Patología de la edificación/Estructuras metálicas/Acero/Problemática
Aunque desde la antigüedad se empleó esporádicamente el hierro para algunos elementos estructurales, no puede hablarse de estructuras metálicas hasta finales del S.XVIII, cuando se difunde el empleo de elementos de fundición e, incluso, estructuras totalmente prefabricadas de este material[1], aun con ciertos problemas de fragilidad. Después de los elementos de fundición se empezaron a utilizar los de hierro dulce, formándose los elementos estructurales por composición de formas simples unidas mediante pasadores remachados, aunque el hierro dulce se había utilizado esporádica e intuitivamente como elemento de refuerzo desde la antigüedad. A mediados del S. XIX empezaron a utilizarse los forjados metálicos en edificios de viviendas, especialmente en locales húmedos y sobre sótanos, aunque no se generalizan hasta las primeras décadas del S.XX. A finales del S. XIX el acero reemplazó al hierro dulce, aunque todavía hasta los primeros años del S. XX coexistió con los elementos de fundición, especialmente utilizado en columnas. A lo largo de todo este tiempo ha ido cambiando la composición y características de los materiales, con gran influencia en su comportamiento mecánico y posibilidades de interconexión, pasando de las primeras uniones remachadas o roblonadas, típicas de la calderería, a las uniones soldadas y, actualmente a las atornilladas[2].
- La primera de ellas, el puente sobre el río Severn, en Coalbrookdale, realizado por Abraham Darby III, es de 1779. El primer edificio con estructura enteramente metálica, la fábrica textil de Salford, en Manchester, se construyó por Boulton y Watt en 1801. En España la primera estructura de hierro es el puente de Triana, en Sevilla, y en Madrid los mercados municipales de La Cebada y de los Mostenses (1867)
- Para un resumen de la evolución histórica de las estructuras de hierro ver Strike (1991): Los pioneros de las estructuras de hierro 1690~1840 y La evolución de las estructuras de acero 1870~1914 (Cap. I y V de DE LA CONSTRUCCIÓN A LOS PROYECTOS. Ed. Reverté, Barcelona 2004, pp. 21~40 y 81~90), Elliot (1992): Iron and Steel (Cap. 4 de THE DEVELOPMENT OF MATERIALS AND SYSTEMS FOR BUILDINGS. Ed. M.I.T., Massachussets 1992, pp. 67~110), Yeomani (1997): Steel and concrete floors y The steel frame (Cap. 3 y 4 de CONSTRUCTION SINCE 1900: MATERIALS. Ed. B.T. Batsford Ltd. London 1997, pp. 64~80 y 81~101), AA.VV. (1999): Realizaciones notables (Aptdo. 2.1.2 de GUIA VERITAS DE LA CONSTRUCCIÓN. TOMO I. Ed. Bureau Veritas)
Introducción[editar]
Aunque las estructuras metálicas tienen una reciente implantación apoyada en una fuerte tecnología, también son susceptibles de sufrir lesiones que ponen en peligro tanto la integridad constructiva como la seguridad del edificio. Estos procesos patológicos pueden derivarse de causas propias de la naturaleza del material, especialmente su debilidad al ataque químico ambiental y la solución constructiva adoptada en proyecto y ejecución. Debido a este motivo, es necesario analizar las patologías sirviéndose de las técnicas de inspecciónadecuadas. Sólo de esta manera podrá intervenirse correctamente para realizar su reparación, siendo igualmente necesario establecer las medidas de prevención pertinentes.
- Ventajas
Las estructuras de acero se emplean en la actualidad debido a las dos principales ventajas que ofrecen:
1. Su gran tenacidad, que admite cualquier tipo de esfuerzo, en especial a tracción, empleando una reducida sección.
2. Su ligereza, que permite resolver estructuras de grandes luces y alturas.
- Acero: tipos y técnicas de conformado
Desde que se empleó el acero en construcción por primera vez de manera significativa en el puente de Viena sobre el Danubio en 1850, hasta nuestros días se han producido numerosos avances.
Los productos de acero según el proceso de fabricación pueden ser:
-Conformados en caliente: incluyen a los perfiles laminados, que son los de mayor aplicación en estructuras metálicas.
-Conformados en frío: aumentan el límite elástico y la resistencia a tracción, mientras que se reduce el alargamiento a rotura. Son perfiles en los que se evitará el soldeo.
-Obtenidos por moldeo: su estructura es colada, no poseen propiedades direccionales.
