Patología de la edificación/Estructuras metálicas/Acero/Causas materiales y mecanismos de deterioro

CAUSAS MATERIALES Y MECANISMOS DE DETERIORO

ABUSOS DE POSESIÓN

1.1 Durante la ejecución

Deben controlarse los procesos de soldado de las estructuras metálicas, dado que las altas temperaturas de este proceso producen una alteración significativa de las fases microestructurales ( ferrita / austenita ), produciendo recristalizaciones que además de producir cambios en las propiedades mecánicas del material, favorecen su corrosión.

El manejo irresponsable o sin el cuidado necesario y otras veces defectos de fábrica pueden producir imperfecciones o picados en la superficie de los perfiles y perdidas de material en recubrimiento, produciéndose una corrosión localizada sobre la imperfección.

1.2 En servicio

El acero es un buen conductor del calor, recordemos una de las formas clásicas de la transmisión del calor “conducción”, debido a que el hierro (elemento mayoritario en la composición del acero) como metal que es posee electrones libres, lo que puede propagar el calor fácilmente a través de elementos construidos con este material (vigas, columnas, paneles, etc.) originando a continuación nuevos focos térmicos que expanden el área de calor a una nueva combustión.

Aún cuando el acero funde entre 1.300 º C y 1.400º C, mucho antes de llegar a este punto, pierde su resistencia, reduciéndose a la mitad al llegar a los 500 º C, el calor lo dilata con gran facilidad, llegando una viga de 20 m a alcanzar los 21 m a esta temperatura, el acero estructural pierde dos tercios de su resistencia inicial y en proporción al aumento y dirección de la carga a la cual es sujetada, comenzando por pandear y ceder, con el consiguiente arrastre del resto de los elementos portantes de la construcción.

Este comportamiento del acero en estructuras de contenido, no presupone la presencia de altas temperaturas o anormales condiciones, sino que son suficientes de pequeños a moderados incendios para que se produzca la deformación del material. En general, todos los metales bajo la acción del calor presentan un riesgo máximo a la distorsión y colapso.

Cuando formando parte de un armazón estructural una viga de acero cede, se producirá simplemente un desplome local que dentro de la importancia de oponerse o resistir al incendio en conjunto, se comprende la necesidad de dotar a estos elementos estructurales de una protección acorde a su naturaleza o condiciones.

Otra situación es la posibilidad de desgarro o aplastamiento de conectores que unen los elementos estructurales debido a una diseño equivocado de la pieza que soporta las tensiones alrededor del conector.

AGRESIONES EXTERNAS

2.1 Agresiones biológicas

Algunos microorganismos son capaces de causar corrosión en las superficies metálicas sumergidas. Se han identificado algunas especies hidrógeno-dependientes que usan el hidrógeno disuelto del agua en sus procesos metabólicos provocando una diferencia de potencial del medio circundante. Su accionar está asociado al pitting (picodo) del oxígeno o la presencia de ácido sulfhídrico en el medio.

Otra agresión es el “biofouling” que comienza a partir de la formación de biopelículas microbianas que alcanzan con rapidez, debido a su rápido desarrollo, espesores del orden de 250 micras formadas por la acumulación de un millón de bacterias por centímetro cuadrado, denominadas "microfouling"; a partir de aquí se desarrollan organismos mayores, detectables a simple vista, constituyendo lo que se conoce como "macrofouling". El micro y el macrofouling constituyen el "biofouling" que modifica las condiciones corrosivas del medio, a menudo favoreciéndolas.

2.2 Agresiones físicas

La acción del fuego sobre el acero modifica la plasticidad del mismo y con ello se rompe el equilibrio de las tensiones de trabajo previstas, con lo que se origina una pérdida de la estabilidad de la estructura. La temperatura a partir de la cual aparece el fenómeno de plasticidad, permite valorar la resistencia al fuego de los elementos estructurales. Dicha temperatura es bastante baja y se alcanza con facilidad en toda la masa de la estructura, debido a la elevada conductividad térmica del acero. A partir de una temperatura de 250 ºC, se modifican la resistencia y el limite elástico del acero. A partir de una temperatura de 538 ºC (denominada "temperatura critica") la caída de la resistencia es muy acusada, con lo que la estructura no puede soportar la carga de diseño. Otro efecto negativo es la dilatación producida en los elementos que constituyen la estructura, aumentando las tensiones que pueden producir el colapso de la misma. Tipos de corrosión Existen muchos mecanismos por los cuales se verifica la corrosión, que tal como se ha explicado anteriormente es fundamentalmente un proceso electroquímico.

