PATOLOGIA DE ESTRUCTURAS DE ACERO
GENERALIDADES
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ORIGEN DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL
¿QUE ES EL ACERO? El Acero es básicamente una aleación o combinación de hierro y carbono (alrededor de 0,05% hasta menos de un 2%). Algunas veces otros elementos de aleación específicos tales como el Cr (Cromo) o Ni (Níquel) se agregan con propósitos determinados. Ya que el acero es básicamente hierro altamente refinado (más de un 98%), su fabricación comienza con la reducción de hierro el cual se convierte más tarde en acero.
UNA MIRADA A LA HISTORIA
ESTRUCTURAS EN ACERO El uso de hierro en la construcción se remonta a los tiempos de la Antigua Grecia; se han encontrado algunos templos donde ya se utilizaban vigas de hierro forjado. En la Edad Media se empleaban elementos de hierro en las naves laterales de las catedrales.
Pero en verdad, comienza a usarse el hierro como elemento estructural en el siglo XVIII; en 1706 se fabrican en Inglaterra las columnas de fundición de hierro para la construcción de la Cámara de los Comunes en Londres.
UNA MIRADA A LA HISTORIA
ESTRUCTURAS EN ACERO El hierro irrumpe en el siglo XIX dando nacimiento a una nueva arquitectura a partir de la Revolución Industrial, llegando a su auge con la producción estandarizada de piezas. Aparece el perfil doble T en 1836, reemplazando a la madera y revoluciona la industria de la construcción creando las bases de la fabricación de piezas en serie. Palacio de Cristal, de Joseph Paxton, construida en Londres en 1851
Otra obra ejecutada con hierro, protagonista que renueva y modifica formalmente la arquitectura antes de despuntar el siglo XX es la famosa Torre Eiffel (París, Francia).
EN LA ACTUALIDAD
ESTRUCTURAS EN ACERO Constituyen un sistema constructivo muy difundido en varios países, cuyo empleo suele crecer en función de la industrialización alcanzada en la región o país donde se utiliza.
El puente Lupo es el más grande del mundo, y se encuentra en China. Su estructura forma un imponente arco de acero. Y tiene una extensión de 3,9 kilómetros.
Estadio Qi Zhong, Shanghai
EL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL
VENTAJAS
Alta resistencia Elasticidad Precisión dimensional Ductilidad Facilidad de unión con otros miembros Rapidez de montaje Disponibilidad de secciones y tamaños Costo de recuperación Reciclable Permite ampliaciones fácilmente
EL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL
DESVENTAJAS
Corrosión Calor, fuego Pandeo elástico Fatiga
ORIGEN DE LOS PROBLEMAS PATOLOGICOS
2
CAUSAS
¿POR QUÉ SURGE LA PATOLOGIA DE ESTRUCTURAS DE ACERO? Y LA RESPUESTA ES … Por fallas durante los procesos de planeación, ejecución y mantenimiento del proyecto.
Planeación
• Mal dimensionamiento • Errores en los planos
Errores en las hipótesis de calculo
Ejecución
• • • •
Fallas en el montaje Fallas en el control Modificación de la estructura Fallas de coordinación del equipo técnico
Mantenimiento
• • • •
La estructura puede envejecer Fallas en el uso Adecuada protección inicial Inspecciones y reparaciones periódicas
PROBLEMAS EN LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
3
CONSECUENCIAS
3.1
CORROSIÓN
CORROSIÓN ¿QUE ES? ¿Por qué se origina?
La interacción de un metal con el medio que lo rodea, produciendo el deterioro de sus propiedades tanto físicas como químicas SEGUN EL MEDIO
QUIMICA
ELECTROQUIMICA
-Aire y humedad -Deshechos animales
-Diferencia de potencial
SEGUN LA FORMA
- Corrosión
uniforme
- Corrosión localizada - Corrosión por esfuerzo - Corrosión por fatiga - Corrosión galvánica
ELECTROQUIMICA MICROBILOGICA
QUIMICA
CORROSIÓN QUIMICA DIFERENCIAS
Se da en ausencia de un electrolito Ocurre a temperaturas altas El ataque es homogéneo La circulación de electrones es a través de la película de oxido
ELECTROQUIMICA Necesita la presencia de un electrolito Ocurre a temperaturas moderadas El ataque es heterogéneo La circulación de electrones tiene lugar, a través del metal
TIPOS DE CORROSIÓN SEGÚN LA FORMA
CORROSIÓN
Corrosión uniforme
TIPOS DE CORROSIÓN SEGÚN LA FORMA
CORROSIÓN Corrosión localizada
Corrosión galvánica
DESCRIPCIÓN DE LOS DAÑOS
CORROSIÓN = “CANCER DEL METAL”
Coloración: la herrumbre presenta varias coloraciones que van desde el rojo intenso hasta el café rojizo. Inicialmente la herrumbre es un fino granulado, pero a medida Exfoliaciones (disminución que transcurre el tiempo se de la sección). convierte en pequeñas Disminución de resistencia escamas. Aumento de tensiones Roturas revestimientosfábricas Roturas material en pequeñas escamas.
