En nuestro país, el material con mayor aplicación como refuerzo de elementos y estructuras de concreto es la varilla corrugada grado 42, la cual, en la gran mayoría de estos elementos, se coloca formando parrillas cuyas intersecciones se amarran con alambre recocido para evitar, en lo posible, que éstas se muevan y conserven la posición de diseño durante el proceso de colado.

En algunas ocasiones se recurre a la soldadura por arco con electrodo recubierto, que es actualmente la más común para soldar acero y se lleva a cabo añadiendo un metal de aportación que se funde a las piezas base, por lo que realmente éstas no participan por fusión en la soldadura (figura 1).

La soldadura por resistencia eléctrica de la malla de ingeniería que se usa para refuerzo de concreto permite reducir el acero en los traslapes y en los anclajes e incrementar la velocidad de ejecución de la obra, al acortar los tiempos de habilitado, armado y colocación en 70 por ciento.

En este caso, el electrodo metálico, que es conductor de la electricidad, está recubierto de fundente y conectado a la fuente de corriente; el metal a soldar está conectado al otro borne de la fuente eléctrica, y al tocar con la punta del electrodo la pieza de metal, se forma el arco eléctrico y el intenso calor del arco funde las dos partes a unir y la punta del electrodo, que constituye el metal de aportación.(figura 1). Hoy día, una alternativa de refuerzo es la utilización de mallas de ingeniería electrosoldadas, las cuales ofrecen, entre sus ventajas, que todas las intersecciones entre varillas están soldadas por el método de resistencia eléctrica, garantizando de esta forma la constante y correcta distribución de las varillas, las que conservarán su posición de proyecto. Además, por las características de este tipo de soldadura, todas las varillas perpendiculares a las de tensión servirán o proporcionarán un anclaje mecánico entre el acero y el concreto, evitando el desplazamiento entre dichos materiales cuando el elemento se encuentre en condiciones de servicio.

Soldadura por resistencia eléctrica

Como se mencionó en el caso de las mallas de ingeniería, la soldadura en el cruce de varillas se realiza por resistencia eléctrica, es decir, se hace pasar una corriente eléctrica a través del punto de intersección de las dos varillas y, como el acero no es un buen conductor de la electricidad, la fricción que se genera eleva la temperatura. Al ser el punto de contacto entre las varillas el que mayor resistencia ofrece, la temperatura se eleva hasta los 1 300 °C y funde los dos metales (figura 2). La maquinaria para fabricar la malla usada en construcción es capaz de soldar al mismo tiempo hasta 53 varillas paralelas entre sí a una varilla perpendicular, y prácticamente se puede garantizar que los resultados respecto a la calidad y consistencia de la soldadura permanecen constantes a lo largo del tiempo.

Profundidad de penetración

Está definida como la dimensión (E) que se funden las dos varillas (D1 y Dq) producida por la fuerza ejercida por los electrodos y al paso de la corriente eléctrica (ecuación 1). Esta distancia puede estar dada en porcentaje (ecuación 2), definiéndose como profundidad de penetración relativa (figuras 3 y 4).

Puntos importantes

Las siguientes condiciones tienen que ser consideradas como esenciales para obtener mallas electrosoldadas de calidad: a) la soldadura no debe reducir la resistencia a la tensión original de la varilla; b) la resistencia al corte del punto de soldadura se debe encontrar entre 25 y 70, o aun 100 % de la resistencia de fluencia de la varilla o alambre de mayor diámetro. Entre las condiciones a) y b) existe cierta contradicción, que se origina en la dependencia sobre el grado del acero y los parámetros de soldado. Para satisfacer la condición a), el área de intersección de las varillas debe ser pequeña y la temperatura baja, y por otro lado, la condición b) demanda que el área soldada sea tan grande como se pueda y que la temperatura sea alta. Esto significa en la práctica que, para cumplir con la condición a), el tiempo de soldado debe ser breve para mantener pequeña el área que se calienta. Los alambres no deben mostrar ningún cambio de color provocado por la temperatura. Consideraciones teóricas y ensayos empíricos han probado que el total cumplimiento de la condición b) –resistencia a fuerza cortante– demanda una profundidad de penetración de 5 a 6%. Si el límite de 6% es excedido, la resistencia a fuerza cortante de la soldadura será verdaderamente más grande, pero el incremento de la temperatura reducirá la resistencia a la tensión de las varillas o alambres. Con menos de 5%, la resistencia a fuerza cortante de la soldadura puede estar por debajo del límite permitido, sin embargo, es muy frecuente reunir los requisitos de resistencia de dicha soldadura con una profundidad de penetración de hasta 4 por ciento. Otro aspecto de alguna importancia es que la soldadura debe tener un mínimo de ductilidad; de otro modo, la intersección de las varillas o alambres podría separarse durante el transporte o cuando la malla es arrojada sobre el sitio de construcción. Esto sucede con la llamada soldadura anular (no suelda el círculo central del área soldada). Este error es difícil de notar en ensayos destructivos estáticos.

