VALIDACIÓN DE LOS TORNILLOS CATO PARA CONCRETO

HAYDER OSWALDO RUIZ SALINAS

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA DE INGENIERIA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2008

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VALIDACIÓN DE LOS TORNILLOS CATO PARA CONCRETO

HAYDER OSWALDO RUIZ SALINAS

Pasantía para optar el titulo de Ingeniero Mecánico

Director ROBERT EDUARDO COOPER ORDOÑEZ, Msc.

Maestría en Ingeniería Mecánica con Énfasis en Materiales y Procesos de Fabricación; Universidad Estatal de Campinas, Brasil.

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA DE INGENIERIA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2008

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Nota de aceptación: Aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar el título de Ingeniero Mecánico

ING. ROBERT E. COOPER O. Director

Santiago de Cali, 31 de Octubre de 2008

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A todos aquellos que de una u otra manera se vincularon a mi estudio y en especial a este proyecto. A Dios, Hacedor de todo y de todos; iniciador de toda ciencia y toda obra perfecta. A mis padres que me brindaron la oportunidad de estudiar, juntamente con Dios. Creyeron en mi, y dispusieron de todos los medios para poder llegar hasta acá. A la Asociación del Pacífico de los Adventistas del Séptimo Día, que me apoyaron económicamente para mi pregrado. A mi cuñado Kevin, compañeros de estudio y su paciencia en este largo caminar de aprendizaje. A Shirley, su amor y ayuda cuando estuvo en Cali y aún, lo hace desde donde ella está. A los profesores que con su empeño y credibilidad compartieron sus conocimientos con “paciencia” (¡No todos!). A Industrias CATO S.A., especialmente a Juergen Mordhorst, Gerente de esta, quien, con su experiencia y credibilidad en mi, dio un paso adelante hacia los objetivos que se buscaban. A todos, muchas gracias por su ayuda y colaboración en mi ascenso hacia mi vida profesional. GRACIAS!!!

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AGRADECIMIENTOS

A todas aquellas personas que me brindaron su ayuda y colaboración para que, no solo este proyecto, sino, mi ideal de formarme como ingeniero sea una realidad. Pero especialmente a los que me enseñaron en el área de ingeniería y me dieron su mano durante el presente año. Seguramente, acá no cabrían todas las personas pero mencionaré las que recuerde y, si por algún motivo no te encuentras en esta lista y sabes que me diste tu ayuda, solo reconoce que soy humano y que mi mente estaba súper ocupada el día que transcribí estas líneas: • Alejandro Guzmán, por haber mostrado interés en el proyecto y haber donado parte de cilindros y vigas de su empresa – Controlar Ingeniería -. • Bernardo Jiménez, su paciencia y colaboración en el manejo de la Máquina Universal de Ensayos UTS – Universidad Autónoma de Occidente -. • Cristian Alzate, su amistad es única, gracias amigo por tu humildad y tu ayuda cuando necesité cortar los cilindros y las vigas – Iglesia Adventista del Séptimo Día -. • Eulícer González, su oportunidad de poder trabajar en un ambiente ingenieril por primera vez – AEG Medica Industrial -. • Familia, padres, hermana y cuñado por creer que si se podría llegar hasta acá. • Goberth Mantilla, por haberme puesto en contacto con Industrias CATO S.A. y su apoyo en los momentos que lo necesitaba – Universidad Autónoma de Occidente -. • Gustavo Estupiñán, su humildad y colaboración al separar y marcar correctamente parte de los cilindros y vigas del proyecto – Inge Omac -. • Hermen Alzate, su humildad y colaboración al separar y marcar correctamente parte de los cilindros y vigas del proyecto –Controlar Ingeniería– • Jacobo Vélez, estuvo dispuesto a colaborar por su experiencia en la empresa donde laboraba – Constructora Bariloche-. • Jaime Garzón, por haber mostrado interés en el proyecto y haber donado parte de los cilindros y vigas de su empresa – Inge Omac -. • Jhon Jairo Restrepo, por prestarme la maquinaria requerida en el debido momento para el corte del concreto – Industria Nacional -.

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• Juergen Mordhorst, por haber visto posible un proyecto desde el principio hasta el final de este y por su ayuda brindándome conocimiento debido a su experiencia – Industrias CATO S.A. -. • Mauricio Gamba, por haber iniciado el proyecto con investigación y su experiencia compartida – Industrias CATO S.A. -. • Mauricio Pardo, su amistad y compañerismo laboral y desempeño cuando necesite asesorías – Industrias CATO S.A. -. • Omar Valencia, por su ayuda en el corte y transporte de los cilindros y vigas dentro de Industrias CATO S.A. – Industrias CATO S.A. -. • Paola Cerón, lo que aprendí de concretos fue gracias a ella, además me facilitó vigas para el análisis de los tornillos – Di consultoría -. • Robert Cooper, por su dirección y amistad desde el principio del proyecto hasta el final – Universidad Autónoma de Occidente -. • Yo Soy, no podría faltar el primero que es a la vez el último (el Gran Yo Soy, Tú, Alpha y Omega), gracias por haberme sostenido hasta acá. Te Amo Dios.

¡¡¡A todos muchas, muchas gracias!!!

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CONTENIDO

Pág. GLOSARIO 16 RESUMEN 18 INTRODUCCIÓN 19 1. NORMA: ASME B18.18.3. 21 1.1. ESTÁNDAR MILITAR 105 21 1.1.1. Notas introductorias 21

2. GENERALIDADES DEL CONCRETO 26 2.1. CONCEPTOS BÁSICOS 26 2.2. FUNCIONES DE LOS COMPONENTES 30 2.2.1. Funciones de la pasta 30

2.2.2. Funciones de los agregados 30

2.3. VENTAJAS DEL CONCRETO 31 2.4. CARACTERÍSTICAS DEL CONCRETO 31 2.4.1. Concreto fresco 32

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2.4.2. Concreto endurecido 32 2.5. ELABORACIÓN DEL CONCRETO 34 2.6. CLASIFICACIÓN DEL CONCRETO 35 2.6.1. Por consistencia 35 2.6.2. Por peso unitario 36 2.6.3. Por resistencia 36

3. CERTIFICADOS DE CONCRETOS 42 4. CÁLCULOS 45 4.1. PARA LOS DISPOSITIVOS 45 4.1.1. Para la uña 45

4.1.2. Angulo máximo de corte 51 4.2. PARA EL TORNILLO 53

5. PROCESO DE TRABAJO 55 5.1. DESCRIPCIÓN GENERAL 55 5.2. RESULTADOS FINALES Y LÍNEAS DE TENDENCIA 63

6. ANÁLISIS EN ELEMENTOS FINITOS (ALGOR) 74

9

7. COMENTARIOS Y DISCUSIÓN 80

8. RECOMENDACIONES 82

9. CONCLUSIONES 83

BIBLIOGRAFÍA 84

ANEXOS 85

10

LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Comparación de los cuatro primeros planes de aseguramiento de calidad 23 Tabla 2. Inspección final – pruebas destructivas 24 Tabla 3. Inspección final – ejemplo de tamaño de muestras 25 Tabla 4. Incremento aproximado promedio de la resistencia a la compresión del concreto con el tiempo 27 Tabla 5. Diferentes tipos de cementos portland, su composición química, resistencia relativa y aplicaciones 25 Tabla 6. Porcentaje aproximado de los constituyentes del concreto (en volumen) 29 Tabla 7. Factores y procesos en la elaboración de un buen concreto 34 Tabla 8. Clasificación del concreto por su consistencia 35 Tabla 9. Cantidad de cilindros aportados por empresas 44 Tabla 10. Cilindros especificados por empresa y esfuerzos 44 Tabla 11. Propiedades mecánicas mínimas estimadas del acero AISI 4140 49 Tabla 12. Cizalla pura simple al tornillo CATO 58 Tabla 13. Prueba de torquímetro al tornillo CATO 59 Tabla 14. Datos de Buildex para comparar con CATO 62

11

Tabla 15. Resultado prueba “Pull Out”; 1 in del borde y 1 in de penetración 63 Tabla 16. Resultado prueba “Pull Out”; 1 in del borde y 1 – 1/2 in de penetración 64 Tabla 17. Resultado prueba “Pull Out”; 2 – ½ in del borde y 1 in de penetración 65 Tabla 18. Resultado prueba “Pull Out”; 2 – ½ in del borde y 1 – 1/2 in de penetración 66 Tabla 19. Resultado prueba “Shear”; 1 in del borde y 1 in de penetración 67 Tabla 20. Resultado prueba “Shear”; 1 in del borde y 1 – 1/2 in de penetración 68 Tabla 21. Resultado prueba “Shear”; 2 - 1/2 in del borde y 1 in de penetración 69 Tabla 22. Resultado prueba “Shear”; 2 - 1/2 in del borde y 1- 1/2 in de penetración 70 Tabla 23. Resumen de CATO (3000 psi) para comparar con Buildex (3192 psi) 71

Tabla 24. Comparación entre 1 in y 1 – ½ in de penetración a 1 in vs. 2 – ½ in del borde en concreto de 3000 psi 71

Tabla 25. Factor de concentración de esfuerzos de FERGUSON, EUGENE 77

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LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Dibujo del tornillo CATO (C – 1082) 20 Figura 2. Representación gráfica de los valores de la Tabla 4 27 Figura 3. Las vigas se usan para pruebas a flexión, los cilindros para pruebas de compresión 33 Figura 4. Representación gráfica de la resistencia Vs. Relación agua/cemento 39 Figura 5. Certificado de Controlar Ingeniería Ltda. 42 Figura 6. Certificado de Inge Omac 43 Figura 7. Concretos en el laboratorio de Mecánica de Materiales de la Universidad Autónoma de Occidente 44 Figura 8. Esquema de la dirección de la fuerza sobre el tornillo. 45 Figura 9. Esquema del dispositivo de tracción 47 Figura 10. Esquema de la sección afectada por la fuerza en la cabeza del tornillo para “Pull Out” 47 Figura 11. Uña para las pruebas de tracción 48 Figura 12. Cilindro minutos previos al corte 55 Figura 13. Proceso de Corte de los Cilindros 56 Figura 14. Cilindros cortados en discos 57

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Figura 15. Dispositivo de soporte “Pull Out” 60 Figura 16. Dispositivo de corte 60 Figura 17. Dispositivo de corte en acción 61 Figura 18. Placa donde se soldaron los Cinturones para la Cizalla 61 Figura 19. Dispositivo de Cizalla Pura Simple para el tornillo 62 Figura 20. Gráfico prueba “Pull Out”; 1 in del borde y 1 in de penetración 63 Figura 21. Gráfico prueba “Pull Out”; 1 in del borde y 1 -1/2 in de Penetración 64 Figura 22. Gráfico prueba “Pull Out”; 2 – 1/2 in del borde y 1 in de penetración 65 Figura 23. Gráfico prueba “Pull Out”; 2 - 1/2 in del borde y 1 -1/2 in de penetración 66 Figura 24. Gráfico prueba “Shear”; 1 in del borde y 1 in de penetración 67 Figura 25. Gráfico prueba “Shear”; 1 in del borde y 1 – 1/2 in de penetración 68 Figura 26. Gráfico prueba “Shear”; 2 – 1/2 in del borde y 1 in de penetración 69 Figura 27. Gráfico prueba “Shear”; 2 – 1/2 in del borde y 1 – 1/2 in de penetración 70 Figura 28. Comparación del ensayo de tracción en concreto de 3000 psi 72 Figura 29. Adecuación del cambio de concreto (3000 psi) en Algor (elementos finitos) 76

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Figura 30. Factor de seguridad encontrado (3000 psi) en la simulación por Algor 78 Figura 31. Esfuerzo Von Misses encontrado (3000 psi) en la simulación por Algor 79

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LISTA DE ANEXOS

Pág.

Anexo A. Gráfico típico del comportamiento a la prueba de “Pull Out” 85 Anexo B. Gráfico del comportamiento a la prueba de “Shear” 86 Anexo C. Gráfico que demuestra anclaje prolongado en “Pull Out” 87 Anexo CH. Gráfico que demuestra agrietamiento en el bloque a “Shear” 88 Anexo D. Gráfico que demuestra deslizamiento en el bloque a “Shear” 89 Anexo E. Gráfico que demuestra deslizamiento en el bloque a “Pull Out” 90 Anexo F. Gráfico de la evaluación a cizalla simple del tornillo sin estar embebido en el concreto 91 Anexo G. Gráfico que demuestra deslizamiento en el bloque a “Shear” 92 Anexo H. Gráfico que demuestra el anclaje del tornillo a “Shear” 93 Anexo I. Gráfico que demuestra el anclaje del tornillo a “Shear” 94 Anexo J. Gráfico que demuestra agrietamiento en la prueba de “Pull Out” 95 Anexo K. Gráfico que demuestra deslizamiento en la prueba de “Shear” 96 Anexo L. Gráfico que demuestra agrietamiento en la prueba de “Shear” 97 Anexo LL. Propiedades del Acero AISI 1020 98

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GLOSARIO

ABRASIÓN: proceso de desgaste de la corteza por los agentes externos. ADITIVOS: sustancia que se agrega a otras para darles cualidades que no tienen o para mejorar las que poseen. AGREGADOS: añadido. Se refiere propiamente a la mezcla del concreto. ANSI: American National Standars Institute. ASME: American Society of Mechanical Engineer. CIZALLA SIMPLE: recorte o fragmento de metal que resultan tras su manipulación en una línea sobre uno de los planos de este metal. CONCRETO: hormigón armado. CONDONAR: perdonar una pena o una deuda. CORTE: herida producida por un instrumento cortante. EMBEBER: contener una cosa a otra; incorporar el tornillo dentro del concreto. ESFUERZO DE COMPRESIÓN: fuerza que intenta aplanar o “apretar” un material. EXTENSIBILIDAD: que tiene mucha extensión. EXUDACIÓN: salida de una sustancia o un líquido a través de los poros o las grietas del recipiente que lo contiene. FLEXIÓN: movimiento de un cuerpo que consiste en doblarse. FRAGUAR: trabar y endurecer los ingredientes de una sustancia. GRAVA: piedra machacada que se usa para allanar y cubrir el piso de carreteras y como componente de hormigón. INCLUSORES: elementos que se agregan a la mezcla para obtener una mejor calidad de ésta. ISO/TC 2: comité técnico 2 de la Organización Internacional para la Organización.

