Patología de la edificación/Estructuras metálicas/Acero/Inspección y control

Inspección y control

1. Aspectos a controlar en las estructuras metálicas

El control de las estructuras debe estar presente desde los primeros tanteos del diseño, pasando por la elección de los materiales y la previsión de de los procesos de ejecución y montaje, hasta las pruebas de carga y las comprobaciones periódicas de las estructuras en cuanto a dilataciones, comportamiento ante acciones del viento, estado de los sistemas de protección contra la corrosión química o electroquímica, así como por otros agentes de deterioro.

Los problemas de las estructuras metálicas pueden presentarse por causas no fortuitas como pueden ser:

• efectos del calor y cambios de las condiciones ambientales
• oxidación excesiva y consiguiente corrosión
• criterios erróneos de diseño
• agentes químicos
• viento
• fuego

EFECTOS DEL CALOR SOBRE EL ACERO

Dilataciones

Los efectos del calor sobre las estructuras producen empujes que pueden dar lugar a problemas por desplazamientos o dificultad en el desplazamiento debido al aumento de sus dimensiones.

Acción del fuego

El acero, sometido a temperaturas altas, sufre variaciones en sus características mecánicas, que se reflejan en el diagrama de la figura adjunta:

En el diagrama vemos como las variaciones de resistencia a la rotura entre -20º y +100 ºC son prácticamente nulas. La resistencia a la rotura alcanza su valor máximo a la temperatura de 220 ºC y sólo es del orden de la mitad de los 550 ºC. También se puede apreciar que el límite elástico baja a un 50% del valor inicial cuando alcanza la temperatura de 480 ºC y que el módulo de elasticidad decrece también con la temperatura.

La resistencia al fuego de una construcción es directamente proporcional al grado de hiperestaticidad del sistema estructural, ya que el calor puede ayudar a crear rótulas pláticas y redistribuir las capacidades de carga.

Las inspecciones y controles de las estructuras podemos realizarlas en distintos lugares que nos condicionarán las tareas a realizar en cada uno de ellos:

-en obra -en laboratorio en oficina técnica

2. En obra

Es importante controlar la recepción de una estructura metálica en obra, por lo que resulta muchas veces conveniente efectuar visitas al taller que ha elaborado las estructuras comprobando la realización de ensayos de características mecánicas y químicas; si las soldaduras son satisfactorias, verificando si la preparación de los elementos a soldar es buena.

Si los datos anteriores no ofrecieran garantía suficiente se intensificará el control de calidad del acero mediante:

-Ensayo de tracción con el límite elástico, tensión de rotura, alargamiento de rotura, módulo de elasticidad, y registro diagrama de cargas deformación. -Ensayo de plegado simple -Determinación del valor de resiliencia (la capacidad del material de recobrar su forma original después de haber estado sometido a altas presiones).

2.1. Zonas singulares o críticas

En los elementos estructurales se pueden determinar unas zonas singulares o críticas, como son:

-Las soldaduras y uniones -Los montajes de cerchas y cubiertas -arriostramientos provisionales durante el montaje

Como se ve, resulta también de gran importancia el control de montaje de las estructuras. El programa de montaje que se deberán, por tanto, conocer y controlar serán:

-Ejecución en fases, orden y tiempos de montaje de cada fase. -los apeos, cimbras y otros elementos de sujeción provisional -comprobación de los replanteos. -comprobación de las nivelaciones, alineaciones y aplomos -Verificar las juntas de dilatación y los empalmes que han de tener movimiento como consecuencia de las dilataciones térmicas. -verificar que la estructura está aislada de otros elementos de diferente rigidez que puedan sufrir los empujes de los movimientos estructurales.

EXPLORACIÓN Y RECONOCIMIENTO DE LAS PROPIEDADES Y ESTADO

CONTROLES A REALIZAR NUMERO DE CONTROLES Y FORMA CONDICIONES DE RECHAZO

Replanteo

Uno en general.Medir

Desviaciones del 0.1% entre ejes.

Desviaciones dimensionales del conjunto >15mm o >25mm en grandes dimensiones con juntas de dilatación

Alturas H

Uno por planta. Medir

Desviación >0.2%

Asientos de soportes

Uno por cada diez. Visual

Separación entre placa de asiento y cimiento <40mm o >80mm. No arriostrado en cabeza antes del aplomado y recibido de la zapata.

Aplomado de soportes

Visual de verticalidad con soportes contiguos. Uno cada diez. Plomada.