Superficie de varillas o alambres

Unas buenas instalaciones, con un equipo para soldado confiable, proporcionarán resultados de soldadura reproducibles con la misma calidad durante largos periodos de tiempo, particularmente con alambres lisos. La inconsistencia en la calidad de la soldadura se debe a condiciones irregulares en la superficie de los alambres o varillas. Los efectos más adversos son causados por depósitos aislantes provocados por el jabón lubricante que se utiliza durante el proceso de trefilado o de laminado en frío, y desafortunadamente estas capas aislantes no son apreciables a simple vista. Películas de óxido o superficies con cascarilla tienen un efecto similar. En casos extremos, cuando varias de estas circunstancias coincidan, el resultado será una soldadura débil o que la corriente de soldado no pueda pasar a través de estas capas y la unión de soldadura no se pueda formar.

Influencia de los parámetros de soldado sobre el proceso

La calidad de la soldadura y la profundidad de penetración dependen de la máquina de soldar a través de los parámetros; 1. corriente eléctrica, 2. tiempo de soldado y 3. fuerza de los electrodos. La correlación e interrelación de estas magnitudes son en lo general complejas y pueden determinarse solamente por medio de extensivos programas de pruebas. El diagrama 1 muestra la correlación entre corriente, tiempo y profundidad de penetración, con la consideración de que la fuerza de los electrodos es constante. Los resultados enmarcados por el rectángulo A corresponden a los valores que proporcionan una óptima calidad de la soldadura, establecida por medio de métodos de prueba mecánicos y análisis metalúrgicos. La principal influencia ejercida por estos tres parámetros se explica brevemente. (diagrama 1).

1. Corriente eléctrica

Un mínimo de corriente, en función del diámetro del alambre, es esencial para producir una buena calidad de soldadura. Cualquier corriente por debajo de ese valor dará soldaduras frías, o se requerirán largos periodos de tiempo de soldado para alcanzar una apropiada profundidad de penetración. El diagrama 1 se muestra, para el caso de una profundidad de penetración de 6%, que una pérdida de corriente de 25% puede ser compensada solamente triplicando el tiempo de soldado para seguir obteniendo el mismo porcentaje de penetración. Muy altas corrientes de soldado producen pesadas salpicaduras (chisporroteo) y sobrecalentamiento de la soldadura. Una guía que puede servir es que la corriente eléctrica en kA corresponde aproximadamente al diámetro del alambre en mm. En caso de diferentes diámetros de los alambres o varillas, se debe tomar en cuenta el de menor diámetro.

2. Tiempo de soldado

Breves tiempos de soldado demandan altas corrientes, y éstas también producen pesadas salpicaduras y sobrecalentamiento de la soldadura. También largos tiempos de soldado dan como resultado el recocido de los alambres. El tiempo de soldado como una función del diámetro se incrementa en proporción cuadrática, y un valor aproximado se puede calcular con la ecuación 3:

ecuación 3 ts » ( (D2/10) + 1(ciclos) Donde: ts» tiempo de soldado D diámetro del alambre más pequeño en milímetros.