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MATRIZ: molde en que se funden objetos siendo los más comunes los de metal. En el concreto, es la forma final que obtienen los elementos o ingredientes de la mezcla en contacto con el agregado. MOLDEABILIDAD: capacidad de tomar la forma a la cual se desea utilizar. PASTA DE CEMENTO: mezcla de cemento portland, agua, aire (naturalmente atrapado o introducido a propósito) y aditivos (cuando se utilizan). PUZOLÁNICOS: son materiales silíceos o sílico – aluminosos, los cuales pueden ó no tener propiedades cementantes por sí mismos, los que finamente molidos y en presencia de humedad, reaccionan químicamente con los hidróxidos de calcio a temperatura ambiente, para formar compuestos que poseen propiedades cementantes. SANGRADO: dar salida a todo o a parte de un líquido, abriendo un conducto en el recipiente que lo contiene. SULFATO: sal de ácido sulfúrico, resultante de la sustitución de átomos de hidrógeno por átomos de un radical mineral u orgánico. TRACCIÓN: acción y efecto de tirar de algo para arrastrarlo o halarlo.

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RESUMEN

Este trabajo presenta la validación como producto de un nuevo diseño de tornillo autoroscante para anclaje en concreto de la empresa CATO S.A, utilizando normas de referencia y comparación con otros productos que realizan la misma función. Para esto fue necesario escoger un producto similar que se encuentra bien posicionado en el mercado internacional y desarrollar una metodología experimental basada en la realización de pruebas mecánicas al tornillo embebido en el concreto. Estas pruebas sometieron al tornillo a esfuerzos de tracción, cortante y torsión, el mismo estaba embebido en probetas de concreto de forma circular y cuadrada con resistencias que variaron desde 3000 psi hasta 6000 psi, a diferentes profundidades y distancias desde el borde. Se fabricaron una serie de dispositivos especiales para las pruebas de tracción y cortante del tornillo embebido y se realizaron en una máquina universal de ensayos con capacidad para 20 toneladas de fuerza; para la prueba de torsión se utilizó un torquímetro comercial. Se realizaron alrededor de 180 pruebas, algunas de las cuales debieron ser repetidas porque el concreto presentaba agrietamientos incluso al momento de iniciar el roscado. Todas las pruebas fueron destructivas, es decir, se llevo el tornillo hasta su punto de ruptura o deformación plástica. Los resultados de las pruebas mecánicas obtenidos fueron influenciados por un factor de seguridad igual a 4, estos se graficaron, analizaron y compararon contra los valores de referencia de otro tornillo encontrando una buena afinidad en su comportamiento, sus valores fueron iguales o superiores en la mayoría de las pruebas excepto en una de las de esfuerzo cortante donde se notó que la falla era más debida del concreto por desmoronamiento que del tornillo en sí.

Los resultados de este trabajo son de la mayor importancia para la validación del tornillo para anclaje que la empresa CATO va a sacar al mercado, pues muestra que su nuevo diseño cumple con los estándares básicos de la industria y es apto para el servicio que se ha especificado.

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INTRODUCCIÓN

Para la validación comercial de cualquier producto en el mercado, se requiere de datos e información que muestren que el producto efectivamente es apropiado para el objetivo que el comprador requiere. El tornillo de Industrias CATO S.A., no puede pasar sin excepción por estudios que lo caractericen dentro de un escalafón de cualidades mecánicas. Éste, es un sistema de anclaje que trabaja en el concreto especialmente en aquellos que se utilicen para paredes y techos (esfuerzos entre 3000 PSI y 5000 PSI). El presente producto (C-1082), se analizó en pruebas tales como Tracción (Pull Out), Cortante (Shear) y en un software de Análisis de Sistemas Finitos (Algor ) para evaluar y comparar lo hallado experimentalmente. Adicionalmente, se halló el torque necesario para ajustar el tornillo con éxito por parte de los usuarios y/o operarios (técnicos). Una última prueba fue la de Cortante Simple Pura ya que, se presentó cierta inconformidad con lo esperado en la prueba de Cortante (Shear) al estar embebido el tornillo – ancla en el concreto. Los ensayos del laboratorio se evaluaron mediante las Normas que se encuentra en los Estándares Militares. En ellas se recopilan las indicadas de la ASME, para la ejecución de ensayos destructivos y no destructivos. En el presente trabajo, se ejecutaron las correspondientes a las pruebas destructivas, pues, por lo general se buscaba llevar al límite la configuración tornillo – concreto. De antemano, se conocían algunas referencias de productos similares, donde, se tomaron como reseña para comparar algunos de los resultados del tornillo CATO C – 1082., de los cuales se encontró que las pruebas del tornillo ancla de Industrias CATO S.A. , cumple con los requerimientos precisos para competir y comercializarlo posteriormente tanto en nuestro país, como en el extranjero. Se espera, de que con este estudio logre el NOA (Notice of Aceptance) correspondiente en el extranjero (MIAMI, FLORIDA) para la validación en el comercio de ese país, el cual, es uno de los más azotados por huracanes, tornados, entre otros, en sus zonas costeras. Importante resulta conocer, de que estos ensayos también se pueden elaborar en nuestro país, en nuestra región y serviría posteriormente para encontrar muchos otros requerimientos de caracterización mecánica de cualquier otro tornillo (al estar embebido o al no estar embebido en concreto).

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Figura 1. Dibujo del tornillo CATO (C – 1082)

Fuente: Copia Controlada. Industrias CATO S.A. Departamento de Control y Calidad. Santiago de Cali, 2008

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1. ASME B18.18.3

Las normas utilizadas en el presente trabajo se basan en la ASME B18.18.3:

1.1. ESTÁNDAR MILITAR 105 Industrias CATO S.A., en su experiencia y manejo de tornillos, tiene en su biblioteca un texto especializado para evaluación de tornillos por medio de ensayos destructivos y no destructivos en los cuales, se encuentran allí resumidas algunas de las normas más importantes para ello. A continuación una breve historia de ello: 1.1.1. Notas introductorias. Hasta hace unos 30 años, los sujetadores se inspeccionaron, en casi todo el mundo, utilizando el Nivel de Calidad Aceptable (NCA) con técnicas de tamaños de lotes, en el cual, siendo el tamaño de las muestras y la aceptación o rechazo sobre la base de los números de los planes detallados radicadas en el MIL-STD-105.Si bien los planes estadísticamente nombrados son del NCA, a fines del decenio de 1960 muchos usuarios de grandes volúmenes de sujetadores se mostraron inconformes con el concepto de autoridad nacional de competencia. La preocupación básica es que los planes de reconocer el NCA a la posible existencia de partes no dentro de un lote de inspección y condonar su presencia numérica sean específicas, si no se superan los límites. Esto condujo a la introducción de la "aceptación cero". En pocas palabras, la "aceptación cero" está basada en un concepto que es de la selección de una serie de piezas de muestra de un lote presentado para su inspección, la inspección de las partes y basados mucho en la búsqueda de aceptación cero de defectos. El concepto asume el elegido - en - muestra aleatorias de piezas que son representativas de la totalidad del lote y si las muestras se encuentran conformes es razonable suponer las otras partes en el mismo lote son, igualmente conformes. Como una interesante nota, un plan de control de calidad métrica para sujetadores fue desarrollado por ISO/TC2, el comité técnico sobre los sujetadores dentro de la Organización Internacional de Normalización. Por mayoría de votos, el TC2 en los países miembros de este plan estructurado sobre el NCA de conceptos (ISO 3269). Cuando el proyecto fue iniciado, el TC2 delegados de EE.UU. advirtieron de que este enfoque ya no es favorecido por muchas de las principales industrias que usan sujetadores.

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Asimismo, predijo que EE.UU. no apoyaría una norma ISO resultante de este esfuerzo. La ISO realizó esfuerzos que se han dirigido hacia adelante; EE.UU. aún tiene que aprobarla. En los últimos años, las prácticas de aseguramiento de la calidad han dado otro paso adelante en el marco de la introducción del Control Estadístico de Procesos (SPC). En esta práctica, los sujetadores están sometidos a inspecciones periódicas durante sus operaciones de fabricación. Entonces el número probable estadísticamente hablando de las mediciones son evaluadas para determinar la probabilidad de que el proceso restante dentro de los límites de control se deriva fuera de control. Cuando la evaluación indica una tendencia hacia fuera de control - es decir, hacia la no conformidad de los productos fabricados - correctivos al proceso de ajuste se deben hacer. En 1971, el Comité ANSI / OMFS reconoció que había un creciente interés en América del Norte para sujetadores métricos y presentó a la industria con una oportunidad única y oportuna. El Comité estimó que ir en un amplio plan de control de calidad pueden ser diseñados para sujetadores métricos podría convertirse en una verdadera norma nacional que beneficiaría a los fabricantes y sujetadores usados en las industrias. Más importante aún, la Comisión prevé que, si el plan fue diseñado de manera que se puede aplicar igualmente a la serie para sujetadores en pulgadas que proporcionaría la necesaria alternativa para desalentar la introducción de nuevos y diferentes planes y también ayudaría a unificar los múltiples planes individuales entonces ya en la existencia. El Comité preparó recomendaciones detalladas. En 1978, estas recomendaciones fueron aceptadas por el Comité Estándares ASME B18 y servir de base para una serie de normas de garantía de calidad ASME de sujetadores métricos. El B18 esfuerzo se completó en 1982 y cuatro normas publicadas. En 1987, estos mismos cuatro documentos fueron revisado y publicados con el único cambio de ser una ampliación de su alcance a las series de sujetadores en pulgadas. En 2002, los cuatro fueron sometidos a las normas de revisión:

• ASME B18.18.1 - Inspección y Garantía de Calidad para Sujetadores de Objetivos Generales -. • ASME B18.18.2 – Inspección y Garantía de Calidad para Sujetadores para ensamblar Máquinas de Alto Volumen -. • ASME B18.18.3 - Inspección y Garantía de Calidad para Sujetadores de Objetivos Especiales -. • ASME B18.18.4M - - Inspección y Garantía de Calidad para Sujetadores dispuestos para Aplicaciones de Ingeniería con Objetivos Altamente Especiales -.

La Tabla 1, describe los rasgos básicos de los cuatro planes. Cada plan, es técnicamente válido y, dentro de sus propios parámetros, brinda adecuado aseguramiento de producto conveniente. Cuando los

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planes progresan de B18.18.1 hasta el B18.18.4M, la intensidad de la inspección cuidado del registro y criterios de aceptabilidad llegan a ser considerados más severos. Obviamente, hay un ascenso en el factor costo también. Entre mayor sea el esfuerzo de inspección mayor será su costo. La eficiencia del costo es maximizada cuando el diseñador o el ingeniero especifican un nivel de garantía de calidad, no más alto que el necesario para proporcionar confianza y que los sujetadores entregados son aceptables para su uso de servicio.1

Tabla 1. Comparación de los cuatro primeros planes de aseguramiento de calidad

ASME

B18.18.1 ASME B18.18.2 ASME B18.18.3 ASME/ANSI

B18.18.4M

Sujetadores para

propósitos generales

Sujetadores para ensamblar Máquinas

de Alto Volumen

Sujetadores para Aplicaciones de

Propósitos Especiales que requieren

Controles en el Proceso de Producción

Sujetadores dispuestos para Aplicaciones de Ingeniería con

Objetivos Altamente Especiales Producidos

Consecutivamente desde un Molino

Caliente donde se requieran Procesos de Control y lotes con trazabilidad

Inspección de

manufactura y

Discreción del

Productor

Control y registro de la Materia Prima Usada en Cada uno de los Molino

de calor (por lotes, Molde, Fusión, etc)

Control y registro de la Materia Prima Usada en Cada uno de los Molino

de calor (por lotes, Molde, Fusión, etc)

Control y registro de la Materia Prima Usada de cada

Bobina producida desde un Molino de

Calor (por lotes, Molde, Fusión, etc)

Producida Consecutivamente en la Operación de Conformado Inicial

ENVÍO � En - Proceso de Control

e Inspección en discreción del productor

Fabricación: En Proceso del Plan de

Inspección

Fabricación: En Proceso del Plan de

Inspección Tratamiento Térmico:

Donde es aplicable el Proceso del Plan de

Inspección

Tratamiento Térmico: Donde es aplicable el Proceso

del Plan de Inspección

Inspección Aplicada si

el lote cumple con

el cuestionami

ento después del

envío

Inspección Final Inspección Final y Ejemplo de Verificación

Inspección Final y Ejemplo de Verificación

1 INDUSTRIAL FASTENERS INSTITUTE. Sección M; Aseguramiento de la Calidad. p. M2

24

Actas de inspección final mantenerse

durante un mínimo de un año como pruebas

objetivas de conformidad

Actas de inspección final mantenerse

durante un mínimo de Un Año como pruebas

objetivas de conformidad

Actas mantenidas para un mínimo de

Un Año trazable para un Número de

lote desde la Materia Prima para Envío incluyendo el

Destino

Máximo Tamaño del Lote: 250000 Piezas

Fuente: IFI (Industrial Fasteners Institute). Estándar Militar. Sección M. Aseguramiento de la calidad. 2003. P. M-3. De acuerdo a lo estudiado sobre el tornillo, quien recibe inspecciones finales después de cada proceso en la elaboración de éste, se acomoda a la ASME B18.18.3. y a la ASME/ANSI B18.18.4M, donde, se remiten las dos a las siguientes dos tablas (2 y 3) para escoger el número apropiado de pruebas destructivas:

Tabla 2. Inspección final – pruebas destructivas

Descripción del Control

Ítem

Características Nivel de Inspección

Partes donde los hilos son

Internos*

Partes donde los hilos son

Externos*

1 Carga de Prueba - Hilos Externos D NA CA

2 Carga de Prueba - Hilos Internos B CA NA

3 Esfuerzo Tensil (acuñe o axial) C NA CA

4 Dureza (Nota **) B CA CA

5 Dureza en Arandelas B CA NA

6 Prueba de Direccionamiento B NA CA

7 Torque Predominante (Nota ***) A CA CA

8 Ductilidad B CA CA

9 Enchapado del grosor/Peso del abrigo B CA CA

10 Resistencia a la Corrosión B CA CA

11 Torque - Tensión A CA CA

12 Fragilización por hidrógeno A CA CA

Fuente: IFI (Industrial Fasteners Institute). Estándar Militar. Sección M. Aseguramiento de la calidad. 2003. P. M-26. * Leyenda: CA – Cuando es aplicable; NA – No es aplicable. ** Superficie, núcleo, o ambos, si es aplicable. *** Prueba de Torque Predominante donde incluye comenzar por el primer hilo, todo requerimiento de torque especificado y retención de los rasgos de aseguramiento, cuando es aplicable. Referirse a la Tabla 3., para ejemplo de la muestra. **** Incluye rocío de sal en “espray” y otras pruebas de resistencia a la corrosión.