PREVENCIÓN DE DAÑOS
CORROSIÓN Algunas medidas industrialmente para corrosión son:
utilizadas combatir la
Presencia de elementos de adición de aleaciones (ej. Aceros inoxidables) El alivio de tensiones Recubrimiento superficial: pinturas, capas de óxido, recubrimientos metálicos. Protección catódica
CORROSIÓN Materiales de recubrimiento.
PREVENCIÓN DE DAÑOS
Los revestimientos más comunes son:
Revestimiento de cemento
Pintura
Metalización. Ejecución Del Recubrimiento Se debe realizar en tiempo seco, con temperaturas superiores a 5°C e inferiores a 50°C y con condiciones ambientales exentas de polvo o gases corrosivos. El control de obra debe verificar el cumplimiento de las condiciones anteriores, con especial énfasis en:
Ángulos entrantes y salientes, remaches y cantos.
Uniones antideslizantes que deben ser saturadas de imprimación (juntas, tornillos)
Todo elemento de la unión que pueda permitir el acceso del agua en las superficies de contacto.
CORROSIÓN PREPARACION DE LA SUPERFICIE
Algunos métodos existentes son:
IMPORTANTE
Limpieza con solventes Limpieza manual Limpieza mecánica Limpieza con productos químicos Limpieza mediante chorro abrasivo
CORROSIÓN
PINTURAS
Existen diferentes sistemas de protección Agresividad del ambiente, para determinar el mas adecuado se debe tener en cuenta: Medio ambiente predominante Preparación de la superficie Colores que se deben usar Costos Recubrimientos anteriores
COMPATIBILIDAD
PINTURAS
CORROSIÓN AMBIENTES CON AGRESIVIDAD LEVE
AMBIENTES AGRESIVOS
Sistemas Alquílicos
Productos Epóxicos
Compuesto por un Anticorrosivo alquílico como fondo y un Esmalte alquídico como acabado
Formado por un Anticorrosivo o Imprimante, una Barrera Epóxica y Acabado epóxico, que utiliza como vehículo una resina epóxica de altos sólidos, con pigmentos inhibidores de la corrosión como fosfato de zinc.
Características: Buena adherencia, secado lento, buena resistencia a la oxidación y buen brillo.
Características: Producen capas sólidas de pintura, excelente adherencia y resistencia mecánica y química
CORROSIÓN
PINTURAS
AMBIENTES MARINOS
Sistemas acabado uretano
Epóxico con de esmalte tipo
Pintura de acabado en dos componentes separados, un Esmalte que utiliza como vehículo resina poliol y pigmentos de alta resistencia a agentes fisicoquímicos y un catalizador.
Características: produce una capa sólida de pintura, de alta dureza y brillo, resistente a la abrasión, la humedad y la decoloración.
CORROSIÓN
CORROSIÓN REPARACIÓN
Las reparaciones por oxidación o corrosión se realizarán mediante:
La sustitución de elementos que han tenido pérdidas en el área de su sección. Reemplazo de remaches y pernos, en su caso, o eliminación de las zonas deterioradas del recubrimiento. Preparación de la base y una adecuada ejecución del recubrimiento para evitar el contacto de las estructuras de acero con el oxígeno y la humedad, y la entrada de agua al interior
3.2
RESISTENCIA AL FUEGO
RESISTENCIA AL FUEGOFUEGO CONCEPTOS GENERALES
Diariamente se presentan situaciones de riesgo a causa de las llamas o igniciones que se producen por un incremento no controlado de calor. Causas
Protección Inadecuada contra incendios
Consecuencias
Mortalidad, Perdidas industriales y la desaparición de la edificaciones
RESISTENCIA AL FUEGOFUEGO NORMATIVIDAD Las principales normas internacionales en materia de protección contra fuego son las ANSI/UL263 NFTA 251 ISO 834 UNE 23-721 Nacionales NTC 1480 NTC 1480 NSR 10 Titulo J
Términos de la normatividad
M0: No Combustible M1: No Inflamable M2: Difícilmente Inflamable M3: Medianamente Inflamable M4: Fácilmente inflamable M5: Materiales que no entran en clasificaciones anteriores
RESISTENCIA AL FUEGOFUEGO ¿ QUE ES LA ESTABILIDAD Y LA ESTANQUEIDAD?
