Tornillo convencional une mejor el acero y el concreto si es más largo

Los pernos studs son barras metálicas con cabeza redonda que se sueldan con una pistola especial. Por el contrario, en países de América Latina se fijan tornillos hexagonales con soldadura manual. En ambos sistemas estos de adhieren a la pieza de acero y posteriormente se vacía de concreto, ya sea para un muro o una placa.

Pero las estructuras en las que se utilizan dichos elementos no siempre resisten y se pueden averiar, como sucedió en Ciudad de México en 2021, cuando la Línea 12 del metro colapsó y dos vagones cayeron sobre la avenida Tiáhuac dejando 27 muertos y más de 80 heridos, ¿qué pasó? que los tornillos hexagonales soldados tienen una capacidad máxima de resistencia que cuando se supera se produce fatiga o desgaste de los materiales, lo que reduce la capacidad de carga y terminan rompiéndose.

Mediante 30 ensayos, la ingeniera Marinés Pérez Ramírez, magíster en Ciencias en Ingeniería Civil de la Universidad Federal de Río de Janeiro y estudiante del Doctorado en Ingeniería Civil en la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Sede Manizales, estudió el comportamiento de los pernos convencionales en diferentes condiciones de carga, para así aportar información al sistema de construcción del país.

En el Laboratorio de Estructuras de la UNAL Sede Manizales se midió la resistencia con la técnica push-out tests, o ensayos de cortante. En esta parte se utilizaron especímenes de ensayo o vigas de acero en forma de “I”, de 20 cm de alto por 50 cm de longitud.

“A las vigas se les soldaron entre 1 y 2 tornillos hexagonales por cada lado de las aletas. Estos tenían 13, 16 y 19 milímetros de diámetro, es decir ½, ⅝ y ¾ de pulgada, y 7,62 cm de largo”, explica la investigadora.

Posteriormente, con un actuador hidráulico con capacidad de 50 toneladas generó tres tipos de carga con una fuerza que alcanzó las 30 toneladas.

Un actuador hidráulico es un aparato que convierte la presión de un aceite dentro de un cilindro en movimiento y empuja un pistón, que a su vez empuja la viga de acero del espécimen de prueba intentando separarla de las losas.

Los tipos de carga fueron: (i) monotónica, el pistón solo baja a velocidad constante hasta que se separa la viga de las losas; (ii) semicíclica, el pistón baja, vuelve a subir y vuelve a bajar en repetidas ocasiones, y (iii) cíclica, el pistón baja y sube, pero esta vez aplicando la carga en ambos sentidos.

“Los especímenes que tenían un solo perno a cada lado soportaron una magnitud de fuerza desde 12 hasta casi 22 toneladas, y los que tenían 2 pernos por lado, es decir un total de 4 pernos, soportaron alrededor de 30 toneladas”, menciona la ingeniera.

“Los ensayos buscaban medir la resistencia de los tornillos hexagonales soldados y observar su comportamiento dentro de la placa de concreto”. Así, los pernos más cortos y robustos no se desprendieron de la losa, sino que arrancaron el concreto dejando un cráter. En cambio, el conector más largo y delgado, aunque también se deformó no produjo una avería tan grande.

La experta anota que, “teniendo en cuenta lo anterior, para que el perno tenga un comportamiento adecuado en la estructura debe tener una altura o largo de por lo menos 4 veces su diámetro. Esto para concretos de 21 y 28 megapascales”.

“Con la carga semicíclica y cíclica se observó una reducción significativa de la capacidad de los conectores de hasta un 57 %”, amplía.

Según la investigadora, este estudio contribuye al conocimiento del comportamiento del sistema compuesto de construcción y proporciona información para condiciones específicas de uso en Colombia, que no se contemplan en la norma actual, como el efecto de la carga cíclica y semicíclica, por lo que es muy importante en el diseño estructural”.