2.3 Agresiones químicas

La corrosión es definida como el deterioro de un material metálico a consecuencia de un ataque electroquímico por su entorno. Siempre que la corrosión esté originada por una reacción química (oxidación), la velocidad a la que tiene lugar dependerá en alguna medida de la temperatura, la salinidad del fluido en contacto con el metal y las propiedades de los metales en cuestión. Los más conocidos son las alteraciones químicas de los metales a causa del aire, como la herrumbre del hierro y el acero o la formación de pátina verde en el cobre y sus aleaciones (bronce, latón). Es un problema industrial importante, pues puede causar accidentes (ruptura de una pieza) y, además, representa un costo importante, ya que se calcula que cada pocos segundos se disuelve 5 toneladas de acero en el mundo, procedentes de unos cuantos nanómetros o picómetros, invisibles en cada pieza pero que, multiplicados por la cantidad de acero que existe en el mundo, constituyen una cantidad importante. En general, se calcula que su costo económico no es inferior al 2% del producto interno bruto.

2.3.1 Corrosión electroquímica o polarizada

La corrosión electroquímica se establece cuando en una misma superficie metálica ocurre una diferencia de potencial en zonas muy próximas entre si en donde se establece una migración electrónica desde aquella en que se verifica el potencial de oxidación más elevado, llamado área anódica hacia aquella donde se verifica el potencial de oxidación(este término ha quedado obsoleto, actualmente se estipula como potencial de reducción) más bajo, llamado área catódica. El conjunto de las dos semirreacciones constituye una célula de corrosión electroquímica.

2.3.2 Corrosión por oxígeno

Este tipo de corrosión ocurre generalmente en superficies expuestas al oxígeno diatómico disuelto en agua o al aire, se ve favorecido por altas temperaturas y presión elevada ( ejemplo: calderas de vapor). El oxígeno provoca el llamado pitting (picado) en aquellas superficies muy pulidas y expuestas. La burbuja de oxígeno que se localiza forma un cátodo y el metal del seno que aloja dicha burbuja se transforma en un ánodo. Este tipo de corrosión es muy reactiva y puede desarrollarse en un breve lapso.

2.3.3 Corrosión microbiológica

Algunos microorganismos, como las ferrobacterias, son capaces de causar corrosión en las superficies metálicas sumergidas. Se han identificado algunas especies hidrógeno dependientes que usan el hidrógeno disuelto del agua en sus procesos metabólicos provocando una diferencia de potencial del medio circundante. Su accionar está asociado al pitting (picodo) del oxígeno o la presencia de ácido sulfhídrico en el medio.

2.3.4 Corrosión por presiones parciales de oxígeno

El oxígeno presente en una tubería por ejemplo, está expuesto a diferentes presiones parciales del mismo. Es decir una superficie es más aireada que otra próxima a ella y se forma una pila. El área sujeta a menor aireación (menor presión parcial) actúa como ánodo y la que tiene mayor presencia de oxígeno (mayor presión) actúa como un cátodo y se establece la migración de electrones, formándose óxido en una y reduciéndose en la otra parte de la pila. Este tipo de corrosión es común en superficies muy irregulares donde se producen obturaciones de oxígeno. Este tipo de corrosión se produce en zonas de baja ventilación, como ranuras, cavidades o grietas. En la parte más interior, al haber menos concentración de oxígeno, se favorece la oxidación del metal; en la zona ventilada se producirá la reducción del oxígeno.

