Pretendo hacer algunos comentarios acerca del uso que se le da en nuestro país a los perfiles doblados en frío existentes actualmente en el mercado, con el fin de que los ingenieros diseñadores y los constructores puedan emplear un poquito de tiempo examinando críticamente la forma en que se hacen muchas estructuras con este tipo de piezas.En lo particular, me causa cierta intranquilidad ver la gran cantidad de estas estructuras que muestran bastantes deficiencias de estabilidad, y ni se diga de durabilidad.

Historia de su aplicación

Sería interesante que algún ingeniero o arquitecto hiciera una recopilación histórica acerca de la creación y uso de estos perfiles en el mundo y en Costa Rica.Una vez inventado el acero, surgió una enorme cantidad de aplicaciones, y entre ellas está el uso de este metal en forma de láminas.

Las investigaciones hechas en Europa y en otras partes del mundo, acerca de la estabilidad estructural de las láminas, tuvieron por resultado que cada vez con mayor confianza pudieran utilizarse productos hechos a partir de láminas. Fue así como poco a poco se idearon perfiles hechos mediante el doblado en frío de ellas. En el aprovechamiento de las cualidades de perfiles, jugó un papel muy importante la ingeniería aeronáutica, allá por los años 1910-1940, al aplicar estos perfiles en la construcción de aviones.

La ingeniería civil en buena medida se vale de las investigaciones hechas por la industria aeronáutica, y de manera sistemática empiezan a salir aplicaciones de los perfiles doblados en frío en sustitución de algunos tradicionales formados en caliente (angulares, vigas en I) .

A mediados de este siglo vemos que varios países ya tienen normas para el diseño. Por ejemplo, en Alemania se tiene la norma DIN 4115 de agosto de 1950, titulada “Construcciones ligeras de acero y construcciones de tubos de acero en la edificación “. En Estados Unidos el American Iron and Steel Institute publica desde hace muchos años, actualizándola con frecuencia, la norma ”Specification for the design of cold-formed steel structural members”.

En nuestro país, un fiel exponente de los perfiles doblados en frío son las láminas de acero galvanizado ( por muchos llamado hierro galvanizado) usadas como cubierta para los techos de viviendas y edificios, aplicación que creo debe remontarse a los primeros años de este siglo; asimismo es la aplicación de las canoas de ese mismo material.

Estas dos aplicaciones han tenido un magnífico comportamiento en estabilidad y en resistencia contra los sismos, lo que, en mi criterio hace que estas piezas sean insustituibles por otros materiales.

En la década 1960-1970 se instalaron fábricas que hacían las láminas para techo y lámina lisa,y se dejó así de importar el producto terminado. También en esta década se comenzó a fabricar localmente algunos perfiles doblados en frío cuya aplicación inicial fue para las correas que soportan las láminas del techo.

La aceptación de estos perfiles doblados en frío fue lenta, y eso posiblemente se deba a que una de las características típicas de la industria de la construcción, es su actitud conservadora. Esa actitud, ligada a la pequeñez de nuestro mercado, hace que los cambios sean muy difíciles.


Abusos

La amplia difusión que actualmente tienen en nuestro país los perfiles en “C” que originalmente fueron ideados como correas, ha conducido lamentablemente a que se usen en otras aplicaciones más complicadas, sin tomar en cuenta el comportamiento estructural en esas aplicaciones.

  
Uno de los problemas que tenemos en nuestro medio es la gran cantidad de personas empíricas que trabajan en estructuras metálicas. Ellas trasladaron una supuestamente fácil técnica de instalar las correas a estructuras más complicadas, con el resultado de que la estabilidad de ellas sea amenazada en muchos casos. Es posible que algunos ingenieros y arquitectos, sin percatarse, hayan entrado en este juego.Culpa de este problema también lo tienen ciertos propietarios, quienes con el ilusorio fin de ahorrar algún dinero, contratan a esas personas sin considerar que no les ofrecen ninguna garantía ni ninguna responsabilidad. Lo peor para ese propietario será el día en que haya un colapso, con pérdidas de vidas y bienes; se verá en un gran lío, y se lamentará,
porque lo barato sale caro.

