El Frijol Metálico

CASO: USO DE ACERO DEL ACERO INOXIDABLE

UBICACIÓN: CHICAGO, ILLINOIS, USA

Por Gustavo Adolfo Romero Urdaneta

Introducción

Continuando con esta iniciativa de mostrar la belleza de estructuras icónicas en el mundo desde la vista de un corrosionista, esta vez nos dirigimos a los Estados Unidos de América, Estado de Illinois, en la ciudad de Chicago ubicada a lo largo de la costa suroeste del Lago Michigan, en donde se encuentra ubicada una estructura que ha llamado mi atención no solo por su belleza sino también por su peculiar forma, materiales utilizados y proceso de construcción. Estoy hablando de la escultura de acero inoxidable “Puerta a las Nube” (Cloud Gate) del artista indobritánico Anish Kapoor ubicada como pieza central en la Plaza AT&T en el Millennium Park. Su superficie refleja el famoso horizonte de Chicago y las nubes del cielo y en su parte inferior contiene una cámara cóncava llamada (Omphalos, que significa ombligo en griego) que representa una puerta hacia esas nubes. Sin embargo, cariñosamente esta estructura ha sido bautizada como “El Frijol (The Bean en inglés) y demás esta explicar, ya que con solo mirarlo podemos ver su parecido.

Figura 1. Puerta de Nube (Cloud Gate). Vista y Ubicación de la Puerta de Nube

Me encontraba investigando acerca de la corrosión en presencia de mercurio en plantas de procesamiento de gas natural y fue cuando de repente apareció un artículo sobre esta estructura por estar relacionada de alguna manera con el mercurio, por lo que se preguntarán, ¿Cuál será la relación de esta estructura de acero inoxidable, con el mercurio? Y la respuesta simple es que, el concepto y diseño del artista Kapoor se inspiró en la apariencia y forma amorfa del mercurio líquido, lo cual, a nivel estructural podría lograrse utilizando las propiedades reflejantes del acero inoxidable pulido.

La creciente popularidad del acero inoxidable como material de construcción está cambiando los horizontes de las principales ciudades del mundo. Muchos de los proyectos de construcción de alto perfil recientemente completados o planificados, que marcan tendencia, utilizan acero inoxidable debido a sus excelentes propiedades y resistencia a la corrosión.

Revisando los archivos históricos de la biblioteca pública de la ciudad de Chicago pude descubrir que para decidir que estructura era la más adecuada para esta iniciativa creada en 1999 por las autoridades del Parque Millennium quienes decidieron que el parque necesitaba una obra de arte central, se desarrolló un concurso de diseño en donde participaron más de 30 artistas diferentes, y finalmente quedó la propuesta de Anish Kapoor con un presupuesto inicial estimado de 6 millones de dólares, que luego ascendió a 11,5 millones de dólares para cuando el parque abrió en 2004 y las cifras finales llegaron a los 23 millones de dólares en 2006 financiados por donaciones de individuales y de corporaciones. Fueron más de cinco años en desarrollo, de más de 100 fabricantes de metal, cortadores, soldadores, acabadores, ingenieros, técnicos, herreros, montadores y gerentes. Materializar el concepto de la escultura de acero inoxidable de 110 toneladas y 66 pies de largo por 33 pies de alto fue tarea de las empresas fabricantes Performance Structures Inc. (PSI) e industrias MTH.

Por un retraso en el ensamblaje de la estructura, se decidió exponerla temporalmente sin pulir y, por lo tanto, sin terminar, el 15 de julio de 2004. Las costuras entre las secciones de la piel de metal brillante no estaban selladas ni pulidas, haciéndolas visibles. La obra permaneció expuesta durante varios meses, hasta que la carpa que la rodeaba se erigió nuevamente en enero de 2005 para permitir que los trabajadores esmerilaran, lijaran y pulieran las costuras, produciendo el aspecto de la escultura con acabado tipo espejo.