>H/1000 o 25mm

Apoyos de viguetas en vigas

Uno cada veinte. Medir

Entrega de vigueta <a/2 siendo a la altura del perfil de ésta

Retirada de los arriostrados o fijaciones de armado.

En general. Visual

Se retiran antes que quede asegurada la indeformabilidad de las uniones.

SUPERVISIÓN DE PROCESOS DE UNION

La soldadura consiste en la fusión localizada de las piezas a unir, generalmente con aportación de otro material de parecida composición (electrodo). Disposiciones de las soldaduras:

-A tope

-de ángulo

Los cordones de soldadura que unen dos piezas en ángulo se miden por su longitud y su garganta. La longitud eficaz del cordón sería igual a la longitud real del cordón menos los cráteres del principio y final de la soldadura, donde se encuentran picaduras producidas por el corte del arco en los extremos. Éstos cráteres se consideran con una longitud igual a la garganta, que viene determinada por la altura del máximo triángulo isósceles que se puede inscribir en la sección transversal de la soldadura con los lados iguales contenidos en las caras de las dos piezas q se unen. La garganta de las soldaduras de ángulo se pueden medir, si son cóncavas, mediante el calibre de la figura que se adjunta, debiendo cumplir el espesor de la garganta con la norma que a <0.7 e, siendo e el espesor mínimo de las dos piezas a unir.

Archivo:Defectosoldaduras.png

Defectos superficiales de las soldaduras

CONTROLES A REALIZAR

Preparación de bordes

Según las especificaciones de la Norma MW-104

Electrodos

Alargamiento de rotura mayor del 22%

Resiliencia no menor de 5kg/cm2

No deben estar húmedos

Posición de soldeo

Posición horizontal o vertical, no se debe soldar a techo salvo imponderables

Condiciones para soldar

Temperatura superior a 0ºC

Protección del viento y de la lluvia

Longitud del cordón de soldadura

La definida en el proyecto con las siguientes tolerancias:

-hasta 15mm + - 0.5mm

-de 16 a 50mm + - 1mm

-de 51 a 150mm + - 2mm

-desde 151mm + - 3mm

De las inspecciones realizadas de las soldaduras podremos calificar las mismas de acuerdo a los grupos de la norma UNE-14011.

CALIDAD CLASE DE UNIÓN

1 Soldadura perfecta

2 Soldadura buena

3 Soldadura regular

4 Soldadura mala

5 Soldadura muy mala

Esta calificación viene determinada por los defectos de las soldaduras:

-soldadura perfecta: es la soldadura homogénea o soldadura con algunas inclusiones gaseosas muy pequeñas -soldadura buena: es la soldadura con débiles desviaciones de la homogeneidad, debido a: inclusiones gaseosas, inclusiones de escoria, mordedura de bordes, falta de penetración, falta de fusión. -soldadura regular: con marcadas desviaciones de la homogeneidad. -soldadura mala: con gran desviación de la homogeneidad -soldadura muy mala: con gran desviación de la homogeneidad en la que se pueden encontrar grietas.

2.2. Ensayos

Algunos de los ensayos que se pueden realizar para descubrir los defectos en las soldaduras son:

-Liquidos penetrantes: Ensayo no destructivo de fácil empleo, siendo los líquidos detectores de diversa composición.

-defectos detectables:

-Grietas superficiales

-Fisuras superficiales (con fluorescentes)

-Poros

-Soldaduras a las que puede aplicarse:

-En ángulo de platabandas

-En base de soportes

-En casquillos de apoyo

-En cartelas de cerchas y vigas de celosía

-En rigidizadores

-En uniones a tope donde las grietas de poca profundidad no se detectancon rayos X

-Partículas magnéticas: Ensayo no destructivo mediante las líneas de fuerza e la energía magnética sobre limaduras de hierro. Detecta los mismos defectos que los líquidos penetrantes utilizándose como alternativa de ellos.

-Ultrasonidos: Este ensayo requiere de un aparato emisor de ultrasonidos con dos palpadores: emisor y recetor. El receptor registra las ondas que no se han perdido por reflexión o absorción de los defectos o cuerpos extraños que detecta. -Defectos que aprecia: son los mismos detectados con los rayos X y además aprecia las faltas de fusión de los flancos del chaflán.

