21 Oct 2021 Incrementa productividad con sostenibilidad: Aceros de alta resistencia
Productividad en la construcción: Desafío país
La productividad de la construcción en Chile es la segunda más baja de los países que componen la OCDE, por lo tanto, hay un gran camino que recorrer, con la buena noticia de que otros países lo han logrado. El sector representa alrededor del 7% del PIB, por lo que aumentar su productividad es muy importante para el país, de acuerdo a Luis Alberto Castro, gerente de Negocio Construcción de CAP Acero.
Una ruta para ello es el uso de aceros de alta resistencia, tecnología ya probada en otros países, además de agregar valor a través de la prestación de servicios complementarios al abastecimiento de acero, como proceso de corte y doblado e instalación. “En CAP Acero también aportamos a la productividad entregando aceros a la medida (largos especiales y largos de 14 metros), que reducen el tiempo en obra y residuos/desperdicios, alineado con la sostenibilidad y reducción de la huella de carbono”, precisa Castro.
Aceros de alta resistencia
La resistencia mecánica del acero se caracteriza mediante dos valores: tensión de fluencia y resistencia a la tracción. Las barras de refuerzo para hormigón tradicionales tienen tensiones de fluencia de 280 MPa y 420 MPa, y resistencias a la tracción de 440 MPa y 630 MPa, respectivamente. En este contexto, “llamamos aceros de alta resistencia a aquellos que poseen una tensión de fluencia superior a 420 MPa”, explica el Dr. Víctor Aguilar, catedrático de carrera Ingeniería Civil en la Facultad de Ingeniería y Tecnología de la Universidad San Sebastián (USS).
Cómo aportan a la productividad vs el acero tradicional
El uso de acero de alta resistencia disminuye la cantidad de acero necesaria para reforzar elementos de hormigón armado. Así se pueden lograr estructuras con menor congestión de armaduras, lo que facilita y acelera la construcción. Esto se traduce en ahorros económicos importantes en material, transporte y construcción. La reducción en tiempos de armado y construcción disminuye también el tiempo de exposición a riesgos de accidentes de los enfierradores. Por lo tanto, el uso de acero de alta resistencia tendría un efecto positivo en la seguridad en la industria de la construcción. Además, los aceros de alta resistencia representan un uso más eficiente de recursos no renovables.
Este es un ejemplo de dos estructuras fabricadas uno con acero tradicional y el segundo de la derecha con acero de alta resistencia. Se puede ver cómo este último permite disminuir la cantidad de acero, sin que las estructuras pierdan su resistencia.
Casos de éxito en otros países
Alrededor de un 4 a 5% del acero fabricado en Estados Unidos es de alta resistencia. El Departamento de Transporte de Oregon utilizó acero de alta resistencia en varios puentes para cuantificar el ahorro logrado con su uso. Se pueden encontrar ejemplos de aplicación de acero de alta resistencia mecánica y resistente a corrosión en varios edificios en Miami, San Francisco y Seattle.
En la construcción es común la aplicación de acero de alta resistencia en otros formatos diferentes de las barras de refuerzo. En cables para hormigón pre y postensado la resistencia a la tracción habitual es de 1860 MPa. En la industria automotriz se acuñaron los términos Advanced High-Strength Steel y Ultra-high-strength Steel. En estas aplicaciones se pueden encontrar piezas de acero con resistencia a la tracción tan alta como 2000 MPa y a la vez de alta ductilidad.
Mitos existentes para los aceros de alta resistencia
Hay tres grandes mitos en torno a los aceros de alta resistencia: (1) ofrecen menor ductilidad que los aceros tradicionales, (2) el desempeño cíclico no está probado, y (3) es mucho más caro que el acero tradicional.
(1) La ductilidad a nivel de material la medimos con la elongación al momento de la fractura en un ensayo de tracción estándar. A un acero grado A440 se le exige como mínimo una elongación de fractura de 16% y a un acero grado A630 una elongación de 8%. Los grados de alta resistencia nacionales tienen la misma exigencia de ductilidad que el A630. Las barras fabricadas bajo la especificación ASTM A706 deben deformar al menos un 12% (para diámetros hasta 36mm) antes de fracturarse, por lo tanto, son incluso más dúctiles que el acero tradicional A630.
La información estadística disponible de acero fabricado en Estados Unidos muestra que la elongación de fractura promedio para barras A615 grado 420 MPa (tradicional) es de 13% y para las barras A706 grado 550 MPa es de 14%. Por lo tanto, no es cierto que los aceros de alta resistencia sean menos dúctiles. La ductilidad del material depende del proceso de fabricación y de la aleación del metal, no sólo de la resistencia.
Un ejemplo muy claro de que los aceros de alta resistencia pueden ser extremadamente dúctiles es la industria automotriz. Automóviles y dispositivos de seguridad vial son comúnmente fabricados de acero de alta o muy alta resistencia. La filosofía de disipación de energía es que el material pueda deformar ampliamente en el rango plástico sin romperse.
(2) Hay cada vez más investigaciones que estudian el comportamiento de elementos de hormigón armado sometidos a carga cíclica. En general los elementos reforzados con acero de alta resistencia han mostrado un comportamiento cíclico muy similar a los elementos reforzados con acero tradicional. Se pueden encontrar además estudios recientes sobre la resistencia a la fatiga de elementos de hormigón armado con acero de alta resistencia con resultados satisfactorios. Este es un tema de particular interés para los ingenieros de puentes.
