1 CONECTORES DE TERCERA GENERACIÓN RESUMEN

CONECTORES DE TERCERA GENERACIÓN
José Luís Sánchez Limón 1 y Víctor Pérez Taylor G. 2
RESUMEN
Se presenta la evolución de los conectores para varillas de refuerzo para estructuras de concreto reforzado, su
fabricación , las mejoras técnicas hechas y los resultados de pruebas obtenidos en los laboratorios del
IIUNAM.
ABSTRACT
This document presents the reinforcement connections evolution for reinforced concrete members, it
manufacture, technical improvements, profits and tests results in IIUNAM.
INTRODUCCIÓN
Uno de los conceptos que se deben asumir en el diseño de estructuras de concreto es considerar que el acero
de refuerzo debe resistir cualquier tensión que pueda estar presente en la estructura, considerando, además,
que el acero de refuerzo presenta esa resistencia a la tensión en toda la extensión de la estructura. Sin
embargo, existe la limitante de que la varilla de refuerzo solo se puede fabricar en longitudes de hasta 12 m.,
lo que implica forzosamente, para varillas de 25.4 mm de diámetro (No. 8) en adelante, unirlas de alguna
forma para alcanzar las longitudes requeridas. Uno de los métodos mas utilizados es soldar las uniones,
método inaceptable metalúrgicamente para la varilla que se produce en México bajo la norma CC-407
(ASTM A615). La AWS D1.4M no permite la sodadura de dicha varilla de refuerzo.
El uso de conectores mecánicos en las barras de refuerzo, especialmente en estructuras sismo resistentes
presenta grandes ventajas económicas, prácticas y, principalmente, de seguridad, sobre las uniones soldadas.
Hay en el mercado una gran variedad de sistemas de conectores mecánicos, por ejemplo de cuerda recta o
paralela, de cuerda cónica, de manga de presión, de manga atornillada, etc. Sin embargo, los de cuerda recta
son los que presentan mejor comportamiento mecánico y facilidad de intalación. Para que un sistema barraconector sea confiable, especialmente en zonas sísmicas, debe cumplir con normas que indica el
REGLAMENTO DE CONSTRUCCIÓN DEL D. F. en NORMAS TÉCNICAS COMPLEMENTARIAS:
secciones PARA DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE ESTRUCTURAS DE CONCRETO y PARA DISEÑO
POR SISMO, las indicadas por la AMERICAN CONCRETE INSTITUTE, ACI 318 CAPÍTULO 21
ESTRUCTURAS SISMO RESISTENTES, asi como los ensayes establecidos en la ACI 439 STANDARD
SPECIFICATION for REINFORCEMENTE CONNECTIONS for SEISMIC DESIGNS UTILIZING
ENERGY DISSIPATION CRITERIA.
Los resultados de ensayes hechos a los sistemas de tercera generación han alcanzado tal nivel de confiabilidad
que uniones varilla roscada-conector-varilla roscada han dado resultados muy cercanos a los que se obtienen
en una varilla sin unión, los ensayos se hicieron en los laboratorios del Instituto de Ingeniería de la UNAM,
bajo la norma ACI 439.
A continuación veremos la evolución que ha sufrido la fabricación de estos conectores, así como los
problemas que se han detectado y que han llevado a hacer modificaciones para la eliminación de dichos
problemas.
_____________________________________________
1 Gerente general, Habilitaciones Estructurale, S. A. de C. V., Km 16.5 Carretera Río Hondo a Huixquilucan.
Col. San Bartolomé Coatepec, Estado de México.
2 Asesor Técnico, Habilitaciones Estructurales.
1
XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural
Acapulco, Guerrrero 2012.
CONECTORES DE PRIMERA GENERACIÓN
La fabricación de estos conectores de primera generación consiste en maquinar la barra de refuerzo sobre el
perímetro exterior del núcleo, con el fín de dejar un cilindro completamente recto y concéntrico o axial a la
barra, despues se hace la cuerda por arranque de metal con cortadores especiales.
La única ventaja que tiene este sistema es su fabricación simple, siendo sus desventajas:
1.- Debido a la falta de uniformidad en la redondez del núcleo, se obtiene un cilindro imperfecto, con un
diámetro menor al diámetro nominal de la barra de refuerzo, dando como resultado un esfuerzo a la tensión
muchas veces menor al 1.5 fy especificado para conectores tipo II
2.- Dificultad al armado del sistema, debido por un lado al corte de cuerda por arranque de acero que deja una
superficie rugosa y por otro a la amplia variación del diámetro mayor y/o menor de la cuerda que deja el
continuo y rápido desgaste de las herramientas de corte.
