Preocupaciones de construcción: Expansión de metales

Artículo y fotos de Gregory Havel

"El acero se expandirá de 0.06 por ciento a 0.07 por ciento de longitud por cada aumento de temperatura de 100 °F. La tasa de expansión aumenta a medida que aumenta la temperatura. Calentado a 1000 °F, una pieza de acero se expandirá 9½ pulgadas en 100 pies de longitud... Si las vigas de acero están restringidas, como por una estructura de mampostería, y la temperatura del fuego se mantiene alrededor de 1,000oF, la expansión del acero puede causar el desplazamiento de la mampostería, resultando en un colapso parcial o total". (Brannigan's Building Construction for the Fire Service, Cuarta edición, página 206) Si las paredes de mampostería o de concreto que restringen la viga son lo suficientemente macizas como para que no se desplacen, el aumento de la longitud de la viga y su debilitamiento por el calor harán que se pandee. y fallan en el medio del tramo. Esta información nos ha sido transmitida a partir de nuestros cursos de Bombero I y II.

La foto 1 muestra un ensamblaje de muros de mampostería y concreto, columnas de acero, armaduras de vigas de acero y viguetas de barra. Las armaduras de vigas y las viguetas de barras están sujetas ya sea por conexión a las paredes o por soldaduras y pernos entre sí. No se tiene en cuenta en el diseño la expansión del acero estructural, ya que el cambio de temperatura entre el día y la noche o el invierno y el verano se considera insignificante. En un edificio con aire acondicionado, el rango de temperatura normal puede ser inferior a 20oF. En un edificio sin calefacción en un clima frío, es probable que el rango de temperatura sea inferior a 100 oF. La expansión y contracción del acero se convierte en una preocupación cuando hay un incendio dentro del edificio.

En cualquier edificio grande, las tuberías de metal soportadas por acero estructural pueden tener cientos de pies de largo. Cuando estas tuberías transportan agua calentada o fría para calefacción y aire acondicionado, sus temperaturas internas pueden oscilar entre 40°F y 200°F. Cuando transportan vapor, sus temperaturas internas pueden oscilar entre la temperatura ambiente y más de 300oF. Cuando transportan agua caliente y fría doméstica, sus temperaturas internas pueden oscilar entre 40°F y 150°F. Los códigos de construcción y otros requieren que estas tuberías estén aisladas para conservar energía.

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Las tuberías de acero se expanden cuando se calientan al mismo ritmo que el acero estructural. Las tuberías de cobre se expanden cuando se calientan a una velocidad un 40 por ciento superior a la del acero. Aunque la expansión y contracción dentro del rango de temperatura de operación normal de la tubería puede no ser lo suficientemente alta como para causar que las paredes se rompan o que la tubería se combe, puede ser ruidoso y eventualmente causará fugas en las juntas de la tubería si no se controla.

Una forma de controlar la dilatación de las tuberías es el uso de juntas de dilatación. Un tipo utiliza una sección de tubería de metal corrugado flexible o tubería de caucho a intervalos en el tramo largo de la tubería. Otro tipo es un accesorio de junta deslizante con un sello mecánico o juntas tóricas. Ambos funcionan bien cuando son nuevos, pero ambos eventualmente tendrán fugas y necesitarán reemplazo.

Otro método es el uso de bucles de expansión, que se han utilizado durante más de 100 años. La foto 2 muestra bucles de expansión en dos tuberías de acero, que transportarán agua caliente para calefacción en invierno y agua fría para aire acondicionado en verano. Esta instalación usa conexiones Victaulic® con juntas de caucho para temperaturas más altas que las que se usan en los sistemas automáticos de rociadores contra incendios. En este edificio, los tramos de tubería estarán restringidos en el medio del tramo entre los bucles de expansión.

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La foto 3 muestra bucles de expansión en un grupo de tuberías aisladas que transportan agua caliente y fría para uso doméstico, agua caliente para calefacción y vapor. En este sistema, las restricciones están en el centro de los bucles de expansión en lugar de en el medio de los tramos de tubería.

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Hoy en día, las juntas de expansión se utilizan generalmente donde no hay espacio para bucles de expansión. Aunque su instalación requiere menos mano de obra que los bucles de expansión, a menudo cuestan más que los materiales para los bucles de expansión. Además, requieren reemplazo periódico.

Los bucles de expansión son más costosos de instalar que las juntas de expansión debido a la mano de obra requerida, pero generalmente tienen una vida útil mucho más larga entre fallas. Cuando las reparaciones son necesarias, requieren menos mano de obra y materiales menos costosos que el reemplazo de las juntas de expansión, especialmente si los bucles de expansión usan conexiones Victaulic®.

Una tubería llena de agua puede ser una carga importante para la estructura del edificio.

Un grupo de bucles de expansión como los que se muestran en la Foto 3 pueden cargar una estructura como un aire acondicionado de techo, especialmente si las tuberías son grandes como las que se muestran en la Foto 2. Debemos tener en cuenta que el acero estructural que soporta una carga más pesada fallará antes bajo condiciones de fuego que un elemento estructural similar con una carga más ligera.

Temas: Expansión de estructuras metálicas, construcción de edificios para operaciones de extinción de incendios, riesgos de construcción