El factor de seguridad

Uno puede advertir de errores en estructuras hechas con este tipo de perfiles, pero en muchas oportunidades la persona criticada sale con frases como esta: “Usted dice que esa estructura tiene errores, pero el hecho es que ahí está parada” Si el criticado es una persona empírica, no vale la pena explicarle por qué. Mas si fuese un profesional, uno podría contestarle algo así como esto: “Efectivamente, en este momento la veo que está en pie, pero está en un estado precario; está al borde del colapso, pues usted ‘se comió’ casi todo el factor de seguridad”.Es decir, en una estructura de acero que, diseñada con métodos elásticos, debe tener por ejemplo un factor de seguridad en ciertas tensiones admisibles de 1,7, es posible que el señor del cuento se haya comido una buena tajada, y que el factor ande por ahí de 1,1.

Ventajas

En términos relativos y sin generalizar, se pueden mencionar las siguientes ventajas de los perfiles doblados en frío:    a) Tienen poco peso.
b) Con un mismo peso de acero, se pueden fabricar algunas secciones con características geométricas más eficientes, que los perfiles hechos en caliente.

Desventajas

a. Muy sensibles a la corrosión.
b. Inestabilidad por pandeos o alabeos.
c. Poca resistencia al fuego.
d. La soldadura debe ser de mayor cuidado.
e. Susceptibles a abolladuras por golpes durante la fabricación o la erección.

Es importante comentar algunas de las desventajas, pues si se conocen se pueden tomar las precauciones del caso y así evitar la exposición a esos factores, o bien podrán idearse soluciones que contrarresten o aminoren esas desventajas.

Inestabilidad por pandeos o alabeos

a) General

    Una gran parte de los perfiles doblados en frío se caracteriza por ser hechas de lámina de pequeño espesor, y por ser secciones abiertas. Estos dos aspectos hacen que los fenómenos de inestabilidad de una pieza y de sus secciones se manifiesten con gran intensidad. A grandes rasgos comentaré algunas de las cosas que entran en juego en la inestabilidad.    b) Inestabilidad

    La inestabilidad se presenta en una pieza cuando sufre deformaciones a todo lo largo de ella, o en zonas específicas. Cuando esas deformaciones llegan a un determinado valor, la pieza no puede seguir soportando más carga. Esas deformaciones podríamos denominarlas así: 1) Pandeo. (Figura No. 3a.). En este caso la pieza sufre deformaciones según un determinado plano; por ejemplo, plano “xz” indicado en esa figura. 2) Alabeo. La pieza sufre una especie de torcimiento alrededor de un cierto eje longitudinal; así, una determinada sección sufre desplazamientos en “x” y en “y” además de cierto giro. Figura 3b. 3) Abolladura. Son deformaciones localizadas en cierta región de la pieza; por ejemplo en un apoyo, como se indica en la Figura 3c).    c) Centro de esfuerzos cortantes (C.C.)

    También lo podemos llamar centro de cizallamiento. c.1.) En una viga, el centro de cizallamiento es el punto en el cual, aplicada una carga, no produce torsiones; es decir, solamente produce flexiones.    Si la viga tiene una sección transversal con dos ejes de simetría, el C.C. coincide con el centro de gravedad (C. G.), de manera que, como en la Figura 4 a , si la carga coincide con el eje “y” o con el eje “x”, solamente habrá flexión. Fenómeno diferente sucede cuando la viga solamente tiene un eje de simetría, como una viga “C”, Figura 4 b , en la que el C.C. no coincide con el C.G. En este caso, para que no haya torsiones, la viga deberá cargarse solo en el eje “y 1” que pasa por el C.C. ( o en el x). Si, en este caso, la viga se carga en otros planos, se presentará una torsión, lo cual debe evitarse en secciones de tipo “abierto” como la indicada, pues en general éstas tienen muy poca resistencia a la torsión.

Podemos entonces deducir del último caso que se deben tomar precauciones como las siguientes: Como es difícil cargar una viga “C” en su centro de cizallamiento, el diseñador deberá tomar en cuenta la debilidad de esa sección; por su parte, el constructor deberá tomar las precauciones del caso durante el proceso de erección y construcción, para que esas piezas no sufran daños causados por otras cargas que produzcan torsión; para eso deberá colocar adecuados arriostramientos temporales.

c.2. En el caso de columnas

En una columna cargada según su eje longitudinal, no solamente puede presentarse el pandeo euleriano, sino que pueden presentarse torsiones, las cuales producen un torcimiento de la pieza, es decir un alabeo.

