El acero como material estructural: ventajas e inconvenientes

TECNOLOGíA El acero CODlO Dlaterial estructural. Ventajas e inconvenientes MILAGROSA BORRALLO jIMÉNEZ ARQUITECTA Todas las ventajas e inconvenientes que colleva la utilización del acero en la construcción actual en función del uso y tipología del edificio, el control de ejecución y las acciones externas a las que se ve sometido. This article outlines the advantages and disadvantages of the current use of steel in the bu ilding sector , according to building type and use, execution control and external actions to which it is subjected. El acero como material estructural ti ene en Europa una gran tradición. No es un material nuevo , pudiendo decirse que es e! más veterano o antiguo de los no tradicionales , entendiendo como materiales tradicional es la piedra , el ladrillo y la madera principalmente. La Revolución Industrial (1760- 1830) significó e! impulso de! hierro para la construcción. Ya desde antiguo se ha bía venido usando dicho mat erial en es te campo, pero , sólo a partir de es ta época , los avances y progr es os técnicos descubiertos, qu e introducían conceptos totalment e nu evos en la técnica constructiva , permitieron extender sus aplicaciones a obras civiles y edificios, así c omo a um e ntar la producción de! hi er ro hasta las cantidades qu e requerían l as nuevas exigencias. De la intervención so br e la composición química y sistemas de fabri cac ión de los mineral es del hierro, fu eron surgiendo sucesivamente nuev os materiales de construcción derivados de éstos, tal es co mo la fundición y el hierro fOIjado, cuyas deficiencias impulsaron a la búsqueda de un material mejOl ~ qu e trabajara de la man era más óptima para toda s las so li citac ion es posibles y qu e ofreciera las máxima s prestaciones es tru ct ur ales, ll egá ndose finalm ente al acero laminado. A partir de 1850, las Exposiciones Universales hicie ron del hie rro un elemento mod e rno , jug ando és tas un pap el mu y import a nt e en su proceso de difusión. Desd e e nton ces, el e mpirismo , unido a nu evos tipos de ense fi anzas técnicas, ha originado a lo largo de casi un siglo, una metodologia de conocimiento y uso científi co qu e nos ll eva hoy en día a pod er ha bl ar con fundamento de las ve nt a- ja s e inconvenie nt es qu e no s ofrece este mat erial c uando se usa es tructuralmente. VENTAJAS Material elástico , qu e nos avisa con visibles deformaciones a nt es de llegar a produ cirse el co lap so, a unqu e en dete rminadas co ndiciones y circunstancias pued e dar se una rotura inmin e nt e, co no cida por rotura fr ág il. Los fa ctores que influ ye n en ello so n: La telllperatura lllÍnillla I La probabilidad de rotur a frágil aumenta al descender la te mp erat ur a. La te mp erat ura mínima , que es pr evisible qu e ll eg ue a sopo rt ar la estructura , es función de las características climáticas de la lo ca lidad y de la prot ección té rmi ca de los revestimi entos. Se consid era clasificada en dos grupos: - No me nor qu e -100 e. - Menor qu e - 100 e y no me- nor que - 300 e. En casos singulares, cuando sean pr evisibles temperaturas me nor es que -300 e, se r ea lizara estudio es pecia l. Espesor del producto La prob abilidad de rotur a fr ág il aume nta al cr ece r el esp esor del producto ; en caso de produ ctos con espesores variables , son d ec isivos los es pesores de las zonas má s pr óximas a los co rdon es de solda dur a. Deforlllación en frío del producto La probabilid ad de ro tur a frágil aume nt a al crecer la m ag nitud de la deformación en frí o que haya sufrido el produ cto. El gr ado de defo rm ac ión qu e se t endrá en cue nta es el que se h aya produ cido en las zonas pr ó xima s a las solda dur as. Se considerarán también como defo rm aciones en frí o las obtenidas media nt e co nf o rm aciones en ca li ente a temperaturas inf erior es al punto de transfo rm ación. Re 11 Estas recomendaciones se refieren al caso más frecuente en que la deformación en frío es menor que e! 2 por 100, Y deben extremarse las características requeridas para los materiales cuando dicha deformación sea mayor. Clase de los esfuerzos La probabilidad de rotura frágil de un elemento estructural sometido a esfuerzos principalmente estáticos es menor que la de! que está solicitado por esfuerzos alternados o procedentes de acciones dinámicas. Estado de tensiones Los estados de tensiones triaxiales, cuando las tres tensiones principales son de tracción, tienden a fragilizar e! acero. Como en la práctica de las estructuras se presentarán muy raramente estados de