http://www.urbipedia.org/hoja/Ejecuci%C3%B3n_de_estructuras_met%C3%A1licas http://www.construmatica.com/construpedia/Ejecuci%C http://www.construmat ica.com/construpedia/Ejecuci%C3%B3n_de_Estr 3%B3n_de_Estructuras_Met% ucturas_Met%C3%A1lica C3%A1lica s
1. PROCESO CONSTRUCTIVO DE ESTRUCTURAS METALICAS El presente trabajo describe el estado del arte actual de las fases de DISEÑO, FABIRCACION FABIRCACI ON Y MONTAJE de estructuras estructuras metálicas. Se incluye adicionalmente un CASO que permite visualizar una aplicación particular y destacar los aspectos tecnológicos más importantes en el desarrollo actual de la ingeniería de detalles. Finalmente se presenta un set de comentarios y conclusiones que resume los principales aspectos del tema que nos convoca.
Diseño: •
Las etapas previas a la Fabricación y Montaje son desarrolladas en la Ingeniería de
Proyecto. En ella se desarrollan los cálculos que definen los elementos estructurales a disponer. •
La forma tradicional era elaborar planos de diseño del proyecto en 2D y enviarlos a
Maestranza para el detallamiento a nivel de Fabricación. •
En general habían proyectistas de planos de diseño y proyectistas de planos de
Fabricación. •
Esta modalidad de trabajo permaneció por varias décadas llegando a tener un
rendimiento de producción conocido, con metodologías de trabajo normadas. •
En la Ingeniería de Proyecto de los últimos diez años se ha producido un cambio
importante en la forma de elaborar planos de diseño y fabricación de estructuras metálicas. •
Las oficinas de Ingeniería y Maestranzas han introducido cambios tecnológicos en sus
procesos productivos. •
La oficina detalladora han implementado software que le permiten elaborar diseños
con modelos virtuales en tres dimensiones.
•
Las maestranzas han incorporado software que les permiten interpretar estos modelos
e incorporar los suyos propios de forma tal de tener una línea automatizada de producción por Proyecto. Condiciones generales entre la memoria de cálculo y planos diseño Al incorporar nuevas tecnologías en sistemas ya probados, es de mucha importancia resguardar aquellas acciones que implican mantener el aseguramiento de calidad del producto. En particular a nivel de DISEÑO el incorporar maquetas 3D implica que del listado presentado, varios de los puntos deben ser rectificados por acciones que representen el mismo objetivo pero con la nueva modalidad. Al incorporar modelos 3D se deben generar listas de chequeo, tanto para ingenieros como proyectistas. Se presentan, a modo de ejemplo, nueve actividades básicas que deben ser incorporadas en la nueva forma de trabajo. En general este proceso se lleva a cabo a través de elaboración de documentos llamados procedimientos, manual de calidad o afines. En este proceso siempre existe un grupo que maneja muy bien el tema tecnológico y otro grupo que recibe el cambio y que maneja muy bien la parte técnica. La correcta coordinación de estos dos grupos asegura la calidad y el salto tecnológico con éxito. 1. Se orientará con un sistema de coordenadas representadas por letras y números. 2. Los elementos se representaran con trazado unilineal indicando disposición de los perfiles. 3. Los perfiles se denominarán según manual vigente definidos por el proyecto. 4. Los perfiles no estandarizados se indicarán con sus características fundamentales (alto,ancho, espesores) agregando una sección ilustrativa. 5. Se indicarán las cargas o el N° de pernos necesarios para la conexión o la capacidad de la sección. 6. En planta , los perfiles se acotarán desde sus ejes a los sistemas coordenados. coordenados. 7. En elevación , se acotarán a los distintos niveles y se indicará claramente si se están considerando los ejes de los perfiles o los topes superior o inferior de la estructura. 8.
En cada plano de diseño se dibujará una planta de ubicación del área representada.
•
Las maestranzas han incorporado software que les permiten interpretar estos modelos
e incorporar los suyos propios de forma tal de tener una línea automatizada de producción por Proyecto. Condiciones generales entre la memoria de cálculo y planos diseño Al incorporar nuevas tecnologías en sistemas ya probados, es de mucha importancia resguardar aquellas acciones que implican mantener el aseguramiento de calidad del producto. En particular a nivel de DISEÑO el incorporar maquetas 3D implica que del listado presentado, varios de los puntos deben ser rectificados por acciones que representen el mismo objetivo pero con la nueva modalidad. Al incorporar modelos 3D se deben generar listas de chequeo, tanto para ingenieros como proyectistas. Se presentan, a modo de ejemplo, nueve actividades básicas que deben ser incorporadas en la nueva forma de trabajo. En general este proceso se lleva a cabo a través de elaboración de documentos llamados procedimientos, manual de calidad o afines. En este proceso siempre existe un grupo que maneja muy bien el tema tecnológico y otro grupo que recibe el cambio y que maneja muy bien la parte técnica. La correcta coordinación de estos dos grupos asegura la calidad y el salto tecnológico con éxito. 1. Se orientará con un sistema de coordenadas representadas por letras y números. 2. Los elementos se representaran con trazado unilineal indicando disposición de los perfiles. 3. Los perfiles se denominarán según manual vigente definidos por el proyecto. 4. Los perfiles no estandarizados se indicarán con sus características fundamentales (alto,ancho, espesores) agregando una sección ilustrativa. 5. Se indicarán las cargas o el N° de pernos necesarios para la conexión o la capacidad de la sección. 6. En planta , los perfiles se acotarán desde sus ejes a los sistemas coordenados. coordenados. 7. En elevación , se acotarán a los distintos niveles y se indicará claramente si se están considerando los ejes de los perfiles o los topes superior o inferior de la estructura. 8.