Lo más destacado son las mejoras introducidas en las técnicas de obtención del acero logrando incrementar su resistencia y mejorando en gran medida los procedimientos de inspección.Asimismo, cabe señalar la obtención de aceros resistentes a la corrosión o aceros patinables (CORTEN), que conservando el resto de sus propiedades características, presentan una sensibilidad menor frente a los agentes atmosféricos.
Los materiales que constituyen la estructura metálica pueden considerarse de dos tipos:
- Los materiales base
Tienen una función resistente. Se emplean perfiles, chapas; y los tubos, bolas y tetraedros en estructuras especiales. Generalmente son de acero, y a veces pueden utilizarse aleaciones ligeras de base aluminio.
- Los materiales de uniones
Transmiten y soportan esfuerzos. Se emplean materiales análogos al metal base para evitar fenómenos de corrosión.
Sistemas constructivos[editar]
Elementos constructivos[editar]
Debido a las características básicas del acero, su uso se extiende a estructuras compuestas por elementos lineales, sustituyendo a las antiguas estructuras de madera.
Según explican Juan Monjó Carrió y Luis Maldonado Ramos en su libro y técnicas de intervención en estructuras arquitectónicas, los elementos constructivos más representativos de una estructura metálica son los siguientes:
Soportes
Están constituidos por perfiles laminados simples, combinaciones de perfiles o palastros. En caso de cargas pequeñas, también se emplean perfiles tubulares. Pueden sufrir procesos patológicos debido al material o por los esfuerzos experimentados.
Vigas y viguetas
Están formadas por perfiles laminados en T ó I que optimizan la capacidad de sus alas. Se exponen a procesos patológicos químicos debido a su disposición horizontal y el contacto con materiales alcalinos, (especialmente en el caso de viguetas de forjado).
Formas trianguladas
Mejoran el rendimiento del material base junto a un aligeramiento del conjunto, a partir de la triangulación lograda mediante barras traccionadas y comprimidas. Están compuestas por combinación de perfiles laminados para todas las piezas o sólo para las comprimidas, mientras que las sometidas a tracción son barras y cables.
Suelen presentar complicaciones en las uniones que han de trabajar en articulación, pero que han sido sustituidas por un empotramiento para facilitar su ejecución. Los procesos patológicos se concentran en los nudos: aparición de esfuerzos, corrosión por aireación diferencial o de par galvánico. En las barras puede producirse corrosión por condensación superficial.
Tirantes
Son elementos de mayor antigüedad aplicados en arcos, y resueltos por barras diversas (fundición, acero templado…), que hoy en día también emplean perfiles laminados, sus combinaciones o cables rígidos y flexibles. Debido a su estado de tracción, no presentan problemas mecánicos en su zona central, salvo error de cálculo. Por el contrario, las uniones al resto de la estructura se pueden ver afectadas por diversos procesos químicos.
El conocimiento de estos elementos constructivos es necesario para determinar la técnica empleada en su prevención.
Sistemas y técnicas de unión[editar]
Los elementos empleados en estructuras metálicas están sometidos a controles de calidad que garantizan su idoneidad, de modo que los procesos patológicos surgirán sobre todo en las uniones efectuadas en el montaje. Éstas deberán someterse a inspecciónpara poder establecer la reparaciónnecesaria.
Roblonado
El roblonado es una técnica en desuso pero que debido a su antigüedad, puede encontrarse en rehabilitaciones de edificios. Se basa en la resistencia a esfuerzo cortante que adquiere el roblón al introducirle las dos piezas que une cuando intentan moverse en sentido contrario. Se requiere un dimensionado correcto de las secciones necesarias en roblón y chapa a unir, y el número de roblones requeridos, pues con el tiempo y según la variación de los esfuerzos, se puede alcanzar una holgura en las uniones, provocando fatiga del roblonado y deformaciones generales en la estructura.
Atornillado
Funciona igual que el roblonado pero además posibilita la resolución de uniones practicables, lo cual facilita el montaje y desmontaje. Se emplean tornillos y tuercas de apriete.
También existen las articulaciones, que sólo transmiten esfuerzos axiales, imprescindibles en estructuras trianguladas y en aquellas en las que se limiten los esfuerzos de flexión. Pueden ser de dos tipos:
-Un pasador que une entre si las cartelas de los diferentes elementos a unir.
-Un vástago extremo dispuesto en la misma dirección del elemento a unir, atornillado a éste con solución “MERO” enganchado mediante la helicoide del tornillo.