3.- Tendencia al barrimiento de cuerdas, por una parte provocada por las microgrietas generadas en los cantos
y en la raiz de las cuerdas por el arranque de metal, por otro lado por la falta de cilindricidad de la cuerda y
por otro por la falta de ajuste entre la cuerda de la barra y la cuerda del acoplamiento (cople) cuando se
ensamblan un mínimo con un máximo.
Figura 1. Partes de una cuerda de tornillo
Veamos en detalle cada una de las desventajas mencionadas:
1.- Con el objetivo de tener un cilindro completamente recto para el posterior corte de cuerda de medida
comercial o estándar, se maquina o pela la varilla para eliminar las corrugaciones y costilla de la misma.
Como se menciono antes, debido a la falta de redondez y menor diámetro del núcleo, la cuerda queda
incompleta en algunas partes, con crestas unas veces completas y otras incompletas, quedando, en
consecuencia, con un diámetro mayor fuera de especificación. El diámetro menor de la cuerda queda menor
al diámetro nominal de la varilla y, por lo tanto, el área obtenida será menor al área nominal. El esfuerzo de
ruptura se calcula de acuerdo al área transversal o nominal de la varilla y con el área real que se obtiene nos
dará un esfuerzo de ruptura menor, algunas veces, al 1.25fy requerido para conectores tipo I y muchas veces
menor para el 1.5fy requerido para los conectores tipo II.
2.- La fabricación de la cuerda se hace generalmente por arranque de metal, con unas herramientas de corte
conocidas como dados de tarraja y otras como PEINES. Generalmente los dados de tarraja hacen cuerdas de
medida nominal y no pueden ser ajustada, por lo que no se usan para fabricación masiva. El uso de peines
montados en cabezales especiales los hace mas versátiles en cuanto a los ajustes de los diámetros de las
cuerdas, sin embargo, mantener el diámetro y la superficie de la cuerda dentro de especificaciones requiere de
un constante afilado de peines, de un constante ajuste de posición y, además de un constante ajuste de
diámetro. Hacia la etapa final del afilado el diámetro menor de la cuerda se va agrandando, el diámetro mayor
se va deformando y la superficie de los cantos de las cuerdas se va haciendo cada vez mas áspero. Durante un
turno de fabricación se obtendrá una gran variación de medidas por esta causa y al hacer el armado en campo
se notará que unos coples entran muy justos y otros muy flojos. Esta última condición también conlleva a
obtener baja resistencia al esfuerzo, debido a que solo una pequeña superficie de la cuerda de la varilla hace
2
contacto con una pequeña superficie de la cuerda del cople. Al ser sometido este ensamble a un esfuerzo de
tensión se provoca un barrimiento de cuerdas, no llegandose nunca a una resistencia a la ruptura medible. Este
defecto también puede ser provocado por grietas generadas en la raiz de las cuerdas debido al desafilado de
las herramientas de corte.
Figura 2. Ensamble de varilla roscada-conector
que provoca barrido de cuerdas
Las desventajas mencionadas, ademas representan un grave riesgo para la ridez de una estructura, tanto para
cargas propias de la construccion como para la resistencia a vientos y para sismos. Los riesgos son similares a
los que puede provocar una unión por soldadura de varilla de la clase CC-407 (ASTM A-615).
Figura 3. Varilla de refuerzo con cuerda sobre núcleo cilindrado.
(Primera generación)
Se hicieron probetas de este tipo de conexión y se sometieron a pruebas de esfuerzo para determinar su
resistencia a la ruptura, los resultados de los ensayos que se efectuaron en el Instituto de Ingeniería de la
UNAM, y que consistieron únicamente en pruebas monotónicas, se muestran en las tablas siguientes:
Determinación de los diámetros de las varillas co cuerda antes de la prueba de esfuerzo:
Barra número:
V-8-1-0
V-8-2-0
V-8-3-1/2
V-8-4-1/2
V-8-5-1
V-8-6-1
Diámetro Dn (mm)
23.7/23.7
23.7/23.3
23.5/22.8
23.1/23.1
23.1/23.3
23.3/23.8
Diámetro Dm (mm)
22.2/22.1
22.0/22.1
22.0/21.9
21.7/21.7
21.8/22.0
21.7/22.2
Diferencia (mm)
1.6
1.7/1.6
1.5/0.8
1.4/1.4
1.3/1.3
1.6/1.6
Tabla 1. Diámetros de barras.
