Este diseño reforzado de alta resistencia, que se mantiene en la estructura de alta resistencia, permite la construcción de un material de alta resistencia y de alta resistencia, que se refuerza en la construcción de forma más duradera.

Fundamentos de fuerza de rendimiento en barras de acero

La resistencia al rendimiento es el estrés en el que un material comienza a deformarse permanentemente (plásicamente) bajo carga de tensil. En el contexto de las barras de acero, define el máximo estrés que la barra puede soportar sin someterse a elongación irreversible. En una curva de tensión-entrenamiento, el punto de rendimiento marca la transición del comportamiento elástico – donde la deformación es recuperable – al flujo plástico.

Por lo tanto, la fuerza de rendimiento de un rebar rige directamente la capacidad de carga de un miembro de hormigón armado en tensión o flexión. Duplicar la fuerza de rendimiento duplica efectivamente la fuerza de la tensión de un bar puede resistir en el mismo área transversal, permitiendo a los diseñadores reducir el número de barras o el diámetro de la barra. Sin embargo, la fuerza de rendimiento mayor suele venir con menor ductilidad – la capacidad de desinformación plástica antes de fractura – que es una propiedad crítica

Propiedades mecánicas clave

  • Modulus Elástico: La rigidez del acero (cerca de 200 GPa) no se ve afectada significativamente por el tratamiento de aleación o calor. La resistencia al rendimiento superior no cambia el módulo, por lo que la deflexión elástica de los miembros de RC permanece gobernada por geometría de hormigón y sección.
  • Ductility:] Medido por elongación por porcentaje en fractura o por la relación de fuerza de la tensión para producir fuerza (f u / ]f ]y
  • Soldabilidad: El aumento del contenido de carbono o ciertos elementos de aleación pueden hacer barras propensas a la grieta de soldadura. Las calificaciones de microaléeo y termo-mecánicamente tratadas están diseñadas para una buena soldabilidad.

Rebares de acero tradicionales contra de alto rendimiento

El acero tradicional reforzando, como el Grado 250 (250 MPa rendimiento) o el Grado 300, se ha utilizado ampliamente desde principios del siglo XX. Los años 60 vieron la introducción del Grado 400 (ahora común como el Grado 60 en los EE.UU., 420 MPa). Hoy en día, la industria de la construcción especifica rutinariamente el Grado 500, 550, e incluso el Grado 600 rebares para aplicaciones exigentes.

  • Aceros microallados: Pequeñas adiciones de vanadio, niobio o titanio (típicamente 0,05–0,15%) refinan la estructura de granos y forman precipitaciones finas que se fortalecen sin pérdida excesiva de la ductilidad.
  • Barras termo-mecánicamente tratadas (TMT): También conocidas como barras apagadas y autotemperadas (QST), son producidas por el rápido corte de superficie de barras de alta corriente seguidas por el enfriamiento del aire, creando un rima martensiático duro y templado y un núcleo de ferrite-pearlite dúctil.
  • Barras de trabajo en frío (retornilladas):] Estas son producidas por el retorcido frío de barras enrolladas, aumentando la densidad de dislocación y aumentando la fuerza de rendimiento. Sin embargo, a menudo muestran una menor ductilidad y son menos comunes hoy.

Entre ellos, los rebares TMT y microalérea ofrecen la mejor combinación de fuerza, ductilidad, soldabilidad y eficacia en función de los costos. Los bares de TMT de grado 500 se han convertido en el predeterminado en muchos países (por ejemplo, Fe500 de la India, B500B de Europa), mientras que los Grado 550 y 600 están disponibles para aplicaciones especiales.

Ventajas de barras de acero de alto rendimiento

Mayor capacidad de carga y menor cantidad de acero

Un beneficio directo de mayor resistencia al rendimiento es la capacidad de llevar mayores fuerzas de tracción con el mismo diámetro de la barra. Por ejemplo, reemplazar las barras Grade 400 con las barras Grade 600 reduce la zona de acero requerida en un 33% para el mismo momento de diseño o tensión axial. Esta reducción se traduce en menos barras, menos congestión en el trabajo de forma, colocación de hormigón más fácil y menores costos de material – a pesar de un precio de unidad potencialmente superior por tonelada.

Resistencia a la corrosión mejorada

Las barras microalgas de alta resistencia a la microaltoada suelen incluir cromo, cobre o adiciones de níquel que mejoran la resistencia a la corrosión promoviendo la formación de una capa de óxido estable. En entornos ricos en cloruro (estructuras marinas, cubiertas de puente deshidratadas con sal), la mayor resistencia a la corrosión de los rebares de alto rendimiento puede extender la vida útil en 20-40 años en comparación con el acero convencional.

