Curso de Revit BIM – Las estructuras metálicas y sus elementos

Es a mediados del siglo XIX cuando comienza el uso de elementos metálicos en la edificación. Se dan dos factores fundamentales para que esto ocurra: por un lado, la madera no era capaz de absorber esfuerzos simultáneos de tracción, compresión y flexión, además de que la madera aserrada hasta entonces utilizada, no podía cubrir grandes luces. Por otro lado, con la revolución industrial, se consiguió la obtención de perfiles laminados de gran longitud, lo cual permitía efectuar uniones bastante sencillas. Desde entonces y hasta este momento, ha ido aumentando en gran medida la variedad de perfiles junto con las distintas posibilidades de uniones haciendo posible la construcción de edificios de grandes alturas y mayores luces.

Sin embargo, y al igual que otro tipo de estructuras, las estructuras metálicas también sufren procesos patológicos que hacen peligrar su integridad constructiva y, a su vez, las seguridad del edificio. Las diferentes causas para que aparezcan las patologías edificatorias en las estructuras metálicas son: el propio material, es decir, el metal que se hace débil ante el ataque químico medioambiental, o la solución constructiva generada por errores en el diseño del proyecto o en el desarrollo de la ejecución de la obra.

Si queremos describir las estructuras metálicas debemos hablar de sus elementos y con ellos, nombrar cada uno de sus sistemas y técnicas de unión.

De esta forma, los elementos de las estructuras metálicas podrían resumirse en los siguientes:

  • Soportes
  • Vigas y viguetas
  • Formas trianguladas
  • Tirantes

Respecto a los soportes, antiguamente se utilizaban columnas de fundición, a día de hoy esto ha cambiado pues ahora se emplean los perfiles laminados y sus combinaciones para poder obtener secciones más adecuadas a las necesidades funcionales de la estructura a desarrollar.

Como puede analizarse en cualquier software de ingeniería o conocerse en un Curso de Revit o BIM, para cargas pequeñas, se utilizan comúnmente secciones tubulares de las cuales encontramos diversas y variadas geometrías que pueden ser circulares, cuadradas o rectangulares. Todas ellas pueden sufrir cualquier tipo de procedimiento patológico ya sea por mal cálculo de los esfuerzos que puedan soportar bien por el proceso patológico que sufra el propio material.

Por lo que respecta a vigas y viguetas, generalmente se utilizan perfiles laminados en “T” o en “I” ya que se aprovecha mucho mejor la capacidad de resistencia tanto en los extremos de la “T” como en las alas de la “I”. En su colocación en horizontal y su probable contacto con materiales alcalinos, esto pasa generalmente con las viguetas de los forjados, estos elementos metálicos se convierten muy susceptiblemente en elementos de sufrir procesos patológicos por ataques químicos. Dentro de las estructuras metálicas, las vigas y viguetas pueden ser consideradas como los elementos más conflictivos pues pueden llegar a sufrir esfuerzos de flexión, cortante e incluso hasta torsión.

Entrando ahora en las formas trianguladas, en las estructuras metálicas el mejor rendimiento de su material se logra triangulizando la estructura con unas barras y así soportando esfuerzos a tracción unas, y a compresión otras. Sin embargo, los puntos más conflictivos de estas formas trianguladas son las uniones ya que suele haber gran cantidad de las mismas que han de trabajar como articulaciones. Aunque a veces resultan ser empotramientos porque resultan más fáciles de ejecutar, son los puntos más débiles debido a los esfuerzos que aparecen en las uniones empotradas, además de por la posible corrosión que podría surgir a causa de la aireación diferencial.

En cuanto a los tirantes como elemento de las estructuras metálicas, para ellos se han utilizado barras de fundición, barras de acero templado así como otros muchos elementos metálicos. A día de hoy se emplean perfiles laminados y todo tipo de combinaciones además de cables rígidos y flexibles.

Los tirantes tan sólo trabajan a tracción ya que ellos por sí mismos cumplen de forma idónea su función sin embargo, el mayor problema que presentan radica en los fallos que se generan con el resto de uniones de la estructura debido, en muchas ocasiones, a patología generadas por procesos químicos.

