requisitos y limitaciones, y algunos de los beneficios principales del uso de HSRB en estructuras de construcción de concreto reforzado.

La siguiente es una breve historia de la aparición y adopción de los diversos grados de barras de refuerzo en las especificaciones ASTM y ACI 318:
• Los grados 33, 40 y 50 fueron de uso común desde principios de 1900 hasta principios de los 60.
• Las barras de refuerzo de los grados 60 y 75 aparecieron en 1959 con la publicación de ASTM A432 y ASTM A431, respectivamente.
• La edición de 1963 de ACI 318 permitió el uso de barras de refuerzo con una resistencia de 60,000 psi.
• En 1968, apareció por primera vez la norma ASTM A615, que incluía los grados de 40, 60 y 75 barras de refuerzo deformadas.
• Las barras de grado 75 aparecieron en la edición 2001 de ASTM 955, y las barras de grado 100 aparecieron en la edición inaugural de 2004 de ASTM 1035. Las ediciones de 2007 de estas especificaciones aparecieron por primera vez en ACI 318-08, y la norma ASTM 1035 contiene los requisitos para ambos grados. y barras de grado 120.
• Se permitió una resistencia a la cedencia de 100,000 psi para refuerzo de confinamiento en la edición de 2005 de ACI 318 para uso en aplicaciones no sísmicas y luego en la edición de 2008 de ACI 318 para uso en aplicaciones sísmicas.
• Las ediciones de 2009 de ASTM A615 y ASTM A706 fueron las primeras en incluir los requisitos para barras de refuerzo de grado 80, que se adoptaron en la edición de 2011 de ACI 318.

Propiedades materiales

El diseño de cualquier miembro de concreto reforzado debe satisfacer los requisitos fundamentales de resistencia y capacidad de servicio según lo prescrito en ACI 318. Con respecto a las barras de refuerzo, las propiedades mecánicas básicas que son importantes para lograr diseños seguros y útiles son:

• Resistencia a la cedencia, fy
• Relación entre la resistencia a la tracción y la resistencia a la cedencia, fu / fy
• Deformación (alargamiento) a la resistencia a la tracción (resistencia última)
• Longitud de meseta de cedencia

En la Figura 1 se muestran las curvas típicas de fatiga-deformación por esfuerzo de tracción para barras de refuerzo ASTM A615 de los grados 60 y 100. Los segmentos elásticos iniciales de las curvas de fatiga-deformación son esencialmente los mismos para ambas calidades. Además, a diferencia de las barras de refuerzo de grado 60, no es evidente una meseta de cedencia bien definida para las barras de refuerzo de grado 100.

Las curvas de fatiga-deformación para algunos tipos de barras de refuerzo de grado 100 pueden ser más redondeadas que la que se muestra en la Figura 1; estos se conocen comúnmente como curvas de casillas redondeadas o curvas continuas de cedencia (Figura 2). Después de un segmento lineal inicial elástico, se produce una reducción gradual de la rigidez; el comportamiento se vuelve no lineal antes de alcanzar una resistencia de cedencia, fy, que se define mediante el método de desviación de 0,2 %. A esto le sigue un ablandamiento gradual hasta que se alcanza la resistencia a la tracción, fu.

En general, la relación que existe entre (la resistencia de cedencia y la resistencia a la tracción), el alargamiento en la resistencia a la tracción, y la longitud de la meseta en la resistencia de cedencia todo disminuye (o, en el caso de la meseta de cedencia, pueden llegar a ser inexistente) a medida que aumenta la resistencia de cedencia.

Limitaciones y requisitos

Las tablas 20.2.2.4a y 20.2.2.4b de ACI 318-14 contienen los últimos requisitos y limitaciones para el refuerzo deformado sin pretensado y el refuerzo en espiral liso sin pretensado, respectivamente. Los límites para el refuerzo deformado no pretensado se dan en la Tabla.

La resistencia a la cedencia del refuerzo de compresión está limitado a 80,000 psi para uso en aplicaciones que no sean sistemas sísmicos especiales. Este límite se impone porque las barras con resistencias superiores a aproximadamente 80,000 psi no contribuirán a aumentar la capacidad de compresión; a una tensión de 0.003 en la fibra de compresión del hormigón extremo de una sección de hormigón armado (la tensión asumida en el aplastamiento del hormigón), la tensión máxima utilizable en el acero de refuerzo sería de 87,000 psi basada en el comportamiento lineal-elástico (ACI 22.2.2.1). Tenga en cuenta que el refuerzo longitudinal de grado 100 se puede usar en columnas, siempre que se utilice el límite mencionado de 80,000 psi en los cálculos de acuerdo con ACI 318.

El límite de 60,000 psi para el refuerzo de corte y de torsión está destinado a controlar el ancho de las grietas inclinadas que tienden a formarse en miembros de concreto reforzado sometidos a este tipo de fuerzas. Las referencias a investigaciones que apoyan el uso de barras de refuerzo de 100,000 psi para el soporte lateral de barras longitudinales y confinamiento de concreto, incluidos sistemas sísmicos especiales, se pueden encontrar en ACI R20.2.2.4.