25

***** Referirse al Paráfrasis 2.7.4.2 Tabla 3. Inspección final – ejemplo de tamaño de muestras

Nivel de Inspección

Pruebas No Destructivas (Nota **)

Pruebas Destructivas

A 25 8

B 9 4

C 3 2

D 1 1

Fuente: IFI (Industrial Fasteners Institute). Estándar Militar. Sección M. Aseguramiento de la calidad. 2003. P. M-28. *Cuando sea observado un agrietamiento en una sola pieza, esta está sujeta a ser rechazada. **Cuando el tamaño de muestra exceda el tamaño del lote, la inspección del 100 % debe ser aplicada.3 Con estos criterios referentes al concreto, se procedió a trabajar.

2 Ibíd., p. M – 26. 3 Ibíd., p. M - 28.

26

2. GENERALIDADES DEL CONCRETO

Además de las especificaciones de las normas para evaluar los ensayos, es meritorio conocer respecto a concretos. A continuación un breve análisis de los concretos:

2.1. CONCEPTOS BÁSICOS

El Concreto es una masa heterogénea constituida básicamente por agregados, cemento portland, agua, aire y algunas veces aditivos, que una vez endurecida tiene la característica de resistir esfuerzos mecánicos en especial los de compresión. Los Agregados o Áridos, constituyen el material llenante; están compuestos por una parte fina y se le conoce como arena y el agregado grueso como grava o piedra triturada. La diferencia entre arena y grava se ha establecido en forma conveniente y arbitraria tomando como base su tamaño. En general, la arena es aquella cuyo diámetro es inferior a 5 mm, mientras que la grava es aquella superior a los 5 mm. El Cemento Portland es el pegante o ligante hidráulico, es decir, el material que en determinadas condiciones es capaz de endurecerse con el transcurso del tiempo, uniendo a los otros materiales heterogéneos (agregado grueso y fino). En particular, el cemento portland se endurece al ponerlo en contacto con el agua (proceso de hidratación) lo que da lugar a una acción inicial de fraguado (reacción química), que a su término convierte la masa plástica de concreto fresco en una masa endurecida e indeformable. Luego de que el concreto ha fraguado continua un largo período de endurecimiento por lo que se alcanzan las resistencias mecánicas previstas. El proceso de endurecimiento es indefinido pero se considera que a los 28 días se obtiene la resistencia de trabajo la cual se expresa en kg/cm2, o algunas veces, en lbs/pul2 (psi). (Observar la Tabla 4.) A la mezcla de cemento portland, agua, aire (naturalmente atrapado o introducido a propósito) y aditivos (cuando se utilizan) se le conoce como PASTA DE CEMENTO y constituye la llamada MATRIZ. Así mismo, a la mezcla de pasta de cemento y arena se le denomina MORTERO.4

4 MATALLANA, Ricardo. Serie de manuales “Concretos”. Tomos I. Bogotá: Instituto Colombiano de Productores de Cemento (ICPC). S.F. p. 1-6.

27

Tabla 4. Incremento aproximado promedio de la resistencia a la compresión del concreto con el tiempo

EDAD (DIAS)

% RESISTENCIA CON RESPECTO A LA DE 28 DÍAS

1 12 3 40 7 70

14 90 28 100 56 110 90 120

180 125

Fuente: RODRIGUEZ MATALLANA, Ricardo. Propiedades del concreto. Bogotá: Asoconcreto, S.F. p. 10.

Figura 2. Representación gráfica de los valores de la Tabla 4 (%) 120 100 70 40 20 0 1 7 14 28 56 90

Edad (Días)

Fuente: RODRIGUEZ MATALLANA, Ricardo. Propiedades del concreto. Bogotá: Asoconcreto. S.F. p. 10.

28

Tabla 5. Diferentes tipos de cementos portland, su composición química, resistencia relativa y aplicaciones

Fuente: RODRIGUEZ MATALLANA, Ricardo. Cemento Portland. Bogotá: Asoconcreto, S.F. p. 6.

COMPOSICIÓN QUÍMICA

RESISTENCIA RELATIVA

(%) TIPO DE CEMENTO CARACTERÍSTICAS

C3S C2S C3A C4AF 1 DÍA

28 DÍAS

EJEMPLO DE USOS

Para obras de concreto en general donde las propiedades especiales de los otros tipos de Cementos no son requeridos. I Uso General. 40 - 55 25 - 30 3 - 15 5 - 10 100 100

Resistencia modera- Estructuras de drenaje donde las concentraciones de sulfatos en aguas subterráneas son un poco

da a los sulfatos y más altas de lo normal. También se puede usar bajo calor de hidra- en estructuras de masa considerable, como en

II

tación.

40 - 50 25 - 35 8 10 - 15 75 90

muros de contención.

En estructuras donde se requiere quitar las formaletas tan pronto como sea posible o cuando

Altas resistencias la estructura debe ponerse al servicio rápidamente. III

Iniciales.

50 - 63 15 - 20 3 - 15 8 - 12 190 100

Para las estructuras de concreto masivo, como grandes presas, donde el aumento de tempera-

Muy bajo calor de tura es un factor crítico resultado de un alto calor Hidratación. generado durante el endurecimiento.

IV

25 - 35 40 - 50 7 10 - 15 55 75

Alta resistencia a los Para estructuras en suelos o en contacto con aguas

Sulfatos. Subterráneas con un alto contenido de sulfato. V

32 - 42 38 - 48 5 10 65 85

29

Si se toma como base la resistencia máxima a la compresión a los 28 días, el aumento promedio de la resistencia con el tiempo es aproximadamente la que se indicó en la Tabla 4, cuyos valores se representaron gráficamente en la Figura 2, para el caso de los concretos preparados con cemento tipo I colombiano. El aire atrapado es aquel que queda incluido inevitablemente dentro de la mezcla durante los procesos de mezclado y colocación del concreto dentro de la formaleta. El aire introducido a propósito se refiere a las burbujas que le son introducidos a la mezcla por medio de un aditivo o un cemento especial con el fin de proporcionarle características especiales al concreto. Por su parte, los aditivos son sustancias químicas que eventualmente son añadidas a la mezcla para modificar algunas de sus características. Las características del concreto dependen de las cantidades relativas de sus constituyentes. En la Tabla 6. se muestra como participa cada componente, en el volumen del concreto, tanto para concreto como aire atrapado naturalmente como para concreto con aire introducido intencionalmente.5

Tabla 6. Porcentaje aproximado de los constituyentes del concreto (en volumen)

Con aire atrapado

naturalmente Componente

Con aire incluido intencionalmente

1/2 - 3 Aire 4 - 8

7 - 15 Cemento 7 - 15

16 - 21 Pas

ta d

e C

emen

to

Agua 14 - 18

25 - 30

Arena o agregado

fino

24 - 28

30 - 50

Agr

egad

os

Grava o agregado

grueso

30 - 50

Fuente: RODRIGUEZ MATALLANA, Ricardo. Generalidades del concreto. Bogotá: Asoconcreto, S.F. p. 2.

5 Ibíd., Tomo I; P. 2.

30

2.2. FUNCIONES DE LOS COMPONENTES 2.2.1. Funciones de la Pasta. Dentro de las funciones que cumple la pasta dentro del concreto, están: • En estado plástico sirve como lubricante dándole fluidez a la mezcla haciendo que sea más o menos trabajable. • Desarrolla la resistencia con el tiempo durante períodos de fraguado y de endurecimiento que permite el transporte, colocación y moldeo del concreto en la obra.

• En estado sólido obtura los espacios dejados por los agregados disminuyendo de ésta forma la permeabilidad.

• Presenta durabilidad ante factores agresivos como ambientes salinos, aguas y suelos sulfatados, etc.

• Es el aglomerante o pegante encargado de ligar los agregados formando una piedra artificial con gran resistencia a la compresión. 2.2.2. Funciones de los Agregados. En general, los agregados desempeñan las siguientes funciones dentro de la masa de concreto:

• Se utiliza como material de relleno para hacer más económica la mezcla. • Evitan que se formen grietas durante el proceso de fraguado de la pasta.

• Junto con la pasta endurecida permite altas resistencias a los esfuerzos de compresión.

Un concreto correctamente elaborado, cada partícula de agregado, sin importar el tamaño su tamaño, debe estar rodeado de pasta, y todos los espacios completamente llenos de ella.6

6 Ibíd., Tomo I; P. 1.

31

2.3. VENTAJAS DEL CONCRETO El concreto presenta una serie de ventajas sobre otros materiales de construcción que justifican su uso tan difundido; a continuación se relacionan algunas de las más importantes: • Los materiales que se emplean en su fabricación son muy fáciles de encontrar y existen en todas las partes del mundo. • Por su plasticidad, se le puede dar la forma que se desee.

• Al contrario de otros materiales, mejora su resistencia con la edad.

• Se moldea y endurece a casi cualquier temperatura incluso bajo agua, pudiéndose usar moldes o formaletas, muchos materiales (madera, metales, arcilla, etc.).

• No se corroe y resiste diversas condiciones ambientales. Tiene buena durabilidad (resistente al desgaste por roce como en carreteras, ambientes salinos, a los cambios de temperatura, etc.).

• Es resistente al fuego (por lo menos hasta los 400 ºC) y al envejecimiento.

• Es económico comparado con otros materiales.

• Se puede utilizar en cualquier tipo de obra de construcción, desde un simple sardinel hasta una obra de arte (esculturas), pasando por estructuras para resistir cargas (vigas, columnas, muros, presas, pavimentos, edificios, etc.) y no estructurales (cornisas, adornos arquitectónicos, texturas superficiales, etc.).

• Por su plasticidad inicial permite obtener variadas superficies de acabado exterior.

• Permite fabricar piezas continuas y de gran tamaño7.

2.4. CARACTERÍSTICAS DEL CONCRETO El concreto se diseña para que tenga unas características definidas, en dos estados fundamentales: Fresco y Endurecido.

7 Ibíd., Tomo I, p. 2.

32

2.4.1. Concreto Fresco. Este tipo de concreto se refiere básicamente a la humedad de la mezcla para que ésta pueda ser manejada, transportada, colocada y consolidada, por medios adecuados sin demasiados esfuerzos y sin que se produzca segregación o exudación. La segregación consiste en la separación de las partículas gruesas de agregado de las más finas, haciendo que la distribución de la masa de concreto deje de ser uniforme. La exudación, o algunas veces llamada “sangrado”, se presenta cuando una parte del agua de la mezcla tiende a colocarse en la superficie del concreto recién colocado o durante el proceso de fraguado. 2.4.2. Concreto Endurecido. El concreto en forma endurecido toma aspecto y características de roca artificial, las cuales son aprovechadas para el uso de todo tipo de construcción. Estas propiedades son, la resistencia a los esfuerzos mecánicos, durabilidad, impermeabilidad, densidad, acabado y estabilidad volumétrica. • Durabilidad. La durabilidad es la propiedad del concreto de soportar aquellas exposiciones que pueden privarlo de su capacidad de servicio tales como ciclos de congelamiento y deshielo, sustancias químicas, ambientes marinos, abrasión, ciclos de humedecimiento y secado, ciclos de calentamiento y enfriamiento y otras semejantes como expansiones producidas por agregados que reaccionan químicamente por el cemento , suelos y aguas agresivas, etc. La resistencia a algunas de ellas puede fomentarse con el uso de aditivos inclusores de aire, cementos puzolánicos o resistentes a los sulfatos y otros ingredientes especiales. La utilización de relaciones agua/cemento bajas constituye un aspecto importante para conservar la vida útil del concreto puesto que reduce la penetración de líquidos agresivos.8

• Densidad. La densidad o peso volumétrico del concreto constituye también una característica importante en el concreto, siendo algunas veces indispensable para la estabilidad de la estructura. Tal es el caso de las presas de gravedad, macizos de anclaje, pesas para hundir tuberías, contrapesos en puentes elevadizos, estructuras para aislamiento de sonido, radiación, etc. • Acabado. Gracias a la moldeabilidad de la mezcla en estado fresco, el concreto puede tomar diferentes texturas y formas dadas

8 Ibíd., Tomo I. p. 4, 5.

33

por los moldes, formaletas o herramientas especiales, para obtener el llamado ‘concreto a la vista’, ‘concreto arquitectónico’ o ‘acabado’.