En cada plano de diseño se dibujará una planta de ubicación del área representada.
9.
Las dimensiones serán en mm.
MCA
PLANO DISEÑO
Condiciones generales planos de fabricación Similar es el caso para la etapa de Fabricación. Este proceso es llevado íntegramente por la maestranza la que recibe un modelo virtual en tres dimensiones y lo coloca en su línea productiva para elaborar electrónicamente los planos de fabricación, por lo cual, también debe elaborar nuevos manuales de procedimientos que interpreten el aseguramiento de calidad de sistemas tradicionales aplicados a la innovación tecnológica.
1. En los Planos se fabricarán piezas completas. 2. Las piezas a detallar serán las que correspondan a un determinado plano de diseño. 3. Se detallarán separadamente todas las piezas que se armen taller. 4. Cada Plano tendrá una lista de materiales. 5. Se indicarán las siguientes notas, Soldaduras, diámetros, agujeros. Las medidas se darán en mm. 6. No se indicarán escalas en las viñetas de los Planos solo en detalles. 7. Cada Pieza se dibujará en elevación agregándose todas las vistas y secciones necesarias para definirlas claramente. Todo elemento que en el conjunto no quede totalmente dimensionado, se detallara de forma separada. 8. Todas las piezas estarán identificadas con una marca de terreno y sus componentes con una de taller. 9. Las marcas de taller estarán identificadas con dos letras minúsculas, la primera indicará al elemento según su característica y la segunda indicará el orden correlativo según plano. 10. Las letras que identifican son: a) ángulos generales m) perfiles IN, H, C, ICA p) planchas de conexión b) placas bases s) suples
x) tirantes. 11. Las marcas de Terreno son las que identificarán cada pieza desde su fabricación en taller hasta su montaje. Estas se definen con un número que corresponde al número del plano que la contiene más una letra mayúscula que indica el orden correlativo en el plano VIGA01-100 A. Las letras que se usarán para indicar el correlativo de las piezas son las siguientes A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K,…
Secuencia línea producción Una secuencia lógica para el estado del arte actual es punteada en lista adjunta, describe las actividades secuenciales desde la etapa inicial de ingeniería de diseño hasta la construcción final de la estructura de acero detallada. a) Memoria de Cálculo b) Modelos 3D PDMS o equivalente. ( Plant Design Management System) c)
Planos Complementarios Proveedores.
d) Envío Modelo 3D e informes a Maestranza e) Modelamiento en X-STEEL o Equivalente (Importa modelo PDMS y procede a detallar planos de Fabricación). f)
Suministro de Materiales.
g) Fabricación de Estructuras.
Planificación y Programación.
Abastecimiento de materiales.
Preparación de materiales.
Fabricación de perfiles.
Procesamiento computacional.
Armado y soldado Perfiles.
Control Calidad.
Protección Anticorrosiva.
Despacho.
h) Protección Anticorrosiva i)
Control de Calidad.
j)
Transporte a Obra.
k) Montajes Especiales Conociendo más acerca de estas podríamos decir que: a) Es el tema ligado al ingeniero estructural que define las secciones de los perfiles componentes de la estructura y es el input inicial de la secuencia. b) Para modelos virtuales en tres dimensiones un software muy ocupado es el PDMS que es una aplicación que permite trabajar con múltiples estaciones ON LINE de modo tal, que las distintas especialidades van coordinando en tiempo real los variados diseños. Da para tema aparte una descripción más detallada de este software. Por ahora se define como parte de un conjunto de actividades. c) Los Planos complementarios vienen a cubrir necesidades de subcontratistas que no teniendo aún tecnología compatible deben ser incluidos de todas formas. Este es el caso de proveedores de forros de cubiertas, sistemas automatizados, sistemas eléctricos, etc.). d) El envío del modelo corresponde a la emisión de un archivo electrónico que se “sube” a un sitio “ftp” desde el cual la maestranza procede a “bajar” para incorporarlo a su línea
productiva. Un sitio FTP es un espacio en un servidor en el cual se almacenan archivos para que
puedan
ser
descargados
desde
otra
ubicación.
e) El Steel es el software que aplica la Maestranza para leer y transformar desde PDMS los planos electrónicos de fabricación. El resto de los procesos descritos varían muy poco respecto de lo que siempre se ha desarrollado.
DISEÑO: •
En el diseño actual se reemplaza los planos en dos dimensiones por modelos virtuales
en tres dimensiones.
•
Los tiempos y formas de ejecutar los proyectos actuales imponen plazos mínimos sin
perder calidad, los modelos 3D permiten una coordinación interdisciplinaria que minimiza interferencias.
Una vista típica de un modelo 3D es el mostrado en la figura, este es el archivo que se exporta y el cual recibe la maestranza para iniciar el proceso de fabricación de la estructura. Estos modelos virtuales en tres dimensiones reemplazan los planos en dos dimensiones y permiten una coordinación interdisciplinaria que minimiza interferencias, logrando cumplir con los tiempos y formas de ejecutar los proyectos actuales, que imponen plazos mínimos, sin perder calidad.
•
El aseguramiento de calidad en el diseño sigue a cargo del Ingeniero y su equipo de
proyectistas, lo que se modifica es la forma de chequear los diseños, se deben crear procedimientos para revisión de Maquetas.
•
En general se elabora un modelo 3d que representa los planos de diseño tradicionales,
el cual se coordina con el resto de las especialidades. Una vez que el modelo se aprueba es enviado a Maestranza.