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Se puede observar que los diámetros de los núcleos presentan ovalamientos de hasta 0.5 mm, lo que puede
representar una variación de hasta 29.4 MPa (300 kg/cm2) en la prueba de esfuerzo, que puede, fácilmente
resultar en un valor final fuera de norma. Además, esos ovalamientos generan cuerdas también ovaladas, que
puede resultar que el ensamble se barra, como se idico anteriormente.
Ensayos monotónicos:
Identificación
Carga máxima
Barra sola
kg
40 752
V-8-1-0
33 999
V-8-2-0
34 709
V-8-3-1/2
30 698
V-8-4-1/2
31 205
V-8-5-1
30 698
V-8-6-1
30 399
Esfuerzo
máximo
f máx.
MPa (kg/cm2)
788
(8 038)
657
(6 706)
671
(6 846)
593
(6 055)
603
(6 155)
593
(6 055)
588
(5 996)
Fluencia
fy
MPa (kg/cm2)
408
(4 411)
405
(4 130)
410
(4 186)
335
(3 426)
348
(3 555)
410
(4 186)
322
(3 292)
Módulo de
elasticidad
Deformación
máxima
MPa (kg/cm2)
191 230
(1 950 000)
168 675
1 720 000
170 636
(1 740 000)
166 714
1 700 000
165 733
(1 690 000)
168 675
(1 720 000)
144 158
(1 470 000)
%
13.4
4.6
4.8
3.5
4.8
5.7
4.2
Tabla 2. Resultados de los ensayes de resistencia a la tensión en sistema de conector de primera
generación con varilla de 25.4 mm
Pruebas realizadas en marzo de 1995 en el IIUNAM
Se puede observar que solo el 33% cumple con el esfuerzo máximo mayor a 617.82 MPa (6300 kg/cm2) para
cumplir con el requisito de los conectores del tipo II y el 66.6% no cumple con el mismo tipo II, se puede
considerar que este tipo de conector no es cofiable completamente para ser incluidos en cualquier posición de
la estructura.
Cabe señalar que la crga que soporta cada cuerda atornillada es como sigue:
Primera cuerda
50% de la carga
(Es la cuerda junto a la varilla sin cilindrar)
Segunda cuerda
25% de la carga
(La cuerda que sigue a la anterior)
Tercera cuerda
13% de la carga
De la cuarta hasta la
última cuerda
12% de la carga.
por lo que es muy importante que cople se atornille cuatro cuerdas como mínimo.
CONECTORES DE SEGUNDA GENERACION
Con el fin de superar las deficiencias del conector anterior se decidió aumentar la sección transversal de la
cuerda ensanchando la sección transversal del núcleo de la barra de refuerzo. El núcleo se ensancho 1.3 veces
por medio de forjado en caliente. La cuerda se hizo igual que el anterior por arranque de metal o corte con
cortadores especiales.
La ventaja ventaja principal que se obtuvo con esta modificación fue dar complimiento al requisito del
conector tipo II que marca el ACI 318S-08 en cuanto al esfuerzo de ruptura se refiere y también cumplir con
las pruebas cíclicas indicadas en el STANDARD SPECIFICATION for REINFORCEMENT
CONNECTIONS for SEISMIC DESIGNS UTILIZING ENERGY DISSIPATION CRITERIA ACI 439.
Las desventajas que presenta este sistema son similares a las que tiene el conector de primera generacion, es
decir:
1.-Debido al desgaste contínuo de la herramienta de corte, diámetro de la cuerda varia en un amplio margeny
en conjunto con la aspereza de la cuerda provocada por el corte, hace, en ocasiones, difícil el armado del
sistema.
4
2.- Diámetro exterior del cople excesivo, que deja poco espacio entre varillas de la estructura, por lo tanto,
poca maniobrebilidad para el armado.
3.- Tendencia al barrido de cuerdas por micro grietas y/o por variación de del diámetro mayor de las cuerdas.
Figura 4. Varilla de refuerzo con cuerda sobre núcleo ensanchado.
