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Interface Bond Performance of Concrete-Filled Galvanized Steel Tubes Strengthened with Internal Circular Rings: A Taguchi–Grey Relational Study

Este estudio utiliza un enfoque de Taguchi–Grey para demostrar que la soldadura de un anillo circular interno en la parte inferior de tubos de acero galvanizado rellenos de concreto aumenta significativamente la resistencia de la unión interfacial en un 121.8% en comparación con los especímenes no reforzados, estableciendo la posición del anillo como una variable de diseño crítica para optimizar el trabazón mecánico.

Autores originales: Chethan Kumar S, Sandesh NU, Anusha T.S, Kumar N.S, Ashwini L.K, Syed Sharfuddin, Apsar Pasha

Publicado 2026-10-23

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CC BY 4.0

Autores originales: Chethan Kumar S, Sandesh NU, Anusha T.S, Kumar N.S, Ashwini L.K, Syed Sharfuddin, Apsar Pasha

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

En el mundo de la construcción pesada, los ingenieros suelen confiar en una idea simple pero poderosa: combinar dos materiales diferentes para crear algo más fuerte que cualquiera de ellos por separado. Un ejemplo común es rellenar un tubo de acero hueco con hormigón. El acero proporciona una carcasa resistente que evita que el hormigón se aplaste bajo la presión, mientras que el hormigón en su interior evita que las delgadas paredes de acero se pandeen o colapsen hacia adentro. Esta asociación funciona maravillosamente para la construcción de columnas y soportes de puentes, pero depende enteramente de una única condición crítica: los dos materiales deben moverse juntos como una sola unidad. Si el tubo de acero y el núcleo de hormigón se deslizan uno sobre otro, la estructura pierde su resistencia y puede fallar. Este deslizamiento ocurre en el límite invisible donde el metal se encuentra con el cemento duro como una roca, un lugar donde el agarre suele ser débil, especialmente si la superficie del metal es lisa.

Para solucionar esta debilidad, los investigadores han intentado añadir bloqueos mecánicos, como soldar pequeños anillos metálicos dentro del tubo para evitar que el hormigón se deslice. Sin embargo, un nuevo estudio ha descubierto un detalle sorprendente sobre cómo funcionan estos bloqueos: no se trata solo de tener un anillo, sino de exactamente dónde se coloca. El equipo detrás de esta investigación se centró en un tipo específico de material de construcción: tubos de acero galvanizado rellenos de una mezcla de hormigón de alta resistencia estándar. Querían comprender cómo cambia la unión entre el metal y el hormigón cuando se coloca un único anillo soldado dentro del tubo en diferentes alturas. Al probar docenas de muestras con diversos tamaños y formas, descubrieron que la posición del anillo es el factor más importante para determinar qué tan bien se mantienen unidos los dos materiales.

Los investigadores comenzaron probando tubos lisos sin anillos internos para establecer una línea base. Encontraron que, sin ayuda adicional, la unión entre el hormigón y el acero galvanizado era relativamente débil, con una resistencia promedio que oscilaba entre menos de uno y casi dos unidades de presión por milímetro cuadrado. Esto confirmó que, para superficies galvanizadas lisas, el agarre natural entre los materiales a menudo no es suficiente para aplicaciones de carga pesada. El equipo pasó entonces a su experimento principal, donde soldaron un único anillo de acero dentro del tubo en uno de tres lugares específicos: cerca de la parte superior, en el centro exacto o cerca de la parte inferior. Probaron estos anillos en nueve tamaños de tubo diferentes, cambiando el ancho del tubo, el espesor de las paredes de acero y la longitud total de la muestra para ver cómo estos factores interactuaban con la posición del anillo.

Los resultados fueron claros y consistentes. Cada tubo con un anillo funcionó mejor que un tubo liso, pero la ubicación del anillo marcó una diferencia masiva. Cuando el anillo se colocó cerca de la parte superior de la muestra, la resistencia de la unión aumentó aproximadamente un sesenta por ciento en comparación con los tubos lisos. Mover el anillo al medio aumentó la resistencia aproximadamente un ochenta y seis por ciento. Pero la mejora más dramática se produjo cuando el anillo se colocó cerca de la parte inferior, donde la resistencia de la unión se duplicó con creces, aumentando en más de un ciento veinte por ciento. En promedio, el anillo posicionado en la parte inferior fue casi un cuarenta por ciento más fuerte que el del tope y alrededor de un veinte por ciento más fuerte que el del medio. Este patrón se mantuvo constante independientemente del tamaño del tubo o del espesor de sus paredes.