-Rayos X: Ensayo no destructivo basado en la propiedad de penetración de los rayos X que permiten la impresión de una placa fotográfica situada al otro lado de la soldadura y manifiesta la mayor o menos absorción de los rayos por el material atravesado. Este control es actualmente el mejor que se dispone para juzgar la calidad de una soldadura, pero su costo restringe su uso al mínimo necesario.

-Defectos detectables:

-Grietas

-Inclusiones no metálicas

-Faltas de fusión

-Porosidad

-Falta de penetración

-Proyecciones

-Mordeduras

-Soldaduras a las que puede aplicarse:

-A las uniones en prolongación para espesores no mayores de 40mm

-Rayos gamma: Análogos a los rayos X pero de radiación mas penetrante, se utilizan para espesores mayores.

Según éstos ensayos podemos definir los defectos dados en las soldaduras, así por ejemplo:

-En soldaduras con poros superficiales y picaduras, la detección además de visual puede realizarse con líquidos penetrantes.

-Poros internos o cavidades internas con gas, se pueden detectar con ensayos de ultrasonidos y rayos X, que nos daría una sombra netamente definida con contornos redondeados

-Grietas de contracción: Detección por ultrasonidos, y rayos X, con una línea fina y oscura, intermitente o bifurcada.

-Defectos de fusión de bordes: Detección por ultrasonidos, y rayos X con línea oscura y fina

-Falta de penetración interna: Falta de metal de aportación. Detección por ultrasonidos y rayos X, con líneas oscuras continuas o intermitentes en la imagen

-Desbordamiento: La detección es visual. Defecto que afea al aspecto e impide medir el espesor efectivo de la garganta.

Los controles que se recomiendan hacer a nivel normal en las soldaduras son:

- los controles visuales y de dimensionado geométrico de soldaduras en el 5% de las soldaduras de fuerza

- Controles radiográficos y por ultrasonidos o líquidos penetrantes en el 2% de las uniones de los nudos.

3. En laboratorio

3.1. Muestreo: Extracción de muestras

Se tomarán previamente muestras, que se escogerán al azar cumpliendo para cada ensayo lo siguiente:

3.1.1. Perfiles laminados

Ensayo de tracción: Las muestras serán rectangulares con una anchura no mayor de 30mm, y con un espesor igual a la del producto y no mayor de 30mm. En productos de espesor mayor a 40mm y en redondos pueden tomarse de sección circular. Se extraerán en la dirección del laminadote los siguientes lugares:

-En perfiles, de los lugares A de las cuatro primeros dibujos.

-En redondos, cuadrados y rectangulares de espesor mayor de 40mm de los lugares A de las últimas dos imágenes

-En chapas serán probetas transversales (eje perpendicular a la dirección del laminado).

Ensayo de doblado: se utilizan probetas análogas a las del ensayo de tracción, excepto en redondo que será un trozo de producto cuando el diámetro no sea superior a 30mm; si fuese mayor se rebajaría por maquinado hasta 20mm.

Ensayo de resiliencia: se toman de los lugares nombrados con una B en los dibujos superiores.

Análisis químico: se suelen tomar tres probetas de los lugares B.

REALIZACION DE ENSAYOS

Los ensayos se realizan siguiendo siempre las prescripciones de la normativa UNE correspondiente.

Tracción

UNE 7421-73 sobre una probeta, determinando límite elástico, resistencia a la tracción y alargamiento de rotura.

Doblado UNE 7292-72 sobre una probeta

Resiliencia

UNE 7290-72 sobre tres probetas, tomando como resultado final la media de las tres probetas.

Análisis químico

-carbono

-fósforo

-azufre

-nitrógeno

-silicio

-manganeso

Condiciones de aceptación: Si los resultados de los ensayos cumplieran los valores garantizados, la unidad puede aceptarse, en caso contrario se realizarían dos contraensayos, como especifica la norma UNE 36080-73. Si los dos resultados fueran satisfactorios se acepta la unidad.

3.1.2. Uniones soldadas

COMPOSICION QUIMICA

La composición química límite del acero a soldar es importante, puesto aunque todos los aceros son soldables, las precauciones a tomar para su soldeo deben ser mayores en los distintos casos según su composición.

Para aceros con resistencia a la tracción entre 37 y 52 kp/mm2 y cumpliendo las condiciones siguientes, no son necesarias precauciones especiales al soldar.