• Resistencia. La resistencia es la capacidad que tiene el concreto de soportar esfuerzos de diferentes tipos y magnitudes. La resistencia a los esfuerzos mecánicos incluye principalmente lo que se refiere a compresión, tracción, flexión, cortante y adherencia al acero de refuerzo. De las mencionadas, la resistencia a la compresión simple es la característica más importante y normalmente con ella se define la calidad del concreto (aunque por lo general el control del concreto se realiza mediante ensayos de rotura a compresión, hay casos en los que el ensayo de flexión es más apropiado para mostrar con mayor exactitud las condiciones de trabajo del concreto, como puede ser el caso de los pavimentos).11

Figura 3. Las vigas se usan para pruebas a flexión, los cilindros para pruebas de compresión

Por el contrario el concreto es un material relativamente débil a los esfuerzos de tracción comparada con su resistencia a la compresión. Esto hace poco económico su uso en elementos estructurales que están sometidos a tracción por completo (como tirantes) o en parte de sus secciones transversales (como vigas y otros elementos sometidos a flexión). Sin embargo, para compensar ésta deficiencia se recurre a utilizar el acero para reforzar el concreto en aquellos sitios en que su pequeña resistencia a tracción podría limitar la capacidad portante del elemento. La combinación resultante de ambos materiales es lo que se conoce como concreto reforzado. El esfuerzo cortante o por Cizalladura generalmente también es absorbido por el refuerzo (flejes, estivos, etc.) en el caso de vigas y por el concreto en el caso de losas.

34

2.5. ELABORACIÓN DEL CONCRETO La elaboración del concreto es un proceso de manufactura que requiere de una técnica adecuada para lograr los resultados esperados. Para hacer un concreto malo (que con frecuencia es una sustancia con consistencia de ‘sopa’ que, al endurecer se convierte en una masa porosa y no homogénea) no hay que mezclar cemento, agua y agregados. Paradójicamente, los ingredientes de un buen concreto son los mismos; la diferencia está únicamente en aplicar conocimientos prácticos que involucran toda una tecnología9. [En general, los factores y procesos que constituyen la elaboración de concreto de calidad se resume en la Tabla 7].

Tabla 7. Factores y procesos en la elaboración de un buen concreto

Fuente: RODRIGUEZ MATALLANA, Ricardo. Generalidades del concreto. Bogotá: Asoconcreto. S.F. p. 6.

9 Ibíd., Tomo I, p. 5.

Concreto de Calidad

Selección de materiales Control de Producción Propiedades deseadas

Clase (calidad)

Cantidad (dosificación)

Uniformidad

Dosificación

Mezcla

Transporte

Manejo

Colocación

Compactación

Curado

Trabajabilidad

Uniformidad

Resistencia

Durabilidad

Impermeabilidad

Peso deseado

Etc.

Costos

Materiales

Labor

Equipo

Prueba de inspección y control

35

2.6. CLASIFICACIÓN DEL CONCRETO El concreto se puede clasificar desde varios puntos de vista, siendo los más comunes, por consistencia, por resistencia y por densidad o peso unitario. 2.6.1. Por consistencia. La consistencia es una medida indirecta de la trabajabilidad de una mezcla de concreto y se mide por medio del ensayo de asentamiento. De acuerdo con esto, el concreto se puede clasificar por su trabajabilidad [tal como lo muestra la Tabla 8].

Tabla 8. Clasificación del concreto por su consistencia

ASENTAMIENTO (cm)

CONSISTENCIA (Tipo de

Concreto)

GRADO DE TRABAJABILIDAD

TIPO DE ESTRUCTURA Y

CONDICIONES DE COLOCACIÓN

0 – 2.0 Muy Seca Muy Pequeño Vigas o pilotes de alta

resistencia con vibradores de formaleta.

2.0 – 3.5 Seca Pequeño Pavimentos vibrados y

construidos con máquina extrusora.

3.5 – 5.0 Semi – seca Pequeño

Construcciones en masa voluminosas. Losas

medianamente reforzadas con vibración. Fundaciones

en concreto simple. Pavimentos con vibradores

normales.

5.0 – 10.0 Media Medio

Losas medianamente reforzadas y pavimentos,

compactados a mano. Columnas, vigas,

fundaciones y muros con vibración.

10.0 – 15.0 Húmeda Alto

Secciones con mucho refuerzo. Trabajos donde la

colocación sea difícil. Revestimiento de túneles.

No recomendable para compactarlo demasiado.

Fuente: RODRIGUEZ MATALLANA, Ricardo. Generalidades del concreto. Bogotá: Asoconcreto. S.F. p. 6.

36

2.6.2. Por peso unitario (peso por unidad de volumen). Se clasifica en: • Concreto de peso liviano – aquel cuyo peso unitario es menos que 2000 kgf/m3 -. • Concreto de peso normal – aquel cuyo peso unitario está entre 2000 kgf/m3 y 2600 kgf/m3 -. • Concreto de peso pesado – aquel cuyo peso unitario es mayor que 2600 kgf/m3-.10

2.6.3. Por resistencia. Desde el punto de vista de la resistencia a la compresión a los 28 días el concreto se puede clasificar en: • Concreto normal: Aquel con una resistencia entre 140 kgf/cm2 (2000 psi) y 350 kgf/cm2 (5000 psi). • Concreto de alta resistencia: Aquel con una resistencia entre 350 kgf/cm2 (5000 psi) y 1000 kgf/cm2 (14000 psi). • Concreto de ultra alta resistencia: Aquel con una resistencia superior a 1000 kgf/cm2 (14000 psi).11

La resistencia del concreto es una habilidad para resistir esfuerzos y de allí que se pueda considerar de cuatro (4) maneras: Compresión (esfuerzo), Tracción (esfuerzo), Flexión (esfuerzo) y Corte (esfuerzo). El concreto presenta una alta resistencia a los esfuerzos de compresión y muy poca a los de tracción, razón por la cual la resistencia a la compresión simple es la propiedad más importante y a partir de ella se estudian las demás.

• Naturaleza de la resistencia del concreto. Las propiedades y la resistencia de cualquier sistema heterogéneo dependen de las características físicas y químicas de sus componentes y de las interacciones entre ellos mismos. Por su naturaleza, el concreto es una masa endurecida y heterogénea cuya resistencia depende únicamente de los siguientes factores: o La resistencia de la pasta endurecida. o La resistencia propia de las partículas del agregado y o La adherencia entre la pasta y los agregados.

10 Ibíd., Tomo I P. 5 y 6. 11 Ibíd., Tomo I; P. 5.

37

En cuanto a la resistencia de la pasta hidratada, es bien sabido que el cemento al contacto con el agua se hidrata y forma una masa semi – cristalina discontinua llamada “Gel”, que con el transcurso del tiempo adquiere resistencia la cual será mayor a medida que se incrementa el grado de hidratación12.

En lo que se refiere a la resistencia propia de las partículas del agregado, ellos tienen propiedades bien definidas e independientes del tiempo dentro de las cuales se destaca la resistencia de los granos. Al estar incrustados los agregados en una matriz (pasta de cemento) formando una masa endurecida, parte de la resistencia mecánica que soporta esta masa es aportada por las partículas de agregado. El tercer factor (adherencia entre la pasta y los agregados) se debe a que durante el proceso de fraguado y endurecimiento de la pasta de cemento, se genera una trabazón entre los agregados y la pasta, debido a la superficie de adherencia que se genera. La interacción entre los dos (2) elementos, además de variar con el tiempo, algunas veces lo hace también con la composición mineral que los materiales en contacto en cuya interacción se presentan fenómenos tanto físicos como químicos. La zona de contacto, llamada interfase “agregado-matriz”, es la fase más importante del concreto que establece el enlace crítico y normalmente se constituye en el elemento más débil de la masa endurecida.

• Factores que inciden en la resistencia. En general, el factor más importante en la resistencia de un concreto totalmente compactado es la relación agua/cemento. Sin embargo, para una mezcla trabajable, bien dosificada y en condiciones estándar de mezclado curado y métodos de prueba, además de la influencia de la relación agua/cemento, intervienen otros elementos como la granulometría, textura superficial, forma, resistencia, rigidez y tamaño máximo del agregado; el tiempo y calidad del cemento; así como de la calidad del agua y el tipo y cantidad de los aditivos. La resistencia del concreto también depende de la temperatura, del fraguado, de la edad y de muchos otros factores. A continuación, algunos de los más importantes: o Tipo y cantidad de cemento. El tipo y cantidad de cemento utilizado tiene gran influencia en la resistencia final conseguida por el

12 Ibíd., Tomo VII; P. 7.

38

concreto debido a que el cemento es el material químicamente “activo” en la mezcla. Es preciso anotar que distintas marcas y aún en el mismo tipo no se deben intercambiar sin antes hacer un riguroso análisis del efecto que dicho cambio pueda tener sobre la resistencia.13

Lo más importante en lo que respecta al cemento es su cantidad en la mezcla y generalmente se cumple que a mayor contenido de este se consiguen mayores resistencias. Dicha afirmación tiene su límite ya que se ha demostrado que para mezclas con una baja relación agua/cemento y con un contenido de cemento muy alto (superior a 470 kg/m3), la resistencia sufre una disminución, en especial cuando se utiliza agregado de gran tamaño. Este comportamiento se debe a los esfuerzos inducidos por la contracción que al ser obstruida por las partículas de agregado, causa agrietamiento de la pasta o una pérdida de adherencia entre el cemento y el agregado.

o Relación agua/cemento. Si se representa gráficamente la resistencia a la compresión Vs. La relación agua/cemento, se aprecia que toma forma aproximadamente hiperbólica (ver figura X.X.X.X.X.). Esto es válido para concreto elaborado con materiales de características determinadas y a una edad dada. En la práctica, muchas veces se utilizan materiales con características distintas a las previstas en el diseño de la mezcla, lo que conduce a resistencias distintas con la misma relación agua/cemento. Por esta razón se hace indispensable efectuar ensayos con los materiales que realmente van a ser utilizados en una obra específica, simular las condiciones a que estará expuesto el concreto, y desarrollar gráficas para determinar la relación real entre la resistencia y la relación agua/cemento. De la Figura 4, se puede observar que cuanto menor es la relación agua/cemento, mayor es la resistencia; sin embargo al emplear relaciones agua/cemento muy bajas la mezcla se vuelve más seca y difícil de compactar quedando porosa, al punto que la resistencia comienza a decrecer. Se recomienda hacer la compactación con vibrador para que se utilice una relación menor de agua/cemento.14

13 Ibíd., Tomo VII, p. 7. 14 Ibíd., Tomo VII, p. 8.

39

Figura 4. Representación gráfica de la resistencia Vs. Relación agua/cemento 350

315 280 245 210 175 140

0,3 0,4 0,45 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Especificaciones: Sin aire incluido Con aire incluido

Fuente: RODRIGUEZ MATALLANA, Ricardo. Propiedades del concreto. Bogotá: Asoconcreto. S.F. p. 8.

o Características de los agregados. En general se puede decir que para una misma relación agua/cemento, las partículas de agregado con textura rugosa o de forma angular forman concretos más resistentes que otros redondeados o lisos debido a que hay mayor trabazón entre los granos gruesos y el mortero; sin embargo, para igual contenido de cemento, los primeros exigen mayor cantidad de agua para lograr una determinada manejabilidad y por ello el efecto neto sobre la resistencia no varía en forma apreciable.

Una masa de agregados cuya granulometría sea continua, permite elaborar mezclas de alta compactación, mucho más densos y por lo tanto se consiguen mayores resistencias.

40

La resistencia y rigidez propia de los granos de agregado también influyen en la resistencia del concreto. Esto se debe a que un agregado muy poroso (como la piedra pómez) y de baja densidad, tiene menor resistencia que uno que uno de alta resistencia y muy denso. o Influencia del tamaño máximo. En general, la diferencia en tamaño máximo de un mismo tipo de agregado bien gradado, tienen dos (2) efectos opuestos en la resistencia a la compresión del concreto. En primer lugar, para una consistencia dada y para igual contenido de cemento, la utilización de tamaños máximos mayores requieren menos agua de mezclado que los agregados de tamaño máximo menores. Por otro lado, mezclas con la misma consistencia e igual relación agua/cemento, presentan resistencias más bajas cuando se utilizan agregados de tamaño máximo mayor. En particular, se ha logrado demostrar que para concretos de alta resistencia, mientras mayor sea la resistencia requerida, menor deberá ser el tamaño máximo para que la eficiencia sea máxima. Así mismo, para concretos de baja resistencia, mientras mayor sea el tamaño máximo, mayor será la eficiencia. Sin embargo para concretos de resistencia intermedia, existe un rango amplio en los tamaños máximos que se pueden usar para una misma resistencia, esencialmente con igual contenido de cemento. Únicamente se requiere de mayor cantidad de cemento si se utilizan agregados de tamaños máximos más pequeños. o Influencia del fraguado del concreto. Las condiciones de tiempo y temperatura durante el proceso de fraguado es otro de los factores que afecta la resistencia del concreto. El tiempo de fraguado inicial y final se consiguen cuando la resistencia a la penetración a 2,5 cm de profundidad de una de las agujas es de 35 y 280 kg/cm2 respectivamente (500 y 4000 psi). Sin embargo, la temperatura ambiente a la que está expuesta la mezcla puede afectar en forma adversa el tiempo de fraguado del concreto.

En climas fríos, el proceso de hidratación del cemento es más lento debido a que el medio ambiente le “roba” parte del calor de hidratación con el subsecuente retardo del tiempo de fraguado y, por tanto, la adquisición de resistencia se demora.