(3) El acero de alta resistencia tiene efectivamente un precio mayor al acero tradicional, sin embargo, al considerar que se utilizará menor cantidad de acero, y por lo tanto menor transporte y tiempo de construcción, el costo adicional del material es marginal respecto del ahorro final.
Normativas en otros países para su utilización
El código de diseño norteamericano ACI 318 requisitos de reglamento para concreto estructural, publicado por el American Concrete Institute, es el documento base de la normativa nacional NCh 430 (actualmente en actualización) que se refiere al diseño y cálculo de edificios de hormigón armado.
La versión más reciente del código ACI 318 se publicó en 2019. Entre los cambios que trajo respecto de su versión 2014 se destaca la inclusión de acero de alta resistencia para uso en edificios en zonas de alta demanda sísmica, donde antes sólo se permitía el uso de acero tradicional.
El ACI 318 hace referencia a varias normas de fabricación de aceros donde se destacan dos: ASTM A615 y ASTM A706. La norma A615 se refiere a barras corrugadas y lisas de acero al carbono; y la norma A706 a barras corrugadas y lisas de acero de baja aleación. Esta última es conocida como la norma de barras dúctiles y es el estándar requerido en aplicaciones sísmicas. En estas normas se pueden encontrar especificaciones para aceros con tensiones de fluencia de 280, 420, 550 y 690 MPa.
Normativa en Chile para aceros de alta resistencia
Recientemente se actualizó una de las normas relevantes de barras de acero para hormigón armado, en la cual se incluyeron calidades consideradas de alta resistencia. La NCh 204:2020 barras laminadas en caliente para hormigón armado, cuyo símil en Estados Unidos sería la ASTM A615, considera dos calidades nuevas con tensiones de fluencia de 520 y 550 MPa (A700-520 y el A730-550). La norma NCh 3334 Barras laminadas en caliente soldables para hormigón armado (similar a ASTM A706) está en proceso de actualización y pronto debería incluir también aceros de alta resistencia. La garantía de soldabilidad de estas barras va a permitir la industrialización de mallas de armadura prefabricadas. Aunque su uso seguramente estará limitado a zonas donde no se esperan altas demandas de ductilidad como: fundaciones, losas y muros de pisos superiores.
Cambios en las normativas chilenas al respecto
Internacionalmente se suele llamar a los aceros por su resistencia a la tracción en vez de su resistencia a la fluencia. En la nueva NCh204 se incluye esta nomenclatura abreviada. Por ejemplo, el acero A630-420H ahora se denomina A630 y el acero A440-280H se denomina simplemente A440.
En la norma NCh204 se eliminó un grado de acero tradicional que estaba en total desuso (A560) y se agregaron dos grados de alta resistencia, estos son los grados A700 y A730, que tienen tensiones de fluencia mínimas de 520 y 550 MPa, respectivamente.
Adicionalmente, se incorporaron dos diámetros nuevos de barras de refuerzo: φ50mm y φ60mm.
Principales trabas para su uso a nivel de los calculistas
La ingeniería estructural, como disciplina, puede en ocasiones ser algo reticente a los cambios. Nuestra infraestructura es sometida a un terremoto severo aproximadamente una vez cada 10 años (o menos). Así, sobre los ingenieros recae la responsabilidad de diseñar estructuras resistentes y resilientes. La vida, el desarrollo y el bienestar de los chilenos dependen en gran medida de la ingeniería estructural, la que nos ha demostrado su calidad una y otra vez.
La inclusión de aceros de alta resistencia a la práctica nacional requiere principalmente de confianza: confianza en que el material tiene la ductilidad necesaria para acomodar las deformaciones impuestas por un terremoto sin fracturarse prematuramente; confianza en que los métodos y simplificaciones que usamos en análisis siguen siendo válidos; confianza en que los requisitos mínimos de diseño siguen siendo aplicables; confianza en ensayos de respaldo realizados con aceros nacionales; confianza en las normas que amparan su utilización; confianza en proyectos construidos que se han comportado de buena forma; confianza en los procesos de fabricación y en la disponibilidad del material.
La investigación realizada en otras latitudes en la última década ha mostrado que el uso de acero de alta resistencia es perfectamente seguro. En la medida que se popularice el conocimiento al respecto se irá construyendo la confianza necesaria para concretar aplicaciones en la práctica chilena. Así como en el pasado se prefería el acero A440, hoy se utiliza con mucho mayor frecuencia el A630, mañana será el turno del A730. Por su puesto hay diferencias a tener en consideración, por ejemplo, al usar acero de alta resistencia: se debe aumentar la longitud de desarrollo (y todas las cantidades asociadas); se debe disminuir el espaciamiento de confinamiento en armadura de borde; y se aumenta el requisito de deformación en flexión para una falla controlada por tracción (falla dúctil).
Aceros de alta resistencia en Chile
Actualmente, en Chile se están utilizando estos aceros en la construcción del emblemático Puente Chacao que unirá a partir del año 2025 al continente con la Isla Grande de Chiloé.
Hay nuevos puentes que están en proceso de licitación que tiene especificado el uso de estos aceros, como es el caso del puente ferroviario en la Región del Biobío, el cual comienza su construcción el próximo año.
Conoce las soluciones de aceros de alta resistencia desarrolladas por CAP Acero en www.capacero.cl