Patologia de Estructuras de Acero

PATOLOGIA DE ESTRUCTURAS DE

ACERO

UNIVERSIDAD DE SUCRE

ANGELINA HERNANDEZ ARRAZOLAEDWIN RIOS PATERNINA

OMAR RUIZ SAYAS

2011

ORIGEN DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL

GENERALIDADES

1

¿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.

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.

UN

A M

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RIA


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.

UNA MIRADA A LA HISTORIA

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

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.

Estadio Qi Zhong, Shanghai

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.

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

CAUSAS

ORIGEN DE LOS PROBLEMAS

PATOLOGICOS

2

¿POR QUE SURGE LA PATOLOGIA DE ESTRUCTURAS DE ACERO?

Y LA RESPUESTA ES … Por fallas durante los procesos de planeación, ejecución y

mantenimiento del proyecto.

•Mal dimensionamiento

•Errores en los planos

Planeación

•Fallas en el montaje

•Fallas en el control

•Modificación de la estructura

•Fallas de coordinación del equipo técnico

Ejecución

•La estructura puede envejecer

•Fallas en el uso

•Adecuada protección inicial

•Inspecciones y reparaciones periódicas

Mantenimiento

Errores en las hipótesis de calculo

CONSECUENCIAS

PROBLEMAS EN LAS ESTRUCTURAS DE

ACERO

3

CORROSIÓN3.1

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 ELECTROQUIMI

CA

SEGUN LA FORMA

- Corrosión uniforme- Corrosión localizada

- Corrosión por esfuerzo- Corrosión por fatiga- Corrosión galvánica

-Aire y humedad

-Deshechos animales

-Diferencia de potencial

Y QUE PASO AQUÍ?

QU

IMIC

A

ELECTROQUIMICA

MIC

RO

BIL

OG

ICA

CORROSIÓN

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

DIF

ER

EN

CIA

S

QUIMICA

CORROSIÓN

TIPOS

DE

CORROSIÓN SEGÚN LA FORMA

Corrosión uniforme

CORROSIÓN

Corrosión localizada

Corrosión galvánica

TIPOS

DE

CORROSIÓN SEGÚN LA FORMA

CORROSIÓN = “CANCER DEL METAL”

DESCRIPCIÓN DE LOS DAÑOS

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 que transcurre el tiempo se convierte en pequeñas escamas.

Exfoliaciones (disminución de la sección).Disminución de resistenciaAumento de tensionesRoturas revestimientos-fábricasRoturas material en pequeñas escamas.

CORROSIÓN Algunas medidas utilizadas

industrialmente para combatir la corrosión son:

Presencia de elementos de adición de aleaciones (ej. Aceros inoxidables)

El alivio de tensiones Recubrimiento superficial: pinturas,

capas de óxido, recubrimientos metálicos.

Protección catódica

PREVENCIÓN DE DAÑOS

CORROSIÓN Materiales de recubrimiento.

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.

PREVENCIÓN DE DAÑOS

CORROSIÓN

Algunos métodos existentes son:

Limpieza con solventes Limpieza manual Limpieza mecánica Limpieza con productos

químicos Limpieza mediante chorro

abrasivo

PREPARACION DE LA SUPERFICIE

IMPORTANTE

CORROSIÓN

PINTURAS

Existen diferentes sistemas de protección Agresividad del ambiente, para determinar el mas adecuado se debe tener en cuenta:

Medio ambiente predominantePreparación de la superficieColores que se deben usarCostosRecubrimientos anteriores COMPATIBILIDAD

CORROSIÓNAMBIENTES CON AGRESIVIDAD LEVE

PINTURAS

Sistemas Alquílicos

AMBIENTES AGRESIVOS

Productos Epóxicos

Compuesto por un Anticorrosivo alquílico como fondo y un Esmalte alquídico como acabado

Características: Buena adherencia, secado lento, buena resistencia a la oxidación y buen brillo.

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: Producen capas sólidas de pintura, excelente adherencia y resistencia mecánica y química

CORROSIÓNAMBIENTES MARINOS

Sistemas Epóxico con acabado de esmalte tipo uretano

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.

PINTURAS

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

RESISTENCIA AL FUEGO3.2

RESISTENCIA AL FUEGOFUEGO

Diariamente se presentan situaciones de riesgo a causa de las llamas o igniciones que se producen por un incremento no controlado de calor.

Mortalidad, Perdidas

industriales y la desaparición de la

edificaciones

CONCEPTOS GENERALES

Consecuencias

Causas

Protección Inadecuada contra

incendios


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


ESTABILIDAD (EF) ESTANQUEIDAD (RF)

¿ QUE ES LA ESTABILIDAD Y LA ESTANQUEIDAD?