Mejora del rendimiento estructural bajo cargas sismicas

[LT] [FLT] [FLT] [FLT] [FLT] [FLT] [FLT]] [FLT]] [FLT]] [FLT]]] [FLT2]]] [La estructura sísmica es deseable, requiere una ductilidad adecuada para absorber energía mediante deformación inelástica.

Reducir cargas muertas y demandas de la Fundación

Debido a que se necesitan menos kilogramos de acero por metro cúbico de hormigón, el peso propio de la estructura disminuye. En edificios de alta altura, esta cascada de reducción: suelos más ligeros significan columnas y fundaciones más pequeñas, ahorro de hormigón y costos de excavación. Un estudio paramétrico publicado en el Journal of Structural Engineering (ASCE) mostró que el uso de la barra de 600 grados en lugar de la construcción de 40 pisos redujo la carga total 18% por la tonelada.

Métodos para optimizar la fuerza de rendimiento

Optimizar la resistencia de los rebares implica controlar la composición química, el procesamiento térmico y la deformación mecánica. Las siguientes técnicas se emplean tanto en forma cantónica como en combinación con los productores modernos de rebar.

Aleación

La adición de elementos de aleación es la forma más fundamental de aumentar la fuerza de rendimiento.

  • нерентеннияниниянантитения (C): secuestrar / fortalecer el más rentable; aumentar el carbono del 0,2% al 0,4% aumenta el rendimiento alrededor de 100 MPa. Sin embargo, el alto carbono reduce la ductilidad y la soldabilidad, por lo que los modernos rebares de alta resistencia limitan el carbono a нерененененанатенанатенатенатераенатератенананананантентентенитентентентентенанантентенаяентентениениениениенанаяентенаяениенаяениентентентениеннннниениениенаяент
  • Manganese (Mn): Hasta el 1,5% Mn mejora la fuerza mediante el fortalecimiento de la solución sólida y también reduce los efectos nocivos del azufre. Mn está presente en casi todos los grados de rebar.
  • ]Cromium (Cr):] Se agregó 0,2–1,0% para aumentar la fuerza (a través de la solución sólida y la formación de carburo) y mejorar la resistencia a la corrosión. El cromo es especialmente valioso en rebares resistentes a la corrosión como el acero MMFX.
  • Vanadium (V): Un elemento de microalear; sólo 0.03–0.10% V puede aumentar la fuerza de rendimiento en 50–80 MPa a través de la precipitación de los carbonítidos finos vanadium. El vanadium también refina el tamaño del grano, mejorando tanto la fuerza como la dureza.
  • Niobio (Nb):] Similar al fortalecimiento de la precipitación vanadium pero superior por peso; el niobio también retrasa la recrystallización durante la onda caliente, que promueve una estructura de grano más fina. Las adiciones típicas son de 0,01–0,0%.
  • Nitrógeno (N): A veces se añade en combinación con elementos como el vanadio para formar partículas de precipitación, pero debe ser cuidadosamente controlado para evitar la embrittleción de tensión.

Tratamiento de calor: El proceso de temperatura

El proceso de rígido (que se produce y que se autotempla) es la tecnología dominante para producir rebares de TMT con resistencias de rendimiento de 500–600 MPa. La barra de rígidos calientes (a ~950 °C) pasa a través de una cámara de pulverización de agua que rápidamente se apaga la superficie exterior, transformándola a martensita.

Cold Working

Deformación plástica debajo de la temperatura de recreación introduce una alta densidad de dislocaciones, que dificultan aún más el movimiento de dislocación y aumentan la fuerza de rendimiento – un fenómeno conocido como endurecimiento de cepa. En la producción de rebar, el trabajo frío se realiza normalmente por retorcido frío (método antiguo) o dibujo frío. Por ejemplo, alambres desgastados frío utilizados como hilos de prestreñimiento consiguen resistencia mayor de 1.600 MPa.

Refineción de microalitos y grava

Pequeñas adiciones de vanadium, niobio o titanio (0.005–0.10%) promueven la formación de precipitaciones finas de carbono que inhiben los límites de grano e inhiben el crecimiento del grano durante la onda caliente. La estructura de ferrite/perlita fina resultante (tamaño de grano ASTM 10–12) proporciona mayor resistencia al rendimiento a través del efecto Hall-Petch – granos más pequeños significan más límites de granos para impedir la resistencia al dislocamiento simultáneamente resistente.