tensiones triaxiales debidos únicamente a la actuación de las cargas, los posibles estados de tensiones triaxiales se originan por la forma o por la ejecución de los elementos estructurales (tensiones residuales de laminación, de soldadura o de deformación en frío; efectos de entalladura, etc. ). Su evaluación va, pues, ligada a la de otros factores. Condiciones de forma y de ejecución Tanto la forma del elemento como su proceso de ejecución pueden modificar e! estado de tensiones debido a las acciones exteriores provocando una triaxilidad que acentúe la probabilidad de la rotura frágil. En este aspecto conviene distinguir dos grados: normal y difícil, cuya influencia se tendrá en cuenta en la elección del material. La clasificación correcta de un elemento estructural, en uno u otro grado, depende mucho de la experiencia profesional de! proyectista. A título de indicación puede decirse que deben ser incluidos en el grado difícil los elementos estructurales con entalladuras o con cambios bruscos de sección; los que presentan cordones de soldadura transversales a esfuerzos normales de tracción, etc. Material homogéneo e isótropo, o sea, material con idénticas propiedades en todas direcciones, que tiene un buen comportamiento frente a los distintos esfuerzos de tracción, compresión, cortante o flexotracción. Se diferencia por ello de otros materiales como la madera , cuyo comportamiento estructural ante los esfuerzos antes citados se evalúa y cuantifica en función de la dirección de las fibras existentes en la madera. Material seguro , poco expuesto a fallos en el proceso de fabricación, teniendo en cuenta e! control de calidad ejercido hoy en día en este campo de la producción industrial, a diferencia de! hormigón, en e! que es decisivo la puesta en obra del mismo (v ertido, vibrado, curado). El acero no padece fenómenos reológicos a tener en cuenta a efectos de cálculo, como es la retracción en el hormigón o la fluencia, sin embargo, sí sufre las variaciones térmicas al igual que e! hormigón y podríamos decir incluso que más acusadamente. Mientras que en hormigón, las juntas de dilatación deben dejarse a partir de los 40 m de longitud de estructura, en acero se reduciría la distancia a 30 m). Material de gran resistencia con secciones pequeñas, algo bastante beneficioso hoy en día cuando se busca ajustar al máximo la superficie útil de las viviendas así como optimizar la superficie congruida. Esta ventaja nos ofrece la posibilidad de embeber los pilares en los cerramientos, dadas su reducidas dimensiones, evitando así los incómodos y antiestéticos tacones en el interior de las habitaciones. Resulta de gran rentabilidad sobre todo para edificios de gran altura (a partir de las 15 o 20 plantas) o de grandes luces (a partir de los lOó 15 m ), en los que las grandes dimensiones de pilares de planta baja requeridos, o de vigas, respectivamente, hacen antieconómico pensar en otro material que no TECNOLOGíA sea acero, que ofrece gran resistencia con reducidas dimensiones y costos, por la economía de material. Material con gran facilidad y rapidez de ejecución, aunque a través de un perfecto control. No precisa encofrados ni moldes en obra para su montaje , ni esperar tiempos de fraguado, ni controlar valores de resistencia a los 7 ó 28 días, aunque por e! contrario, sí precisa de una gran definición por parte de los técnicos a nivel de Proyecto( Memoria, Planos, Mediciones y sobre todo Pliego de Condiciones), así como una especializada mano de obra. Dada su rapidez de montaje resulta rentable cuando los plazos de ejecución de las obras son limitados. Podríamos hacer una somera valoración en este sen ti do considerando que una estructura enteramente de acero puede suponer un aumento de! 25 o 30 % sobre otra de hormigón. Pero teniendo en cuenta que la partida de estructura pu ede repr esen tar aproximadamente un 18% del Presupuesto de Ejecución Material de la Obra, se compensaría posiblemente con el ahorro en tiempo de ejecución. Resuelve igualmente el problema que se plantea en construcciones en el casco histórico de ciudades, por las limitaciones físicas que se tienen para el acceso de algunos mat eriales a la obra, como es e! caso del hormigón llegado de central en hormigoneras, siendo necesario incluso cortar el tráfico en de terminadas ocasiones debido a la estrechez de las calles. Existe una fase decisiva en la construcción con estructuras de acero, entre la fase de fabricación y entre la de montaj e en obra, que es la de taller, en la que el material llega y los perfiles y piezas que intervienen en la construcción