2.3.5 Corrosión galvánica

Es la más común de todas y se establece cuando dos metales distintos entre si actúan como ánodo uno de ellos y el otro como cátodo. Aquel que tenga el potencial de reducción más negativo procederá como una oxidación y viceversa aquel metal o especie química que exhiba un potencial de reducción mas positivo procederá como una reducción. Este par de metales constituye la llamada pila galvánica. En donde la especie que se oxida (ánodo) cede sus electrones y la especie que se reduce (cátodo) acepta los electrones.

2.3.6 Corrosión por actividad salina diferenciada

Este tipo de corrosión se verifica principalmente en elementos estructurales cercanos a un medio marino (estaciones petrolíferas), en donde la superficie metálica expuesta a diferentes concentraciones salinas forman a ratos una pila galvánica en donde la superficie expuesta a la menor concentración salina se comporta como un ánodo

DEFECTOS Y MECANISMOS INTERNOS DE LOS MATERIALES Y ELEMENTOS

3.1 Formales

En las aplicaciones arquitectónicas las exigencias de la calidad del acabado son normalmente mucho mayores que en otras aplicaciones técnicas. Es crucial que entre el arquitecto y el fabricante exista una comunicación fluida y que no dé lugar a errores.

No obstante, deberá tener en cuenta que estos acabados tan sólo son orientativos y que pueden sufrir variaciones considerables. Por ejemplo, el acabado 2B de un fabricante puede no ser exactamente idéntico al acabado 2B producido por otro fabricante. Incluso dentro de la misma empresa, puede haber pequeñas diferencias entre distintos lotes o bobinas de acero inoxidable. Para evitar complicadas discusiones en el proceso de construcción posterior, se deberán tomar las siguientes medidas de precaución: • Utilice únicamente especificaciones que sigan la norma EN 10088/3. • Las especificaciones deberán incluir las muestras seleccionadas por el arquitecto y el proveedor. • En las aplicaciones cruciales, se deberá utilizar acero inoxidable procedente de un mismo lote o bobina.

3.2 Sustanciales

3.2.1 De los componentes o materias primas

El carbón y el hierro pueden producir impurezas intersticiales puntuales por sustitución, cuando el carbón sustituye al hierro mas allá del 2%. Aquí los átomos de las impurezas llenan los vacíos o intersticios dentro del material original. En la mayoría de los materiales metálicos el empaquetamiento atómico es alto y los intersticios son pequeños. Consecuentemente los diámetros de los átomos que constituyen las impurezas intersticiales deben ser sustancialmente más pequeñas que los del material original, razón por la cual este defecto es mucho menos común.

3.2.2 Del producto terminado

La porosidad y la formación de sopladuras son defectos que aparecen en las piezas de acero moldeado a causa de contracciones internas, y gases que no han podido escapar, óxidos, escorias, etc. Algunos de los defectos encontrados en las piezas moldeadas en arena pueden eliminarse con el colado centrifugo. Las piezas de acero moldeado se suelen someter a tratamientos térmicos para mejorar sus propiedades. Estos tratamientos incluyen la normalización, recocido, eliminación de tensiones internas y templado. Los componentes fabricados, que pueden acabar como elementos finales vistos, se deben montar de forma que estén totalmente alineados con la dirección de laminación del acero inoxidable. De no ser así, bajo determinadas condiciones de iluminación, se podrían detectar diferencias en el brillo. Por lo tanto, es necesario tomar precauciones para garantizar que en las especificaciones se pida a la fábrica que marque el sentido de colocación en el anverso de la chapa de acero inoxidable. Esto mismo se debe aplicar también a la dirección del pulido, en caso de que se haya especificado un acabado pulido. Los paneles de acero inoxidable ferrítico (que contienen Cr) y austenítico (que contienen Cr y Ni), no se deben mezclar, aunque ambos tipos pueden ser adecuados técnicamente. El tipo de acero inoxidable ferrítico con aleación de Cr posee un tono ligeramente más frío, mientras que el tipo austenítico con aleación de Cr y Ni muestra un tono más cálido. La diferencia de color entre los tipos de acero inoxidable ferrítico y austenítico se puede hacer patente en aplicaciones cruciales.