Hablar de los elementos metálicos sin hablar de sus sistemas de ejecución y/o sus técnicas de unión no tendría un sentido completo y es por ello que las estructuras metálicas y los elementos en ellas utilizados, pasan por severos controles de calidad en su producción, por los procesos patológicos que pueden llegar a aparecer en las actuaciones realizadas en obra, es decir, en las uniones entre los distintos elementos metálicos que se han de realizar in situ en obra para poder llevar a cabo una estructura metálica cuando empieza a tener una envergadura considerable.

Existen diferentes técnicas para realizar los sistemas de unión en las estructuras metálicas como podrían ser el roblonado, atornillado, el soldado y el anclado, los cuales pasamos a describir a continuación.

El roblonado es un sistema o técnica de unión cada día menos utilizado sin embargo, lo podemos hallar en actuaciones de obras de rehabilitación que se deban realizar en la actualidad a estructuras anterior a la mitad del siglo XX.

El roblón resiste a la perfección los esfuerzos cortantes perpendiculares a la sección que le introducen las dos piezas a las que une; estos esfuerzos los hace cuando el material intenta soportar tensiones al moverse en sentidos opuestos.

Desde el punto de vista mecánico es de suma importancia dimensionar correctamente las secciones del roblón así como la chapa a unir además del número de roblones que sean necesarios.

Desde el punto de vista químico, lo que más afecta a este sistema y el agente más peligroso, es la corrosión que, por aireación diferencial, pueda aparecer en los encuentros de las uniones. Ese tipo de corrosión podría llegar a mermar la sección útil de los roblones sin embargo, en otras tantas ocasiones, la corrosión provoca una especie de soldadura en el conjunto de la unión que ayuda a hacer aún más rígida a ésta.

Entrando de lleno en el atornillado como una de las técnicas para realizar los sistemas de unión en las estructuras metálicas, desde sus inicios el atornillado ha sido la solución presentada como una alternativa al roblonado ya que tiene el mismo funcionamiento acortante sin embargo, permite la resolución de uniones a la vez que posibilita el montaje y desmontaje de las estructuras una y otra vez si fuese necesario.

Los procesos patológicos que sufre este tipo de unión en estructuras metálicas, son en gran medida similares a los sufridos por las uniones roblonadas y es por ello que, en ambos procesos, se exige la realización de exhaustivos controles de calidad, tanto en el cálculo de los materiales a utilizar como en el control de la ejecución para su puesta en obra y servicio.

Las articulaciones son en gran medida el tipo de uniones más utilizadas en este sistema pues permiten transmitir solo esfuerzos axiales a compresión y tracción.

En cuanto a las soldaduras, de todos los sistemas y técnica de unión, resulta la más fiable de las uniones permanentes pues posibilita la continuidad de esfuerzos entre las piezas que se unen por continuidad del propio material.

Se diría entonces que nos encontramos ante uniones empotradas sin embargo, precisan de juntas de hidratación más próximas para prevenir los inevitables movimientos de las piezas.

Las soldaduras pueden ser de dos tipos, con aporte de material o sin aporte de material.

Respecto a las primeras, para este tipo de soldadura se emplea un material diferente al de las piezas. El material aportado ha de ser compatible con el material de las dos piezas a unir y la soldadura debe ser uniforme y sin burbujas; a esto se le denomina soldadura por aleación.

En cuanto a la soldadura sin aporte de material, este tipo de soldadura se hace única y exclusivamente aportando calor, fundiendo los dos elementos a unir los cuales, deben ser realizados con el mismo material con el fin de que se mezclen adecuadamente. Por todo ello tendremos que analizar la soldabilidad de ambos aceros, en este caso, además de todo ello, también se debe hacer una soldadura uniforme y sin burbujas. A este tipo de soldadura se le denomina soldadura autógena.

Tanto las soldaduras por aleación como las soldaduras autógenas pueden sufrir dos tipos de procesos patológicos: los llamados procesos patológicos mecánicos generados por una insuficiente sección llevada a cabo en un mal cálculo de proyecto o por una ejecución poco uniforme, y procesos patológicos químicos generados por  la incompatibilidad de los aceros a unir entre sí o con el material aportado.

Por otro lado tenemos los anclajes, unas uniones a tracción que se utilizan sobre todo para el atado de cables metálicos a elementos de hormigón o de piedra. La unión se lleva a cabo apretando los cables con piezas especiales.

Para los anclajes suelen utilizarse aceros de alta resistencia pero aun así, también sufren de procesos patológicos que, al igual que los anteriores podrían darse  por acciones mecánicas y químicas.