Por el contrario, cuando la temperatura es elevada, se aumenta la resistencia a muy temprana edad, pero se disminuye aproximadamente después de los siete (7) días. La rezón es que en una rápida

41

hidratación inicial de los granos de cemento es superficial y parece formar una pasta con una estructura física más pobre y posiblemente más porosa. o Curado del concreto. Luego del proceso de fraguado del concreto es necesario mantener el concreto tan saturado de agua como sea posible con el fin de terminar de hidratar al cemento y conseguir así su máxima eficiencia. Por esta razón, la resistencia del concreto depende en gran medida de la atención que se le preste a éste factor. Otro factor importante en el curado es su temperatura, debido a que un aumento durante este proceso acelera las reacciones químicas de la hidratación lo cual afecta en forma benéfica la resistencia a edades tempranas del concreto, pero con consecuencias adversas en la resistencia posterior. o Influencia de la edad del concreto. Inmediatamente se presenta el fraguado del concreto comienza el proceso de adquisición de resistencia con el transcurso del tiempo. En la práctica, normalmente se especifica que el concreto alcanza la máxima resistencia a la compresión a la edad de 28 días. La explicación es porque después de dicho tiempo el aumento de resistencia es muy poco.15

15 Ibíd., Tomo VII, p. 9, 10.

42

3. CERTIFICADOS DE CONCRETOS

A continuación se muestran los dos certificados correspondientes a las empresas que colaboraron con los testigos de los concretos: Figura 5. Certificado de Controlar Ingeniería Ltda.

Fuente: GUZMAN DUQUE, José Alejandro. Certificado de Concretos otorgados. Santiago de Cali, 2008.

43

Figura 6. Certificado de Inge Omac

28

Fuente: GARZÓN CARRILLO, Jaime. Certificado de Concretos otorgados. Santiago de Cali, 2008.

44

Tabla 9. Cantidad de cilindros aportados por empresas

CONTROLAR INGENIERÍA INGE OMAC TOTALES

26 24 50

Tabla 10. Cilindros especificados por empresa y esfuerzos

EMPRESA / ESFUERZO CONCRETO

CONTROLAR INGENIERÍA INGE OMAC

3000 10 8 3500 8 0 4000 8 8 5000 0 8

TOTALES 26 24

Figura 7. Concretos en el laboratorio de Mecánica de Materiales de la Universidad Autónoma de Occidente

45

4. CÁLCULOS

4.1. PARA LOS DISPOSITIVOS

4.1.1. Para la Uña (Dispositivo de Sujeción de la Cabeza del Tornillo) Se establece que este dispositivo debe tener una mejor y mayor resistencia mecánica que el tornillo debido a que debe halarlo (hasta posiblemente llevarlo a que falle por completo). El tornillo C – 1082, es de un acero que está entre un porcentaje de carbono de 20% a 22%, de lo cual tenemos que: Acero 1022: � Para partes de vehículos y maquinaria que no sean sometidas a grandes esfuerzos mecánicos. � Posee mejor resistencia en el núcleo que el 1015. Nos respondimos las siguientes preguntas:

• ¿Cuál es la fuerza que se aplica al tornillo?

• ¿Qué es lo que se busca? Fuerza mínima necesaria para romper el tornillo.

Figura 8. Esquema de la dirección de la fuerza sobre el tornillo F

46

Diámetro de Raíz: 4,5 mm = 0,0045 m. (1) (1.1) (1.2) Pero, para que rompa debe ser: (2)

(3) Para un acero 1020, el esfuerzo de fluencia ( equivale a 35 kgf/mm 2 que lo pasamos a kgf/m 2. 35 kgf/mm2 * 1X106 mm2/ m2 = 35 X 10 kgf/m 2 (*) Por lo tanto, la fuerza que dañará el tornillo será equivalente a lo encontrado en la igualación de las (2) y (3) y despejándole:

(4)

(4.1) (4.2) Pero, 1 Kgf = 9,8 N (5) Por lo tanto, (5.1)

47

O lo que es equivalente a, (5.2) Sobredimensionamos la fuerza que puede recibir el soporte que recibe la fuerza dos (2) – F2 -. Esta fuerza, va a ser un 50 % mayor a la Fuerza mínima requerida.

(6)

Se tiene en cuenta el siguiente (Figura 9.) modelo a seguir para implementarlo como dispositivo que agarrarán las mordazas:

Figura 9. Esquema del dispositivo de tracción

En la Figura 9., podemos ver dos recuadros rojos, los cuales nos indican los sectores, donde se presentarán los mayores esfuerzos en estos dispositivos. A continuación el Zoom correspondiente con las dimensiones a ser tomadas. Figura 10. Esquema de la sección afectada por la fuerza en la cabeza del tornillo para “Pull Out” 5, 5 mm

6 mm 4.5 mm

F

48

La figura anterior, nos enseña la fuerza donde se aplica en este dispositivo, tanto a un lado, como en el otro. Se puede decir, que esto se puede comportar como una viga empotrada. Este tipo de fuerza, hace que el presente dispositivo, falle por una de los dos (2) siguientes modos: Por tensión y/o por cortante a flexión pura.

• Falla por tensión

(7) Pero,

(8)

(8.1) Pero, Momento equivale a: M = F2 X r (9) (9.1) Que al reemplazar en la ecuación siete (7), tenemos que:

(10)

(10.1)

Figura 11. Uña para las pruebas de tracción

49

Ahora, se compara el esfuerzo de trabajo encontrado en esta última ecuación, con el esfuerzo de trabajo o de diseño permisible. Escogemos el 4140, para compararlo pues, este es el material con el cual se construirán los dispositivos de ensamble en la máquina UTS…Como vemos, lo resaltado en amarillo tanto en la tabla como en la ecuación (10.1), se puede trabajar con este material.El caso mínimo a modificar, sería una longitud de cuatro (4 mm) milímetros, donde inicialmente teníamos seis (6 mm) milímetros, pues obtendríamos el valor de 679 MPa, donde para nuestro caso, debería estar la pieza templada y revenida, a las temperaturas y fluidos indicados en la parte inferior de la tabla. Primer Caso Factor de Seguridad: F.S. = Carga Admisible/Carga Diseño = 427 MPa / 301.84 MPa = 1.415 (11) Segundo Caso Factor de Seguridad: F.S. = Carga Admisible/Carga Diseño = 1096 MPa / 679 MPa = 1.614 (12) Nota: Se decide construir el segundo diseño, o dispositivo. Tabla 11. Propiedades mecánicas mínimas estimadas del acero AISI 4140

RESISTENCIA A LA TRACCIÓN LÍMITE DE FLUENCIA TIPO DE

PROCESO Y ACABADO MPa (kgf/mm2) Ksi MPa (kgf/mm2) Ksi CALIENTE Y MAQUINADO 614 63 89 427 44 62

ESTIRADO EN FRÍO 703 72 102 620 63 90

TEMPLADO Y REVENIDO* 1172 120 170 1096 112 159

- Las propiedades arriba listadas, corresponden a barras de 20mm a 30mm de sección, probadas conforme a las prácticas estándar con probeta de 50 mm según norma nacional NMX B - 172. - En barras más delgadas de 20mm, deben esperarse valores ligeramente mayores en los datos de resistencia. - En barras con diámetros mayores de 30mm, existe un efecto de masa que tiene una influencia directa sobre las ropiedades mecánicas resultando en una disminución ligera de las mismas. - *Templado en agua a 840º C y revenido a 540º C. Para este caso las propiedades son promedio.

Fuente: Aceros al Carbono [en línea]. Lima: Metalurgia Perú, 2008. [Consultado en Marzo de 2008]. Disponible en Internet: http://www.importexporte.com/metalurgiaperu/metalurg iafisica.html

50

• Falla por flexión pura

Tenemos la siguiente ecuación:

(13)

Pero: V= 8232 N (13.1) El área, tiene un valor de:

(Primer Caso) (14)

A = (0,025 m) * (0,004 m) = 1 x 10 -4 m2 (Segundo Caso) (14.1)

Al reemplazar en la ecuación del Torque Máximo tenemos que:

(Primer Caso) (15)

(Segundo Caso) (15.1) Se halla el Torque Medio:

(Primer Caso) (16)

(Segundo Caso) (16.1)

Tenemos una relación entre el Torque máximo y el medio para aumentarlo.

(Primer Caso) (17)

(Segundo Caso) (17.1) Por lo tanto tenemos que:

= 8,4 X 106 kgf/m2

(Primer Caso) (18)

51

(18.1) El área de cortante de barrido As para una rosca de tornillo es el área del cilindro de su diámetro menor dr, que se calcula con la siguiente fórmula:

(19) Por lo tanto al reemplazar tenemos que: Wi (menor), sale como factor de área de cortante de barrido de rosca.

(20) Pero ahora, el esfuerzo cortante para el barrido de roscas τs se determina entonces a partir de:

(21)

Que al reemplazar, tenemos las siguientes respuestas:

(21.1) 4.1.2. Ángulo máximo de corte

J

CTmáx

*=τ = ( máxτ * J)/C = T (22)

Donde: T=Torque. C = Radio del Tornillo = 2,415 x 10 -3 m. J = Momento Polar de Inercia.

4*2/ CJ π= (23)

γτ *Gmáx = (24)

52

Donde: G=Módulo de Rigidez o de Corte del Material (AISI 1020) = 79,3 x 10 9 (Pa). Γ=Deformación a Cortante.

L

Cmáx

θγ *= (25)

Donde: Θ=Se hace la suposición de 360º = 6,283 rad. L=Longitud del tornillo 50,8 mm = 0,0508 m.

Desarrollo de ecuaciones.

radm

radmxmáx 299,0

)0508,0(

)283,6(*)10415,2( 3

==−

γ (26)

PaxradPaxmáx 109 10371,2)299,0(*)103,79( ==τ (26.1)

mNmx

xPaxT *569,524

10415,2

)10415,2(*)2/(*)10371,2(3

4310

== −

−π

(27)

Nota: Se realiza una “regla de tres simple”, para saber, con el dato hallado experimentalmente (15,3 pies*lbs = 20,7 N*m).

mN

mN

X *7,20

*569,524º360 = ∴∴∴∴ X = 14,2º (28)

Al reemplazar en la siguiente ecuación, obtenemos el mismo valor:

Ø =T*L/J*G = ((20,7 N*m)*(0,0508 m))/((5,343x10-11 m4)*(79,3 x 109 Pa)) = 1,052 N*m2/4,237 m4 * Pa = 0,248 rad = 14,2º (29)

53

4.2. PARA EL TORNILLO • Área superficial en 1 Pulgada. En esta superficie, se acomodan siete (7) crestas de las que trabajan como ancla del tornillo, y por ende siete (7) crestas de las que trabajan arrastrando la pija. De acuerdo al plano (Copia Controlada) del prototipo (Figura 1), podemos calcular dimensiones de las cuales nos ayudan para ver posteriormente una comparación en los valores de los esfuerzos otorgados por el software (Algor). Tenemos que, el área de la cresta superior (anclaje) es el diámetro del pico mayor, menos el diámetro de la raíz. Y, para el área de la cresta inferior (arrastre), es el diámetro del pico menor, menos el diámetro de raíz. Este valor, lo multiplicamos por Pi (π) y elevamos estos resultados al cuadrado cada uno. Finalmente lo dividimos entre 4 (por estar trabajando con diámetros). Quedando de la siguiente manera expresado matemáticamente:

(30)

(30.1)

Finalmente, multiplicamos por la cantidad de crestas en esta distancia (aunque son solo dos –la inferior y la superior-, si se colocan en un plano, se pueden identificar siete de cada una de ellas). Nos interesa saber la de la sumatoria de las crestas superior e inferior pues, al estar embebido el tornillo en el concreto, las crestas inferiores, también actúan como una pequeña ancla (aunque no tan efectiva como la superior). A (cresta superior) + A (cresta inferior) = 13,34 mm2 + 1,94 mm2 = 15,29 mm 2 (31)

15,9 mm 2 X 7 = 107 mm 2 = 0.000107 m2 = 0.1658503 In2 (32)

Al momento de analizar el montaje en Algor, se comparará con el área de la ecuación anterior. Recordemos que la fórmula a trabajar sería:

(33)

54

La fuerza, la otorga cada prueba real necesaria con que haya fallado cada configuración de los montajes (tornillo embebido en el concreto). En el capítulo de ANÁLISIS EN ELEMENTOS FINITOS (ALGOR), se analiza un caso para hallar el Factor de Intensidad de Esfuerzos para este tornillo con el resultado y anterior (32) y fórmula anterior (33).

55

5. PROCESO DE TRABAJO

5.1. DESCRIPCIÓN GENERAL

Luego de haber conocido los objetivos del Proyecto (Definir una metodología de trabajo experimental para la validación del producto para comparar con las normas aplicables y con los productos similares existente; Diseñar las pruebas o ensayos de laboratorios para validar los resultado; Realizar pruebas de mercado en el área de la Construcción para definir el(los) tamaño (s) del (os) tornillo (s) que llegarán a ser comercializados; Hacer un estudio comparativo entre lo teórico, experimental y computacional de la validación del diseño de tornillo fabricado por CATO S.A.),se procedió a investigación de materiales específicos para la construcción, especialmente los utilizados en la fabricación del concreto. Para esto, se contó con la ayuda de tres consultoras con amplia experiencia en sus campos de acción, básicamente en las pruebas de Compresión del Concreto y en la de Flexión del Concreto. Al tiempo que se hacía la investigación con las consultoras, se diseñaron los dispositivos los cuales, fueron dibujados, juntamente con el tornillo a probar (C – 1082; CATO) . Se habían estudiado con antelación las normas correspondientes al experimento. Estas pruebas, al ser especializadas y destructivas se basaron en la norma ASME B18.18.3., donde se había tenido por conocimiento que, se requeriría destruir cuatro tornillos (posiblemente en cuatro discos – tortas - de concreto, pues el concreto se fragiliza luego de cada prueba). Aunque la norma indica que solo se requiere de dos ensayos, se decidió contar con doblar esta cantidad, conociendo que el concreto muchas veces se comporta extrañamente ante las pruebas de tracción, pues, no sobrelleva un trabajo ideal ante éstas. Figura 12. Cilindro minutos previos al corte

56

La información teórica del comportamiento del concreto, fue otorgada por Diconsultoría Ltda, así como las vigas de 6500 psi. Controlar Ingeniería Ltda., otorgó cilindros de 3000, 3500 y 4000 psi así como vigas de 3000 psi. Inge - Omac, brindó cilindros de 3000, 4000 y 5000 psi. Estos concretos se almacenaron y se procedió con el corte de ellos mientras se construían los dispositivos que se añadirían a la Máquina de Ensayos Universal UTS, en un taller mecánico. Las figuras doce, trece y catorce (12, 13 y 14), muestran parte del proceso de corte y almacenamiento de los cilindros de concreto. El corte se hizo con una pulidora con un disco de 9” de diámetro con punta de tungsteno. Cada cilindro se cortó en 4 pedazos con distancias similares en su altura (7,5 cm). Luego del corte, se le hizo un desbaste a los bordes prominentes que quedaron fruto de la cuchilla de la máquina.