Soldadura
Es la solución de unión permanente más adecuada puesto que asegura la continuidad de esfuerzos entre las piezas mediante el propio material. De esta manera se crean empotramientos que requieren juntas de dilatación más próximas para absorber los cambios dimensionales. Según el procedimiento de ejecución hay dos tipos de soldadura:
-Soldadura por aleación: es el caso más empleado en estructuras de edificios. Consiste en aportar un material metálico diferente al de los que van a soldarse a través de un electrodo. El material aportado ha de ser compatible con el acero de las piezas a soldar, distribuyéndolo de manera uniforme de modo que el espesor del cordón de soldadura tenga un espesor constante, sin burbujas de aire; así que habrá de realizarse en varias capas.
-Soldadura autógena: La soldadura se logra fundiendo las piezas metálicas a unir, por lo que deben tener la misma naturaleza. Es importante comprobar la soldabilidad de los aceros a unir, conseguir uniformidad y evitar las burbujas.
Anclajes
Sistema de unión mediante apriete en inmovilización del cable a tracción a través de piezas especiales con forma troncocónica en los que se emplean aceros de alta resistencia.
Solicitaciones típicas[editar]
A pesar de que globalmente las estructuras metálicas suelen presentar menor cantidad de problemas que otros sistemas constructivos,en edificación y en España tal vez por su menor uso, éstos se resumen en corrosión y deformabilidad fundamentalmente. No obstante,los fallos que experimentan tienen consecuencias catastróficas. De acuerdo con las explicaciones del profesor Félix Lasheras Merino en la asignatura de Patología de la ETSAM, los problemas que sufren dichas estructuras son los siguientes:
- - Necesidad de protección superficial
Para: facilitar su accesibilidad, efectuar la evacuación de agua, realizar operaciones de mantenimiento, puesta a tierra, impidiendo el riesgo de captación de corrientes parásitas.
- Por estos motivos, muchos forjados metálicos anteriores a 1960 utilizaban yeso para ejecutar los entrevigados, y a veces para regularizar la cara superior, favoreciendo en este caso la corrosión en presencia de humedad.
- - Deformabilidad y dilatación térmica
Las estructuras metálicas presentan una mayor deformabilidad y dilatación térmica que las admisibles por estructuras de fábrica. Esto explica el hecho de que las primeras lesiones observables aparezcan primero en cerramientos y forjados, y no directamente en la estructura como cabría suponer. La deformabilidad y flexibilidad se expresan en:
- Exceso de flecha
- Exceso de vibración
- Pandeo de pilares o local de alas comprimidas
- -Ejecución de nudos y encuentros
La importancia decisiva reside en estos puntos para lograr las disposiciones de articulación y empotramiento establecidas en el proyecto. Este aspecto muestra una gran diferencia respecto a las estructuras de hormigón, en el sentido de que el acero requiere un mayor grado de precisión en la ejecución. Precisamente, son las uniones defectuosas las causantes de los desastres en estructuras metálicas, sobre todo si se les añaden los efectos de otros problemas típicos como la corrosión, la presencia de zonas de absorción o transmisión de tracciones.
- Las uniones soldadas debido al proceso de ejecución en obra y la dificultad que presenta su control, son más comprometidas que las atornilladas, a pesar de que éstas tienen mayor complejidad y sobredimensionan la estructura. La cuestión radica en el carácter más dúctil de las uniones soldadas.
- Muchos defectos están ocasionados en la construcción y por los propios soldadores, lo cual, en obras pequeñas y medianas, suele ser frecuente.
- Muchas veces, las soldaduras concentran tensiones provocadas por movimientos coartados, que causan fatiga si no hay una penetración suficiente.
- En las cubiertas ligeras, la presencia de numerosos nudos y uniones, así como la relativa importancia de las sobrecargas, las convierten en estructuras muy propensas a sufrir procesos patológicos.
- La escasa rigidez de los nudos requiere de arrostramientos externos mediante el uso de bielas de acero o tirantes, o bien con paños confinados de fábrica.
- -Corrosión
Afecta especialmente a elementos ocultos, exteriores o de difícil acceso, próximos a bajantes o instalaciones de hidráulicas (presentan fugas, condensaciones, etc.) o con escaso revestimiento protector contra condensaciones, filtraciones, humedad capilar o lluvia.
