Patologias de Las Estructuras Metálicas

PATOLOGÍAS DE ESTRUCTURAS METÁLICAS Constituyen un sistema constructivo muy difundido en varios países, debido a su fácil montaje, reciclado, mantenimiento y cuyo empleo suele crecer en función de la industrialización alcanzada en la región o país donde se utiliza.

La vulnerabilidad de las estructuras es visible a través de las patologías presentes en ellas, de esta manera se presentan desde pequeñas fallas, hasta incluso producir el colapso de la estructura total. Los procesos patológicos que afectan a las estructuras de acero pueden derivarse de causas propias del material, hasta la solución constructiva adoptada y ejecutada en el proyecto.

Patologías comúnmente presente en estructuras metálicas A.

Por deformaciones:

Dado que la deformación se da a casi todos los elementos constructivos, lo que se entiende por deformación excesiva se refiere a la deformación de los elementos metálicos cuando ésta es superior a lo permisible. Estas deformaciones son producidas por acciones tales como: 

Mecánicas.- la deformación viene producida por una carga que, si incide sobre un elemento que trabaja a flexión, producirá flecha excesiva, y si afecta a un elemento que trabaja a compresión, producirá pandeo excesivo.

Además Los motivos mecánicos que originan la alteración y deterioro de los materiales incluyen movimientos, deformaciones y rupturas originados por: 

Cargas externas directas Actúan sobre la estructura u otros elementos.

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Cargas indirectas Debidas a variaciones de temperatura o humedad, que en caso de movimientos impedidos en las piezas, provocan importantes deformaciones.

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Cargas reológicas

Están producidas por la fatiga de los materiales. 

Desplazamientos de la estructura Son consecuencia de las alteraciones experimentadas en los terrenos sobre los que se cimienta.

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Térmicas.- es el resultado de someter el elemento metálico a elevadas temperaturas, tales como los rayos solares y hasta un incendio.

La acción del fuego sobre las estructuras metálicas modifican la plasticidad del elemento, de esta manera rompiendo el equilibrio de las tenciones de trabajo previstas, lo que originaría, la pérdida de la estabilidad de la estructura y por ende ya no soportaría la carga de diseño. El efecto de estas acciones de manera prolongada sobre las estructuras de acero puede producir deformaciones irreversibles, de esta manera haciendo que sea inutilizable la estructura. B. Por corrosión: La corrosión más común del hierro y del acero se llama oxidación que se presenta siempre que un objeto de estos metales se encuentre en contacto con el agua y el oxígeno, estos forman una capa de óxido porosa que además permite la acumulación de agua y favorece el proceso de oxidación y la aparición del fenómeno de corrosión electrolítica, que se trata de forma independiente en el apartado de oxidación-corrosión.

C. Falla de uniones:  En conexiones con soldadura: 1. 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. 2. En pórticos arriostrados: La falla en la soldadura de conexión de las riostras a vigas y/o columnas. 3. En pórticos en celosía: La falla común es por pandeo en los elementos de las diagonales.

Descripción: 1. Fractura o pandeo de los atiesadores 2. Fracturas en la soldadura de los atiesadores

3. Fractura parcial en el alma de la columna 4. Pandeo del alma 5. Ruptura de la columna 

En conexiones atornilladas  Por cortante.  Aplastamiento.  Por separación de vigas acopladas debido a carga excesiva.  Desgarramiento o por sección insuficiente de las placas de conexión.

Conclusiones:  

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Las patologías presentadas son debido a fallas en los procesos de planeación, ejecución y posterior mantenimiento de las estructuras. En el caso de fallas por deformación, pandeo, entre otras similares, algunas de ellas son recuperables una vez retirada la carga actuante sobre esta, en otros casos es necesario la restitución del elemento en falla. En fallas debido a corrosión del elemento, estas pueden ocasionar la pérdida total de estructura, puesto que el mantenimiento de estas estructuras es necesario para evitar su deterioro. La exposición de las estructuras metálicas a variaciones climáticas como lluvias y cambios de temperatura incrementa el riesgo de corrosión de elementos soldados, y la posible expansión de esta falla.

Ensayos no destructivos Hormigón armado: (Alcaciega Juan) Escaneo de armaduras.