En este diagrama se resume la secuencia de trabajo: desde la oficina detalladora se elabora la maqueta en tres dimensiones (PDMS o equivalente) la cual debe cumplir los distintos protocolos de aseguramiento de calidad definidos en el proyecto, una vez aprobados los
diseños se le asigna al modelo la calidad de CONSOLIDADO y se puede emitir a Maestranza. El siguiente paso es elaborar los planos de fabricación (XSTEEL o equivalente). Una vez que los planos son fabricados se emiten para terreno y comienza la última etapa de MONTAJE.
ASPECTOS DE MONTAJE: El montaje es la etapa final y es desarrollada por el constructor o contratista de la obra. Acá cobran especial importancia los documentos desarrollados en la ingeniería de proyecto, por ejemplo, las bases de licitación, métodos constructivos, especificaciones técnicas de Montaje y tolerancias de fabricación que permiten resguardar la calidad del Proyecto de ingeniería materializando una buena construcción. •
El proyecto de Ingeniería debe analizar los métodos constructivos más probables de
forma de garantizar la viabilidad técnica del montaje.
•
Lo que aplique el constructor como método de montaje definitivo dependerá de sus
recursos , experiencia y plazos de construcción , de esta forma se garantiza al cliente al menos una solución viable.
Los modelos virtuales permiten entregar información complementaria para la fase de Montaje respecto de espacios disponibles para maniobras de las estructuras a montar, chequear espacios disponibles entre placas atiesadoras, la cubicación instantánea de la estructura total o parcial, según se requiera. Las consideraciones de montaje general siguen en manos la experiencia de la empresa contratista especializada. Un caso especial es el Montaje de estructuras de acero de refuerzo o que modifican estructuras existentes, el que generalmente tiene un grado de dificultad mayor que el
montar una estructura nueva. El tener que intervenir estructuras existentes exige tener planos “as built”, situación que en la práctica rara vez se encuentra. En general, se hace un
levantamiento y se modela la estructura existente en 3D de forma de garantizar que las interferencias al momento del Montaje sean mínimas. Las estructuras de Acero son sensibles a la Temperatura ambiente, a deformaciones locales y formas de transporte. La constructora que desarrolla el montaje debe verificar que la calidad de la estructura fabricada llegue de acuerdo a protocolo de fabricación y especificaciones técnicas del Proyecto de Ingeniería. Las condiciones ambientales de altas o bajas temperaturas implican definir juntas con dilataciones que permitan el montaje sin necesidad de aplicar sobre tensiones a la estructura.
Las uniones por terreno en general se definen apernadas, en caso de tener que definir uniones soldadas se recomienda instalar un taller de terreno de Soldadura, con permanente calificación de los Soldadores y precalificar con probetas de ensayo. Esto es de particular importancia si no se puede evitar posiciones sobre cabeza para el soldador. Para las uniones apernadas hoy se implementan golillas que marcan con pintura al llegar a la tensión requerida, por lo cual es más fácil de inspeccionar.
La forma de materializar lo proyectado depende fuertemente de la experiencia del contratista de montaje. El caso de las uniones soldadas de terreno es uno de estos casos especiales. Ejemplo de un sistema de construcción con estructuras metálicas: Análisis de un CASO que permite visualizar una aplicación y destacar los aspectos tecnológicos más importantes en el desarrollo actual de la ingeniería de detalles.
PLANTA GENERAL EDIFICIO MANTENCION
Previamente al montaje de la estructura metálica, estará ejecutada la cimentación correspondiente, respetando todas las cotas de proyecto y provista ésta de sus
correspondientes elementos de unión con la estructura (chapas de anclaje, cajetines, etc.) UBICACION Este es un edificio existente que debe ser ampliado, es decir, se debe desarrollar una estructura nueva y se debe coordinar con la existente. Para ello se modela en tres dimensiones la nueva estructura además de todos aquellos elementos que deben ser coordinados en los puntos fronteras entre lo proyectado y lo que existe hoy.
Este es un edificio existente que debe ser ampliado, es decir, se debe desarrollar una estructura nueva y se debe coordinar con la existente. Para ello se modela en tres dimensiones la nueva estructura además de todos aquellos elementos que deben ser coordinados en los puntos fronteras entre lo proyectado y lo que existe hoy.
Modelo 3D PDMS en él se modelan los elementos necesarios para la construcción de la estructura. Se muestran los ejes y elementos típicos de un edificio industrial.
Estos son los planos que se obtienen directamente desde la Maqueta y que son enviados a terceros para distintos objetivos. En general esta información es enviada a subcontratistas que no poseen PDMS y que deben entregar diseños complementarios, por ejemplo, Cubiertas de Techo, Sistemas Eléctricos, Sistemas automáticos (Portones, Tecles, etc). El poder obtener estos planos directamente desde la Maqueta asegura el chequeo de interferencias con otras especialidades. Una vez que el modelo es CONSOLIDADO, es decir, es aprobado por todas las especialidades del Proyecto se permite emitir la información al cliente, maestranza, constructor o subcontratista según sea el caso.
La información puede ser presentada de igual forma que los tradicionales planos 2D. Es decir a nivel de Planos de Diseño se obtiene los típicos planos de Planta, elevación, corte y detalles. Esto cobra vital importancia sobre todo porque en la práctica habitual los documentos contra actuales oficiales para construir son planos en dos dimensiones.
Acá se muestra el típico caso de detalle de una columna base que se obtiene directamente desde el modelo 3D. Entre otras cosas al tener modelado tanto la estructura metálica como el hormigón permite la verificación de longitudes de anclaje de pernos, la cubicación de ambos materiales, la certificación del correcto posicionamiento de las perforaciones de las
placas bases, la disposición de atiesadores, el chequeo de espacios mínimos compatibles con el montaje de la estructura, entre otros.