Posterior a esto, se marcaron los concretos (con crayolas y marcadores indelebles al agua), por colores (donde el color rojo indicaba que era para la prueba de Cortante y el azul para la prueba de Tracción) indicando la distancia del borde y penetración debida de la broca para luego hacer la penetración con el tornillo. Figura 13. Proceso de Corte de los Cilindros Se procedió posterior a esto a perforar con brocas para muro (3/16”), a dos profundidades distintas (1 – ¼” y 1 – ¾”) para penetrar los tornillos en los cilindros de concreto (tortas), a 1” y a 1 – ½”, como se recomienda debido a que la pija que se va soltando del concreto, va siendo transportada por el hilo del diente del tornillo de menor diámetro hasta el fondo del agujero donde requiere un espacio para su acomodo.

57

A continuación se trasladaron las tortas a la Universidad, donde, ya con el permiso adecuado para las pruebas, se hicieron ensayos donde los datos eran solo para probar la manera adecuada de trabajar al tiempo que se hacían comparaciones con el tornillo competencia. Se inició con la prueba de “Pull Out” y con los esfuerzos menores en los concretos (3000 psi), se decidió eliminar los resultados de los concretos de 6500 psi por dos (2) razones principalmente: su geometría (rectangular) que era distinta (este tipo de esfuerzos se utiliza para suelos, donde, su análisis es distinto que para paredes por parte de las consultoras) y, su leve diferencia con el método de ensayo de las consultoras pues, las vigas se analizan a flexión, mientras que los cilindros a compresión. Vale recordar, que, para un esfuerzo tan alto, no se acostumbra realizar tampoco paredes o techos de estructuras, que son los lugares de trabajo de el tornillo (C – 1082), sino, para suelos exclusivamente.

Se continúo con las pruebas de Cizalla. Un proceso similar a las pruebas de “Pull Out”, se realizó. De penúltimo, la prueba a “Cortante Puro Simple”, se efectuó a 4 tornillos (aunque la norma pedía 8 pruebas, con solo cuatro fue suficiente al ver su similitud entre estas primeras) para ver posibles fallas si se llegasen a encontrar en los resultados donde inicialmente, por cansancio y/o por otro motivo, se dejaron de percibir en la primera oportunidad. La tabla (12), indica los resultados obtenidos, donde vale la pena recalcar su aproximación en los datos encontrados. Figura 14. Cilindros cortados en discos

Para concluir, una prueba con el torquímetro, se llevó a cabo, para evaluar la fuerza máxima necesaria para introducir estos tornillos en el concreto. Se efectuaron solo cuatro (4) para cada configuración, pues, al ver que su respuesta era casi constante, se evitaron destruir más de ellos. La Tabla 12, nos indica los resultados.

58

Una vez obtenidos los datos, se digitaron en una tabla de Excel (donde, el valor obtenido de la Máquina UTS arrojaba el valor en Newton y posterior mente se dividía este valor entre 4,45, que es el equivalente a convertirlo a Libras y luego se dividía por el Factor de Seguridad [4] para obtener un resultado adecuado de trabajo). Se hicieron los descartes necesarios debido a agrietamientos y a deslizamientos del tornillo al estar embebido en el tornillo.

La máquina se pautó para que trabajara a una velocidad de 5 mm/min . Para todas las pruebas, esa fue la velocidad de trabajo de la máquina Universal de Ensayos, en todas las pruebas ejecutadas. Tabla 12. Cizalla pura simple al tornillo CATO

RESULTADO 1 Promedio 1

Tornillos Fuerza (lbs) (lbs)

1 2975.8

2 3199.9

3 3119.9

4 3108.0

3100.9

El valor encontrado en la Tabla 12, nos dice que cualquier valor por debajo de éste (3100,9 lbs), es viable para que fuera dentro de lo normal de la validación. Posibles niveles de errores, se pudieron haber dado por causa del concreto y su estructura frágil. Tan pronto se eliminaron los resultados inservibles, se separaron dos grupos por cada configuración. El primero, indicando los valores más cercanos y próximos entre sí, siendo los inferiores y el otro grupo, los superiores. Se pudo observar, que, el tornillo, en una configuración de 3000 psi, al hacer la comparación debida con el tornillo competencia, lo superaba en las pruebas tomando, los valores cercanos inferiores. La tabla (13), nos muestra este comportamiento. Por lo tanto, se decidió tomar los resultados más similares de acuerdo a cada caso como los de comparación y los de validación del tornillo CATO.

59

Tabla 13. Prueba de Torquímetro al tornillo CATO

RECOPILACIÓN DE DATOS "Prueba de Torquímetro"

RESULTADO PROMEDIO Concreto a 28 días de curado (máxima resistencia de trabajo) Torque PROMEDIO GENERAL

ITEM GRAL. CONCRETO ITEM BORDE EMBEBIDO (piesxlbs) (piesxlbs) (piesxlbs)

1 1 3 In 1 - 3/4 In 15.5

2 2 3 In 1 - 3/4 In 14

3 3 3 In 1 - 3/4 In 14.5

4

30

00

PSI

4 3 In 1 - 3/4 In 16

15

5 1 3 In 1 - 3/4 In 16

6 2 3 In 1 - 3/4 In 15

7 3 3 In 1 - 3/4 In 15.5

8 35

00

PSI

4 3 In 1 - 3/4 In 15

15.4

9 1 3 In 1 - 3/4 In 15.5

10 2 3 In 1 - 3/4 In 15.5

11 3 3 In 1 - 3/4 In 15

12 40

00

PSI

4 3 In 1 - 3/4 In 15

15.3

13 1 3 In 1 - 3/4 In 15

14 2 3 In 1 - 3/4 In 15.5

15 3 3 In 1 - 3/4 In 15.5

16 50

00

PSI

4 3 In 1 - 3/4 In 15

15.3

17 1 3 In 1 - 3/4 In 16

18 2 3 In 1 - 3/4 In 15.5

19 3 3 In 1 - 3/4 In 16

20 65

00

PSI

4 3 In 1 - 3/4 In 15

15.6

15,3

El IFI (Industrial Fasteners Institute - Table 5. Torsional Strenght Requeriments for Tapping Screw..),16 nos enseña de que para un tornillo de estas características de un cuarto de pulgada (1/4”) de diámetro el torque máximo para pruebas es de 142 lbf*in . El dato encontrado para el C-1082, es de 15,3 (libra fuerza*pies), que equivale a 183.6 lbf*in.

16 Military Standar. Inch Fasteners Standars, Thread forming and thread cutting tapping screws and metallic drive screws. Cleveland: ASME B18.6.4, 2003. H – 24.

60

Figura 15. Dispositivo de soporte “Pull Out”

Figura 16. Dispositivo de corte

Durante la prueba de cortante, se encontró que el dispositivo de corte (Figuras 16 y 17), se deslizaba conforme se realizaba la prueba. Esto se puede similar mucho a un caso real de trabajo de la vida real. En la Figura 15, se observa la tapa superior del dipositivo de Pull Out. El Agujero central, es por donde se acopla la uña de tracción al tornillo embebido en el concreto. Los orificios laterales, sirven para sujetar la base a esta tapa.

61

Figura 17. Dispositivo de corte en acción

Figura 18. Placa donde se soldaron los Cinturones para la Cizalla

La Figura 18, fue la base del concreto para las pruebas de cortante. Se le soldó uno y/o dos cinturones en una cara de estas láminas de acero negro. En la Figura 19, vemos el dispositivo de corte simple al tornillo. Lleva uno similar al lado opuesto al momento de su ensamble. (Nota: Ver todos los dispositivos en la presentación en Power Point, del presente trabajo).

62

Figura 19. Dispositivo de Cizalla Pura Simple para el tornillo

Tabla 14. Datos de Buildex para comparar con CATO.

Fuente: The Original Masonry Fastening System - now with "Advanced Threadform Technology™" [en lìnea]. Illinois, U.S.A.: TAPCON II, Buildex, 1998 – 2008. [Consultado el 23 de Octubre de 2008]. Disponible en internet: http://www.itwbuildex.com/tapcon.htm. 2008.

Al observar por medio de líneas de tendencias (Gráficos 20 al 27), el comportamiento de cada tipo de concreto, en las Tablas 15 al 22, se observan los resultados de Tensión; donde podemos notar que, para las pruebas de “Pull Out”, la tendencia es a que la curva decrezca (posiblemente debido a que el concreto no se comporta idealmente a Tensión) y podemos llegar a concluir que, entre mayor sea la resistencia del concreto, más frágil se comporta. Para la prueba de “Shear”, ocurre todo lo contrario, pues vemos de que esta línea de tendencia aumente constantemente a medida el concreto cuente con mayores esfuerzos.

63

5.2. RESULTADOS FINALES Y LÍNEAS DE TENDENCIA Tabla 15. Resultado prueba “Pull Out”; 1 in del borde y 1 in de penetración

RESULTADO

1 Fuerza

Unidades del Esfuerzo Concreto: p.s.i.

Fuerza

Resultado 1, dividido

en 4* PROMEDIO 1

Promedio 2, dividido

en 4*

Esfuerzo Concreto

ITEM BORDE

(in) EMBEBIDO

(in) (lbs) (lbs) (lbs) (lbs)

1 1 1 896.9 224.2 3000

2 1 1 875.9 219.0 914,4 228,6

1 1 1 618.8 154 3500

2 1 1 808.2 202.1 713,5 178,1

1 1 1 581.8 145.4 4000

2 1 1 630.3 157.6 581,1 145,3

1 1 1 875.9 219.0 5000

2 1 1 848 212 862 215,5

* Según lo recomendado por Buildex y lo hallado posteriormente en Algor.

Figura 20. Gráfico prueba “Pull Out”; 1 in del borde y 1 in de penetración

64

Tabla 16. Resultado prueba “Pull Out”; 1 in del borde y 1 – 1/2 in de penetración

RESULTADO

1 Fuerza

Unidades del Esfuerzo Concreto: p.s.i.

Fuerza

Resultado 1, dividio

en 4* PROMEDIO

1

Promedio 2, divido

en 4*

Esfuerzo Concreto

ITEM BORDE

(in) EMBEBIDO

(in) (lbs) (lbs) (lbs) (lbs)

1 1 1 - 1/2 1582.1 395.5 3000

2 1 1 - 1/2 1592.2 398.0 1587,2 396,8

1 1 1 - 1/2 1342.8 335.7 3500

2 1 1 - 1/2 1240.9 310.2 1291,9 323

1 1 1 - 1/2 1032.3 258.1 4000

2 1 1 - 1/2 1422.5 355.6 1227,4 306,9

1 1 1 - 1/2 1127.0 281.8 5000

2 1 1 - 1/2 1455.0 363.7 1291,0 322,8

* Según lo recomendado por Buildex y lo hallado posteriormente en Algor.

Figura 21. Gráfico prueba “Pull Out”; 1 in del borde y 1 -1/2 in de penetración

65

Tabla 17. Resultado prueba “Pull Out”; 2 – ½ in del borde y 1 in de penetración

RESULTADO 1

Fuerza Unidades del Esfuerzo Concreto: p.s.i.

Fuerza

Resultado 1,

dividido en 4*

PROMEDIO

1

Promedio 2, dividido

en 4*

Esfuerzo Concreto

ITEM BORDE

(in) EMBEBIDO

(in) (lbs) (lbs) (lbs) (lbs)

1 2- 1/2 1 955.0 238.8 3000

2 2- 1/2 1 816.0 204 1258,8 314,7

1 2- 1/2 1 993.0 248.3 3500

2 2- 1/2 1 1174.6 293.7 1038,8 271

1 2- 1/2 1 840.7 210.2 4000

2 2- 1/2 1 1109.2 277.3 975 243,7

1 2- 1/2 1 823.3 205.8 5000

2 2- 1/2 1 946.4 236.6 884,9 221,2

* Según lo recomendado por Buildex y lo hallado posteriormente en Algor.

Figura 22. Gráfico prueba “Pull Out”; 2 – 1/2 in del borde y 1 in de penetración

66

Tabla 18. Resultado prueba “Pull Out”; 2 – ½ in del borde y 1 – 1/2 in de penetración

RESULTADO 1

Fuerza

Unidades del Esfuerzo Concreto: psi

Fuerza

Resultado 1,

dividido en 4* PROMEDIO 1

Promedio 2,

dividido en 4*

Esfuerzo Concreto

ITEM BORDE

(in) EMBEBIDO

(in) (lbs) (lbs) (lbs) (lbs)

1 2 - 1/2 1 - 1/2 1727.6 431.9 3000

2 2 - 1/2 1 - 1/2 1642.0 410.5 1684,8 421,2

1 2 - 1/2 1 - 1/2 1385.0 346.2 3500

2 2 - 1/2 1 - 1/2 1653.9 413.5 1519,5 379,9

1 2 - 1/2 1 - 1/2 2080.0 520.0 4000

2 2 - 1/2 1 - 1/2 1734.5 433.6 1907,3 476,8

1 2 - 1/2 1 - 1/2 1268.8 317.2 5000

2 2 - 1/2 1 - 1/2 1396.9 349.2 1332,9 333,2

* Según lo recomendado por Buildex y lo hallado posteriormente en Algor.

