Selección de material para soportes de aparcabicis en ambiente con sal de deshielo
Una empresa de Burgos fabrica 12 000 soportes anuales para aparcabicis que se instalan en aceras y quedan expuestos a lluvia, heladas y sal de deshielo. El soporte es una placa plana en voladizo de 320 mm de longitud que debe soportar una carga puntual de 400 N en su extremo con una flecha máxima de 6 mm: el diseño está limitado por rigidez, no por resistencia. La masa actual del soporte de acero es 1,80 kg. La dirección baraja tres materiales y exige una decisión justificada con números: S275JR galvanizado en caliente (ρ = 7850 kg/m³, E = 210 GPa, σy = 275 MPa, 1,60 €/kg puesto en obra), aleación 6082-T6 (ρ = 2700 kg/m³, E = 70 GPa, σy = 260 MPa, 4,50 €/kg) y AISI 304 (ρ = 7900 kg/m³, E = 193 GPa, σy = 210 MPa, 5,20 €/kg). El taller propone, además, fijar los soportes de aluminio al poste con tornillos A4 y arandelas metálicas convencionales.
1. Calcule los índices E/ρ y σy/ρ de los tres materiales en unidades coherentes e indique cuál conviene en un diseño limitado por rigidez y cuál en uno limitado por resistencia. Explique por qué los tres valores de E/ρ son tan parecidos y qué consecuencia práctica tiene.
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Índice de rigidez específica E/ρ (E en Pa, ρ en kg/m³, resultado en m²/s² o, equivalentemente, N·m/kg):
- S275JR: 210·10⁹ / 7850 = 26,8·10⁶
- 6082-T6: 70·10⁹ / 2700 = 25,9·10⁶
- AISI 304: 193·10⁹ / 7900 = 24,4·10⁶
Los tres están dentro de una banda de ±5 %: el módulo elástico depende del enlace atómico metálico, no de la densidad, así que todos los metales estructurales tienen una rigidez específica casi idéntica. Consecuencia: en un diseño limitado por rigidez, cambiar de acero a aluminio no ahorra masa; incluso puede aumentarla.
Índice de resistencia específica σy/ρ:
- S275JR: 275·10⁶ / 7850 = 35,0·10³
- 6082-T6: 260·10⁶ / 2700 = 96,3·10³
- AISI 304 → 210·10⁶ / 7900 = 26,6·10³
Aquí el aluminio casi triplica al acero. Por tanto: para un soporte limitado por resistencia el 6082-T6 es claramente el mejor; para uno limitado por rigidez el aluminio no aporta nada frente al acero y solo encarece la pieza. Como el enunciado fija la flecha como criterio, el material óptimo será el de menor coste por unidad de rigidez, no el de mayor σy/ρ.
2. Suponiendo que la forma de la sección se mantiene, calcule la masa y el coste por soporte de cada material para igual rigidez y el coste anual del lote de 12 000 unidades. Razone la elección final.
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Para igual rigidez y misma forma, la masa escala con ρ/E: m_i = m_acero · (ρ_i/E_i)/(ρ_acero/E_acero).
- ρ/E acero = 7850/210·10⁹ = 3,738·10⁻⁸
- ρ/E aluminio = 2700/70·10⁹ = 3,857·10⁻⁸ → factor 1,032
- ρ/E inoxidable = 7900/193·10⁹ = 4,093·10⁻⁸ → factor 1,095
Masas: acero 1,80 kg; aluminio 1,80 · 1,032 = 1,86 kg; inoxidable 1,80 · 1,095 = 1,97 kg.
Coste unitario: acero 1,80 · 1,60 = 2,88 €; aluminio 1,86 · 4,50 = 8,37 €; inoxidable 1,97 · 5,20 = 10,24 €.
Coste anual (12 000 uds.): 34 560 €, 100 440 € y 122 880 € respectivamente. El sobrecoste del aluminio es de unos 66 000 €/año sin ningún beneficio de rigidez (incluso pesa un 3 % más).
Decisión: S275JR galvanizado en caliente. Es el más barato, el más rígido por kilogramo y la galvanización garantiza 20-25 años en atmósfera urbana sin mantenimiento. El aluminio solo se justificaría si el criterio dominante fuese resistencia, peso sobre forjado o manipulación manual en obra, y el inoxidable únicamente por exigencia estética o de limpieza. Conviene además verificar el coste total, no solo el del material: mecanizar el inoxidable cuesta más que el acero al carbono.
3. Analice la unión propuesta (soporte de aluminio atornillado al poste con tornillos A4 y arandelas metálicas) desde el punto de vista de la corrosión. Indique el riesgo, el par galvánico implicado y dos soluciones concretas. Compárelo con el caso del soporte galvanizado.
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En presencia de electrolito (lluvia con cloruros de la sal de deshielo) el aluminio y el acero inoxidable A4 forman un par galvánico con una diferencia de potencial de varios cientos de milivoltios. En la serie galvánica el aluminio es el ánodo, de modo que se corroe el soporte, no el tornillo. El ataque se concentra en la interfaz tornillo-placa y en las grietas que forman las arandelas (corrosión por rendija y por aireación diferencial), justo en la zona que soporta el esfuerzo y que nadie inspecciona. La relación de áreas es aquí favorable (ánodo grande, cátodo pequeño), pero el aluminio es especialmente sensible: no forma productos de corrosión protectores en medio húmedo y la pérdida de sección puede ser localizada.
Soluciones: (1) romper el contacto eléctrico con arandelas y casquillos aislantes de nylon o neopreno, o con un recubrimiento de zinc-níquel/pintura en la zona de unión; (2) sustituir la tornillería por tornillos de acero galvanizado o de aluminio anodizado, o poner una junta de EPDM entre soporte y poste.
Comparación con el galvanizado: en el soporte de acero galvanizado el zinc es el ánodo frente al A4 y se consume cerca de la unión, pero se trata de un recubrimiento sacrificial por diseño; el riesgo real es que se agote localmente en la rosca. Debe repasarse el galvanizado con pintura rica en zinc tras el taladrado y evitar el contacto directo con el hormigón nuevo (pH alcalino), que también ataca al zinc.