Los investigadores explicaron este fenómeno observando cómo viaja la fuerza a través del material durante una prueba. En su configuración, el núcleo de hormigón era empujado hacia abajo mientras que el tubo de acero se mantenía en su lugar. Un anillo ubicado cerca de la parte inferior, que está cerca de donde se aplica la fuerza, se engancha casi de inmediato. Actúa como un tope físico, obligando al hormigón a apoyarse contra la placa de acero antes de que pueda ocurrir un deslizamiento significativo. Esto crea un bloqueo mecánico fuerte justo en la fuente del estrés. Por el contrario, un anillo colocado más arriba tiene que esperar a que el hormigón se deslice hacia abajo a lo largo del tubo antes de poder engancharse, para cuando el momento, la unión ya se ha debilitado. El estudio sugiere que, para los ingenieros que diseñan estas estructuras, colocar un conector cerca del extremo cargado es mucho más efectivo que colocarlo en el medio o en el extremo opuesto.

Más allá de la posición del anillo, el estudio también analizó cómo el tamaño y la forma del tubo influían en los resultados. Para los tubos con anillos en la parte superior o en el medio, la longitud del tubo en relación con su anchura fue el factor más significativo; los tubos más cortos y robustos se mantenían mejor unidos que los largos y esbeltos. Sin embargo, para los tubos con anillos en la parte inferior, el ancho del tubo se convirtió en el factor dominante, siendo los tubos más anchos los que mostraban el mejor rendimiento. El equipo utilizó un método estadístico para encontrar la mejor combinación de todas estas variables. Identificaron que un tubo con un ancho medio específico, las paredes de acero más gruesas y la relación longitud-anchura más corta funcionaba mejor en sus pruebas. Aunque esta combinación específica no era una de las muestras exactas que construyeron, los datos apuntan fuertemente a ella como el diseño ideal.

Los investigadores fueron cuidadosos en señalar que sus hallazgos se basan en un conjunto específico de condiciones y que se necesitarían más pruebas para confirmar estos resultados para cada posible escenario de construcción. No pretendían haber resuelto el problema de la unión del hormigón para siempre, pero sí proporcionaron una respuesta clara y medida a una pregunta específica: ¿dónde debe colocarse el bloqueo? El estudio concluye que, para los tubos de acero galvanizado rellenos de hormigón, la forma más eficaz de evitar que los materiales se separen es colocar un anillo soldado cerca de la parte inferior, cerca de donde se aplica la carga. Este simple ajuste transforma una conexión débil en un sistema robusto e interconectado, ofreciendo una forma práctica y fiable de construir estructuras más fuertes y seguras.

Resumen Técnico: Desempeño de la Unión de Interfaz de Tubos de Acero Galvanizado Rellenos de Concreto Reforzados con Anillos Circulares Internos

Planteamiento del Problema
Los elementos de acero tubular relleno de concreto (CFST, por sus siglas en inglés) dependen de la transferencia eficiente de la cortante longitudinal en la interfaz acero–concreto para lograr la acción compuesta, particularmente en regiones donde la carga se introduce a través de un solo componente (por ejemplo, uniones viga–columna, bases de columnas y empalmes). Si bien la adhesión química y el microintertrabado proporcionan una resistencia inicial, estos mecanismos se degradan con el deslizamiento, dejando a la fricción y al macrointertrabado como los principales métodos de transferencia de carga. El estudio aborda una brecha en la práctica de diseño respecto a la optimización de los conectores de anillos internos. Específicamente, investiga si la posición longitudinal de un único anillo circular interno (superior, medio o inferior) influye significativamente en el desempeño de la unión en tubos de acero galvanizado rellenos con concreto M40. Además, la investigación busca cuantificar los efectos geométricos del diámetro del tubo ( $D$ ), el espesor de la pared ( $t$ ) y la relación longitud-diámetro ( $L/D$ ) sobre el esfuerzo de unión, tanto con como sin refuerzo de anillo.

Metodología
El estudio empleó un diseño experimental de arreglo ortogonal Taguchi $L_9$ para variar sistemáticamente tres factores geométricos a través de tres niveles:

Diámetro ( $D$ ): 33.7, 42.2 y 48.3 mm.
Espesor de pared ( $t$ ): 2.6, 3.2 y 4.0 mm.
Relación Longitud-Diámetro ( $L/D$ ): 12, 14 y 16.

Esto resultó en nueve combinaciones geométricas distintas. Para cada combinación, se probaron especímenes en cuatro configuraciones: sin refuerzo, y reforzados con un único anillo circular interno soldado posicionado en la parte superior, media o inferior del espécimen. Todos los especímenes utilizaron concreto M40 (resistencia media a los 28 días de 41.61 MPa) y fueron curados durante 28 días antes de las pruebas.