La secuencia tradicional DISEÑO FABRICACION Y MONTAJE se ve fuertemente afectada por cambios a nivel de las dos primeras fases. Se incorpora el concepto de modelos virtuales en tres dimensiones que permite el diseño multidisciplinarios en tiempo real y con aseguramiento de la coordinación de un 100%. El modelo es enviado directamente a Maestranza para elaborar planos de fabricación electrónicamente. Por otro lado el caso del Montaje también tiene un grado de repercusión, en ciertos casos permiten evaluar métodos de montaje. Lo importante es rescatar todos los aseguramientos de calidad que tenía el sistema tradicional y que sumado a la nueva modalidad de trabajo permita asegurar la calidad del Proyecto en tiempos iguales o menores a los métodos tradicionales.
NORMATIVIDAD: El diseño y construcción de todas las estructuras debe estar de acuerdo a un reglamento de construcción, que es un documento legal que contiene los requisitos relativos a la seguridad estructural, construcción, seguridad contra el fuego, ventilación y accesibilidad para minusválidos. Un reglamento de construcción tiene fuerza legal y es administrado por una entidad gubernamental como una ciudad, un municipio o para algunas áreas metropolitanas grandes. Los reglamentos de construcción no dan procedimientos de diseño, pero ellos especifican los requisitos y restricciones de diseño que deben
satisfacerse. De particular importancia para el ingeniero estructurita es la prescripción de las cargas vivas mínimas en edificios. Aunque el ingeniero es alentado a investigar las condiciones de cargas reales y a determinar sus valores, la estructura debe ser capaz de soportar las cargas mínimas especificadas. Nosotros haremos uso del RNE, que tiene por objetivo normas los criterios y requisitos mínimos para el diseño y ejecución de las Habilitaciones Urbanas y las edificaciones, permitiendo de esta manera una mejor ejecución de los planes urbanos, es la norma técnica rectora en el territorio nacional que establece los derechos y responsabilidades de los actores que intervienen en el proceso edificatorio, con el fin de asegurar la calidad de la edificación. El RNE es de aplicación obligatoria para quienes desarrollen procesos de habilitación urbana y edificación en el ámbito nacional, cuyo resultado es de carácter permanente, público o privado. Las normas empleadas en el diseño de estructuras metálicas y reticulares, son las siguientes:
E020 (Cargas)
E030 (Diseño Sismo-resistente)
E050 (Suelos y cimentaciones)
E060 (Concreto armado)
E090 (Estructuras metálicas)
NORMA E.090 – ESTRUCTURAS METÁLICAS Esta Norma de diseño, fabricación y montaje de estructuras metálicas para edificaciones acepta los criterios del método de Factores de Carga y Resistencia (LRFD) y el método por Esfuerzos Permisibles (ASD). Su obligatoriedad se reglamenta en esta misma Norma y su ámbito de aplicación comprende todo el territorio nacional. Las exigencias de esta Norma se consideran mínimas. (Véase ANEXOS) PROTECCIÓN Y MANTENIMIENTO: Corrosión: Los procesos de corrosión son reacciones químicas que tienen lugar en la superficie del metal y que obedecen a leyes químicas bien establecidas.
Los productos de la corrosión pueden hacer de barrera entre el metal y lo que le rodea, disminuyendo, de hecho, la velocidad de penetración de la corrosión. Esto no ocurre si el elemento está sumergido en un medio acuoso, donde estos productos pueden diluirse y dejar nuevo material al descubierto. •
Reacción química de un metal con su entorno que genera deterioro de este.
Tipos de corrosión: Corrosión seca:
Corrosión humeda:
Podemos establecer una primera gran división entre los tipos de corrosión, considerando si la corrosión ocurre en ambientes “secos” o “húmedos”.
En condiciones normales, la mayoría de los metales tienen una capa muy fina de óxido como resultado de la reacción del metal con el oxígeno de la atmósfera. Este proceso es el que se conoce como corrosión seca. Los metales sometidos a calentamiento pueden muy bien llevar una capa más pesada, o ésta puede desprenderse. Por ejemplo, el acero que ha sido laminado en caliente posee una capa compleja de óxido físicamente inestable, pero que conserva un valor de protección a condición de que el acero permanezca al descubierto y que la capa siga siendo continua. La corrosión producida en condiciones sin humedad debe eliminarse antes de aplicar cualquier forma de revestimiento de protección. La “corrosión húmeda” tiene lugar en entornos en que la humedad relativa supera el 60%.
Estos entornos pueden ser neutros, ácidos o alcalinos. La destrucción del metal puede ser uniforme, o sea oxidación, o localizada, es decir picadura. La destrucción se puede concentrar en zonas contiguas a un metal más noble o en puntos donde está limitado el suministro de oxígeno. La corrosión húmeda es electro-química. Cuando se sumerge un metal en un líquido conductor, algunas zonas muestran una resistencia eléctrica distinta a la del resto de la superficie. Una corriente eléctrica “positiva” fluye desde las zonas de
ánodo negativo (-) a las de cátodo positivo (+), lo que ocasiona la disolución o “corrosión” del ánodo. Este proceso es similar al que ocurre en una batería de automóvil. En el caso de corrosión húmeda, se pueden encontrar varios mecanismos de corrosión que están basados en el principio de la reacción electroquímica recién descrita. Entre ellos podemos mencionar: •
Corrosión electroquímica o polarizada: Ocurre cuando en una misma superficie metálica hay 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 hacia aquella donde se verifica el potencial de oxidación o reducción más bajo. •
Corrosión por oxígeno: Este tipo de corrosión ocurre generalmente en superficies expuestas al oxígeno diatómico (O2) disuelto en agua o al aire. El oxígeno provoca picaduras en superficies muy pulidas y expuestas. Una burbuja de oxígeno localizada forma un cátodo y el metal que aloja dicha burbuja se transforma en un ánodo. Este tipo de corrosión es muy reactiva y puede desarrollarse en un breve lapso.