ESTABILIDAD (EF)
ESTANQUEIDAD (RF)
Comportamiento de un elemento constructivo , sea portante o no, que garantiza durante un tiempo determinado su estabilidad mecánica frente a la acción del fuego.
Comportamiento de un elemento constructivo sea portante o no, que garantiza durante un tiempo determinado, el aislamiento térmico. Representa la resistencia térmica suficiente para impedir que en la cara no expuesta al fuego temperaturas superiores a 220°C según NTC 1480.
RESISTENCIA AL FUEGO ¿POR QUE ES IMPORTANTE LA PROTECCION AL FUEGO? La acción del fuego sobre el acero modifica la plasticidad del mismo y rompe el equilibrio de las tenciones de trabajo previstas, lo que origina una perdida de la estabilidad de la estructura .
Esta temperatura es bastante baja y se alcanza con facilidad, debido a la elevada conductividad térmica del acero
La temperatura a partir de la cual aparece el fenómeno de la plasticidad, permite valorar la resistencia al fuego de los elementos estructurales. Para una temperatura de 250°C se da una modificación de la resistencia y el limite elástico. Temperatura critica =538°C La estructura no puede soportar la carga de diseño
RESISTENCIA AL FUEGO SOLUCION Impide la propagación de las llamas a través de las juntas. Firestopping
(Sellamiento de penetraciones) PROTECCION PASIVA
Fireproofing
Se emplean materiales elastoméricos que pueden ser intrumencentes y incombustibles
Lana mineral de roca que sirve para rellenar las cavidades de los muros, losas o techos
Revestimiento con productos ignífugos para aumentas la estabilidad al fuego.
Aislante térmico disminuyendo la forma efectiva el flujo de calor
ANTES DE APLICAR FIRESTOPPING
DESPUES DE APLICAR FIRESTOPPING FIREPROOFING
RESISTENCIA AL FUEGO EJEMPLOS DE APLICACIÓN DE FIRESTOPPIN REGILLA INTUMESCENTE
SACOS INTUMESCENTES
Son componentes industriales adecuados para aéreas que requieren ventilación pero que tienen que protegerse contra el fuego, se colocan en muros, puertas etc. Su sellado al fuego resiste hasta 4 horas
Actúan como sellado resistente al fuego, eficiente y practico, que permite cambiar las instalaciones en un paso de sector de incendios, tantas veces como sea posible. Resistencia al fuego de 3 horas
REGILLA INTUMESCENTE
SACOS INTUMESCENTES
PROTECCION CON PINTURAS
RESISTENCIA AL FUEGO PINTURAS TIPO IGNÍFUGO Resisten los efectos de disminución de la resistencia del acero por la altas Temperatura, hasta mas de 1000°C. Este tipo de producto se caracteriza por no ser inflamable, de manera que cuando se alcanzan los 150°C, la capa de película seca del producto ignífugo intumescente se expande 10, 15 o 20 veces. Con esto se evita que llegue a la temperatura critica 538°
3.3
FRAGILIZACION POR HIDROGENO
FRAGILIZACION POR HIDROGENO Escasa atención
FRAGILIZACION POR HIDROGENO
Ingreso de Hidrogeno molecular en la estructura de acero durante el proceso de soldadura
Su presencia depende de Factores como
Nivel critico de concentración de Hidrógeno
Nivel critico de esfuerzos de tracción
Presencia de grasas, aceites y la presencia de agua como elemento constructivo
Soldaduras (SMAW, SAW, GMAW, GTAW)
Microestructura susceptible (Martensita)
DIFUSIVIDAD DEL HIDROGENO
FRAGILIZACION POR HIDROGENO ¿ COMO SE INTRODUCE EL HIDROGENO? Al establecer el arco eléctrico
1 Permiten disociar el hidrogeno molecular H2 en Hidrogeno atómico H+
2 El metal liquido tiene gran capacidad para disolver el HIDRIGENO Atómico, cuando se solidifica pierde su habilidad para retener el HIDROGENO y el que no ha sido expulsado queda atrapado en la zona de soldadura.