La ventaja principal de las estructuras metálicas es que las reparaciones, excepto en casos extremos, suele ser sencilla mediante la incorporación de nuevas chapas o perfiles atornillados, soldados a los dañados, previa verificación de la compatibilidad de aceros y recubrimientos de los electrodos.
Las lesiones a las que se ven afectadas las estructuras metálicas pueden clasificarse en tres grupos:
-Agresiones biológicas
-Agresiones físicas y mecánicas
-Agresiones químicas
Agresiones biológicas[editar]
Este es un caso poco frecuente en la edificación, puesto que no es corriente encontrar (micro) organismos alimentados por metal. A pesar de esto, sí existen ciertas bacterias que pueden intensificar con su actividad los procesos de corrosión. Por tanto, su importancia respecto a la corrosión electroquímica es mínima Corrosión microbiológica
Se desarrolla en presencia de microorganismos, especialmente bacterias, hongos y algas microscópicas.
Agresiones físicas y mecánicas[editar]
Este tipo de agresiones son similares a las que puede padecer cualquier tipo de estructura. Probablemente, las vibraciones, dependiendo de la configuración de la estructura se transmitan con una mayor facilidad comparando con estructuras cuyo módulo de deformabilidad sea menor. Respecto a las demás agresiones físicas, el fuego es la más significativa debido a su gran destructividad, lo cual hace necesario establecer una cuidada protección específica: en el material, su disposición y la propia organización del edificio, facilitando su evacuación y la rápida extinción en caso de incendio.
Los motivos mecánicos que originan la alteración y deterioro de los materiales incluyen movimientos, deformaciones y rupturas originados por:
Cargas externas directas
Actúan sobre la estructura u otros elementos.
Cargas indirectas
Debidas a variaciones de temperatura o humedad, que en caso de movimientos impedidos en las piezas, provocan importantes deformaciones.
Cargas reológicas
Están producidas por la fatiga de los materiales.
Desplazamientos de la estructura
Son consecuencia de las alteraciones experimentadas en los terrenos sobre los que se cimienta.
Agresiones electroquímicas[editar]
La corrosión electroquímica tiene junto al fuego un poder destructivo muy importante, pero se diferencia en que su tiempo de actuación es mucho más lento y no suele percibirse hasta que los daños no son significativos. Además, puede actuar localmente en áreas muy reducidas y peligrosas de la estructura como ocurre en las soldaduras o tornillos de unión. La dificultad radica en que la estructura presenta zonas de acceso e inspección complicados, lo cual dificulta tanto el control como el mantenimiento de estos elementos estructurales frente a la corrosión.
Algunas de las causas que favorecen este tipo de procesos son:
Agua
Las aguas de tipo duro tienen un alto contenido de iones de calcio y magnesio que favorecen las reacciones químicas, incluso las limpias presentan impurezas minerales, oxígeno y dióxido de carbono disuelto.
Ácidos
Procedentes de lluvia, terrenos, enyesados, maderas (roble, tuyas, castaño), algas y musgos. Provocan la perforación de los metales.
Sales
En muchos casos ayudan en la formación de una película protectora e inhibidora de la corrosión, si no se superan en determinadas cantidades.
Álcalis
El hidróxido de sodio y de potasio liberados por el cemento Pórtland son muy perjudiciales para el zinc, el aluminio y el plomo en presencia de humedad; sin embargo, no afectan al cobre y protegen de la corrosión a los materiales ferrosos embebidos en hormigón rico en cemento. La cal aérea si no es carbonatada también protege a los metales ferrosos, pudiendo atacar al aluminio y ser ligeramente corrosiva para el plomo y el zinc.
Clima
Existe una clasificación de los climas según sea su impacto en los metales estructurales.
Factores de diseño
Para prevenir una corrosión prematura se debe dotar a las superficies de una ligera inclinación para posibilitar la evacuación de agua, distribuir orificios de drenaje y disponer espacio suficiente entre elementos para preparar las superficies y pintarlas, evitando lugares donde se acumule agua y otros contaminantes. Las zonas que experimentan deformaciones, tienden a comportarse como ánodos y de ahí resulten más propensas a la corrosión. Normalmente aparece en bordes, cantos vivos y dobleces, lo cual debe ser considerado previamente en la fase de diseño y al determinar el tipo de protección anticorrosivo requerido.