se cortan según planos de taller, se prepar an los clistintos tipos de union es a r ea lizar (taladros si van a ser uniones atornilladas o roblonadas y pr e paración de los bordes o superficies si van a ser uniones soldadas) e incluso se dan TECNOLOGíA las prim eras ma no s de pro tecc i ón fre nt e a la co rr osión. Es imp orta nt e rea li zar el m áxi mo de oper ac iones s ob re la es tru c tur a en ta ll er, ya qu e el co nt rol de ca li da d de la ejecución qu e se pu ede ll ega r a tener en un tall er de mo nt aje es s up erior al qu e se pu eda ll egar a tener en ob ra De ahí la import ancia de definir explícitamente los planos a tener en cuen ta en esta fase. Material liviano , de poco p es o, a pr opiado para casos en los qu e se quieren evitar pesadas conc ar gas, como en o br as de a mpli ac ión so br e pla nt as edifi ca das o en o br as de reh ab ilitación, do nd e es di fic il ca lcular ex ac tamente el estado de los material es antigu os o pr eexistentes, as í como lo que ag ua nt an o pu eden a ún agua nt a r. Material de gran aprovechamiento en demoliciones . La demo li ción de los elementos estruc tur ales de acero es rápida y poco costosa. Se pu ede a prov echar, si no para o tr os edificios c on s truid os para la chata rr ería, de imp orta nt e va lor comercial a ún hoy en día. Material en el que el refuerzo de elementos estructurales es fácil y rápido , si és te fu era necesario. Dadas sus pr opiedades de soldabilidad y posibilidad de atorn ill ado o r ob lonado cualquier a um e nt o de es - fu erzos o dis minu ción de ca pacidad p or tante pu ede solve nt arse con los ca mbi os de sección re qu erid os o intr o du cie nd o cambios en el es qu ema estruct ur al que dis minu yan el calibre de los mismos, como es el caso de acortar lu ces. INCONVENIENTES Sin e mb argo, no todos son ventajas; al igual qu e todos los materiales de cons tru cción nos en co ntr amos c on alg un os inconvenientes, qu e co ntr a- ¡T estan las num Frosas ventajas hasta ah ora descrit as : Material corrosivo . La co rr osión es un proceso natural que se desa rrolla en el mat erial por la pr opia natu ra l eza qu í mi ca del mi smo, así c omo , por su co mportami ento con el medio ambi e nt e en el qu e se encuentra. El acero no es un mat erial en estado n at ur al, sino el resulta do industrial de una aleación química a partir de co mp onentes como ca rbono , fó sforo, az ufr e, nitr óge no , c obr e, et c. , tomados de la na tur aleza no en estado puro , s ino en form a de óxidos, sulf ur os, carbonatos, etc., y s om etid os a tr atamientos té rmi co s, para a lca n za r su pur eza, con gran aport e de energía. Esta energía, siguie ndo un a ley n at u ra l de estabilidad de los metales, ti e nd e a se r liberada de manera na tur al con el paso del ti e mp o para volver al es tado original de la na tur aleza, qu e es más estable p or co nt ener menor ca nt idad de energía. A esta te nd encia se la denomina c orro sión y al pr oceso qu e la origina y co ndu ce, oxid ac ión. El homb re lucha co ntr a e ll a, hacie nd o que es te pr oceso n at ural sea lo m ás lento p os ible, utilizando revestimientos prot ectores o fa brica nd o acer os más r es istentes al fenómeno co rr osivo. La elecc ión de un sistema u ot ro depe nd erá del grado de agr es ión a qu e es tará sometido el acero, así como much os otros factores li ga d os a la propi a cons tru cción. Entre las protecciones más usuales dest aca rem os : • Pintur as. Tenie nd o en cuenta qu e un factor dete rmin ante en e! pro ceso de co rr osión es la re acc ión del ac ero co n el medio ambiente en el que se encuentr a, es una solución col oca r sobre el mismo un a barrera qu e, sie nd o impe rm eab l e, impide e! paso del ag ua y del o xí geno. Esta ba rr era pu ede ser un a pintur a que incluyen en su formulación pigmentos inhibidor es que dificultan o re tr asa n tal pr oceso de oxidación constitu ye nd o así una protección de tipo p as ivo. Sin e mb argo, la prot ección antico rro si, ·a con pinturas no es un a solución definiti\"a, pr ecisa ma nt enimie nt o y reposición a medida que se pr oduce su desgaste. • Ga lvanización. Se tr ata de un rec ubrimi ento superficial de zinc aplicado por inmersión en un ba fio en ca liente de este m eta l. Protege al acero de tr es maneras d is tintas: - Co nstituye nd o un a ba rr era qu e se c orr oe a un a velocidad inf erior a la del acero (del orden de lO a 15 veces). - Pr oporciona nd o pr otección ca tódi ca a las pe qu eüas zonas qu e pu edan quedar al descubie rt o del rec ubrimi e nt o de zinc por ca usas exte rn