En un primer caso, en que la sección transversal tiene dos ejes de simetría (Figuras 4 a y 4 c ), la falla es un pandeo euleriano, es decir, por flexión, o bien puede ser una falla por torsión alrededor del C. C. (efecto Wagner). El que se presente de uno u otro modo, depende de las características geométricas de la sección y de la longitud de la columna.

Un segundo caso sucede cuando la sección tiene un solo eje de simetría, tal como la sección “C” de la Figura 4 b. Aquí la deformación es un pandeo en el plano “yz” más una torsión alrededor de un eje cercano o que puede estar en el C. C. Es decir, se produce una flexión-torsión. Debido a este fenómeno, la capacidad de carga de este tipo de piezas se ve muy mermada. (Referencias 3, 4, 5)

d) Precauciones con las columnas

    Me parece que el ingeniero diseñador debe tener especial cuidado al hacer las columnas con perfiles delgados, por la sensibilidad que tienen a una serie de factores, que no se manifiestan grandemente cuando se trabaja con perfiles formados en caliente. En nuestro medio, debe tener cuidado al asignar el límite elástico (o esfuerzo de fluencia) del acero. Debe tomar en cuenta las combas excesivas, con que muchas veces quedan algunas secciones compuestas de dos “C” que forman una llamada “caja”, pues al soldar, en muchos casos no se toman las previsiones necesarias para contrarrestar las deformaciones producidas por el calor de la soldadura. Esta comba inicial cuanto más grande es, en mayor cantidad disminuye la capacidad de soporte de la columna. Igualmente, al ejercer la inspección, no deberá permitir que las columnas presenten abolladuras, producidas por defectos de fabricación, o por maltratos; esas abolladuras también disminuyen la capacidad de soporte.    El constructor, por su parte, me parece que debe hacer que sus operarios no cometan los defectos antes apuntados. Debe ser cuidadoso al hacer las uniones, y no dejar más excentricidades que las indicadas en los planos, o las que dicte la buena práctica. Debe alinear adecuadamente las diferentes piezas de la estructura, con el fin de no forzar unas

partes en relación con otras, pues puede introducir torsiones y ya sabemos que este tipo
de construcción liviana es de débil resistencia a la torsión.

e) Inestabilidad por el tamaño de la lámina

    Cuando una lámina se somete sobre todo a esfuerzos de compresión en su plano, su agotamiento depende del tamaño de la lámina, de su espesor, de las condiciones de apoyo, y otras. A mayor tamaño de la lámina y a menor espesor, la resistencia es menor. Ya que una gran cantidad de perfiles doblados en frío se hacen con espesores pequeños, presentan entonces gran sensibilidad a este fenómeno.    Los códigos para el diseño de estructuras de acero toman en consideración esos factores, y en particular cuando se diseña con lámina delgada se debe tomar en cuenta el ancho y el espesor, mediante el método del “ancho efectivo”. Si una lámina es muy ancha, al estar sometida a esfuerzos de compresión, no todo su ancho experimenta igual magnitud de tensiones (una tensión puede ser de tracción, compresión o cortante), pues la parte central está menos esforzada. Los códigos para el diseño toman esto en cuenta, y de acuerdo con la relación (ancho total / espesor ), límite de elasticidad (punto de fluencia), etc., se determina el ancho efectivo”, el cual es igual o menor que el ancho total.

A raíz de lo anterior, algunas precauciones que deben observarse, podrían ser: -Rechazar perfiles con defectos de fabricación. -Instruir a los operarios para que no maltraten las piezas produciéndoles abolladuras. -Tener cuidado en que en los puntos de apoyo, la pieza quede totalmente en contacto con el apoyo. -No permitir abolladuras en sitios de alta concentración de esfuerzos, como por eiemplo en los apoyos de una viga, o en los sitios en que una viga recibe una carga concentrada.