Fallos característicos[editar]
Debido a la propia naturaleza de los materiales que constituyen estas estructuras, las patologías más comunes se concentran en el sistema, más que en el propio material o sistema constructivo. La relación de problemas más frecuentes en las estructuras metálicas es:
- - Corrosión
- Deslaminación de perfiles
- Picaduras en conexiones
La corrosión es un proceso que afecta al acero provocando una destrucción o deterioro de sus propiedades debido a una reacción química o por consecuencia de una corrosión electroquímica. Experimenta una aceleración en ambientes agresivos como los industriales o marinos. Provoca una disminución progresiva de la sección resistente de los elementos estructurales, llegando incluso a la perforación o rotura por abombamiento de los óxidos.Las zonas donde suele aparecer son: los apoyos, cerramientos exteriores y en forjados sanitarios. Los tipos de corrosión más frecuentes son la de aireación diferencial y la de par galvánico.
- - Fallo de las uniones
- Corrosión
- Mecánico
Las uniones constituyen uno de los puntos más delicados a tener en cuenta en la estructura, tanto en el proyecto como durante el proceso de ejecución. Su objetivo es dotar de continuidad a un elemento estructural que no puede construirse de una sola pieza. Son esenciales para dotar de estabilidad y seguridad a la estructura.
Los defectos pueden ser según la tipología de la unión los siguientes:
Roblonado/Atornillado
El problema más importante es la corrosión por aireación diferencial que puede surgir en los encuentros, causando una pérdida de sección útil en los roblones o tornillos. Hay que utilizar aceros de igual composición para evitar problemas de par galvánico. En las articulaciones habrá que emplear aceros de alta resistencia. Y de modo general, los elementos deben someterse a un control exhaustivo de calidad y de su colocación.
Soldadura
Los procesos patológicos mecánicos son consecuencia de una sección de cálculo insuficiente o de una ejecución no uniforme. Las patologías químicas son causadas por incompatibilidad de aceros o con el material de aportación.
Anclajes
Los procesos patológicos mecánicos conducen a aplastamiento y cizalladura del elemento traccionado, llegando a su rotura. Suele producirse un alargamiento diferido, que habrá que cuantificar en los primeros meses de puesta en funcionamiento. Los procesos de naturaleza química se deben a corrosión por aireación diferencial.
- - Falta de rigidez
- Deformación
- . Mecánica
- . Térmica, especialmente en elementos perimetrales situados en los cerramientos.
- Vibración
El acero aunque sufre deformaciones, suele recuperar su forma, salvo en determinados casos. Las lesiones mecánicas que afectan a forjados metálicos pueden ser de dos tipos: de flecha o de tensión excesiva. Su origen está en la inadecuación de la estructura frente a un estado límite; bien por un incremento de las cargas que puede soportar o por la disminución de la resistencia de la estructura.
De modo general, las lesiones comienzan en las zonas más rígidas del edificio, donde son más visibles, como sucede en los cerramientos y particiones.
- -Los fallos característicos son los siguientes:
- Fallos mecánicos: afectan a la solidez,implican pérdida de capacidad mecánica o resistencia, estabilidad, rigidez que inciden en la seguridad estructural.
- Fallos funcionales: afectan a la utilidad,conllevan pérdida de nivelación horizontal, vertical que repercute en la durabilidad y transmisión de vibraciones.
- Fallos estéticos: afectan al decoro debido a cambio de coloración por acción de la corrosión. Son figuraciones inducidas que influyen más en cerramientos, revestimientos y paramentos que en la propia estructura.
Bibliografía[editar]
-AA.VV. (1981): CURSO DE CONTROL DE CALIDAD EN LA EDIFICACIÓN. CURSILLO 3. ESTRUCTURAS METÁLICAS. Ed. COAM, Madrid, 1981. ISBN 84-85572-28-9 (Biblioteca ETSAM Depósito 20.026)
-Martínez Lasheras, R. (1984): PATOLOGÍA DE LAS ESTRUCTURAS METÁLICAS Y MIXTAS. CURSO DE REHABILITACIÓN. TOMO 5. LA ESTRUCTURA. Colegio Oficial de Arquitectos de Madrid, Madrid, 1985. ISBN 84-85572-70-X (Biblioteca ETSAM, 69.059 CUR 5)
-Monjo Carrió, J; Maldonado Ramos, L. (2001): PATOLOGÍA Y TÉCNICAS DE INTERVENCIÓN EN ESTRUCTURAS ARQUITECTÓNICAS, Ed. Munilla-Lería, Madrid, 2001. ISBN 84-89150-52-4 (Biblioteca ETSAM: 69.059 MON PAT)