Conector de segunda generación
En varillas de 25.4 mm en la prueba de tensión simple o monotónicase obtuvo lo siguiente:
Identificación
Carga aplicada
kg
Esfuerzo máximo
MPa (kg/cm2)
Deslizamiento del
Conector (mm)
H-C-8-1C
SL-C-8-1C
S-C-8-1C
T-C-8-1C
33 655
34 970
32 446
30 190
655 (6 682)
622 (6 347)
686 (6 991)
697 (7 110)
2.80
1.08
4.06
2.40
Tabla 3. Resultados de ensayes de resistencia a la tensión en sistema de conector con varilla de 25.4
mm.
Efectuadas en 2002-2003 en el IIUNAM
Se puede observar que los resultados son superiores a los obtenidos en la prueba similar aplicada al sistema de
conector de primera generación, cumpliebdo todas las probetas con la resistencia especificada para el conector
tipo II.
Las pruebas cíclicas que se hicieron sobre este mismo sistema de conector consistieron en aplicar, durante 18
ciclos, cargas de 33 655 kg. que representaban el 4% de la deformación de las varillas solas sin conector o
varillas testigo. Al termino de los 18 ciclos se llevo al sistema hasta la ruptura total. Los resultados, en varillas
de 25.4 mm, fueron:
Identificación
Carga aplicada
kg
Esfuerzo máximo
MPa (kg/cm2)
Deslizamiento del
Conector (mm)
H-C-8-1C
SL-C-8-1C
S-C-8-1C
T-C-8-1C
33 655
34 970
32 446
30 190
655 (6 682)
622 (6 347)
686 (6 991)
697 (7 110)
2.80
1.08
4.06
2.40
Tabla 4. Resultados de ensayes de resistencia a la tensión en prueba cíclica en sistema conector con
varilla con cuerda ensanchada de 25.4 mm.
Efectuadas en 2002-2003 en el IIUNAM
En estas pruebas tambien se observa que los resultados son aceptables, todas superan el 1.5 fy, apto para
conector tipo II, aunque la probeta SL-C-8-1C lo hizo de forma marginal.
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Acapulco, Guerrrero 2012.
CONECTORES DE TERCERA GENERACIÓN
De acuerdo a las pruebas y oservaciones efectuadas los conectores de primera y segunda generación durante
larg tiempo de producción y ensamble en campo, se proyectaron modificaciones para evitar todas las
desventajas que presentaban y brindar alta confiabilidad y eficiencia al sistema y con apego a las
especificaciones establecidas a conectores TIPO II, que pudieran ser aplicados en cualquier lugar en las
estructuras sismo resistentes. En este sistema se aplicaron varias innovaciones que son:
1.- Empleo de varilla con mejor control en el diámetro del núcleo, mejor redondez y altura de corrugacines
mas uniforme, todo dentro de norma CC-407 (ASTM A 615).
2.- Ensanchamiento del diámetro de la varilla por medio de forja en frío. La forja en frío genera compactación
de la estructura cristalina en la superficie del metal, dicha compactación da mayor resistencia a la tensión y
mayor dureza, por lo que dará mayor resistencia al desgaste y a la tensión.
3.- cilidrado a precisión por desbaste de la cabeza ensanchada para dar máximo cumplimiento a los diámetros
calculados para obtener medidas de cuerda 100 % dentro de especificaciones.
4.- Elaborado de cuerdas por rolado o laminado por presión en frío, con dados de precision de alta dureza con
lo que se obtienen cuerdas de medidas uniformes durante mas largos tiempos que con las herramientas de
corto. Además, este rolado por presión proporciona a la superficie de la cuerda mayor dureza, debido a que la
estructura cristalina del metl es contínua siguiendo el contorno de la cuerda a diferencia de la cuerda cortada
en donde la estructura cristalina se presenta interrumpida en cada cuerda. La cuerda rolada presentará mayor
dureza y mayor resistencia al deslizamiento del cople o barrido de la cuerda.
Figura 5. Varilla de refuerzo con cuerda para sistema de conector de tercera generación.
Figura 5. Diferencia que presenta la estructura cristalina de una cuerda cortada y una cuerda
laminada.