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.


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 .

La temperatura a partir de la cual aparece el fenómeno de la plasticidad, permite valorar la resistencia al fuego de los elementos estructurales.

¿POR QUE ES IMPORTANTE LA PROTECCION AL FUEGO?

Esta temperatura es bastante baja y se alcanza con facilidad, debido a la elevada conductividad térmica del acero

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

COMPORTAMIENTO DE MATERIALES ESTRUCTURALES CONTRA INCENDIOS

COMPORTAMIENTO DE MATERIALES ESTRUCTURALES CONTRA INCENDIOS


PROTECCION PASIVA

Firestopping (Sellamiento de penetraciones)

Impide la propagación de las llamas a través

de las juntas.

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

Fireproofing

Revestimiento con productos ignífugos

para aumentas la estabilidad al fuego.

Aislante térmico disminuyendo la forma

efectiva el flujo de calor

SOLUCION

ANTES DE APLICAR FIRESTOPPING

DESPUES DE APLICAR

FIRESTOPPING

FIREPROOFING


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

EJEMPLOS DE APLICACIÓN DE FIRESTOPPIN

REGILLA INTUMESCENTE

SACOS INTUMESCENTES


PROTECCION CON PINTURAS

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°

FRAGILIZACION POR HIDROGENO

3.3



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

Presencia de grasas, aceites y la presencia de agua como elemento constructivo

Nivel critico de esfuerzos de

tracción

Microestructura susceptible

(Martensita)

Soldaduras (SMAW, SAW, GMAW, GTAW)

Escasa atención

FRAGILIZACION POR HIDROGENODIFUSIVIDAD DEL

HIDROGENO

¿ COMO SE INTRODUCE EL HIDROGENO?

Al establecer el arco eléctrico

Permiten disociar el hidrogeno molecular H2 en Hidrogeno atómico H+

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

1

2

3

Átomos de Hidrógeno

Átomos de Hierro


DETERMINACION DEL POTENCIAL DE INCLUSION DE 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

Se recomienda utilizar electrodos que no contengan agua de constitución y que estén lo mas seco posible como Electrodos Básicos de bajo Hidrogeno

CONEXIONES3.4

SISMOS

En conexiones con soldadura:

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.

2. FALLAS EN LAS CONEXIONES

FALLAS EN LAS CONEXIONES

SISMOS

Los paneles de unión entre columnas y vigas

1. Fractura o pandeo de los atiesadores 2. Fracturas en la soldadura de los atiesadores 3. Fractura parcial en el alma de la columna4. Pandeo del alma 5. Ruptura de la columna

FALLAS EN LAS CONEXIONES

SISMOS

En Vigas: Fluencia Pandeo Fractura de los patines

o alma en zonas cercanas a la conexión con la columna.

ColumnasFracturas en el patínDesprendimiento de una sección del patínDesgarramiento laminar del patín o pandeo del patín.

ENSAYOS

GENERALIDADES

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

ENSAYOS DESTRUCTIVOS

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

Ensayo de tracciónElongación

ENSAYOS

ENSAYOS DESTRUCTIVOS

Ensayo de dureza: se hace presión sobre la muestra o soldadura con una fuerza establecida, mediante un instrumento penetrador de diamante o un metal duro. Se suelen emplear los durómetros.

Ensayo de impacto: para calcular la resistencia al impacto de un metal se aplican el ensayo de Charpy y el método de Izod (si bien en los dos de realiza una ranura en la muestra, tanto su forma como posición varían).

Ensayos micro y macroscópicos: se utilizan métodos parecidos en ambos ( el quipo macroscópico amplifica las muestras de 10 a 30 veces, el microscópico, de 50 a 5000 veces). Se amplifican las muestras para observar porosidades, inclusiones de escoria, fusiones incompletas, estructuras granulares y cualquier discontinuidad.

Ensayo de dureza

Ensayo de impacto

ENSAYOS

ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS

Mediante partículas magnéticas: se magnetiza la pieza y se utiliza para examinar metales ferromagnéticos y puede ser aplicado antes o después de soldar.

Método son líquidos penetrantes: líquidos especiales que penetran en las grietas por capilaridad y permiten localizar discontinuidades con salida a la superficie.

Método de inspección radiográfica: se emplean radios x y rayos gamma para detectar cualquier discontinuidad en el interior de metales solidos como en el de soldadura. Para calcular la profundidad de las discontinuidad se toman dos radiografías desde posiciones ligeramente diferentes.