El Hidrogeno atómico que se encontraba en solución en el acero liquido tiende a moverse por difusión en el acero solidificado
3
Átomos de Hidrógeno Átomos de Hierro
DETERMINACION DEL POTENCIAL DE INCLUSION DE HIDROGENO
FRAGILIZACION POR HIDROGENO Se estableció una unidad para medir la difusión de hidrogeno en la soldadura dada en ml de hidrogeno por cada 100g de metal depositado, medido mediante la prueba ANSI/AWWS A4.3 así cuando el fabricante hable de un electrodo de bajo hidrogeno tipo H15 difundirá menos d e15ml de hidrogeno por cada 100g de metal depositado.
MINIMIZACIÓN
FRAGILIZACION POR HIDROGENO Se recomienda utilizar electrodos que no contengan agua de constitución y que estén lo mas seco posible como Electrodos Básicos de bajo Hidrogeno
3.4
CONEXIONES
2. FALLAS EN LAS CONEXIONES En conexiones con soldadura:
SISMOS
En pórticos resistentes a momento: fractura completa de la soldadura, fractura parcial, fractura en el contacto con el patín de la columna con la soldadura y fractura en el contacto de los patines de la viga con la soldadura conexiones En pórticos arriostrados: falla en la soldadura de conexión de las riostras a vigas y/o columnas. En pórticos en celosía: la falla más común es por pandeo en los elementos de las diagonales. En conexiones atornilladas
Por cortante, aplastamiento, desgarramiento o por sección insuficiente de las placas de conexión.
FALLAS EN LAS CONEXIONES Los paneles de unión entre columnas y vigas
SISMOS
1. Fractura o pandeo de los atiesadores 2. Fracturas en la soldadura de los atiesadores 3. Fractura parcial en el alma de la columna 4. Pandeo del alma 5. Ruptura de la columna
FALLAS EN LAS CONEXIONES
SISMOS
Columnas Fracturas en el patín Desprendimiento de una sección del patín Desgarramiento laminar del patín o pandeo del patín.
En Vigas: Fluencia Pandeo Fractura de los patines o alma en zonas cercanas a la conexión con la columna.
GENERALIDADES
ENSAYOS Los ensayos preventivos 0 cuando ya le lesión empezó a presentarse son de suma importancia. Se utilizan sobre todo en las soldaduras, ya que estas generan discontinuidades en los elementos metálicos, y estas ultimas daños y complicaciones.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS: se destruyen las muestra y la soldadura, es posible elegir entre varios ensayos (de doblez, de tracción, análisis químico, de dureza, de impacto, micro y macroscópicos y, en ocasiones, ensayos hidrostáticos).
ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS: son empleados para la detección de discontinuidades en un material sin tener que dañarlo o destruirlo. Las técnicas para la ejecución de estos ensayos deben realizarse por personal capacitado, entre estas técnicas están: mediante partículas magnéticas, con líquidos penetrantes, inspección radiográfica, prueba de ultrasonido y ensayos de servicio.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
ENSAYOS
Ensayo de doblez libre o doblez guiado: es el primero al que se enfrenta el soldador y consiste en doblar una muestra convenientemente preparada. Se usan tres tipos de dobleces: de cara, de raíz y lateral.
Ensayo de tracción: se prepara una placa de prueba que se coloca en la maquina de ensayos y se aumenta la fuerza hasta alcanzar el punto de cedencia, a partir del cual el metal empieza a adelgazarse. Cuando se rompe, el operario calcula el punto de cedencia del metal. Los cálculos están relacionados con el equipo utilizado y con la medida de la sección transversal de la muestra.
Elongación: es el aumento de longitud de la muestra (en porcentaje), cuando se la estira hasta que se rompe. Se mide en dos puntos marcados sobre una misma muestra o soldadura.
Ensayo de doblez libre o doblez guiado
Elongación
Ensayo de tracción