Se realizaron ensayos de empuje (push-out tests) utilizando una máquina de ensayos universales (UTM), aplicando compresión axial al núcleo de concreto mientras se sostenía el tubo de acero para inducir un deslizamiento relativo. El esfuerzo de unión promedio último ( $\tau_u$ ) se calculó dividiendo la carga máxima ( $P_u$ ) por el área de contacto nominal acero–concreto ( $\pi D L$ ).

El análisis de datos incluyó:

Análisis de Respuesta Taguchi: Cálculo de los valores de respuesta media para cada nivel de factor para determinar el rango ( $\Delta$ ) y clasificar la influencia de los parámetros geométricos.
Modelado de Regresión: Desarrollo de una ecuación de regresión lineal múltiple para la serie sin refuerzo para correlacionar la geometría y la resistencia del concreto con el esfuerzo de unión.
Análisis de Relación Gris (GRA): Realización de una optimización de respuesta múltiple de "mayor es mejor" para identificar la combinación geométrica óptima que maximice simultáneamente el esfuerzo de unión en las tres posiciones del anillo. Los autores corrigieron la dirección de normalización del manuscrito original para asegurar que un mayor esfuerzo de unión fuera tratado como el resultado deseable.

Resultos Clave

Desempeño Sin Refuerzo: El esfuerzo de unión para los especímenes sin refuerzo osciló entre 0.878 y 1.899 MPa (media: 1.396 MPa). La relación $L/D$ fue el factor geométrico más influyente, con el esfuerzo de unión disminuyendo a medida que el $L/D$ aumentaba de 12 a 16.
Impacto de la Posición del Anillo: La adición de un anillo interno mejoró significativamente el desempeño de la unión en todas las geometrías.
- Anillo Superior: Incrementó el esfuerzo de unión promedio en un 60.3% (a 2.238 MPa).
- Anillo Medio: Incrementó el esfuerzo de unión promedio en un 85.6% (a 2.591 MPa).
- Anillo Inferior: Incrementó el esfuerzo de unión promedio en un 121.8% (a 3.097 MPa).
- Clasificación: Se observó una jerarquía de desempeño consistente en las nueve corridas: Inferior > Medio > Superior. La posición inferior superó a la media y a la superior en un 19.5% y 38.4%, respectivamente, sobre una base media.
Interacciones Geométricas:
- Para las posiciones de anillo superior y medio, la relación $L/D$ siguió siendo el factor dominante que afectaba el esfuerzo de unión.
- Para la posición de anillo inferior, el diámetro del tubo ( $D$ ) se convirtió en el factor dominante, seguido por $L/D$ y el espesor de la pared.
Optimización:
- La mejor combinación probada (Corrida 6) fue $D=42.2$ mm, $t=4.0$ mm y $L/D=12$ .
- El óptimo de nivel de factor predicho (derivado de las medias de Taguchi) fue $D=48.3$ mm, $t=4.0$ mm y $L/D=12$ . Esta combinación específica no formaba parte del arreglo $L_9$ original y requiere pruebas de confirmación.
Modelo de Regresión: El modelo de regresión para los especímenes sin refuerzo arrojó un $R^2$ de 0.819, un RMSE de 0.152 MPa y un MAPE de 11.0%. Los autores señalan que esta es una correlación intra-muestra y no un modelo de diseño validado de uso general.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que la posición longitudinal de un solo anillo interno es una variable de diseño primaria, no un parámetro neutro. El estudio demuestra que colocar un anillo cerca del extremo cargado (el inferior en la configuración de empuje) moviliza el intertrabado mecánico y la resistencia al aplastamiento de manera más efectiva que los anillos colocados más lejos. Esta posición intercepta el núcleo de concreto en avance antes de que se desarrolle un deslizamiento significativo en la interfaz, promoviendo así un compromiso temprano del conector.

La investigación valida que los anillos circulares internos son un método efectivo para mejorar la unión en tubos de acero galvanizado, ofreciendo un mecanismo de intertrabado macro que convierte la cortante longitudinal en un aplastamiento y confinamiento localizado. El estudio concluye que, si bien el método Taguchi identificó con éxito las tendencias y una configuración óptima, los resultados son específicos para los materiales probados (concreto M40, acero galvanizado) y la configuración de empuje. Los autores declaran explícitamente que los hallazgos no deben extrapolarse al diseño sin una validación adicional, señalando la falta de pruebas de réplica, curvas carga-deslizamiento y mediciones de deformación en el conjunto de datos actual. El trabajo sirve para cuantificar los beneficios del posicionamiento del anillo y proporciona una base basada en datos para futuras consideraciones de diseño.

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