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Edición N°11
PRODUCTIVIDAD
EMPALMES DE ARMADURAS PARA CONCRETO
Ing. Teodoro Harmsen, Presidente Vitalicio GyM, Presidente Ejecutivo GMI, Miembro Honorario del ACI - USA, del CIP y de la Academia Peruana de Ingeniería, teharmsen@gmisa.com.pe
Cuando instalamos las armaduras de acero en una obra, debido a diferentes razones constructivas o estructurales, nos vemos en la necesidad de unir diferentes segmentos de varillas de construcción. A estas uniones se les denomina "empalmes".
Como se sabe, sólo se permite empalmes en zonas de mínimo esfuerzo, nunca en zonas de máximo esfuerzo, ni en aquellas donde pueden producirse articulaciones plásticas (o sea, donde hay momentos máximos de flexión); ni a distancias menores a 2 d de la cara de los apoyos (siendo "d" el peralte de las vigas).
Los empalmes pueden ser de 3 clases: Traslapados, Soldados y Mecánicos
EMPALMES TRASLAPADOS
En los empalmes traslapados, la fuerza de una barra se transfiere al concreto que la rodea por adherencia; y simultáneamente, por el mismo efecto, a la otra barra. La eficiencia de estos empalmes depende del desarrollo de la adherencia a lo largo de la superficie de las varillas, y de la capacidad del concreto para transferir los elevados esfuerzos cortantes que se generan.
Estos traslapes pueden hacerse con las barras separadas (no más de 1/5 de la longitud de empalme, ni más de 15 cm.); o con las barras en contacto, para lo cual se puede amarrar las varillas con alambres (operación que sirve para facilitar el proceso constructivo).
Por la forma en que trabajan estos empalmes, pueden ser: a Tracción, o a Compresión.
Los empalmes a Tracción, generan compresión diagonal en el concreto ubicado entre varillas; por este motivo, es importante incorporar estribos que limiten el desarrollo de las grietas originadas por estos esfuerzos, y que aseguren una falla dúctil. Es importante hacer notar que el Reglamento Peruano, no exige estos estribos adicionales; su actual exigencia es similar al ACI-318-89, código que fue cambiado después de las malas experiencias detectadas en los terremotos de California, en Landers (1992, magnitud 7.3) y en Hector Mine (1999, magnitud 7.1).
Los empalmes a Compresión, trabajan bajo condiciones más favorables, por lo que requieren de una menor longitud. La causa principal de falla de estos empalmes se da por el aplastamiento del concreto en el extremo de la varilla, sobre todo cuando éstas son de gran diámetro.
El código del ACI recomienda no usar empalmes traslapados para varillas mayores a la de 1 3/8" (ACI -12.14.2.1)
A continuación se presenta un cuadro comparativo del cálculo de las longitudes de empalmes traslapados, de acuerdo al Reglamento Americano ACI-318-08, y al Reglamento Peruano E-060-2001 para Concretos de f'c= 210 y 280 kg/cm2.
En todos los casos, podemos ver que las longitudes de empalme que exige el Reglamento Americano son mucho mayores que las del Reglamento Peruano.
EMPALMES SOLDADOS
Los empalmes Soldados, sólo pueden usarse si las barras son de Acero ASTM A 706 (acero soldable de baja aleación que ha recibido un tratamiento térmico controlado, dentro de su proceso de laminación). En determinados casos, se podrían usar barras convencionales, si se cumplen con algunos requisitos especiales. Asimismo, la soldadura debe cumplir con las especificaciones del "Structural Welding Code - Reinforcing Steel (ANSI-/AWS D 1.4)".
Normalmente se usan para empalmar varillas de diámetros grandes (3/4" o mayores), siendo obligatorio para las barras mayores o iguales a la 1 3/4". Un empalme soldado debe poder desarrollar por lo menos el 125% del límite elástico (fy) del acero de la varilla.