Durante la evaluación estructural de una edificación es difícil conocer las armaduras que conforman conforman los elementos estructurales de las mismas para esto utilizamos un escáner de armaduras comúnmente conocido como pachometro. El pachómetro un aparato que nos permitirá obtener información de la estructura como son recubrimientos, diámetros de barras y localizar las barras de acero dentro de un elemento de hormigón. Consta de varias sondas y de un módulo de lectura y control; y su funcionamiento se basa en la medida de la resistencia al flujo magnético generado por la sonda, de forma que cuando la sonda se sitúa más cercana a un elemento metálico esta resistencia disminuye.

Detección de las armaduras de una columna. Fuente:proceq

En el mercado existen diferentes tipos de pachómetros van desde los más sofisticados que nos proporcionan una estimación del diámetro y del recubrimiento de la barra y los más sencillos que nos dan información de la posición de la barra y su dirección. Es importante efectuar ajustes periódicos del aparato y su calibración para evitar errores en las determinaciones, también es importante que el operador desplace la sonda lentamente, dado que los movimientos bruscos pueden provocar alteraciones en las mediciones. Profundidad de carbonatación La carbonatación en un proceso que ocurre cuando el CO2 del ambiente reacciona con Ca(OH)2 para formar CaCO3 este proceso reduce el pH del hormigón que normalmente está entre 12 a 13 ambiente alcalino que protege al acero de la corrosión, el cual con el tiempo va disminuyendo hasta un valor normal de 7, cuando el valor del pH llega a niveles inferiores a 9,5 la alcalinidad del concreto ya no es suficiente para mantener pasiva la capa de óxido protectora de las armaduras de acero. Esto provoca que, ante la presencia de la humedad y del oxígeno, se active la corrosión de las armaduras embebidas en el concreto resultando finalmente en el agrietamiento del hormigón.

Proceso de carbonatación. Fuente:Ycaza J(2011)

El ensayo más común para la determinación del valor de Ph del hormigón es el test de la fenolftaleína. El test consiste en rociar un hormigón recién fracturado (es decir, no expuesto anteriormente al aire) con un solución al 1% de fenolftaleína en hidro-alcohol (70% de alcohol y 30% de agua).

Probetas de hormigón ensayadas con fenolftaleína. Fuente:Determinación de las propiedades mecánicas del cemento.

Se podrá apreciar la zona carbonatada, zona que no cambia de color y la zona sin carbonatar que mantiene un pH básico el cual es de color púrpura, esto nos indica el área de recubrimiento de aceros en el hormigón para que el acero se encuentro dentro de la zona de hormigón sin carbonatar con un pH básico que impida la oxidación del acero de refuerzo. Presencia de sulfatos y cloruros. DETERMINACIÓN DEL PORCENTAJE DE SULFATOS EN EL HORMIGÓN. NORMATIVA: UNE-EN 196-2: 1996 Métodos de ensayos de cemento. Parte 2: Análisis químico de cementos DESCRIPCIÓN: La combinación de los sulfatos con el aluminato tricálcico, en presencia de agua, provocan la formación de la expansiva etringita, capaz de fisurar el hormigón al poder aumentar su volumen. El contenido máximo de sulfatos que debe tener un hormigón es complicado determinarlo, y depende del tipo de cemento, del contenido, etc. Valores por encima de 0,7% se pueden considerar peligrosos.

