Barras de anclajes: La importancia que puede tener el metodo de fabricación de hilos en aceros para anclajes.

Resumen

Chile es uno de los países más sismicos del mundo, si bien en general la normativa actual ha dado respuestas aceptables a los eventos severos, tenemos aún espacio en avanzar en elementos no estructruales o secundarios. Por esta razón es importante entender que el cálculo, material e instalación de cualquier sistema de fjación o anclaje para obras de ingeniería y construcción, es fundamental para el correcto desempeño de estructuras en un terremoto. De acuerdo a la NCh 2369, norma enfocada a entregar disposiciones sobre el diseño sismico de estructuras e intalaciones industriales, se establecen disposiciones para que la primera disipación de energía, ocurra en los pernos de anclaje, liberando a elementos estructurales y equipos del daño que puede causar un terremoto importante y que es controlado por este comprotamiento dúctil.
[1]La evaluación de estructuras industriales, realizada por academicos de la universidad de Chile, post terremoto del 2010, detectó que en terminos generales las estructuras industriales que se diseñaron acorde a la NCh 2369 of. 2003 tuvieron un correcto desempeño y que los daños mayoritariamente se centraron en estructuras que contaban con más de 20 años de antigüedad, cuyo diseño sismico no era cubierto por la nomrativa vigente. La principales falencias en los sitemas de anclajes apuntan a la corrosión de pernos, longitud insuficiente de anclaje (silla de anclaje Cap. 8.6.2 NCh 2369 of. 2003) ,mala calidad del hormigón y la presencia de placas de bajo espesor.


Imagen 001 – Fotos Reportaje revista BIT N°85 2016

Para poder asegurar el comportamiento dúctil para eventos sismiscos y que efectivamente estos elementos sean los “fusibles” que se esperan, es necesario tener claro factores importantes del acero para que el coportamiento del sistema asegure el alargamiento y disipación de energía que se espera.  

La importancia del acero en los sistemas de anclajes

Los pernos de anclaje trabajan a esfuerzo de tracción y corte combinados durante un sismo. En ambos tipos de carga, se pueden tener fallas por corte del acero.  

Imagen 002 – Fallas de acero tracción y corte pág. 238 Capitulo 17 ACI 318/19

Variables importantes se deben tomar en cuenta para poder preveer la resitencia del acero frente a esfuerzos determinados, para ello se debe considerar la calidad del acero enfocado a sus resistencias mecánicas de fluencia y rotura, el área trasnveral que es determinado por el diametro de la barra y también el tipo de fabricación.
[2] Por ejemplo la norma nacional de diseño estructural para aceros NCh 427/1 2016, indica en su capítulo 8 punto A.3.5 – Barras de Anclaje y Barras con hilo, que la norma recomendada para la fabricación de varillas y pernos de anclajes es la [3] ASTM F1554. Esta norma indica que los pernos de anclaje pueden suministrarse en 3 grados diferentes, acordes a la siguiente tabla: 

Imagen 003 – Grados recomendados para pernos de anclajes ASTM F1554

La norma indica también que las pruebas de tensión se deben realizar a los pernos terminados (con hilos listos) y menciona mecanismos de confección de estos hilos. En el punto 6, Materiales y Fabricación, indica que las roscas de los hilos se pueden fabricar de “diversas formas, los hilos se enrollarán, cortarán o esmerilarán en la opción del fabricante, a menos que se especifique lo contrario”.
Es común para los calculistas solo exigir en los planos o memorias de cálculo el tipo de acero y norma de fabricación para pernos de anclaje. Se sabe que un acero calidad A36 cumple con los requerimientos de ductilidad para el diseño sísmico acorde a la NCh 2369 y que, si la fabricación de ese perno es bajo la norma ASTM F1554, cumple con lo recomendado por la NCh 427. Con eso, se cumpliría el cálculo de resistencia y deformación elástica que debe poseer ese perno de anclaje. 

Fabricación de hilos por remoción de viruta versus laminado en frío

La fabricación y manufactura de hilos en un acero para anclajes, tiene mayor relevancia de la que se conoce. Acorde a cómo se realice el proceso, pueden existir diferencias en resistencias de acero y cualidades de terminación. Si bien ASTM F1554 no exige ningún método de fabricación de hilos, es importante conocer los resultados de análisis experimentales que hacen hincapié en este tema.
Un estudio realizado por ASTM publicado en Journal of ASTM International, Vol. 4, No. 2 Paper ID JAI100490 Available online at www.astm.org y fraccionado en 4 documentos distintos, analiza el crecimiento de grietas por fatiga de tornillos roscados (barras hiladas) en la industria aeroespacial.
[4]La parte II de estos documentos se enfoca a analizar el estado de estrés del material que incide en la resistencia de los tornillos. Este estudio es interesante debido a que podemos conocer información relevante para la falla por fatiga de un acero roscado, que, para el caso de la ingeniería estructural, sería un perno de anclaje.
Uno de los objetivos de esta investigación era conocer el material y el estado de tensiones en las roscas, ya que con esta información permitirían conocer la resistencia cíclica del acero roscado. El segundo objetivo era determinar la resistencia a la fatiga de las roscas de un perno aeroespacial roscado con tuerca (similar a un perno de anclaje), de un acero en condiciones de fatiga por tracción.
Cabe mencionar que las dos formas más utilizadas para realizar hilos al acero para pernos de anclajes o pernos roscados son remoción de viruta (Cut Threads) y laminado en frío (Rolled Thread). 