Figura 23. Gráfico prueba “Pull Out”; 2 - 1/2 in del borde y 1 -1/2 in de penetración

67

Tabla 19. Resultado prueba “Shear”; 1 in del borde y 1 in de penetración

RESULTADO 1

Fuerza Unidades del Esfuerzo Concreto: psi

Fuerza

Resultado 1,

dividido en 4*

PROMEDIO

1

Promedio 2, dividido

en 4*

Esfuerzo Concreto

ITEM BORDE

(in) EMBEBIDO

(in) (lbs) (lbs) (lbs) (lbs)

1 1 1 1417.0 354.3 3000

2 1 1 691.1 172.8 652 163

1 1 1 429.5 107.4 3500

2 1 1 769.3 192.3 599,4 149,9

1 1 1 624.8 156.2 4000

2 1 1 637.6 159.4 631,2 157,8

1 1 1 860.8 215.2 5000

2 1 1 653.2 163.3 757 189,3

* Según lo recomendado por Buildex y lo hallado posteriormente en Algor.

Figura 24. Gráfico prueba “Shear”; 1 in del borde y 1 in de penetración

68

Tabla 20. Resultado prueba “Shear”; 1 in del borde y 1 – 1/2 in de penetración

RESULTADO 1

Fuerza Unidades del Esfuerzo Concreto: psi

Fuerza

Resultado 1,

dividido en 4* PROMEDIO 1

Promedio 2,

dividido en 4*

Esfuerzo Concreto

ITEM BORDE

(in) EMBEBIDO

(in) (lbs) (lbs) (lbs) (lbs)

1 1 1 - 1/2 806.4 201.6 3000

2 1 1 - 1/2 946.4 236.6 876,4 219,1

1 1 1 - 1/2 1429.4 357.3 3500

2 1 1 - 1/2 1055.7 263.9 1242,6 310,6

1 1 1 - 1/2 1214.8 303.7 4000

2 1 1 - 1/2 755.6 188.9 985,2 246,3

1 1 1 - 1/2 1430.3 357.6 5000

2 1 1 - 1/2 1187.4 296.8 1308,9 327,2

* Según lo recomendado por Buildex y lo hallado posteriormente en Algor.

Figura 25. Gráfico prueba “Shear”; 1 in del borde y 1 – 1/2 in de penetración

69

Tabla 21. Resultado prueba “Shear”; 2 - 1/2 in del borde y 1 in de penetración

RESULTADO

1 Fuerza

Unidades del Esfuerzo Concreto: psi

Fuerza

Resultado 1, dividido

en 4* PROMEDIO 1

Promedio 2, dividido

en 4*

Esfuerzo Concreto

ITEM BORDE

(in) EMBEBIDO

(in) (lbs) (lbs) (lbs) (lbs)

1 2- 1/2 1 818.7 203.2 3000

2 2- 1/2 1 762.0 190.5 790,4 196,9

1 2- 1/2 1 859.9 215.0 3500

2 2- 1/2 1 915.3 228.8 887,6 221,9

1 2- 1/2 1 1146.7 286.7 4000

2 2- 1/2 1 899.2 224.8 1023 255,8

1 2- 1/2 1 1036.5 259.1 5000

2 2- 1/2 1 1230.9 307.7 1133,7 283,4

* Según lo recomendado por Buildex y lo hallado posteriormente en Algor.

Figura 26. Gráfico prueba “Shear”; 2 – 1/2 in del borde y 1 in de penetración

70

Tabla 22. Resultado prueba “Shear”; 2 - 1/2 in del borde y 1- 1/2 in de penetración

RESULTADO 1 Fuerza Unidades del Esfuerzo Concreto: psi

Fuerza

Resultado 1, dividido en 4* PROMEDIO 1

Promedio 2, dividido en 4*

Esfuerzo C. ITEM

BORDE (in)

PENETRACIÓN (in) (lbs) (lbs) (lbs) (lbs)

1 2 - 1/2 1 - 1/2 1417.0 354.3 3000

2 2 - 1/2 1 - 1/2 691.1 172.8 1054,1 263,5

1 2 - 1/2 1 - 1/2 936.3 234.1 3500

2 2 - 1/2 1 - 1/2 948.2 237.0 942,3 235,6

1 2 - 1/2 1 - 1/2 1354.3 338.6 4000

2 2 - 1/2 1 - 1/2 1155.4 288.8 1254,9 313,7

1 2 - 1/2 1 - 1/2 1258.3 314.6 5000

2 2 - 1/2 1 - 1/2 1368.1 342.0 1313,2 328,3

* Según lo recomendado por Buildex y lo hallado posteriormente en Algor.

Figura 27. Gráfico prueba “Shear”; 2 – 1/2 in del borde y 1 – 1/2 in de penetración

71

Tabla 23. Resumen de CATO (3000 psi) para comparar con Buildex (3192 psi)

Esfuerzo de 3000 psi

Prueba de Tensión Prueba de Cortante

Distancia del borte al tornillo

Distancia del borde al tornillo

Diámetro del

TapCon

Profundidad mínima del

tornillo (embebido

en el concreto) 1" 2 - 1/2 " 1" 2 - 1/2 "

1" CATO 228,6 314,7 163 196,9

1 - 1/2 " CATO

396,8 421,2 219,1 263,5

1 - 3/4 " CATO

X X X X

1" BUILDEX 209.0 212.0 115.0 297.0

1 - 1/2 " BUILDEX

X X X X

1/4

1 - 3/4 " BUILDEX

510.0 575.0 115.0 384.0

Tabla 24. Comparación entre 1 in y 1 – ½ in de penetración a 1 in vs. 2 – ½ in del borde en concreto de 3000 psi.

3000 psi a 1 in del borde Pull Out Shear *El Factor de

Seguridad = 4

(in) de

penetración

Sin F.S. Con

F.S.*

Sin

F.S.

Con

F.S.*

1 914,4 228,6 652 163

1,5 1587,2 396,8 876,4 219,1

3000 psi a 2 - 1/2 in del borde Pull Out Shear *El Factor de

Seguridad = 4

(in) de

penetración

Sin F.S. Con

F.S.* Sin F.S.

Con

F.S.*

1 1258,8 314,7 790,4 196,9

1,5 1684,8 421,2 1054,1 263,5

3500 psi a 1 in del borde Pull Out Shear *El Factor de

Seguridad = 4

(in) de

penetración

Sin F.S. Con

F.S.* Sin F.S.

Con

F.S.*

1 713,5 178,1 599,4 149,9

1,5 1291,9 323 1242,6 310,6

3500 psi a 2 - 1/2 in del borde Pull Out Shear *El Factor de

Seguridad = 4

(in) de

penetración

Sin F.S. Con

F.S.*

Sin

F.S.

Con

F.S.*

1 1038,8 271 887,6 221,9

1,5 1519,5 379,9 942,3 235,6

72

Figura 28. Comparación del ensayo de tracción en concreto de 3000 psi

4000 psi a 1 in del borde Pull Out Shear *El Factor de

Seguridad = 4

(in) de

penetración

Sin F.S. Con

F.S.*

Sin

F.S.

Con

F.S.*

1 581,1 145,3 631,2 157,8

1,5 1227,4 306,9 985,2 246,3

4000 psi a 2 - 1/2 in del borde Pull Out Shear *El Factor de

Seguridad = 4

(in) de

penetración

Sin F.S. Con

F.S.* Sin F.S.

Con

F.S.*

1 975 243,7 1023 255,8

1,5 1907,3 476,8 1254,9 313,7

5000 psi a 1 in del borde Pull Out Shear *El Factor de

Seguridad = 4

(in) de

penetración

Sin F.S. Con

F.S.*

Sin

F.S.

Con

F.S.*

1 862 215,5 757 189,3

1,5 1291,0 322,8 1308,9 327,2

5000 psi a 2 - 1/2 in del borde Pull Out Shear *El Factor de

Seguridad = 4

(in) de

penetración

Sin F.S. Con

F.S.* Sin F.S.

Con

F.S.*

1 884,9 221,2 1133,7 283,4

1,5 1332,9 333,2 1313,2 328,3

73

74

6. ANÁLISIS EN ELEMENTOS FINITOS (ALGOR Versión 19)

Algor constituye un conjunto de herramientas software en un variado campo del análisis mecánico o estructural, basado en el Método de los Elementos Finitos (FEA). Fue el primer software FEA sobre PC, el primer sistema de análisis de difusión masiva y bajo coste (más de 15.000 usuarios por todo el mundo), el primer código FEA implementado en NT, y muchos otros hitos que lo han distinguido siempre como la herramienta de análisis FEA más versátil del mercado.17

El análisis del tornillo embebido en el concreto, se analizó por Análisis Simple en el Modelo del FEA, en Tensión Estática con Modelos de Materiales Lineales.

Se acomodaron los parámetros de análisis, tales como tipos de materiales de los elementos para simular (Concreto y Acero AISI 1020), y dentro de ellos los correspondientes a las modificaciones que se requerían, tales como el “Módulo de elasticidad”, para identificar y modificar los distintos tipos de Esfuerzos de Concreto. Este módulo inicialmente estaba predeterminado para 4500000 lb/in 2. Este valor se modificó por el de 4267003 lb/in 2, siendo que es el aproximado por el software y las tablas correspondientes encontradas en libros y páginas de la red especializadas. La siguiente Figura (36) muestra estos cambios introducidos con la ayuda del software Convert y la página reconocida de concretos. Estos cambios, se realizaron debido a que el software, no muestra el esfuerzo específico que se requiere para trabajar con cada configuración.

El primer análisis efectuado, fue el correspondiente al de estar embebido el tornillo 1 (una) pulgada a 1 (una) pulgada del borde del concreto de 3000 psi. Se analizó su comportamiento a carga de Tracción (Pull Out). En esta prueba se encontró que el Factor de Seguridad, efectivamente para un trabajo adecuado de este tornillo, es de 3,8. Es superior por 2 (dos) décimas al de Buildex, que recomienda 4. Esta aproximación nos podría indicar que la carga encontrada experimentalmente, se acomoda muy bien a la simulada y por lo tanto, es fiable el valor encontrado de Fuerza necesaria para que este tornillo falle bajo estas condiciones.

17 Información general de productos de Algor [en línea]. Madrid: Algor, 2008. [Consultado en Agosto 25 de 2008]. Disponible en internet en: http://www.caesoft.es/productos/algor/producfea/productos.htm

75

En cuanto al esfuerzo de la configuración Concreto Tornillo, se encontró que es equivalente a 14359,1 (lb/in 2) que es lo mismo a 1.009545e+007 (kg/m 2) ó 1009.545 (kg/cm 2). La Figura (38), indica esta realidad.

Vale recalcar que se desplazó únicamente 0,000567819 in (0.0144226 mm) únicamente el tornillo antes de que se encontrara el valor del esfuerzo y Factor de Seguridad – según lo indicó el trabajo en Algor – dentro del concreto, en la dirección en el eje donde se le aplicó la fuerza a este tipo de configuración. Es poco, aunque este método no tiene comparación con el experimental, ya que la máquina UTS se configuró para que trabajara hasta que fallará el concreto y/o tornillo. Al retomar los datos de las ecuaciones (32) y (33), continuamos con lo que el software nos mostró en el análisis (donde se escogió la configuración básica -1 in del borde y 1 in de penetración – para hallar el Factor de Intensidad de esfuerzos para este ensamble ‘tornillo y concreto’).

0.1658503 in 2 (32)

(33)

76

Figura 29. Adecuación del cambio de concreto (3000 psi) en Algor (elementos finitos)

77

Para esta configuración, la fuerza obtenida fue de 914,4 lb (Anexos LL y M) que al reemplazar quedaría así:

psiIn

lbs

A

F4,5508

166,0

4,9142

===σ (34)

Al observar la Figura 31, notamos que el valor del esfuerzo hallado en la configuración del ensamble tornillo – concreto, es de 14359,1 psi.