Impacto en el diseño estructural y los códigos

La adopción de barras de alta resistencia se refleja en los códigos de diseño modernos. ACI 318-19 permite la carga obligatoria de 60 (420 MPa) como la falta, pero permite la carga máxima de 80 (550 MPa) y la de 100 grados (690 MPa) para el hormigón armado siempre que se cumplan las disposiciones de la ductilidad.

Los diseñadores deben ajustar el reforzamiento al usar rebares de alta resistencia. Debido a que la tensión en la barra de rendimiento es proporcional a la resistencia de rendimiento (εy = f [FLT4]]

Ejecución en la construcción

Control de calidad y pruebas

Para asegurar que las barras entregadas cumplan con la fuerza de rendimiento y la ductilidad especificadas requiere una garantía de calidad robusta. Las pruebas de tensión por ASTM A615 o equivalente deben realizarse en muestras de cada calor. Pruebas adicionales de curva y re-bend verificar la ductilidad. Para las barras TMT, la profundidad del borde de martensita templada (típicamente 10-15% de diámetro de barra) debe ser consistente.

Bending, corte y soldadura

Los rebares de alta resistencia tienen una mayor relación de rendimiento y menor capacidad de endurecimiento de la tensión que el acero suave, por lo que los radios de flexión deben aumentarse para evitar el crack. Por ejemplo, ACI 318 especifica un diámetro mínimo de flexión de 6 diámetros de barras para el grado 60, pero 8 diámetros para el grado 80.

Protección de la corrosión

En entornos agresivos, los rebares de alta resistencia se benefician de una protección adicional más allá de la resistencia a la corrosión intrínseca de composiciones microalólicas. El revestimiento epoxi, galvanizado o revestimiento de acero inoxidable se puede aplicar. Sin embargo, el costo inicial más alto debe ser justificado por la extensión de vida útil prevista. Para infraestructura crítica (puentes sobre agua de mar, garajes), el uso de grado 550+ ha sido probado reciclo reciclo para reciclar

Estudios de casos en aplicación de rebar de alto rendimiento

El edificio Obelisco de 307 metros de altura, Nueva York

Para minimizar los tamaños de columnas y maximizar el espacio de costes, el equipo de diseño especificó los rebares de la TMT de grado 600 (87 ksi) para las paredes y columnas de perímetro. El uso de acero de alta resistencia redujo la relación de refuerzo del 4% al 2,8%, cortando el peso total del acero en un 22%. La colocación de hormigón fue más fácil debido a una menor congestión, y el proyecto salvó unos $1,2 millones en costos de material y mano de trabajo.

Patel Brothers Bridge, Kolkata

Este puente de 1,5 km de longitud de caja de acero utiliza barras microaléreas Grado 550 que contienen 0,3% de cromo. La adición de cromo imparte una mejora 2× en la resistencia a la corrosión de cloruro. Diseñado para una vida útil de 120 años, el puente emplea rebares de alta resistencia en la cubierta y tapas de muelle.

Tendencias futuras

La próxima frontera en la optimización de la barra está en aceros ultra-altas (UHSS) con resistencias de rendimiento de 800–1.200 MPa. Estos materiales ya se utilizan en hormigón pretensado, pero su aplicación en el refuerzo no prevalorado sigue siendo limitada debido a preocupaciones sobre la ductilidad y la capacidad de servicio de anchos de grieta 15% Investigación en nano-sélelos – materiales con tamaños de grano por debajo de 100 nm – promete una resistencia sostenible (conextracción).

Conclusión

Optimizar la resistencia al rendimiento de los rebares de acero a través de materiales de alto rendimiento ofrece una vía convincente para unas estructuras de hormigón reforzado, económica, duradera y resistente. Al aprovechar la microalamación, el tratamiento termo-mecánico y los procesos de templado, los rebares modernos logran una resistencia al puente de 500 a 700 MPa, preservando la capacidad de la onda y la soldabilidad para un diseño seguro.

Referencias externas

  1. American Concrete Institute. “ACI 318-19: Building Code requirements for Structural Concrete.” (www.concrete.org)
  2. Eurocode 2: Diseño de estructuras concretas – Parte 1-1: Reglas generales y reglas para edificios (EN 1992-1-1).
  3. K. J. Grassl y T. B. Ural, “Microalloying for High-Strength Rebars”, Materials Science and Technology, vol. 34, no. 2, 2018. (Disponible a través de www.maneypublishing.com)
  4. R. A. Spencer, “Thermo-Mechanical Treatment of Steel Rebars – The Tempcore Process”, Wire Journal International], 2015. (www.wirenet.org)