-contenido en carbono < 0.22 %

-carbono equivalente <0.41 %

-espesor <37 mm

Si el espesor es mayor o el contenido de carbono llega para menos de uno normal al 24% seria preciso considerar algunas precauciones especiales, en particular en la elección de los electrodos (de bajo contenido de hidrógeno), las temperaturas de precalentamiento y las condicionesde aporte térmico.

Los contenidos de azufre y fósforo para aceros de uso normal, se limitan al 5%.

4. En oficina técnica

En la oficina técnica deberá conocerse el proyecto de la estructura estudiándose todos los documentos con vista al control de montaje de la misma y tomándose datos a prever como:

-arriostramientos auxiliares de montaje

-prioridades de montaje para la estabilidad durante el mismo

-sobrecargas admisibles, en previsión de acopios excesivos de materiales o de otro tipo de acciones.

-ritmo de ejecución de los forjados y muros que sirvan de arriostrado a la estructura, cajas de escaleras, etc.

-tipo de protección de la estructura y lugar de tratamiento

-forma de medir la estructura, si es peso en báscula o peso teórico deducido de la medición en plano y la aplicación del peso de catálogo. Se establecen unas tolerancias de peso que varían con los tipos de perfiles desde +-4% hasta +-7%, pero en la práctica se suele tolerar en más de un 5%.

4.1. comprobación de condiciones de diseño y servicio, y correspondencia entre ellos

la calidad de la estructura metálica depende en buena parte de su correcto diseño, tanto en lo que se refiere a su concepción general como en lo relativo a la adecuación de las soluciones particulares de cada unión y cada elemento.

4.1.1. Apoyos

Bases de pilares

Si la base es poco rígida, no se consigue una transmisión uniforme de las cagas. Es aconsejable y preferible no aplicar una tensión de trabajo elevada al acero ni a la cimentación, considerando

-constante la presión de la placa en toda su dimensión, lo que implica considerar el momento como solicitaciones constantes.

-la contracción de la soldadura de la placa no debe crear deformaciones, que puedan producir un efecto de punzonado en el cimiento.

Nudos y uniones

Articulación de pilares

En el cálculo de los pilares se admite que éstos se unan mediante articulaciones, por lo que el momento flector sería nulo. Sin embargo, las excentricidades que se producen en la práctica inducen unos momentos flectores; además no existe transmisión directa de los esfuerzos, que deben pasar a través de chapas y soldaduras, creándose concentración de esfuerzos

Uniones

Como criterios generales deben tenerse en cuenta, que no siempre conviene soldar, sobre todo en obra, siendo la solución más adecuada la mixta de soldeo-atornillado, que proporciona una seguridad técnica de ejecución correcta Los técnicos de las empresas desarrollarán los planos de taller partiendo de los planos de proyecto, comprobando previamente en obra las cotas de replanteo de la estructura, así como las características de los materiales estructurales y de protección, y el coeficiente de seguridad de los mismos.

Para el caso concreto de soldaduras, el material de aportación utilizado, el electrodo, siendo los más usuales los ácidos, básicos, los orgánicos, los de rutilo y los de titanio, podrá utilizarse cualquiera de ellos con la condición de q tenga las características mecánicas siguientes:

Resistencia a la tracción >42 kp /mm2 para perfiles A42 y 52 para A52 Alargamiento de rotura >22% La resiliencia debe ser la adecuada al tipo de acero que une y al tipo de estructura, pero nunca inferior a 5kp/cm2

pero el empleo de un tipo determinado de electrodo dependerá no solo de las características mecánicas, sino también del tipo de unión y de la posición del sondeo, por lo el control que hay que ejercer respecto a estos materiales en principio es la comprobación de que en el diseño de la estructura se respeten las características de tipos y diámetros de los electrodos y las condiciones operatorias previstas por el fabricante.

4.2. predimensionado

Los planos de taller desarrollados por los técnicos deben definir inequívocamente todos los elementos de la estructura:

-llevarán indicados las dimensiones de todos sus elementos y los perfiles así como la clase de acero.

-las contrafechas de las vigas, cuando estén previstas.

-la disposición de las uniones, distinguiendo las de fuerza y atado.

-el diámetro de los agujeros para roblones y tornillos

-la forma y dimensiones de las uniones soldadas, la preparación de los bordes, el procedimiento, métodos y posiciones de soldeo, los materiales de aportación a utilizar y el orden de ejecución.

-las indicaciones sobre mecanizado o tratamientos de los elementos que lo precisen.

-las marcas que cada uno de los elementos deba llevar para su posterior montaje en obra