Imagen 004 – Métodos fabricación de hilos en pernos de anclajes  

Los pernos aeroespaciales se roscan con rodillos (Rolled Therads); por lo tanto, la caracterización del estado de tensión residual y la microestructura dentro de la raíz de la rosca de estos pernos es importante para el análisis de la resistencia a la fatiga.
Dentro de ls conclusiones de este estudio, menciona qué:
- El proceso de laminación en frío de las roscas (Rolled Threads) deja un acabado superficial liso y continuo, libre de rayas e irregularidades. Ambas características mejoran la vida útil y la resistencia a la iniciación de grietas en las roscas de los pernos con respecto a otros métodos de fabricación. 
- Skochoko y Herrmann (49) llegaron a la conclusión que los métodos de conformación de roscas afectan significativamente la vida útil del perno a la fatiga.

Es importante identificar el proceso predominante de fabricación de roscas para pernos de anclajes en el mercado nacional ya que aparentemente el sistema de remoción de virutas (Cut Threads) con tornos en maestranza, hace perder resistencia a fatiga del acero en comparación con el método utilizado en la industria aeroespacial (Rolles Threads). (Rolled Threads es el método de fabricación de roscas utilizado por Hilti para proveer pernos de anclajes).  

Conclusiones

• Normas nacionales de diseño sísmico como la NCh 2369, recomiendan que los pernos de anclajes sean disipadores de energía (fusibles) frente a un evento sísmico importante.
• Para cumplir con esta condición, los pernos de anclajes deben ser dúctiles y lograr la deformación elástica esperada.
• Normas nacionales enfocadas a acero como la NCh 427, recomiendan normas de fabricación de aceros para pernos de anclajes y barras con hilos, pero no son exigencia.
• La norma internacional recomendada por la NCh 427 es ASTM F1554, la cual indica varios puntos de fabricación y materiales, pero no exige un método particular de fabricación de roscas.
• El estudio realizado por Journal of ASTM International, Vol. 4, No. 2 Paper ID JAI100490 Available online at www.astm.org Kirk W. Olsen,1 Clare M. Rimnac,2 Douglas W. Ferrell,1 and Carl E. Garrett1 Fatigue Crack Growth Analyses of Aerospace Threaded Fasteners—Part II: Material/Stress State and Bolt Strength, menciona recomendaciones en base a ensayos, que indican que un método de fabricación de roscas puede influir directamente en la resistencia a la fatiga en tracción de un perno roscado.
• Se puede plantear la hipótesis en base a este informe, que podría existir una correlación de falla prematura en esfuerzo de tracción de un perno de anclaje, dependiendo del método de fabricación de su rosca.
• Se recomienda bajo estos análisis, preferir aceros para pernos de anclajes bajo norma de fabricación ASTM F1554 con proceso de fabricación de hilos laminados en frío (rolled threads) para aplicaciones estructurales y sísmicas.
• Es importante estar pendiente de la procedencia, normas y sistemas de fabricación de varillas o pernos de anclajes que se pueden encontrar en proyectos.
• [5]El Libro “Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials” de Hertzberg, Vinci, (2012), en su sección 9.2.4.1 indica: “A partir de lo anterior, se puede lograr una mejora considerable en las propiedades de fatiga introduciendo un campo de esfuerzos de compresión residual favorable y evitando cualquier posibilidad de descarburación. De hecho, Harris32 demostró que cuando se evitaba la descarburación y las roscas de la máquina se laminaban en lugar de cortarse, el límite de resistencia a la fatiga de los pernos de acero roscados aumentaba más del 400 % (Tabla 9.2)." 

• Si este análisis resulta ser importante para el rubro de cálculo, un siguiente paso a este informe, sería validar mediante ensayos y cargas cíclicas los aceros para anclajes, aceros con roscas laminadas en frío versus roscas cortadas o remoción de viruta.
• También se podría determinar en el estudio experimental la dispersión de resultados de los aceros que se encuentren en el mercado nacional. Esto podría ser relevante para el comportamiento de un sistema de anclaje frente a un sismo importante y levantar el proceso de control de calidad de estos elementos importantes para el correcto cumplimiento del diseño sísmico nacional.  

[1] Universidad de Chile.Estructuras Industriales” de Ramón Montecinos, Ricardo Herrera, Alejandro Verdugo y Juan Felipe Beltrán, perteneciente al libro “Mw = 8.8: Terremoto en Chile, 27 de Febrero 2010” 
[2] NCh 427 capitulo 8 A.3.5 – Barras de Anclajes y barras con Hilo.
[3] ASTM F1554 Standard Specification for Anchor Bolts, Steel, 36, 55, and 105-ksi Yield Strength1 
[4] Journal of ASTM International, Vol. 4, No. 2 Paper ID JAI100490 Available online at www.astm.org Kirk W. Olsen,1 Clare M. Rimnac,2 Douglas W. Ferrell,1 and Carl E. Garrett1 Fatigue Crack Growth Analyses of Aerospace Threaded Fasteners—Part II: Material/Stress State and Bolt Strength
[5] Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials” de de Hertzberg, Vinci, (2012)

Documento elaborado por:

Ma. De los Angeles Arce Miranda

Codes & Approvals Engineer Dept. Ingeneiría Hilti Chile

Agradecimientos a la colaboración en información de:

Tomás Zegard, Ph.D.

Profesor Asistente | Assistant Professor Dept. de Ing. Estructural y Geotécnica | Structural & Geotechnical Eng. Dept.

Pontificia Universidad Católica de Chile