•
Corrosión microbiológica: 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.
•
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. El área sujeta a menor presión parcial actúa como ánodo y la que tiene mayor presencia de oxígeno (mayor presión) actúa como un cátodo. Este tipo de corrosión es común en superficies muy irregulares donde se producen obturaciones de oxígeno.
•
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. Este par de metales constituye la llamada pila galvánica. En donde la especie que se oxida (ánodo) cede sus electrones a la especie que se reduce (cátodo).
•
Corrosión por actividad salina diferenciada: Este tipo de corrosión ocurre principalmente en calderas de vapor, en donde la superficie metálica expuesta a diferentes concentraciones salinas pueden formar una pila galvánica en donde la superficie expuesta a la menor concentración salina se comporta como ánodo.
SERIE GALVANICA: La serie galvánica es una lista de metales ordenados de acuerdo con su potencial de corrosión, empezando por el más susceptible y terminando por el menos activo. Por ejemplo, el acero se mantendrá en buenas condiciones en presencia del zinc, ya que este último actuará como ánodo y se desgastará. Lo contrario ocurre si el acero está junto a cobre, donde pasa a ser el ánodo. Cuando se
conectan dos metales diferentes en presencia de un electrolito, el más noble (catódico) tiende a estar protegido, mientras que el más activo (anódico) se oxida rápidamente.
FACTORES: El acero es básicamente una aleación de hierro y carbono, con otros elementos de aleación según el método de procesamiento y el rendimiento final requerido. El acero es un material hecho por el hombre, y es inestable. Se combina fácilmente con el oxígeno y el agua produciendo un óxido de hierro similar al mineral de hierro original anterior al afino, es decir, el hierro presente en el acero trata de volver a su estado natural. Existen factores que agravan el problema de corrosión en el acero, entre los que podemos mencionar: CASCARILLA DE LAMINACION •
La presencia de cascarilla de laminación. La mayor parte del acero para estructuras empleado está laminado en caliente. El proceso de laminación hace que sobre la superficie del acero se forme una capa de óxido. La capa de óxido sobre el acero dulce (soldable) laminado en caliente se denomina cascarilla de laminación. Esta cascarilla es físicamente inestable y constituye una entidad aparte del acero, de la misma manera que lo es una capa de pintura.
•
La cascarilla de laminación no es una capa continua, y no representa una barrera protectora.
•
La cascarilla de laminación es catódica y el acero anódico. Si existen algunas grietas en la capa de cascarilla, una pequeña condensación con impurezas disueltas que actúe como electrolito, y quizá algo de oxígeno disuelto, se forma una célula de corrosión en la que el acero se disuelve (oxida).
La existencia de pequeñas zonas desnudas de acero en grandes parches de cascarilla de laminación intacta, es decir grandes zonas catódicas, ocasiona un ataque intenso y una grave picadura del acero.
•
Diferencias de tensión debido a fabricación
•
El plegado en frío, la soldadura, etc. pueden dar lugar a zonas con tensiones elevadas y parches anódicos (-) y catódicos (+) adyacentes. El acero conformado en frío posee zonas anódicas y catódicas que permiten la ocurrencia de la corrosión electro-química.
•
Corrosión en zonas escondidas
•
En las zonas de baja concentración de oxígeno de una celda de corrosión tiene lugar una corrosión en hendiduras, como es el caso de la superficie de contacto en uniones apernadas.
HUMEDAD: •
Humedad elevada, superior al 60%, que proporciona el agua que actúa como electrolito.
CONTAMINACION: •
Contaminación ambiental, ya sea del aire o de los contenidos, que proporciona impurezas, por ejemplo sulfuros y cloruros, como en el caso de la industria agrícola o química.
ETAPAS DE LA PROTECCION: Podemos dividir el proceso de protección del acero contra la corrosión en varias etapas: •
La primera es la concepción de los elementos y detalles estructurales, de forma de no propiciar el fenómeno de la corrosión.
•
La segunda es la evaluación de las condiciones del entorno del elemento o estructura a ser protegida, de forma de escoger el método de protección más adecuado y la estrategia de mantenimiento del método de protección más adecuada.
•
La tercera es la preparación de la superficie para poder aplicar el método de protección seleccionado.
•
La cuarta es la aplicación del método de protección seleccionado.
•
Y la quinta es la ejecución del mantenimiento del método de protección a lo largo de la vida de la estructura.
CONCEPCION ESTRUCTURAL En la etapa del diseño estructural es posible concebir la estructura de forma que no agrave las condiciones favorables a la corrosión impuestas por el entorno. La primera idea es escoger todo un material que no se corroa en el ambiente considerado. Se pueden utilizar aceros inoxidables o aceros resistentes a la corrosión. Luego, es posible seleccionar el tipo de elementos que se van a utilizar. Ciertas secciones estructurales son más adecuadas para algunos sistemas de protección que otras, por ejemplo las secciones huecas se envuelven con más facilidad que las formas estructurales.
