Estructuras de perfiles tubulares de acero. Protección mediante galvanización en caliente.

El empleo de perfiles tubulares en la construcción en España va ganando adeptos día a día. Las condiciones de la oferta (precio, gama y disponibilidad) han mejorado tanto en estos dos últimos años, que en este momento es cada vez más habitual encontrarnos con este tipo de elementos en cerchas, columnas o, incluso, utilizadas como vigas de perfil simple. A pesar de este reciente incremento en su empleo, es todavía muy notable la diferencia que existe con respecto a otros mercados próximos al nuestro - Gran Bretaña, Holanda, Bélgica, Francia, Alemania, Italia – donde existe un elevado conocimiento sobre la utilidad, el cálculo, el diseño y el comportamiento del tubo estructural de acero.

Una de las cuestiones sobre la que existe un gran desconocimiento en nuestro mercado es la protección de estructuras fabricadas con este tipo de perfiles frente a la corrosión. En muchas ocasiones se utiliza este argumento en contra de las estructuras de acero en general, pero son pocos los que alguna vez han realizado una valoración económica sobre qué es lo que puede suceder con su estructura, cuáles son los medios idóneos para combatir la corrosión en cada caso y cuál es la repercusión económica de cada método.

Estas cuestiones relacionadas con la vida y el mantenimiento de la estructura, contempladas tanto desde un punto de vista técnico como económico, son las que deben condicionar, de forma decisiva, la selección de los materiales que compondrán la estructura, asociados con una forma de mantenimiento.

Centrándonos en lo que se refiere a la protección frente a la corrosión de estructuras de perfiles tubulares de acero, éstas no son una excepción; el método que elijamos para su protección nos condicionará el dimensionamiento de los perfiles y los detalles de las uniones, por ello debe ser seleccionado desde el principio y tenido en cuenta a lo largo de todo el proceso de diseño y fabricación de la estructura. Existen dos cuestiones que preocupan especialmente cuando se habla en concreto de los perfiles tubulares y de su protección frente a la corrosión. Una se refiere al comportamiento del interior de los perfiles, al cual no podemos penetrar para saber qué está sucediendo. La otra concierne a la galvanización en caliente, cuya exigencia de realizar perforaciones que garanticen el correcto llenado y drenaje del interior de la estructura puede afectar a la resistencia de las uniones.

Formulando estas preguntas de forma sencilla, serían las siguientes: ¿Se corroe el interior de los perfiles tubulares? ¿Es la galvanización en caliente un procedimiento adecuado para proteger estructuras de perfiles tubulares? A continuación pretendemos responder a ambas preguntas.


EL INTERIOR DEL TUBO, UNA ATMÓSFERA INERTE.

Explicar lo que sucede en el interior de un perfil tubular nos llevará mucho menos espacio que conocer los requisitos de un buen diseño de una estructura tubular galvanizada. El proceso de oxidación, como su propio nombre indica, requiere de oxígeno para comenzar, y para progresar debe consumirlo. Si aseguramos la estanqueidad del interior de los perfiles tubulares, aseguramos también que los fenómenos de corrosión quedarán limitados al consumo del oxígeno alojado inicialmente en el hueco del perfil. Es decir, donde no exista renovación de aire, la protección del perfil está asegurada por la propia estanqueidad. Después de consumida la pequeña cantidad de oxígeno del interior, la propia reacción química de la oxidación genera una atmósfera inerte que protege el acero, impidiendo que la corrosión progrese. Ésta quedará reducida al mínimo y no supondrá ningún perjuicio para la estructura.

Esto, que a priori podría parecer una cuestión puramente teórica ha quedado demostrado no sólo mediante ensayos sino también por multitud de experiencias en todo el mundo.

Se puede concluir transcribiendo las siguientes líneas del informe de la Comisión F8 de la CECA, titulado “Manual de Durabilidad de Estructuras de Acero”, cuya sección 2.3 dice lo siguiente:
“Los perfiles huecos estructurales (circulares, cuadrados y rectangulares) son comúnmente empleados en la construcción. La protección de la superficie interior no es necesaria bajo la mayor parte de las circunstancias.