ACI 318-14 solo permite las barras longitudinales deformadas que se ajustan a (a) y (b) a continuación en sistemas sísmicos especiales (marcos de momentos especiales, paredes estructurales especiales y todos los componentes de paredes estructurales especiales, incluidas vigas de acoplamiento y pilares de paredes) para resistir Los efectos causados por la flexión, la fuerza axial, la contracción y la temperatura. Los grados de refuerzo más altos no se incluyeron porque, en ese momento, no había datos suficientes para confirmar la aplicabilidad de las disposiciones ACI 318 existentes para los miembros con grados de refuerzo más altos. Estos sistemas especiales se requieren en estructuras asignadas a la Categoría de Diseño Sísmico (SDC) D y superior.

Las barras de refuerzo longitudinales deformadas utilizadas en estructuras asignadas a (SDC) D o superior deben cumplir con las siguientes disposiciones (ACI 20.2.2.5):

(a) ASTM A706, grado 60
(b) ASTM A615, Grado 40 siempre que se cumplan los requisitos de (i) y (ii); y ASTM A615, Grado 60, se cumplen los requisitos de (i) a (iii).

(i) La resistencia a la cedencia real basada en las pruebas de molino no excede Fy en más de 18,000 psi.
(ii) La relación entre la resistencia a la tracción real y la resistencia a la cedencia real es de al menos 1,25.
(iii) El alargamiento mínimo en un calibre de 8 pulgadas debe ser al menos del 14% para los tamaños de barra # 3 a # 6, al menos el 12% para los tamaños de barra # 7 a # 11, y al menos el 10% para los tamaños de barra # 14 y # 18.

En (i), el límite superior se coloca sobre la resistencia de cedencia real del refuerzo longitudinal en sistemas sísmicos especiales porque podrían producirse fallas frágiles en el corte o en la unión si la resistencia del refuerzo es sustancialmente mayor que la asumida en el diseño (refuerzos de mayor resistencia llevan a mayores esfuerzos de corte y unión).

En (ii), el requisito del refuerzo de resistencia a la tracción sea al menos 1,25 veces la resistencia a la cedencia supone que la capacidad de un miembro estructural para desarrollar una capacidad de rotación inelástica es una función de la longitud de la región de rendimiento a lo largo del eje del miembro. Se ha demostrado que la longitud de la región de rendimiento está relacionada con las magnitudes relativas de los momentos nominales y de rendimiento; cuanto mayor sea la relación de nominal a rendimiento, mayor será la región de rendimiento. La rotación inelástica se puede desarrollar en miembros de hormigón reforzado que no satisfacen esta condición, pero se comportan de una manera significativamente diferente a los miembros que cumplen con esta disposición.

En (iii), las elongaciones mínimas requeridas para ASTM A615, refuerzo de Grado 60 se agregaron en ACI 318-14 y son las mismas que las requeridas para ASTM A706, refuerzo de Grado 60.

Beneficios y limitaciones

El uso de HSRB en miembros de hormigón puede resultar en tamaños de barra más pequeños y / o en un menor número de barras en comparación con los miembros reforzados con barras de grado 60 o inferiores. También puede permitir tamaños de miembros más pequeños. Al especificar HSRB, se puede lograr lo siguiente:

Considere la columna de hormigón armado ilustrada en la Figura 3a. Por razones arquitectónicas, las dimensiones de la sección transversal están limitadas a 18 pulgadas. Suponiendo que la columna no es delgada y que está sujeta a una fuerza axial factorizada concéntrica Pu = 1,700 kips, el refuerzo longitudinal requerido que usa el refuerzo de Grado 60 es 12- # 9 barras (ρg = 3.7%) con f’c = 10,000 psi. Esta es una relación de refuerzo relativamente grande y en ubicaciones de empalmes de vuelta, ρg = 7.4%, que es ligeramente menor que el valor máximo prescrito por el código del 8%. Además, el espacio libre entre las barras longitudinales es de aproximadamente 3 pulgadas. La combinación de una gran relación de refuerzo y un espacio libre relativamente pequeño puede causar problemas de congestión considerable en las juntas.

Si se utilizaran barras de grado 80 en su lugar (Figura 3b), se requerirían 8- # 9 barras (ρg = 2.5%). No solo la relación de refuerzo es más razonable, sino que también se reduce significativamente la probabilidad de congestión en las juntas (el espacio libre entre las barras es de casi 5,5 pulgadas). En la Figura 4 se muestra una comparación de los diagramas de interacción de la columna con diferentes grados de barra.

El área de la sección transversal de una columna con barras longitudinales de alta resistencia puede ser más pequeña en comparación con una con barras de grado 60, lo que podría traducirse en un espacio más utilizable. La Figura 5 ilustra cómo el área bruta de una columna, Ag, disminuye en función de la resistencia a la fluencia, fy, para varias resistencias a la compresión del concreto, f’c, y las cantidades de refuerzo longitudinal, Ast. De la Figura 5 queda claro que la combinación de refuerzo de alta resistencia y concreto de alta resistencia tiene el mayor impacto en la disminución del área de columna requerida para un porcentaje dado de refuerzo longitudinal, Ast / Ag. Cuando los miembros de hormigón reforzado se reducen en sección transversal, siempre es importante tener en cuenta la posibilidad de problemas de congestión que puedan acompañar a la reducción de tamaño.

El futuro de HSRB

Se anticipa que se realizarán cambios significativos en la Tabla 20.2.2.4a en la edición de 2019 de ACI 318 sobre la base de datos experimentales significativos adquiridos para HSRB en aplicaciones no sísmicas y sísmicas. Ya está disponible una edición de revisión pública de ACI 318-19, que destaca estos cambios.

Agradecimientos a la revista “Estructura”, abril 2019