Los empalmes soldados no deben producir excentricidades en el esfuerzo. En la siguiente figura se muestran algunos de los más utilizados:
EMPALMES MECÁNICOS
Son piezas metálicas que conectan una varilla con la otra. Actualmente son muy usados y son más seguros que los empalmes soldados. En el mercado existen diversos dispositivos patentados para estos empalmes mecánicos, como manguitos que se presionan mecánicamente a las varillas, dispositivos con rosca en la varilla, manguitos que se presionan con tornillos, etc.
Desde el punto de vista antisísmico, hay dos tipos:
a)Empalme mecánico Tipo 1, que debe desarrollar por lo menos 125% del esfuerzo de fl uencia (fy) del acero de la varilla. En pórticos asísmicos especiales o muros estructurales especiales (ver ACI 318-08, 21.1.1.7), no deben usarse dentro de una distancia igual al doble del peralte de la viga o donde sea probable se produzca la fl uencia del refuerzo, como resultado de desplazamientos laterales inelásticos, como en el caso de rótulas plásticas.
b)Empalme mecánico Tipo 2, que debe desarrollar por lo menos un esfuerzo igual a la carga de rotura (f's) del acero de la varilla. Se pueden usar en cualquier localización.
Los empalmes mecánicos son obligatorios para barras 1 3/4" o mayores, donde están prohibidos los empalmes traslapados. Estos deben estar escalonados cuando menos 60 cm; pero en elementos de amarre en tracción, deben estarlo por lo menos 75 cm.
Si se usan para varillas de acero A-615 Grado 40 (2800 Kg/cm2), deben poder resistir una fuerza = 4200 kg/cm2. Si se usa acero A-615 Grado 40 o Grado 60, deben poder resistir = 6200 kg/cm2.
En las zonas donde no se puede usar empalmes traslapados, y cuando el esfuerzo está en elementos a tracción, estos empalmes se tienen que usar obligatoriamente con varillas recubiertas con epoxi.
En general, los empalmes mecánicos se usan para fi erros gruesos de 1" o más; resultan más económicos, cómodos de usar, y facilitan el llenado de concreto.
Se debe tomar precauciones especiales en los espaciamientos entre barras, y en los recubrimientos, dado que el diámetro exterior del empalme mecánico es mayor que el de la barra.
Si se trata de ampliaciones de edifi cios antiguos, en los que se usaba acero grado 40 o menor, se deben hacer pruebas del empalme con ese tipo de acero.
COMPARACIÓN DE COSTOS, ENTRE EMPALMES TRASLAPADOS Y EMPALMES MECÁNICOS
Algunas de las ventajas y desventajas de los empalmes mecánicos y de los empalmes traslapados, son:
Respecto a los Estribos: De acuerdo al A.C.I., para los empalmes traslapados, se requiere colocar estribos adicionales a cada 10 cm., a lo largo de la longitud de traslape.
Una ventaja de los empalmes mecánicos, es que no se requiere colocar más estribos.
Respecto a la separación de fierros: El empalme traslapado exige colocar los fi erros más separados, para mantener la distancia libre especificada entre fierros. Lo mismo pasa con los recubrimientos.
Respecto a la facilidad de trabajo: El empalme mecánico es más rápido y facilita el llenado de concreto.
A continuación, se muestra un cuadro comparativo de costos, entre los empalmes traslapados y los empalmes mecánicos, para varillas de 3/4", 1", y 1 3/8".
Nota: Los costos han sido calculados considerando US $ 1.35/ kg de acero (material, mano de obra, equipos, herramientas y utilidad)
Como se puede apreciar, el empalme mecánico para 3/4" es muy caro. Para 1" cuesta aproximadamente lo mismo, con las ventajas de rapidez y facilidad de llenado. Para 1 3/8" es claramente, más económico.
BIBLIOGRAFÍA
- HARMSEN, T., "Diseño de Estructuras de Concreto", 2005. 4ta Edición, Adenda 2009
- Requisitos de Reglamento para Concreto Estructural, ACI 318 – 08
- Reglamento Nacional de Edifi caciones, Norma E- 060 Concreto Armado