Tanto la teoría de la corrosión como la experiencia muestran que si el perfil está perfectamente sellado, la corrosión no se puede producir en las superficies interiores. A la intemperie, si los perfiles no están perfectamente sellados, es posible que la humedad penetre en el perfil. En estas condiciones, si no hay circulación de aire por el interior, no se producirá corrosión, salvo la posible aparición de una leve oxidación superficial. Más a tener en cuenta es la posibilidad de que, quedando el agua atrapada en el interior del perfil, se congele causando daños en el perfil. Para prevenir este peligro, es recomendable practicar un agujero en la parte más baja del perfil que permita el drenaje de éste. De nuevo, en estas condiciones, sin un flujo de renovación de aire por el interior, sólo aparecerán ligeras oxidaciones superficiales. Se debe comprobar periódicamente que los agujeros de drenaje no se hallan bloqueados.”


LOS PERFILES TUBULARES Y LA GALVANIZACIÓN, ALIADOS PARA UN MANTENIMIENTO ECONÓMICO.

Uno de los posibles métodos de protección que se debe tener en cuenta a la hora de comenzar un diseño de una estructura es el de la galvanización en caliente. Este método garantiza largos periodos sin necesidad de realizar ningún mantenimiento a la estructura, incluso bajo las condiciones ambientales más adversas: entornos marinos o plantas de proceso químico. Por otra parte, debido a requerimientos del propio proceso, siempre protege tanto la superficie externa como la superficie interna. Pese a que, como se ha visto anteriormente, en la mayor parte de las ocasiones no es necesario proteger la superficie interna del perfil, en algunas ocasiones el galvanizado en caliente puede ser la única solución viable de protección debido a la imposibilidad de sellar el interior de los tubos.

La regla más importante a tener cuenta para el galvanizado es que el diseñador, el estructurista y el galvanizador, deben trabajar conjuntamente antes de que se fabrique el producto. Esta comunicación tri-direccional eliminará la mayor parte de las cuestiones que podrían retrasar o impedir una galvanización excelente.

El diseñador debe conocer, por lo tanto, los principios básicos del proceso de galvanización para entender las consideraciones específicas que ha de tener en cuenta. El proceso consiste en una serie de baños: desengrasado, decapado, sales y galvanizado (zinc fundido a unos 450º C), tras los que se pasa a la terminación y la inspección. El resultado es un recubrimiento por aleación entre el hierro y el zinc (Fe-Zn) que va perdiendo hierro a medida que se aleja de la superficie inicial hasta convertirse en zinc puro. El espesor total de recubrimiento va desde las 50 a las 150 micras. En la práctica, para los espesores habituales de la construcción el espesor suele ser de unas 120 micras. Esto quiere decir que en ambientes poco agresivos (interiores secos) la vida teórica de una estructura galvanizada sería de 1.200 años; muy superior a la vida de cualquier estructura. Si, por el contrario, el ambiente es muy agresivo (exteriores húmedos salinos en entornos industriales) y el consumo anual de Zinc es mucho más elevado (hasta 8,4 micras/año), la protección tendría una duración teórica de unos 14 años.

Además de otras cuestiones generales de la galvanización, a la hora de diseñar la estructura tubular y sus detalles, debe tenerse en cuenta que, por razones de seguridad de los trabajadores y de integridad de la estructura, las construcciones tubulares deben ir provistas de agujeros de ventilación y drenaje. Cualquier partícula del ácido de decapado, o de los líquidos de los baños anteriores al de zinc fundido, que haya quedado atrapada en una junta ciega o dentro de un elemento estanco, se convertirá de forma instantánea en vapor recalentado a 450º C, alcanzando una presión de 267 kg/cm2. Esto supone un elevado riesgo potencial de explosión tanto para el personal como para la estructura y los equipos.

Para cerchas, la AGA (American Galvanizers Association) y la norma francesa proponen que se practiquen siempre 2 pares de orificios enfrentados 180º dentro del plano de la estructura, un par en cada extremo, de manera que la superficie de cada par de agujeros sea igual o superior al 30% de la superficie interna del hueco. Para un cuadrado de 200 x 8, este criterio significaría 2 orificios de 40 mm de radio; para un circular de 80 x 6, requeriría 2 orificios de 15 mm de radio.