Mediante partículas magnéticas

Método son líquidos penetrantes:

Método de inspección radiográfica

ENSAYOS

ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS

Prueba con ultrasonido: muy útil para determinar la profundidad y posición de la discontinuidad en la soldadura y calcular su reacción. Se emplean haces de ondas sonoras de alta frecuencia.

Ensayos de servicio: permiten estimar si una estructura soldada puede soportar una carga de trabajo sin sufrir una falla o deformación permanente. Para ello de aplican esfuerzos mayores que los normales, pero inferiores a la resistencia elástica del material.

Prueba con ultrasonido

RECONSTRUCCION DE LA CUBIERTA DEL VELODROMO ALCIDES NIETO PATIÑO DE CALI

CASO PATOLOGICO

ANTES

DESPUES

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4

VELODROMO ALCIDES NIETO PATIÑO DE CALI

Después de su colapso en el 2001 la reconstrucción del velódromo fue objeto de una licitación publica gerenciada por FONADE (Fondo Financiero de proyectos de Desarrollo).El contrato se adjudico al Consorcio Varela- Heymocol, Varela Fiholl & Cia. Ltda y Heymocol Ltda a finales del 2005.


Diseño Arquitectónico y Estructural de la cubierta

Revisión del estudio de suelos

Diseños Hidro-sanitarios y Eléctricos

Infraestructura y superestructura para la cubierta y su puesta en funcionamiento

ALCANCE DEL PROYECTO EN LO REFERENTE A LA CONSTRUCCION


La cubierta anterior, construida en 1995, estaba conformada por una lona soportada por tensores que salían de los dos arcos centrales en celosía y se apoyaban sobre una estructura metálica perimetral.

ANALISIS DEL PROBLEMAESTRUCTURA INICIAL


Según los estudio patológicos, lo que ocasiono la falla fue el peso de la estructura por acumulación de agua en la lona debido a las constantes lluvias, lo que produjo que fallara uno de los tensores y por ello se presento el desplome.

¿ POR QUE OCURRIO LA FALLA?


Obligaban a usar una tela panel tipo Sandwch con estructura metálica, lo que implico por seguridad que no se tuvieran en cuenta en el diseño final los estudios previos y elementos estructúrales preexistentes.

REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE PROPUESTA DE LA FIRMA

Cubierta plana, sujeta con 10 tensores sobre dos arcos metálicos asimétricos, que se sujetan sobre el centro y se abren sobre el apoyo en dos bases de concreto existentes.


Fuertes condiciones de los vientos en el área deportiva de la cubierta de Cali obligaron a se poyara la cubierta en 4 columnas esbeltas, construidas en concreto en el exterior del escenario, para cumplir principalmente la función de amarre de la cubierta y evitar que se levante por las fuertes cargas eólicas.

AMENAZA PARA EL DISEÑO


Asemeja dos hojas con punta de diamante que, además de cubrir el velódromo, se proyectan generosamente sobre el espacio público, integrándolo hacia el interior y creando un espacio exterior con animación para los peatones.

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DATOS GENERALES : Área: 11.800 m Capacidad: 6500 Espectadores Forma de Cubierta: Plana con forma de

ojiva construida con vigas metálicas en celosía a dos aguas.

Peso: 482 Ton aproximadamente 41 Kg/m Costo final del Proyecto: 5´500´000.000 Usos: Campeonatos mundiales de ciclismo y

en general cualquier tipo de competencia, conciertos, exhibiciones de patinaje, etc.

2

2


Esta conformada con vigas metálicas en celosía a dos aguas, soportada por un par de arcos metálicos en cajón.

Se cubren luces de aproximadamente 160m y 96m

Sistema de panel fabricado sin traslapo en el sitio de obra. Su material es aluzinc en calibre 24 (0.6mm) con clips metálicos ocultos y pintura poliéster horneable de dos caras.

CONSTRUCCION DE LA MAYA ESTRUCTURAL

CUBIERTA MODULAR HUTERDOUGLAS R


1. Refuerzo a nivel de cimentación e infraestructura existente.

2. Montaje de los arcos principales, con tres grúas telescópicas con capacidad de140 Ton.

3. Izaje de los tramos del arco a los 40m de altura.

4. Montaje del entramado de las vigas.

5. Montaje de correas y voladizos.

6. Conformación y construcción de las uniones de los voladizos.

7. Operación de soldeo con estrictos controles.

8. Instalación de los tensores.

9. Instalación de la teja y sus remaches.

PROCESO CONSTRUCTIVO

GRACIAS

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