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Los resultados de las pruebas efectuadas en muestras de 25.4 mm, fabricadas con este sistema se muestran en
seguida:
Identificación
Carga máxima
B-8-1
kg
37 680
B-8-2
37 671
Promedio
37 675
Esfuerzo
máximo
MPa (kg/cm2)
729
(7 432)
729
(7 430)
729
(7 431)
Fluencia
MPa (kg/cm2)
482
(4 914)
484
(4 941)
483
(4 927)
Modulo de
elasticidad
MPa (kg/cm2)
2 04 077
(2 079 894)
191 960
(1 956 405)
198 018
(2 018 149)
Deformación
máxima
%
19.9
20.3
20.1
Tabla 5. Resultados de ensayes de resistencia a la tensión en varilla sin conector de 25.4 mm
Efectuadas en el IIUNAM en junio de 2012
Identificación
Carga máxima
B-8-C-1
kg
37 884
B-8-C-2
37 861
Promedio
37 872
Esfuerzo
máximo
MPa (kg/cm2)
732
(7 464)
732
(7 468)
732
(7 466 )
Fluencia
MPa (kg/cm2)
444
(4 530)
447
(4 560)
446
(4 545)
Modulo de
elasticidad
MPa (kg/cm2)
191 960
(1 956 405)
187 865
(1 914 666)
189 912
(1 935 535)
Deformación
máxima
%
17.2
17.5
17.4
Tabla 6. Resultados de ensayes de resistencia a la tensión monotónica en sistema de varillas con
conector de 25.4 mm.
Efectuadas en el IIUNAM en junio de 2012.
Identificación
Carga máxima
B-8-C-C-3
kg
37 758
B-8-C-C-4
37 793
Promedio
37 775
Esfuerzo
máximo
MPa (kg/cm2)
730
(7 447)
731
(7 545)
731
(7 450)
Fluencia
MPa (kg/cm2)
446
(4 550)
443
(4 520)
445
(4 535)
Modulo de
elasticidad
MPa (kg/cm2)
193 395
(1 971 033)
183 879
(1 874 044)
188 637
(1 922 538)
Deformación
máxima
%
19.5
18.0
18.7
Tabla 7. Resultados de ensayes de resistencia a la tensión cíclicas en sistemas de varillas conector de
25.4 mm.
Efectuadas en el IIUNAM en junio de 2012.
En el informe del Instituto de Ingeniería se destaca que en la prueba cíclica, que consistió en 18 ciclos hasta
una carga de 37 775 kg no se observó, a diferencia de los sistemas de segunda generación, deslizamiento de
cuerdas entre cople y varillas, las pruebas de resistencia se comportaron casi como las varillas sin conector, en
efecto, considerando 100 % el esfuerzo alcanzado por la varilla sin conector, los ensambles alcanzaron una
fluencia fy de 92.04 % y un módulo de elasticidad del 95.9 %, que indica que estos sistemas alcanzan cifras
confiables.
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XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural
Acapulco, Guerrrero 2012.
Figura 6. Grafica de prueba cíclica.
Estos resultados son repetibles a lo largo de producciones, debido principalmente a estabilidad del proceso.
Lo anterior queda demostrado en otra prueba efectuada en el Laboratorio Nacional de la Construcción
(LANCO) que en el reporte 176 se obtuvieron Esfuerzos máximos de tensión de 744 y 745 MPa. para varillas
de 25.4 mm . Además, el diámetro del cople se redujo de 44.5 mm a 41.3 para la misma varilla, sin reducir
sus propiedades mecánicas, lo que hace un aumento de espacio para trabajar en el ensamble en campo que lo
hace mas manejable.
CONCLUSIONES
Los resultados demuestran que los sistemas barra-conector-barra de tercera generación son capaces de
alcanzar el esfuerzo de ruptura de una varilla sola, que no podrá ser igualado por otro tipo de conector, por lo
que garantiza la continuidad física y mecánica de las estructuras que requieran ser sismo resistentes en
cualquier posición que se requiera.
BIBLIOGRAFÍA
American Concrete Institute (2008), Requisitos de reglamento para Concreto Estructural (ACI 318S-08)
y Comentario (version en Español y sistema métrico)
Reglamento de construcción del Distrito Federal (2004), Normas Técnicas y Complementarias para el
Diseño y Construcción de Estructuras de Concreto.
Steven L. McCabe (2000) “The Performance of Mechanical Splices”.
Allen J. Hulshizer (1997) “Synopsis Report on the Proposed Standard Specification for Reinforcement
Connection for Seismic Designs Energy Dissipation Criteria (ACI 439) American Concrete Institute
Spring Convention.
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