Dado que estos agujeros deben practicarse en la proximidad de las intersecciones, la capacidad resistente de la unión podrá quedar mermada. No existen ensayos específicos realizados sobre uniones con este tipo de orificios en la proximidad de la unión, pero podemos realizar una serie de aproximaciones teóricas que nos garanticen la resistencia de la unión del lado de la seguridad. Las comprobaciones que deben realizarse son las siguientes:
1. Determinar la capacidad de carga a tracción de la sección crítica que contiene los agujeros.
2. Determinar la capacidad de carga de la unión, considerando las medidas nominales de los perfiles y atendiendo a los diferentes modos de fallo.
3. Si por consideraciones geométricas generales, los modos de fallo a tener en cuenta incluyen los denominados de “anchura eficaz”, habrá que recalcular la capacidad de carga de la unión para ese modo de fallo, y sólo para ese modo de fallo, con un perfil de dimensión lateral reducida descontando la dimensión del agujero.

El primer paso es sencillo y lógico. La capacidad de carga se verá reducida por la reducción de sección. En el caso del cuadrado de 80 x 6 su sección nominal es de 16,8 cm2, pero a ésta le hemos quitado, siguiendo las recomendaciones más perjudiciales de la norma francesa o la AGA, dos zonas de 30 x 6, luego su nueva sección reducida es de 16,8 – (2 x 30 x 6) / 100 = 13,2 cm2. La reducción de resistencia ha sido del 21,43 %.

La segunda operación la podemos realizar fácilmente con CIDJOINT, programa de verificación de uniones de perfiles tubulares distribuido por I.C.T. (Instituto para la Construcción Tubular). Se ha tomado un ejemplo de un caso real, las dimensiones son las que figuran en el cuadro adjunto. La calidad del acero de las barras de relleno es S275 (A-44), y su capacidad de carga máxima a tracción es de 462 kN. Evidentemente, su elección responde a criterios de estabilidad de las barras comprimidas frente al pandeo y a criterios económicos de reducir el número de perfiles diferentes que intervienen en la estructura. Al calcular la resistencia de la unión vemos que el modo de fallo más crítico es el de la plastificación del cordón, al cual no le afecta el orificio que hemos realizado junto a la unión. No obstante, la “anchura eficaz” es uno de los modos de fallo a tener en cuenta por lo que deberemos ir al siguiente paso.

Recalculamos la resistencia de la unión con barras de 80 x 50 x 6. En este caso sólo nos interesa la capacidad de carga frente al fenómeno de reducción de la anchura eficaz por concentración de tensiones. Comprobamos que éste se ha convertido en el modo de fallo más crítico, pero que su limitación aún dista bastante de la carga existente en la barra, por lo que podemos concluir que la unión es suficiente.

Si la merma de resistencia hubiese puesto en peligro la capacidad de carga de la unión se nos presentarían tres posibilidades: actuar sobre el orificio realizando uno de igual sección pero de menor dimensión transversal, actuar sobre la dimensión del perfil elegido seleccionando uno de dimensión ligeramente superior o volver a tapar el agujero después de galvanizar, lo cual supone recubrir a mano la zona reparada. La solución de elegir un perfil de mayor sección, pese a lo que pudiera parecer, no encarecerá notablemente el coste de la estructura, ya que normalmente las barras de una cercha sólo suponen el 20% del peso total frente al 80% que habitualmente corresponde a los cordones.

Como conclusión, resaltaremos 3 cuestiones:

- La galvanización en caliente es el método de protección frente a la corrosión que siempre habrá que tener en cuenta al diseñar estructuras que quedarán a la intemperie o expuestas a ambientes agresivos.

- Antes de galvanizar debemos prever el efecto que los agujeros de ventilación y drenaje van a tener sobre la capacidad de carga de nuestra estructura.

- Normalmente está reducción no es crítica, ya que los perfiles habrán sido dimensionados según otros criterios (pandeo, fabricación, etc.) que tienen efectos de mayoración de la sección con respecto a su capacidad de carga a tracción.