DESORDENES CONSTRUCTIVOS

4.1 De inadecuación del sistema

4.1.1 De relación interna entre los elementos del sistema

Para un correcto funcionamiento estructural, cada parte de la estructura debe quedar alineada nivelada y ajustada tan pronto como sea posible una vez que haya sido montada, la ejecución de sus uniones debe realizarse inmediatamente después. Si dichas uniones son definitivas deberá asegurarse que su ejecución no compromete el ajuste nivelación y aplomado de elementos posteriores. En la alineación y ajuste de la estructura pueden emplearse tuercas de nivelación cuñas y forros. Cuando exista el riesgo de desplazamiento las cuñas podrán soldarse, el material de las mismas será acero y el espesor mínimo 4 mm cuando se empleen en el exterior. Cuando no sea posible corregir los errores de montaje o ajuste mediante cuñas en forma de calzas o forros se deberán modificar adecuadamente la fabricación de las piezas consignando los cambios introducidos en los Planos de Montaje. Debe prestarse especial atención en no forzar el ajuste si ello implica introducir esfuerzos en las barras no considerados en el cálculo de la estructura.

El diseño en cuanto a tipo de piezas y detalle de uniones debe evitar zonas donde pueda depositarse humedad y suciedad tanto en elementos interiores como en aquellos directamente expuestos al exterior. Deberá indicarse si los perfiles cerrados o tubulares requieren tratamiento interno o no. En el caso de que la estanqueidad quede asegurada por las soldaduras estructurales o bien mediante soldaduras de sellado de extremos, se considerará que el espacio interior queda protegido previa aceptación de dichas soldaduras. Para las soldaduras de sellado solamente se requiere inspección visual. Deben tomarse precauciones especiales de estanqueidad en los elementos de fijación que atraviesen elementos en cajón o tubulares sellados.

4.1.2 De relación externa con otros sistemas

En edificios es recomendable iniciar el montaje por núcleos rígidos que hagan intraslacional todo el conjunto, confiriendo estabilidad a las piezas que se montan posteriormente. Los pernos de anclaje en base de pilares no empotrados no deben de considerarse eficaces para evitar el vuelo a menos que se compruebe mediante cálculo. Debe preverse el efecto de las cargas de ejecución incluyendo peso de personal y equipo durante el montaje así como la acción del viento sobre la estructura no completa. Los arriostramientos o rigidización provisional deberá mantenerse hasta que el montaje esté lo suficientemente avanzado, de modo que puedan ser retirados sin comprometer la seguridad. Cabe la posibilidad en edificios o estructuras de gran altura que sea necesario liberar a los arriostramientos del efecto de las cargas gravitatorias a medida que avanza la construcción. En estos casos, que deben estar explícitamente indicados en el Pliego de Prescripciones Técnicas y considerados en el cálculo de la estructura, podrá procederse liberando cada vez únicamente en recuadro y recurriendo a otro arriostrado provisional alternativo si es necesario.

En caso de que el montaje implique la rodadura u otro tipo de traslación de la estructura o de parte de ella, hasta su posición definitiva deberán tomarse las medidas pertinentes para conseguir el frenado controlado de la misma y preferiblemente para poder actuar en el sentido de invertir la dirección del desplazamiento si es necesario. Los anclajes provisionales deberán estar asegurados contra cualquier posible aflojamiento involuntario.

Se deberá cuidar especialmente el drenaje de las cubiertas y fachadas de modo que la estructura quede lo más protegida posible. El Pliego de Condiciones contemplará con un adecuado sistema de protección aquellos elementos que queden al exterior. Deberá considerarse conjuntamente el tratamiento de protección frente a incendio (de acuerdo con el anejo específico) ya que los requisitos del mismo pueden determinar un grado de defensa frente a la corrosión muy superior al estrictamente necesario,especialmente en el caso de pinturas intumescentes y morteros proyectados.

Las fracciones de piezas que vayan a quedar embebidas en hormigón no necesitan protección a partir de 30 mm por debajo del nivel del mismo, siempre que a su vez la superficie de hormigón este a salvo de procesos de carbonatación Únicamente requieren un cepillado de eliminación de cascarilla de laminación, suciedad y grasa. Caso de venir con imprimación desde taller no necesitan ninguna operación adicional.