CARACTERÍSTICAS DEL ENSAYO: Ante la ausencia de ensayo específico para hormigón endurecido se recurre al ensayo de determinación de sulfatos en el cemento, que se realizará sobre los restos triturados de una probeta de hormigón endurecido extraída, conservada y refrentada según establece las normas UNE 83302:84, 83303:84 y 83304:84. Adicionalmente se tiene un ensayo Británico para determinar el porcentaje de sulfatos el ensayo, basado en la Norma BS 1861 Parte 124:1998, permite determinar sobre muestras de hormigón endurecido el contenido porcentual referido al peso del hormigón del contenido de sulfatos de la misma Con objeto de conocer si el ataque es interior o exterior, es conveniente del testigo extraído cortar dos rebanadas pertenecientes a cada uno de los extremos del mismo y analizarlas por separado, dado que esto nos permitirá tener valores del porcentaje de sulfatos de la superficie y el núcleo del elemento analizado. Dicho ensayo nos indica el valor en el cual se pueden producir daños en el hormigón es de 0.46% de contenido de sulfatos respecto del peso del hormigón, de manera que valores superiores al referido resultado no serán aceptables. DETERMINACIÓN DEL PORCENTAJE DE CLORUROS EN EL HORMIGÓN NORMATIVA: UNE 112010:94.Corrosión en armaduras. Determinación de cloruros en hormigones endurecidos y puestos en servicio. DESCRIPCIÓN: Es un ensayo para comprobar si existen cloruros en las proximidades de la armadura del hormigón de un elemento estructural, tanto si proceden de los materiales componentes del mismo como si penetraron posteriormente a lo largo de la vida del elemento. CARACTERÍSTICAS DEL ENSAYO: La determinación se realiza por medio del método volumétrico “Volard”, aunque se podrán emplear otros métodos de ensayo siempre que se haya demostrado previamente que los resultados obtenidos son equivalentes a los del método de referencia. • El método se basa en la precipitación de los cloruros al añadirle una disolución patrón de nitrato de plata, previa descomposición del hormigón con ácido nítrico diluido en ebullición que provoca la mencionada precipitación de los cloruros. • El resultado es indicativo para la porción de hormigón analizado pero puede no ser extrapolable al conjunto por razón de la no homogeneidad en la distribución de los cloruros, especialmente si son de aportación exterior en disolución. Para estructuras de hormigón armado, valores de ión-cloro superiores al intervalo entre un 0.05% al 0,10% en relación al peso del hormigón, y para estructuras de hormigón pretensado, valores de ión-cloro superiores al intervalo entre un 0.013% al 0,025% en relación al peso del hormigón son cantidades suficientes para despasivar las armaduras. Extracción y falla de núcleos de concreto NORMATIVA: ASTM C42 / C39 “Metodo de prueba estándar para obtención y ensayo de núcleos perforados en hormigón”.

DESCRIPCIÓN: En este ensayo se aplica a la extracción de núcleos cilíndricos de concreto obtenidos a partir de estructuras existentes. Este núcleo se falla a compresión para determinar la resistencia del concreto de la estructura. IMPORTANCIA Y APLICACIÓN El ensayo permite la evaluación de la resistencia del concreto a partir de especímenes representativos obtenidos por extracción. Esta evaluación se realiza cuando se desea conocer la resistencia a la compresión del concreto de una estructura existente. La resistencia de los núcleos de concreto depende del grado de humedad al que está sometido, de la orientación hacia la cual fue extraído, de la ubicación del núcleo. En general no existe una relación estandarizada entre la resistencia del núcleo de concreto y la resistencia de los especímenes curados bajo el método estándar. ESPÉCIMEN DE ENSAYO Núcleos (cilindros) de concreto cuyo diámetro depende del espesor de los elementos de concretos de los cuales se van a extraer y de la distribución del acero de refuerzo que allí se encuentre. El muestreo se realiza con taladros equipados con brocas de punta de diamante de diferentes diámetros. RESUMEN DEL PROCEDIMIENTO En la zona donde será extraído el núcleo se procede a determinar la distribución de acero de refuerzo existe de manera que en el momento de la perforación no se atraviese ninguna barra. El taladro se coloca de manera perpendicular a la superficie donde será extraído el núcleo y se inicia el proceso de corte. Una vez que extraído el núcleo, este se mide y se registra cualquier peculiaridad que esté presente. Ya en el laboratorio se procede a cortar los extremos del núcleo de manera que su longitud cumpla con una relación 2 a 1 con el diámetro. El espécimen se acondiciona por 5 cinco días antes de que se realice el ensayo de compresión.