En términos de detallamiento estructural hay que evitar las zonas de confinamiento o posible acumulación de agua y desperdicios y zonas inaccesibles para el posterior mantenimiento de la estructura, así como los contactos entre materiales diferentes (que pueden generar corrosión galvánica) y las heterogeneidades en general que pueden crear diferencias de potencial que lleven a la iniciación del proceso de corrosión. METODOS ALTERNATIVOS PARA EVITAR LA CORROSION En ocasiones puede ser más adecuado utilizar aceros con características especiales de resistencia a la corrosión en lugar de aplicar los métodos de protección antes vistos. Dentro de estos aceros podemos mencionar: •
Aceros inoxidables: debido a su mayor costo (diez veces el costo del acero al carbono) y dificultades de unión, los aceros inoxidables se utilizan a menudo en elementos no estructurales y solo en ocasiones en elementos estructurales. La resistencia a la corrosión atmosférica del acero inoxidable procede en gran medida de su contenido en cromo, que contribuye a formar una delgada capa protectora de óxido. En la actualidad se utilizan en edificios tres tipos de acero inoxidable. Los tres tipos poseen diferentes propiedades mecánicas que afectan al conformado, la soldadura y el rendimiento en servicio. Para hacer la mejor elección en una aplicación concreta se han de conocer el entorno, la probable frecuencia de limpieza, las propiedades mecánicas necesarias durante la fabricación y el rendimiento exigido en servicio.
• •
Aceros resistentes a la corrosión atmosférica: Estos aceros solo contienen un 1-2% de adiciones de aleación, por ejemplo cobre, cromo, níquel, fósforo. Pueden ser más resistentes a la corrosión que aceros no aleados similares, debido a que desarrollan una capa de corrosión protectora más estable. Sin embargo, el revestimiento protector solo se forma cuando el acero está sometido a un humedecimiento regular y durante ciclos. Interiores húmedos,
situaciones sumergidas o enterradas, constituyen entornos no adecuados para el uso de estos aceros. En su aplicación deben tenerse en cuenta varias consideraciones generales: a. para elementos de vida prolongada debe tenerse en cuenta un sobreespesor para la corrosión, pues la pérdida real varía con el entorno b. deben evitarse las hendiduras y todo lo que puede retener agua o suciedad c. cuando el acero comienza a oxidarse a la intemperie, pueden trasladarse hidróxidos de hierro a las superficies adyacentes y causar deformación d. los medios de unión deberían hacerse de acero inoxidable e. son necesarias varillas de soldadura específicas de baja aleación f. para obtener una oxidación a la intemperie uniforme, puede ser necesario un chorreo global g. estos aceros son inadecuados para un uso en entornos marinos e industriales agresivos.
MEJORAMIENTO DE SECCIONES: La figura muestra una serie de detalles propensos a la corrosión y sus versiones mejoradas, donde se ha minimizado la posibilidad de acumulación de agua o suciedad.
EVALUACION DE CONDICIONES A la hora de considerar el sistema de protección contra la corrosión más adecuado, es necesario identificar las condiciones que definirán el tipo y velocidad de corrosión esperable. Entre esta condiciones tenemos: •
Función de la estructura: se debe considerar las funciones de la estructura, tanto primarias como secundarias para determinar a que tipo de ambiente estará expuesta y que grado de protección se requiere para mantener la funcionalidad de la estructura
•
Vida útil de la estructura: es necesario conocer por cuanto tiempo se espera que la estructura esté en funcionamiento, de forma de considerar los ciclos de mantenimiento adecuados para mantener la estructura protegida, o bien especificar un método de protección que no necesite mantenimiento durante toda la vida útil de la estructura.
•
Entorno: conocer el entorno permitirá determinar a qué grado de corrosión estará sometida la estructura y si existen agentes (químicos, abrasivos, de temperatura, etc.) que requieren algún tipo de protección especial.
•
Apariencia: requisitos de apariencia pueden hacer inaplicable algún método de protección
•
Propiedades especiales: en ocasiones, las condiciones del proyecto estructural exigen ciertas propiedades del revestimiento. Por ejemplo, cuando se usan conectores de fricción se requiere que el recubrimiento no afecte la rugosidad de la superficie.
•
Mantenimiento: se debe considerar el periodo de mantenimiento que será posible seguir y las condiciones en que se pueda aplicar el mantenimiento. Se debe considerar un método de protección más duradero si no hay una política de mantenimiento bien definida, si el acceso para realizar el mantenimiento es difícil, o si algunas partes de la estructura son completamente inaccesibles.
•
Salud y Seguridad: Debe tenerse en cuenta si existe algún riesgo para los ocupantes de la estructura debido a la aplicación de la protección, ya sea inicialmente o durante el mantenimiento. Además se debe considerar la toxicidad de la protección aplicada si es que los usuarios van a estar expuestos al sistema de protección habitualmente.
•
Tolerancia: finalmente, se debe evaluar la capacidad del sistema de protección para absorber imperfecciones, ya sea por mala preparación de la superficie, aplicación deficiente o falla en seguir las especificaciones.
PREPARACION DE LA SUPERFICIE La preparación de la superficie es determinante en el valor protector de un sistema de revestimiento. En el caso de los revestimientos metálicos suele ser parte integral del proceso de fabricación. Con las pinturas, el tipo y modelo de preparación de la superficie debiera especificarse como parte del tratamiento de revestimiento de protección. Los métodos empleados para eliminar la cascarilla de laminación, la herrumbre y otros contaminantes, son los siguientes: •
Corrosión atmosférica: Dado que la capa de cascarilla de laminación es una entidad aparte físicamente inestable que se rompe antes de abandonar los laminadores, existe todavía la práctica de “dejar el acero a la intemperie”. Por desgracia, la duración de la corrosión atmosférica necesaria para eliminar la cascarilla del acero para estructuras depende del clima local, el tipo de cascarilla de laminación, su espesor, la forma y grosor del perfil.