Las acciones mecánicas se pueden producir por un aplastamiento o por la cizalla del elemento, lo que en ello provoca la rotura.

Las acciones químicas son corrosiones que aparecen por aireación diferencial y es por ello que se recomienda la utilización de elementos de acero inoxidable.

Cuando hablamos de los elementos de las estructuras metálicas y de sus sistemas y técnicas de unión, no podemos en modo alguno obviar los procesos patológicos que todos ellos pueden sufrir pues, tanto en la ejecución inicial de las estructuras metálicas como en la rehabilitación de cada uno de estos elementos y/o sistemas de unión es necesaria la correcta ejecución para evitar cada una de las patologías que se podrían llevar a cabo.

Las patologías de las estructuras metálicas las podríamos dividir en dos grandes grupos:

por un lado, las relativas al material, es decir, al acero, y por otro lado las relativas al proceso, es decir, a los diferentes errores en que se puede caer tanto en el proyecto como en su ejecución y en su mantenimiento.

El acero es un material elástico y tenaz a su vez sin embargo, la elasticidad del mismo hace que sus posibles deformaciones resulten importantes y, por tanto, avisa antes de llegar a la rotura, existiendo diferentes defectos en su rotura:

  • Rotura frágil. En ocasiones el acero rompe sin aviso alguno debido a un comportamiento frágil. Esto suele aparecer en piezas de fundición por ser materiales bastante frágiles pero también puede surgir en elementos del acero más puro.
  • Rotura por fatiga. Hablamos de este tipo de rotura cuando el elemento está sometido a diferentes y variables esfuerzos a lo largo del tiempo. Este proceso empieza con anomalías superficiales que van derivando en fisuras y que acaban por romper el material. Como es evidente, estamos hablando de un proceso progreso a lo largo del tiempo sin embargo, la rotura que se produce que efectúa sin previo aviso ya que la fisura es de difícil detección. Este tipo de rotura puede afectar a cualquier elemento de la estructura metálica.
  • Desgarro laminar. Es una patología que únicamente se da en elementos estructurales soldados. Aparecen deformaciones en el plano de las capas de soldadura por la retracción del material de aportación llegando a una rotura frágil de la unión.
  • Corrosión Cuando hablamos de esta patología nos estamos refiriendo a un proceso químico que comienza a afectar a la estructura o a cualquiera de sus partes en la superficie de las mismas por lo que este proceso empieza a visar ya desde sus inicios. El metal se va deteriorando superficialmente perdiendo material y disminuyendo su sección. La corrosión de este material puede tener diferentes orígenes, a saber: corrosión por oxidación previa, corrosión por par galvánico, corrosión por aireación diferencial o corrosión por inmersión.

Uno de los puntos en las patologías de las estructuras metálicas a los cuales no se les presta la atención debida son los procesos patológicos que aparecen por causas indirectas al material y directas al proceso en el proyecto de dimensionado de la estructura, a la ejecución de la propia estructura y al mantenimiento posterior durante la vida útil de dicha estructura.

Los errores de proyecto más comunes que se suelen encontrar vienen dados por una mal dimensionamiento en las hipótesis de cálculo o por un mal cálculo numérico de la estructura; también puede ocurrir que la documentación del proyecto no se encuentra bien definida o completa. Es muy importante que la estructura metálica tenga bien definida cada una de sus uniones.

Gran parte de las patologías que se suelen dar en las estructuras metálicas vienen dadas en su inicio por una mala ejecución del proyecto, especialmente en lo que respecta a su puesta en obra. No son tantos los errores de ejecución en la fabricación de la estructura metálica, como los errores de montaje que se dan al no haber sido llevado a cabo por personas realmente especializadas en la materia o por no haber tenido la supervisión durante la ejecución y su control de calidad al final de la misma por el técnico competente y responsable de la estructura metálica.

Por último, y no por ello menos importante, casi se podría decir que tiene una mayor importancia el continuo, permanente y perfecto mantenimiento de las estructuras metálicas, pues de nada sirve realizar un buen proyecto y ejecución de la estructura si, a posteriori, nadie se encarga de garantizar que el uso de dicha estructura se ajusta a los inicialmente proyectado, que no se observen alteraciones en la misma y que se realice una inspección periódica de cada uno de sus elementos por el personal cualificado para ello.

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