La teoría de los Factores de Concentración de los Esfuerzos, dice que “es una medida muy usada que relaciona la tensión máxima con la tensión nominal. La tensión nominal es la que debería haber en un punto de una sección si las tensiones se distribuyeran uniformemente sobre esa sección. La tensión máxima es la que ocurre localmente en algún lugar de la sección debida a la concentración. 18

(35)

Tabla 25. Factor de concentración de esfuerzos de FERGUSON, EUGENE

Fuente: Factor de intensidad de esfuerzos, [en línea]. Concentración de tensiones, Mayagüez: Universidad de Puerto Rico, 2004. [Consultado el 23 de Septiembre de 2008]. Disponible en internet en: http://www.uprm.edu/civil/circ/newsite/webresearchers/LuisGodoy/courses/INCI6017/4%20Concentracion%20de%20tensiones/Problemas%20decConcentracion%20tensiones.pdf

Al analizar el dato hallado (2,6), se observa que se mantiene en el rango de Factores de Concentración de Esfuerzos de la rosca de los tornillos (2.1 a 2.8) {que corresponden a un SAE grado (0-2)}

18 Factor de intensidad de esfuerzos, [en línea]. Concentración de tensiones, Mayagüez: Universidad de Puerto Rico, 2004. [Consultado el 23 de Septiembre de 2008]. Disponible en internet en: http://www.uprm.edu/civil/circ/newsite/webresearchers/LuisGodoy/courses/INCI6017/4%20Concentracion%20de%20tensiones/Problemas%20decConcentracion%20tensiones.pdf

ckpsi

psi

alno

máximoSc ==== 6,2

4,5508

1,14359

minσσ

SAE grade

Metric

grade

Rolled threads Cut

threads

Fillet

0-2

4-8

3.6-5.8

6.6-10.9

2.2

3.0

2.8

3.8

2.1

2.3

78

Figura 30. Factor de seguridad encontrado (3000 psi) en la simulación por Algor

79

Figura 31. Esfuerzo Von Misses encontrado (3000 psi) en la simulación por Algor

80

7. COMENTARIOS Y DISCUSIÓN

Es importante notar que las diferencias entre los ensayos de un mismo concreto al tener tan dispersos los resultados, se debieron en gran manera a que los cilindros otorgados no pertenecían de un mismo proveedor. Pero, cada consultora certificó que efectivamente tenía el esfuerzo otorgado por ellas. Los valores encontrados en pruebas similares no varió mucho de uno respecto del otro. Por lo analizado, la resistencia física es la propiedad más importante del concreto, porque en forma directa influye en las demás características de significado práctico. En general, los concretos más resistentes son más densos, menos permeables y más resistentes al estar a la intemperie y ciertos agentes destructivos. De otro lado, los concretos resistentes usualmente exhiben mayor concentración por fraguado y menor extensibilidad, por lo tanto son más propensos al agrietamiento*. La geometría de los concretos en los cuales se embebieron los tornillos podría tener un significado en el resultado final, pues, para la serie de 6500 PSI, se utilizaron rectángulos, mientras para todos los otros esfuerzos de los concretos, se utilizaron cilindros. Por lo general, fueron los que más se agrietaron al estar tan cerca a dos bordes y no a uno, como aconteció con los cilindros. El esfuerzo otorgado por DiConsultoría en sus concretos fue analizado desde el punto de vista de flexión de las vigas, mientras que, para los cilindros, estaban analizados por Consultar Ingeniería & Inge Omac, desde Cizalla Simple a Compresión en sus testigos. Los datos de esta empresa se omitieron y solo funcionaron para la prueba del Torquímetro. Los cilindros y vigas analizados, en los ensayos, provienen de obras reales (tales como las edificaciones de la Constructora Bariloche y las del MIO), las cuales, contienen materiales verídicos de una obra existente, haciendo que estas pruebas sean mucho más valederas.

Realizar un agujero en un concreto de 5000 PSI, es mucho más difícil que en uno de 3000 PSI. El recalentamiento de las brocas al estar en contacto con muchísimas piedras pequeñas hace efectuar más fuerza sobre la broca, lo cual, se quema con facilidad y se parte posteriormente. Acá se cumple una vez

* Según ASOCONCRETO. Serie de Conocimientos Básicos de CONCRETOS.

81

más en que entre más duro es el material, más frágil se comporta, pues, eso se observó en las pruebas realizadas. El direccionamiento correcto de la broca, es muy importante, ya que un agujero desviado permite que el tornillo no ingrese con facilidad sobre el concreto. En los bordes, es evidente un agrietamiento con el solo hecho de ingresar unos pocos milímetros el tornillo, cuando el direccionamiento del agujero está desviado. Los ensambles con estas características, mostraron una ruptura mucho más acelerada y con menores valores de Fuerza de Ruptura. Las pruebas tales, se descartaron en los datos. Los cilindros y vigas provenientes de las Consultoras, son válidos en cuanto al manejo que se le prestó en el transporte y almacenamiento de ellos, pues, aún estaban –algunos- en los pozos o piscinas donde se mantienen hidratados. Vale recordar, que, el concreto es uno de los pocos materiales que, mejora sus propiedades mecánicas con el pasar de los días. Cuando un tornillo entra directamente sobre la zona “Agregado – Matriz”, por lo común mostró en los ensayos que se deslizaba, mientras se acomodaba la fuerza necesaria de cizalla, aunque especialmente mucho más la de “Pull – Out”. No pasó lo mismo que cuando entraba en la piedra directamente. Un concreto, con unas especificaciones dadas en su resistencia, se puede fabricar de muchas maneras, donde, por ejemplo, el concreto de 3000 PSI, por lo común es llevar agregado grande, mientras que para uno de 5000 PSI, lo normal es que lleve agregado pequeño. No siempre, se recurre a esta norma y, el tornillo pudo haberse analizado en esfuerzos similares con distinto tamaño de agregado en su interior –en donde, se recurrió a mezcla distinta de agua/cemento y/o aditivos diversos, entre otros, para obtener el esfuerzo indicado -, ofreciendo, resultados variantes entre lo analizado.

82

8. RECOMENDACIONES

Se recomienda Embeber el tornillo CATO a una profundidad mayor o igual a 3 pulgadas del borde de la superficie. Esto evitará posibles fracturas del concreto. Esto, es mucho más recomendable para cuando se piense perforar o trabajar con concretos de esfuerzos altos. .Se recomienda no hacer ensayos en bloques con distinta geometría de lo cual, los cilindros son los más convenientes por no tener dos bordes que podrían generar concentradores de esfuerzos. Al “dispositivo de corte”, se recomienda para unas próximas oportunidades de ensayos similares, darle la forma en la sección que está en contacto con las filas de la rosca. Esto evitará que este dispositivo se resbale. Aunque, en un momento dado de carga real, es válido ver que lo que anclará el tornillo CATO, también puede tender a resbalamiento. Para una mejor aproximación de los datos, se podría evaluar en una nueva oportunidad los resultados de las pruebas, tomando como base la teoría de los Mínimos Cuadrados del Álgebra Lineal.

83

9. CONCLUSIONES

Comparando el tornillo CATO vs. El tornillo Buildex embebidos a 1 (in) en concreto de 3000 PSI se observó que el tornillo de CATO superó al tornillo Buildex en todas las pruebas menos en la prueba de cortante a una distancia del borde de 2 – ½ in. Esto, probablemente sucedió por las características del concreto pues el tornillo no falló a cortante aunque se deformó por flexión. La tendencia que se observó con el aumento de la penetración del tornillo en el concreto aumentó la capacidad de resistir a la prueba de Pull Out y Shear. Al aumentar la resistencia del esfuerzo del concreto, para las pruebas de Pull Out, la tendencia fue de disminuir (debido a que como en todos los materiales, entre mayor sea su resistencia mecánica, es más frágil, ya que es una prueba de tensión y el concreto no es un material adecuado para esto), mientras que para la prueba de cortante la tendencia fue de aumentar –todo lo contrario a la prueba de Pull Out – debido a que el área del concreto que soporta al tornillo que es sometido a cortante si tiene un buen comportamiento a compresión (disponibilidad principal de los concretos). La comparación con el tornillo competencia, solo se realizó con el modelo C – 1082 (2 in de longitud y ¼ in de diámetro). Esto, debido a que se piensa que será uno de los más comerciales por su tamaño. Además fue el otorgado por el fabricante. El tornillo no se penetró a 1 - ¾”, debido a que un tornillo ancla, debe tener una sección libre de él, para amarrar o sujetar lo que se espera detener (la longitud total del vástago – sección roscada – tiene exactamente esa dimensión). Si se penetra completamente el tornillo, tendrá claramente mejores resultados. Aunque estaba pensado realizar pruebas de mercadeo durante la etapa del desarrollo se determinó con la empresa que esto, ya no hacía parte del alcance. Este estudio, lo realizará un nuevo estudiante con afinidad industrial.

84

BIBLIOGRAFÍA

Aceros al carbono [en línea]. Lima: Metalurgia Perú, 2008. [Consultado 12 de Marzo de 2008]. Disponible en Internet: http://www.importexporte.com/metalurgiaperu/metalurgiafisica.html BEER, Ferdinand. Mecánica de materiales. 3 ed. México D.F.: Mc Graw Hill Interamericana, 2004. 790 p. Inch Fasterners Estándar. 7 ed. Cleveland, Ohio: IFI (Industrial Fasteners Institute), 2003. 30 p. Información general de productos de Algor [en línea]. Madrid: Algor, 2008. [Consultado en Agosto 25 de 2008]. Disponible en internet en: http://www.caesoft.es/productos/algor/producfea/productos.htm

Factor de Concentración de Esfuerzos [en línea]. Mayagüez: Universidad de Puerto Rico, 2004. [Consultado en Septiembre 8 de 2008]. Disponible en Internet: http://www.uprm.edu/civil/circ/newsite/webresearchers/LuisGodoy/courses/INCI6017/4%20Concentracion%20de%20tensiones/Problemas%20decConcentracion%20tensiones.pdf MATALLANA, Ricardo. Serie de manuales “Concretos”. Tomos I – X. Bogotá: Instituto Colombiano de Productores de Cemento (ICPC). S.F. 153 p. NORTON, Robert. Diseño de máquinas. México D.F.: Pearson –Prentice Hall, 1999. 1048 p. Tabla de módulos de elasticidad [en línea]. Ciudad de México D.F.: Constru-aprende, 2008. [Consultado 21 de Agosto de 2008]. Disponible en Internet: http://www.construaprende.com/Tablas/Modulos_elasticidad.html

85

ANEXOS

Anexo A. Gráfico típico del comportamiento a la prueba de “Pull Out”

Fue el valor más alto. Contó con FRM = 2585,7 (lbs) y 646,4 (lbs) – al dividirlo entre el Factor de Seguridad – Esta es una gráfica típica de la prueba de Pull Out.

86

Anexo B. Gráfico del comportamiento a la prueba de “Shear”

Registra el valor más alto de cizalla. Cuenta con 2075,2 (lbs) y 518,8 (lbs) – al dividirlo entre el Factor de Seguridad -. Vale recalcar que la cizalla simple al tornillo fue de 3100,9 (lbs) y 775,3 (lbs). Notable ver que este valor no se encuentra en el primer pico.

87

Anexo C. Gráfico que demuestra anclaje prolongado en “Pull Out”

312 (lbs) y 78,1 (lbs) al dividirlo entre el F.S. Fue el registro más bajo de esta prueba (B2.5”; E1” – 4008) – teniendo el menor valor de su grupo -, se descartó. La prolongación de su pico indica que tuvo un buen agarre inicialmente.

88

Anexo CH. Gráfico que demuestra agrietamiento en el bloque a “Shear”

Hay agrietamiento inicial del bloque. Es debido a la cercanía del borde. Registró el nivel más bajo de fuerza en su grupo:118 (lbs) y 29,5 (lbs) –al dividirlo entre el F.S.-. Se descartó.

89

Anexo D. Gráfico que demuestra deslizamiento en el bloque a “Shear”

Falló por deslizamiento. Lo más probable es que la perforación haya sido sobre una piedra lo suficientemente lisa y dura o en la interfase “Agregado – Matriz” en alguna parte de su profundidad. Registró la fuerza más baja de su grupo, es a saber: 576,3 (lbs) y 144,1 (lbs).

90

Anexo E. Gráfico que demuestra deslizamiento en el bloque a “Pull Out”

Hubo deslizamiento luego del pico más alto. Esto sucedió por etapas mientras se anclaba. Registró el dato más bajo de su grupo: 924,8 (lbs) y 231,2 (lbs).

91

Anexo F. Gráfico de la evaluación a cizalla simple del tornillo sin estar embebido en el concreto

Para esta prueba de cizalla a los tornillos, vale la pena recalcar la uniformidad de los cuatro tornillos evaluados a cizalla simple . Los resultados se muestran en la Tabla 12 (Cizalla pura simple al tornillo CATO).

92

Anexo G. Gráfico que demuestra deslizamiento en el bloque a “Shear”

Esta imagen nos dice que esta prueba falló lo más probable por deslizamiento. Registró la fuerza más baja de su grupo, que es a saber: 677,4 (lbs) y 169,3 (lbs) – al dividirla entre el Factor de Seguridad-.

93

Anexo H. Gráfico que demuestra el anclaje del tornillo a “Shear”

Hay un sostenimiento del tornillo luego de haber fallado. El tornillo se mantiene casi en la misma FRM = 636,7 (lbs) y 159,2 (lbs) – al dividirlo entre el F.S. -. Es una verdadera ancla.

94

Anexo I. Gráfico que demuestra el anclaje del tornillo a “Shear”

Interesa el sostenimiento del tornillo, luego de haber fallado. Trata de recuperarse pero posteriormente no alcanza el nivel del FRM = 1293 (lbs) y 323,3 (lbs) – al dividirlo entre el F.S. -.

95

Anexo J. Gráfico que demuestra agrietamiento en la prueba de “Pull Out”

Hubo agrietamiento. La cantidad de picos a una altura similar, podría indicar el reacomodo del tornillo en el concreto fracturado internamente. Registró la FRM más pequeña de su grupo = 221,4 (lbs) y 55,3 (lbs) – al dividirlo entre el F.S. -. Se descartó.

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Anexo K. Gráfico que demuestra deslizamiento en la prueba de “Shear”

Hubo deslizamiento inicialmente. Luego se reestablece. Se eliminó de los cálculos. Fue el Segundo resultado más bajo: 516 (lbs) y 129,2 (lbs) en su grupo.

97

Anexo L. Gráfico que demuestra agrietamiento en la prueba de “Shear”

Mostró agrietamiento. Se debe al estar tan cerca del borde. La gran recomendación es que no se perfore tan cerca del borde. Como mínimo 3 pulgadas.

98

Anexo LL. Propiedades del Acero AISI 1020

ACERO MAQUINARIA Acero AISI 1020:

• Acero bajo contenido de carbono y utilizado para trabajos que requieran baja resistencia mecánica, material de buena soldabilidad.

• Maquinabilidad de un 72%.

Propiedades Mecánicas: Dureza Brinell ...............................................121

Resistencia a la tracción…………………55.100 psi Esfuerzo a la Fluencia.......................... 29 700 psi

Elongación ..............................................25%

Fuente: Acero Maquinaria AISI 1020 [En línea]: España, 2008. [Consultado en Septiembre 11 de 2008]. Disponible en Internet: http://www.sumiteccr.com/Aplicaciones/Articulos/pdfs/AISI%201020%20REDONDO.pdf