•
Cepillado con alambre: El picado, rascado y cepillado con cepillo de alambre son los métodos menos eficaces. No eliminan la herrumbre asentada profundamente ni la cascarilla de
laminación firmemente adherida. Los cepillos de alambre y rascadores mecánicos dan mejores resultados que las herramientas manuales, pero las calidades obtenidas son inferiores a las de los métodos que siguen. •
Pistolas neumáticas descascarilladoras: en el cuello de la pistola está dispuesto de manera suelta un grupo de agujas de acero endurecido. Accionadas por aire comprimido, las agujas se mueven adelante y atrás del cuello para pulverizar, literalmente, la superficie. Es una herramienta de preparación especialmente útil alrededor de tuercas, tornillos y cabezas de remaches. Es extremadamente lenta y no elimina la herrumbre profundamente asentada ni la cascarilla delgada de laminación.
•
Decapado al soplete: Sobre la superficie se aplica una llama oxiacetilénica muy caliente. La dilatación diferencial hace que la cascarilla de laminación se desprenda. Es un proceso extremadamente lento, pero puede ser eficaz. No elimina la cascarilla de laminación estrechamente adherida, ni puede utilizarse sobre aceros de grosor inferior a 5 mm, pues puede causar pandeo. Además, puede “envejecer” (“burn -in”) los productos químicos
depositados sobre la superficie, ocasionando un fallo prematuro de la pintura. Su empleo como método de preparación ha sido eliminado en la práctica. •
Decapado ácido: Es un proceso de fábrica destinado a acero nuevo antes de su montaje. El acero se sumerge en ácido sulfúrico o clorhídrico caliente; tras el enjuague puede sumergirse en una solución débil de ácido fosfórico que deposita sobre la superficie del acero un revestimiento delgado de fosfato cristalino. Este revestimiento ofrece un muy bajo nivel de protección contra la corrosión, durante un período limitado. Esta forma de decapado ácido es una de las maneras más baratas y eficaces de eliminar toda la cascarilla de laminación y la herrumbre. No es una forma satisfactoria de preparación de la superficie para un uso bajo imprimaciones sofisticadas. Las soluciones frías de decapado aplicadas in situ no son eficaces.
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Limpieza por chorro abrasivo: Es un método extremadamente eficaz de eliminar la cascarilla de laminación y la herrumbre. Un chorro de material abrasivo, como arena o escoria de fundición, se proyecta por aire o de forma centrífuga. Es un proceso relativamente barato cuando se lleva a cabo en fábrica pero puede resultar caro in situ, y no siempre es practicable en el acero ya montado. Si se ha efectuado correctamente, este proceso deja el acero en una estado excelente para recibir sistemas de pintado y metalización. Su ventaja reside en el perfil que se obtiene y sobre el cual se adhieren correctamente las pinturas o revestimientos a aplicar.
METODOS PARA EVITAR LA CORROSION Los distintos medios de protección contra la corrosión del acero se pueden agrupar en: •
Aisladores del medio: impiden que ocurra la reacción química aislando el elemento del ambiente, por ejemplo, cubriéndola con pintura o plástico, o haciendo un tratamiento de la superficie.
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Galvanismo anódico o Protección catódica: consiste en introducir un "ánodo de sacrificio" para perturbar la reacción. Se coloca una pieza de un material con un potencial de corrosión más alto que el material de la pieza a proteger (zinc, por ejemplo), la que se corroe en lugar de la pieza que se quiere proteger; la reacción química entre el ambiente y la pieza sacrificada impide la reacción entre el ambiente y la pieza protegida. En medio acuoso, basta con atornillar el ánodo a la pieza que se debe proteger. Al aire, hay que recubrir totalmente la pieza (galvanización).
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Galvanoplastía: en este método la pieza se recubre con una película de otro metal electrodepositado cuyo potencial de reducción es más estable que el de la pieza. Se puede utilizar níquel, zinc (galvanizado), el cobre o cromo (cromado). En el caso de estos dos últimos, que tienen un potencial de reducción mayor que el acero, cualquier rotura del recubrimiento es catastrófica, pues la pieza hace entonces las veces de ánodo sacrificial del metal de recubrimiento y se corroe a gran velocidad.
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Inhibidores asociados a una película de fijación: en este grupo caen las pinturas anticorrosivas cuyas formulaciones aparte de aportar con una película de aislamiento de tipo epóxico fenólico o epoxi-ureico llevan asociados un paquete anticorrosivo compuesto por moléculas orgánicas o minerales aceptoras de electrones tales como los azoles. El inhibidor de corrosión es específico de cada tipo de corrosión y de las condiciones del medio.