as ta les como co rt es, tala dr os, araüazos, et c. - Impidi e nd o que en las mismas zonas se fo rm e el óxido de hi er ro s up erficial qu e inicia el pr oceso de corrosión. Es un tipo de revestimiento que constitu ye un mayor coste inicial que la pr otección con pin t ur as pero su ele, ·a da dur ación amortiza a largo pl azo dicha im·ersión. Su ma nt enimiento es, en la mayo rí a de l os casos, innecesa ri o y su dur ación en un ambie nt e dete rmin ado ( urb ano, ma rítimo o rur al) es directamente proporcional a su espesor. Protege al acero tanto de la co rr os ión atm os fé ri ca como de la prm·ocada por las ag u as o e! te rr en o. Se pu ede combinar con pintur a so br e ga h ·a ni za do of recie nd o una pr otección de gran dur ación si su aplicación es adecuada. La única pr ecaución a tener en cuenta es adecuar la téc ni ca de la solda dur a a l as condicion es partic ul ar es d e! mate ri al ga h ·a - ni za do, ya qu e pu ede pr ovoca r la d es trucción del mismo por efecto del ca lor, reponie nd o el rec ubrimi ento da i'i ado si ésto ll ega a producir se con pintur as ri cas en zinc o meta li zació n. • Recubrimientos gru es os . Co nsiste en utilizar como material de re \"Cst imiento materiales tales como el hormigón, mate ri ales plást icos. rec ubrimi entos bituminosos armados, et c. que impidan la reacción del acero con el medio ambiente en el que se encue ntr a. Es de aplicación Re liD Re ideal para elementos enterrados corrosivos con dificultad de mantenimiento. Entre ellos, el hormigón resulta ser un revestimiento económico que ofrece la ventaja de servir igualmente como protección frente al fuego y la abrasión, teniendo como inconveniente que contrarresta la liviandad original de las estructuras de acero, de ahí que sea descartado en det er minadas ocasiones. • Protección catódica. Consiste en colocar un ánodo de sacrificio (un metal más activo y menos noble que el acero tal como el zinc, el magnesio, etc.) que se sacrifica en vez del acero estructural, en el proceso de corrosión electrolítica, que es la que se produce en un medio húmedo por aparición de la pila galvánica y que genera una corriente que partiendo de las zonas anódicas pasa por la solución hasta las zonas catódicas, en este caso el acero, formando capas de compuestos no solubles sobre su superficie y creando un revestimiento protector ante las corrosión. Es de uso específico para aceros enterrados y en zonas muy húmedas. • Ennoblecimiento del material. Se puede hacer frente a la corrosión atmosférica desde la propia composición química del acero, añadiendo determinados componentes en su aleación que mejoren su resistencia ante el posible ataque por reacción con el medio ambiente. A este apartado pertenecen los conocidos aceros inoxidables , que llevan incorporados cromo y níquel, en contenidos medios del 18 por 100 Y 8 por 100 respectivamente, con adición de molibdeno para ambientes agresivos, tales como un ambiente marino o industrial. Es recomendable su utilización para piezas o uniones estructurales de acero de dificil acceso y mant enimiento y en elementos en contacto permanente con ambientes húm edos o zonas industrial es. También podemos considerar dentro de esta forma de protección frente a la corrosión atmosférica a los aceros patinables , que por su composición química, co n el paso del tiempo y como consecuencia de la acción atmosférica, desarrollan en su superficie una pátina protectora uniform e (es téticamente aceptable) que hace innecesaria la aplicación de pinturas protectoras. Entre ellos podemos nombrar el acero cor-ten, que lleva incorporado una adición de cobre mejorando la resistencia a la corrosión atmosférica mediante la formación de una capa de óxido de hierro enriquecido en cobre. Esta capa es mu y adherente, compacta y poco permeable que impide, transcurrido algún tiempo, que progrese la oxidación a capas más profundas. Resulta económico para grandes estructuras, en las que la posibilidad de pr escindir de pinturas protectoras supone un ahorro en el mantenimiento. • Diseño adecuado. Se pueden evitar muchos problemas de corrosión si tenemos en cuenta este defecto, a la hora realizar el diseño estructural. Podría considerarse como un tema de prevención que si se tiene en cuenta adecuadamente reduce la necesi dad de protección con los sistemas vistos en los apartados anteriores. Se podría decir que es por tanto un tipo de protección complementario a los anteriores y de gran importancia. ProVOCat ~ con el propio diseño, lugares de dificil acceso con vistas a la protección y al mantenimiento , donde , además, se puedan de positar materias ambientales, tales como polvo o agua, qu e co mplementen el proceso de oxidación por las condiciones atmosféricas, ayudará a una destrucción más rápida del sistema protector y del mIsmo acero. Material inestable ante el fuego. El acero no es combustible pero a partir de determinadas te mp eraturas adquiere grandes deformaciones, que pueden ser irrecuperables y que pueden dese ncadenar en el colapso de la estructura. De a hí que ne- TECNOLOGíA cesite, igualment e, revestimientos protectores obligados por la Normativa vigente, que retrasen o amortigüen el efecto del calor sobre el material a través de una resistencia determinada , y que permitan la evacuación segura de los ocupantes del edificio construido, garantizándose su estabilidad durant e el tiempo mínimo. Es por tanto obligatorio recubrir los elementos estructurales de acero con revestimientos protectores ante el fuego, de los que el mercado nos ofrece una gran variedad. Entre e llos: • Los material es cerámicos y pétreos, con la posibilidad de combinarse con revestimientos de yeso, de muy buen comportamiento ante el fuego. • Materiales pro yectados, tales como los mort eros de ve rmi culita o de perlita , lana de roca , etc., con grandes p rop ie dades de resistenc ia ante el fuego, que incluso en algunos se combinan con propiedades de aislamiento acústico y térmico. • Materiales de acabado, de aplicación en seco, tal es como placas de fibrosilicatos, placas de fibra-yeso o panel es de la na de roca, cuyo acabado es de mejor calidad estética que los proyectados. • Pinturas intumecent es que ante un estímulo térmico reaccionan, conformándose, a p art ir de una simple capa superficial, una capa protectora de mayor densidad que amortigua el efecto del calor sobre los elementos es tructural es de acero, garantizando la es tabilidad necesa ri a durante el tiempo determinado. • Pinturas ignífugas, incombust ibles, que no se ven afectadas por el fuego. Material con el que es dificil y costoso conseguir nudos rígidos y estructuras hiperestáticas. Si co mp ara mos con el hormigón, en dond e los nudos se consid era n en la mayoría de los casos como rígidos, por su realización constructiva, en m etá li cas, sin e mbargo , es difícil conseguir la rigidez en los nudos , TECNOLOGíA precisando de una gran cantidad de elementos complementarios en la unión , tales como un gran número de tornillos o de cordones de soldaduras, cartelas, rigidizadores, etc. És- to es excesivamente costoso, tanto por la cantidad de material complementario que precisa como por la mano de obra necesaria para ejecutarlo. Esta dificultad repercute notablemente en su capacidad para absorber esfuerzos horizontal es debidos a viento o a sismo. Ahí radica la necesidad imp eriosa, cuando no es posible conseguirse la rigidez en los nudos , de arriostrar los pórticos de las estructuras metálicas (bien con triangulacion es como las conocidas cruces de San Andrés, o ma c izando tramos de los mismos pórticos con muros de hormigón o fábri ca e incluso con muros pantallas dispu es tos de forma simé trica en los edificios conformando cajas de escaleras o ascensores), tanto en los planos verticales como en los horizontales o inclinados de cubierta. Material que origina estructuras poco rígidas. La s estructuras realizadas totalmente en acero resultan ser poco rígidas, acusándose este defecto en otras partes constructivas de los edificios tales como cerramientos o tabiques, en los que pueden aparecer fisuras o grietas, debidas a movimientos dificil es de con - trolar originados por dilatacion es térmicas, por movimientos debidos a es - fuerzos horizontales de viento o sis - mo o por deformaciones de flecha, que tanto desconcie rtan en forjados metálicos. Por esto, es importante ser estrictos en fijar las limitaciones máximas a los d es plazamientos o movimientos producidos por estas causas. Habiendo hecho un re paso por las ventajas e inconvenie nt es qu e nos aporta la utilización del acero en las estructuras de nuestros edificios, nos quedaría a los técnico s la dificil situación de tomar la decisión acerca de en qué ocasiones nos puede resultar ventajosa o perjudicial su elección como material es tructural, evaluando aspectos fundamentales y decisivos en este caso co mo son: el control sobre la ejecución qu e se pued e ll ega r a ten er, la mano de obra con la que se cuenta, el uso y tipología del edificio y las acciones externas a las qu e es tará e xpu es- to, como agentes atmosféricos de viento, sismo, atmósferas ag r es iyas o clima. NOTA l. Anexo 3.AI de la NBE EA-95