01 Dic 2021 Barras de Acero de Refuerzo de Alta Resistencia – Fatiga de Ciclo Bajo Utilizando Metodología RGB
Autores: Jorge Egger, Fabian Rojas, Leonardo Massone
El uso de nuevos materiales como el hormigón y el acero de alta resistencia ha llamado recientemente la atención en Chile debido a la alta demanda que se ha generado por nuevas estructuras de gran escala, siendo el ejemplo más notable el Puente Canal Chacao con un total de 2,75 km. Al usar hormigón y acero de alta resistencia, el tamaño de la sección del elemento estructural y la aglomeración del refuerzo puede ser reducida. Por ejemplo, grandes estructuras como rascacielos necesitan utilizar una mayor área de piso, la cual se puede modificar diseñando las columnas inferiores con menor sección al usar materiales con mayor resistencia. Por otra parte, variadas técnicas han sido mejoradas para obtener datos con la mayor precisión posible en ensayos experimentales, tales como en ensayos de tracción, de compresión, cíclicos, etc. Una de las técnicas más usadas es la fotogrametría, la cual consiste en tomar varias fotografías de un ensayo con una cámara de alta resolución, y seguir uno o varios píxeles para estimar los desplazamientos o las deformaciones de la probeta ensayada en el tiempo. La fotogrametría ha sido aplicada en múltiples áreas de la ingeniería. En este tipo de trabajos con refuerzo de acero su importancia es medir las deformaciones axiales con mayor precisión, debido a que los equipos tradicionales no detectan efectos secundarios como posibles alargamientos plásticos, deslizamientos o giros de las barras ensayadas dentro de las mordazas. Un importante número de trabajos utilizan fotogrametría basados en la correlación de imagen digital (DIC), los cuales consisten en seguir marcadores (puntos de colores) dentro de las probetas ensayadas en cada fotografía registrada usando un algoritmo DIC. La principal desventaja de esta metodología es el tiempo de procesamiento de una fotografía con DIC, ya que el proceso es mucho mayor debido a que estos algoritmos iteran, siguen, y correlacionan cada píxel, generando un gran costo computacional e implicando que el tiempo de cada filtro de fotografía sea más largo.
En este trabajo se desarrolló una metodología basada en filtrar cada fotografía utilizando rangos de colores RGB, logrando reducir el tiempo de procesamiento de cada toma, y con el fin de obtener las deformaciones axiales en ensayos cíclicos para barras de refuerzo de acero de alta resistencia ASTM A730 Grado 80. Las barras se ensayaron considerando largos de pandeo 5d, 10d y 15d y el rango de amplitud de deformación varió desde 1% a 5%. Las barras fueron ensayadas en la Máquina Universal del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile, siendo marcadas con círculos naranjos en los extremos empotrados (Figura 1.a) para que la cámara de alta resolución pueda detectar la diferencia entre ambos centros, donde es el largo de pandeo relativo obtenido por fotogrametría. También se colocan marcadores naranjos en la Máquina Universal, con el fin de verificar si el resultado de la fotogrametría está entregando lo mismo que el sensor tradicional. Una vez hecho el ensayo, es posible representar con MATLAB el centro de cada marcador en naranjo en un espacio de 5 dimensiones: La posición del centro naranjo (x,y), y la posición en el espacio de colores (R,G,B) ejemplificado en la Figura 1.b. Teniendo esto, se programa un rango RGB para filtrar cada píxel de interés en cada fotografía. Para este trabajo, la idea es que los rangos RGB estuviesen cercanos al color naranja, ya que el movimiento de los marcadores naranjos es el de interés. Una vez filtrada la fotografía (Figura 1.c), se obtiene la posición del centro de cada marca, y se obtiene la deformación axial en el tiempo obtenida por fotogrametría (Figura 2.a), lo cual la metodología RGB muestra una notoria diferencia con lo que entrega la Máquina Universal. Adicionalmente se obtienen curvas calibradas de fatiga cíclica (Figura 2.b), que relacionan la amplitud de deformación vs. el número de semiciclos hasta la falla, y la amplitud de deformación vs. la energía total disipada hasta la falla.
Se concluye de este trabajo que la metodología RGB utilizada proporciona una mayor precisión de datos en comparación con las deformaciones obtenidas por los sensores tradicionales, ya que se pueden detectar efectos de segundo orden dentro de las mordazas. Se debe utilizar una cámara de mayor resolución si se requiere mayor precisión para captar píxeles, ya que para largos de pandeo menores o iguales a 5d con deformaciones menores o iguales a 2%, la relación de píxeles con la distancia real puede generar variaciones importantes en la amplitud de deformación. Se agrega también que el pandeo inelástico observado de las barras de refuerzo de alta resistencia da como resultado una pérdida considerable de su capacidad de carga de tracción y compresión. Además de afectar negativamente el rendimiento a la fatiga del refuerzo, el pandeo también afecta su comportamiento histerético. A pesar de esto, el refuerzo ASTM A706 Grado 80 cumple con el requisito de que la relación de resistencia a la tracción a fluencia exceda 1,25 establecido en los códigos de diseño estadounidenses para refuerzos utilizados en aplicaciones sísmicas. En cuanto a lo observado, cuando se ciclan las barras con longitudes de pandeo menores o iguales a 5d, las muestras fallan con un mayor número de ciclos; mientras que, para las barras con una longitud de pandeo superior a 5d, la falla por fatiga se produce en un menor número de ciclos. Un aumento en la relación de esbeltez L/d da como resultado una reducción significativa en su rendimiento a la fatiga, ya que hace la respuesta de las barras más propensas a pandearse y fracturarse. Por último, los resultados muestran que cuando se aumenta la amplitud de deformación, todas las barras de refuerzo de alta resistencia muestran un rendimiento de fatiga menor, ya que las probetas de acero alcanzan el rango plástico más rápido. Debido a lo anterior, es recomendado disminuir el espaciamiento del refuerzo transversal para barras de refuerzo longitudinales de alta resistencia, ya que puede reducir su pandeo y mejorar significativamente su rendimiento a la fatiga.
Figura 1
Figura 2
Egger, J.E., Rojas, F.R. & Massone, L.M. High-Strength Reinforcing Steel Bars: Low Cycle Fatigue Behavior Using RGB Methodology. Int J Concr Struct Mater 15, 38 (2021).