Desventaja por baja resistencia al fuego

A causa de sus pequeños espesores, los perfiles doblados en frío tienen poca resistencia al fuego.Por esto, deberían tomarse en consideración adecuadas precauciones para evitar fallas y colapsos, que acarrean pérdidas materiales para el propietario, al igual que lesiones y muerte a las personas. El diseñador debe calcular la “carga de fuego” que podría existir en el sitio donde está la estructura, y con base en dicha carga, tomar las previsiones del caso, tales como colocar un aislamiento térmico alrededor de las partes expuestas al calor, aumentar espesores, poner rociadores de agua, etc. En cuanto al constructor, deberá tener cuidado de hacer con esmero los trabajos de protección para que, llegada la hora, funcionen eficientemente.

Uniones de miembros

Es sumamente importante que las uniones entre los miembros sean hechas de forma cuidadosa, pues la estabilidad de una estructura, sobre todo cuando es atacada por fuerzas sísmicas, depende en mucho de ellas.La desventaja de los perfiles doblados en frío es que, por su delgado espesor, presentan problemas para hacer uniones soldadas. Para hacer soldaduras en láminas delgadas, se necesita de operarios soldadores que conozcan las apropiadas técnicas. El problema en nuestro país es la escasa mano de obra calificada en este ramo. Una inversión que contribuiría al verdadero desarrollo del país es que una entidad como el Instituto Nacional de Aprendizaje formara en gran cantidad operarios de primera calidad para la industria de la construcción; pero, lamentablemente, como dijo el Lic. Tomás Dueñas, de la empresa Intaco: “Esta institución está más preocupada por preparar personal para la industria turística que para la de construcción” (sic) ver Revista de la Cámara Costarricense de la Construcción, diciembre 96/enero 97, página 16; y agrego yo: a pesar de una serie de secuelas negativas que deja el turismo en el país.

Debido en parte, a la poca confiabilidad que podrían tener las uniones soldadas que he comentado, una unión adecuada y muy confiable es por medio de tornillos, que en muchas ocasiones llegan a ser más económicas que las uniones soldadas. Sin embargo, en nuestro país prácticamente no se usan, y en parte esto lo atribuyo a que los ingenieros no se han preocupado por aprender a calcular y usar los tornillos.

Me parece que falta iniciativa de los ingenieros para poner en práctica una serie de sistemas que en otros países ya han dado buenos resultados; esto trae el agravante de que muchas veces ciertos sistemas, nuevos en nuestro medio, comienzan a ser aplicados de manera incorrecta por personas empíricas y así se quedan, llegando a ser entonces sistemas generalmente usados, pero defectuosos desde su nacimiento. La vía correcta en la adopción y adaptación de sistemas constructivos debe ser de arriba hacia abajo – del ingeniero hacia el técnico y el operario – y no al contrario.

Acerca de los tornillos, existen los clásicos con arandela y tuerca, para los que es necesario hacer previamente los agujeros. Otro tipo son los llamados “autorroscantes”, ya

que ellos mismos van haciendo el agujero, conforme penetran. En otra oportunidad podré comentar acerca de las uniones atornilladas, lo mismo que sobre el tipo de clavos que penetran por impulso de la explosión de pólvora.

Conclusiones

Con esta breve descripción, me parece que una ayuda que podrían dar los fabricantes a los ingenieros y arquitectos para el uso correcto de estos perfiles es por medio de tablas en las que se indiquen las cargas y momentos que pueden soportar los diversos perfiles en variadas aplicaciones. Podrían hacer pruebas en un laboratorio de ensayos estructurales para determinar la capacidad real de vigas y columnas, de acuerdo con las aplicaciones típicas en nuestro medio, así como de otras que puedan sugerirse. También podrían publicar pruebas de laboratorios nacionales en las cuales se indiquen características tales como el límite de elasticidad y el de rotura, así como de la composición química de los aceros. Asimismo, indicar las tolerancias a las cuales se ajustan las dimensiones geométricas de cada perfil, así como la comba, según ejes longitudinales de la pieza con que se fabrican. Todos estos controles de calidad harán que los ingenieros y arquitectos tengan mayor confianza en el producto, lo que redundará en la construcción de obras más seguras para las personas, así como para los bienes materiales que en ellas se encuentren.



Recomendaciones que ayudan con el estudio de este tema.

Créditos & citaciones.

Autor: Equipo de redacción, Manuelette Ramirez Bencosme.
Fecha de publicación: febrero 7, 2012.

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