Fuerza de los electrodos

De la fuerza de los electrodos depende el contacto entre los alambres, y ésta influye en la cantidad de corriente requerida y en la temperatura alcanzada en la zona a soldar. Por lo tanto, no puede ser considerada tampoco como un factor independiente, sino más bien siempre relacionada con la corriente y el tiempo. Con respecto a la calidad de la soldadura, poca fuerza en los electrodos es preferible a mucha fuerza en ellos ya que se provoca la llamada soldadura anular, en la que el centro del área de soldado queda sin soldar (figuras 5 a 10). La mejor forma de demostrar la influencia de la fuerza de los electrodos sobre la calidad de la soldadura, para una constante profundidad de penetración, es la prueba de torsión (figura 11) o la prueba de tensión directa (figura 12). El diagrama 2 muestra el momento torsional de rotura y el ángulo torsional sobre el espécimen probado a torsión, en función de la fuerza del electrodo. Las figuras 9 y 10 muestran la rotura de especímenes ensayados con la prueba de tensión directa.Un valor aproximado de la fuerza de los electrodos como una función del diámetro de los alambres se puede calcular con la ecuación 4: ecuación 4 F=(50 x D) – 100 Donde: D diámetro del alambre más pequeño en milímetros

Importa señalar que en la Norma Mexicana de Calidad NMX B 290 para mallas electrosoldadas fabricadas con alambres lisos o corrugados, la prueba que se exige es la de resistencia al corte de la soldadura (figura 13), que debe ser del orden de 50% de la resistencia de fluencia de la varilla o alambre más grueso.

Normas técnicas complementarias

Difícilmente se considera la malla electrosoldada como un material factible de ser utilizado como refuerzo de concreto en los proyectos que se realizan en México. Una de las razones puede ser el desconocimiento de que en nuestro país ya se fabrican mallas de ingeniería con alambres corrugados de hasta 12 mm de diámetro, con límites de fluencia de 5 000 y 6 000 kg/cm2, y que este material está plenamente aceptado por el Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal en sus Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras de Concreto (NTC Concreto).

A continuación se presenta una relación de referencias en que las NTC Concreto consideran la malla electrosoldada:

En el capítulo 1, punto 1.4.2. Acero, se indica que “como refuerzo ordinario para concreto pueden usarse barras de acero y/o mallas soldadas de alambre”, y que la malla cumplirá con la NMX B 290.

En el capítulo 2, punto 2.1.5. Fuerza cortante, inciso b) Refuerzo por tensión diagonal en vigas y columnas sin presfuerzo, y c) Refuerzo por tensión diagonal en vigas presforzadas, se indica que este refuerzo debe estar formado por estribos cerrados perpendiculares al eje de la pieza o por malla de alambre soldado. (figuras 14 a, b, c, d, e y f).

Capítulo 3, punto 3.1. Anclaje, inciso a) La fuerza de tensión o compresión que actúa en el acero de refuerzo en toda sección debe desarrollarse a cada lado de la sección considerada por medio de adherencia en una longitud suficiente de barra o de algún dispositivo mecánico de anclaje.

Punto 3.1.4. Anclaje de malla de alambre soldado.

Se supondrá que un alambre puede desarrollar su esfuerzo de fluencia en una sección si a cada lado de ésta se ahogan en el concreto cuando menos dos alambres perpendiculares al primero, distando el más próximo no menos de 5 cm de la sección considerada (figura 15).

Si sólo se ahoga un alambre perpendicular a no menos de 5 cm de la sección considerada, se supondrá que se desarrolla la mitad del esfuerzo de fluencia (figura 16). Punto 3.9.2. Uniones de malla de alambre soldado.

En lo posible deben evitarse uniones por traslape en secciones donde el esfuerzo en los alambres bajo cargas de diseño (ya multiplicadas por el factor de carga) sea mayor de 0.5 f y.

Cuando haya necesidad de usar traslapes en las secciones mencionadas, deben hacerse de modo que el traslape medido entre los alambres transversales extremos de las hojas que se unen no sea menor que la separación entre alambres transversales más 5 cm (figura 17).

En las uniones por traslape en secciones donde el esfuerzo de los alambres sea menor o igual que 0.5 f y, el traslape medido entre los alambres transversales extremos de las hojas que se unen no será menor de 5 cm (figura 18) .