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Soluciones reductoras: La superficie es expuesta permanentemente a elementos químicos disueltos en una solución a bajas concentraciones. Dichos elementos son pares reductores que se oxidan ellos mismos a cambio de la pieza y además contribuyen con la pasivación o inactivación de la superficie formando micropelículas químicas estables. Se encuentran comúnmente en anticongelantes, pinturas base acuosa y otras aplicaciones. Detallaremos a continuación los tres procesos más comunes utilizados en la protección de estructuras contra la corrosión: protección catódica, galvanoplastía y pinturas anticorrosivas. PROTECCION CATODICA:
Los fenómenos de corrosión galvánica y la serie galvánica son la base de la protección catódica, un sistema en el que la estructura que se ha de proteger se convierte en el cátodo. Por ejemplo, si se conectan en agua salada hierro y cobre, el hierro se oxida; si se conecta una pieza de cinc en el sistema, del cinc fluye una corriente al cobre y al hierro que convierte a este último en un cátodo, es decir, en el polo de la celda electroquímica que no se oxida. La protección catódica mediante ánodos sacrificatorios se utiliza para proteger el acero en condiciones de inmersión. En instalaciones grandes, por ejemplo embarcaderos marinos, se emplea a menudo un sistema de “corriente impresa” o forzada. En este sistema el ánodo es
inerte, por ejemplo grafito o titanio platinizado, y un suministro de corriente continua proporciona el voltaje.Un sistema de protección catódica implica tres puntos que se han de recordar: a. Los ánodos de sacrificio se oxidan y por tanto deben ser inspeccionados y reemplazados regularmente. b. Debe haber suficientes ánodos para proporcionar una correcta densidad de cor riente en toda la superficie que se ha de proteger. c. En sistemas de corriente forzada, la polaridad de la conexión eléctrica es vital, ya que una conexión invertida puede causar una corrosión extremadamente rápida del elemento.
GALVANOPLASTIA El proceso de galvanoplastía puede realizarse por varios métodos. Entre ellos podemos mencionar: •
Galvanización por inmersión en caliente: este proceso deposita alrededor de 85 micrómetros sobre la superficie del acero para estructuras. En algunas circunstancias se pueden obtener películas de mayor espesor.
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Metalización o rociado con metal caliente: Los métodos comunes de aplicar el cinc y el aluminio son la combustión de gas y el arco eléctrico. Resultan esenciales unas calidades muy elevadas de limpieza por chorro y limpieza de la superficie. La galvanización por inmersión en caliente posee algunas ventajas como durabilidad, debido a la creación de un buen enlace metalúrgico por la acción de aleación, y capacidad de revestimiento total en esquinas y bordes agudos.
La metalización, por otro lado, puede aplicarse in situ, con los espesores de revestimiento que se deseen, puede usarse para revestir estructuras o instalaciones virtualmente de cualquier tamaño y es a menudo un mejor substrato que la galvanización por inmersión en caliente para los sistemas de pintado.
PINTURAS ANTICORROSIVAS Las pinturas tienen tres componentes principales: un componente resinoso que literalmente pega el resto de componentes y al que se denomina “formador de película”; un pigmen to
encargado de dar color, resistencia a la corrosión atmosférica y, en algunos casos, una inhibición de la corrosión; y disolventes destinados a proporcionar la adecuada consistencia para la aplicación, control de la velocidad de secado, etc. En un sistema de pintado suele haber tres componentes: •
Imprimación: Sus funciones son favorecer la adherencia y proteger contra la corrosión. Puesto que el espesor del sistema es muy importante para la protección, con frecuencia se especifican dos capas, y a veces tres cuando las dos últimas se aplican con brocha.
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Capa intermedia: En el acero las capas intermedias tradicionales proporcionan la base de color adecuada para el acabado; se adhieren a la imprimación, y poco más. La capa intermedia de alto rendimiento se des cribe con más precisión en inglés como “Intermediate coat”. Constituye una segunda barrera en caso de que el acero quedara al descubierto por daños o erosión. A menudo las capas que se utilizan con este fin pueden pasar, por sí mismas, como acabados.
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Acabado: Proporciona el color, nivel de brillo o resplandor requeridos y la conveniente resistencia a la corrosión atmosférica, a la abrasión o al ataque químico. Puede ser necesaria más de una capa dependiendo del tipo de producto, de la exposición, del entorno, del color, etc.
ZONAS ESPECIALES El tratamiento protector de pernos, tuercas y otras piezas de las conexiones estructurales exigen una consideración especial. Lo ideal es que su sistema de protección sea al menos de la misma calidad que el especificado para las superficies generales. También debe considerarse la resistencia del sistema de protección a la manipulación durante la ejecución de la conexión apernada. Dependiendo de ello, será necesario aplicar la protección antes o después de unir los elementos estructurales. Los conectores deben ser de un material de bajo potencial de corrosión con respecto al método de protección utilizado. De otro modo, estos elementos se convierten en potenciales ánodos de sacrificio y pueden sufrir corrosión acelerada. Como ya se ha dicho, las superficies unidas por conexiones con pernos de fricción exigen un tratamiento especial, para evitar disminuir el coeficiente de fricción entre las superficies. La técnica de soldadura puede condicionar la aplicación de la protección tras la preparación de la superficie y antes de la soldadura, o después que se ha concluido la soldadura. Si la protección se aplica después de la soldadura es necesario, antes de aplicar el revestimiento de protección, preparar la superficie conforme a la calidad especificada para la preparación global de la estructura de acero. CONEXIONES:
SOLDADURAS:
MANTENIMIENTO: Un mantenimiento útil se inicia al comenzar el nuevo proyecto, momento en el que el encargado de las especificaciones prevé las consecuencias que su proyecto y la elección del sistema inicial de protección contra la corrosión tendrán sobre el futuro mantenimiento. A ello le sigue una rutina de inspecciones estricta y regular, cuyos resultados se registran de forma precisa y pasan a formar parte de un calendario detallado de mantenimiento. Por último, se elaboran especificaciones de pintado de mantenimiento hechas a medida para el trabajo en cuestión, y se establece una inspección adecuada para asegurar su cumplimiento. La decisión de si el mantenimiento debe consistir en un pintado por parches o en un repintado total está condicionada tanto por el acceso, como por el estado de la estructura y el método de protección existente.