http://www.ncrep.pt Martillo de rebote

NORMATIVA: ASTM C-085, “Método de prueba estándar para el número de rebote en un hormigón endurecido” DESCRIPCIÓN: El ensayo esclerométrico o índice de rebote mediante esclerómetro es una prueba no destructiva de la resistencia del hormigón. La diseñó y desarrolló el ingeniero suizo Ernest Schmidt en los años 40. Patentado como martillo SCHMIDT, siendo su valor “R” (índice de rebote) una unidad adimensional que relaciona la dureza superficial del hormigón con su resistencia de modo experimental. IMPORTANCIA Y APLICACIÓN Este ensayo permite determinar la resistencia de un elemento de concreto a partir del número de rebotes del esclerómetro en el concreto endurecido, sin embargo se debe tomar en cuenta que este método de prueba no es conveniente como la base para la aceptación o el rechazo del concreto. ESPÉCIMEN DE ENSAYO Los miembros de concreto a probar deben ser de por lo menos 100 milímetros de grosor y fijos dentro de la estructura. Especímenes más pequeños deben ser apoyados rígidamente, se deben evitar las áreas que exhiben vacíos entre el agregado grueso, rugosidades o alta porosidad, de ser posible, las losas estructurales de apoyo para la prueba deben evitar tener superficies con acabados. El área debe ser por lo menos de 150 mm de diámetro. La prueba no puede realizarse en concretos congelados, ni sobre recubrimientos de las barras de refuerzo menores a 20 mm. RESUMEN PROCEDIMIENTO Se sostiene el esclerómetro firmemente de manera que el émbolo esté perpendicular a la superficie de la prueba, luego se empuja gradualmente el instrumento hacia la superficie de la prueba hasta que el martillo impacte. Después del impacto, se mantiene la presión en el instrumento y, si es necesario, se presiona el botón al lado del instrumento para trabar el émbolo en su posición contraída. Se lee el número de rebote en la escala al número entero más cercano y se registra. Las pruebas se realizan a no menos de 25 mm entre los puntos. Se examina la impresión hecha en la superficie después de impacto, y si el impacto machaca o rompe, significa que la superficie tiene un vacío de aire, por ello se debe desechar la lectura y tomar otra.

Imagen obtenida de http://www.ncrep.pt

(Ivan Jacome)

Ultrasonido. Imagen obtenida de http://www.cyti.com.mx/ Norma : ASTM C 579 – 02 Resumen: Esta normativa hace referencia a la Prueba de velocidad de pulso ultrasónico, la cual nos proporciona un estimado de la uniformidad (presencia de fisuras o huecos), calidad, módulo de elasticidad dinámico, resistencia a la compresión del hormigón mediante curvas de calibración previamente elaboradas. El ensayo se basa en la medición del tiempo que tarda la onda en recorrer una distancia del emisor al receptor. Este ensayo no se ve afectado por la carbonatación, ni por la presencia de agregados en el hormigón como sucede con el uso del martillo. La precisión del equipo es de ± 25% siendo utilizado por un operador con experiencia y sin una calibración directa. En caso de que se haya realizado una calibración directa la precisión es de ± 10% para un nivel de confianza del 90%, exactamente igual que en la utilización del martillo. Descripción del Procedimiento: Cuidadosamente se elige la muestra o el elemento que se va a ensayar y se toman tres lecturas como mínimo, anotando el tiempo de propagación de la onda en el hormigón y la distancia entre transductores o terminales; estas distancias no deben exceder de 400 mm y se recomienda que sean lo más constantes posibles para asegurarse de que las lecturas obtenidas sean uniformes. Una vez que la onda se transmite a través del hormigón, es captada por el transductor receptor, el cual convierte la energía mecánica de la onda en pulso electrónico. Después de recibido, se obtendrá el tiempo de propagación de la onda en el hormigón que, junto con la distancia entre transductores, nos ayudará a saber la velocidad de pulso. Esta velocidad se compara con diferentes criterios existentes y es así como se conocerá el estado del hormigón ensayado. Tipos de Medición: Medición Directa:Se aplica en caras opuestas, proporciona la máxima sensibilidad y provee una longitud de trayectoria bien definida. Siempre que sea posible es conveniente aplicar esta técnica de medición. Medición Indirecta: Se aplica en la misma cara( considerando que la otra cara es inaccesible), es la menos satisfactoria por su relativa sensibilidad y porque las velocidades de pulso medidas, tienen la influencia de la capa de concreto cercana a la superficie. Se necesita corregir resultados

Medición Semidirecta: se da cuando tiene que examinarse mediante el uso de trayectorias diagonales(en caras adyacentes),se tomará en cuenta que la distancia a medir será en diagonal por lo que se calculará dicha distancia con el teorema de pitágoras a continuación se indica en la figura. En la figura se muestran las opciones para instalar los transductores en la superficie de prueba de la probeta. La transmisión puede ser directa, semidirecta o indirecta.

Criterios de clasificación de calidad del hormigón.

TABLA . Velocidad mínima en estructuras típicas.