Figura 2. Vistas de la Estructura

Antes del pulido (Costuras visibles) y después del pulido (Acabado Final)

Fotografías: http://www.performancestructures.com/cloud_gate.html

Ahora, si regresamos en el tiempo, podríamos imaginarnos algunas de las preguntas que pudieron hacerse el artista y las empresas encargadas del ensamble y construcción. ¿Cómo se montan 168 placas de acero inoxidable del tamaño de un automóvil en una superestructura? ¿Cómo se suelda la enorme estructura curva sin apoyarse en él? ¿Cómo se penetran las soldaduras sin poder soldar desde el interior? ¿Cómo se logra un acabado de espejo perfecto en soldaduras de acero inoxidable en un entorno de campo? ¿Qué pasa si le cae un rayo?. En este articulo trataremos de responder todas estas preguntas, basados en una revisión de toda la información disponible acerca de esta impresionante estructura que ha llamado la atención de millones de personas que la han visitado desde su inauguración, para lograr la fotografía perfecta y así llevarse el recuerdo de haber está ahí.

Sobre el Diseño

Esta estructura fue diseñada utilizando el modelado computacional que se basa en la Curva Beta Spline Racional No Uniforme (NURBS, por sus siglas en ingles), la cual representa una fórmula matemática (ecuación de Euler) que usa la geometría de curvas, círculos, arcos y superficies en el espacio 3D. Las superficies y curvas de forma libre pueden crearse y editarse con un alto nivel de flexibilidad y precisión.

Figura 3. Imágenes que ejemplifican el proceso de modelado computacional

Una empresa proporcionó el diseño estructural del armazón y los sistemas de suspensión y supervisó el proceso de ensamblaje. El mayor desafío aquí estuvo en idear una estructura interna que mantuviera la escultura en pie sin correr el riesgo de que se distorsionara debido a la sobrecarga de puntos específicos; en segundo lugar, permitir que el caparazón se expanda y contraiga libremente con los cambios extremos de temperatura en Chicago, lo que fácilmente podría causar la distorsión de su piel pulida de solo 1 cm de espesor. Para mantener la forma perfecta, se diseñó, un sistema de suspensión basado en dos grandes anillos de acero, que sostienen la escultura mientras se mueve de forma independiente entre sí y que también permiten que la carcasa se mueva independientemente de los anillos. Aprovechando la estrecha colaboración entre las empresas involucradas en el proyecto, se decidió equilibrar el peso de cada una de las placas individualmente mediante resortes, permitiéndoles encajar perfectamente sin sucumbir a la distorsión gravitatoria. Treinta y dos (32) unidades de suspensión hechas a medida soportan todo el peso de 80 toneladas de la obra, lo que le permite responder a condiciones extremas de viento y cambios estacionales.

Figura 5. Diseño Aerotrope

Aerotrope | Engineers of Cloudgate, design engineering for Cloudgate

https://www.aerotrope.com

Acerca del Material

El material utilizado para la construcción del esqueleto de esta impresionante estructura fue acero inoxidable austenítico del tipo 304 para el esqueleto, subestructura o armazón de acero estructural rico en zinc y 316L para las placas que forman parte de la carcasa.

Una empresa fabricó cada pieza de placa con una curvatura precisa antes de enviarlas a Chicago para su ensamblaje. Todo el proceso de ensamblaje tomó dos años para esmerilar y pulir las placas y un año adicional para soldar 2,500 pies lineales de juntas entre las placas. Los aceros inoxidables son aleaciones de hierro, cromo y carbono, que en ocasiones se complementan con otros elementos, principalmente el níquel. Es la adición de cromo la que le proporciona a estos aceros la característica de inoxidable. En medios oxidantes como el aire, el cromo forma una capa de óxido muy fina y compacta que aísla al material de los ataques corrosivos.

Los aceros inoxidables se clasifican en función de los distintos elementos y de las cantidades relativas de cada uno de ellos que intervienen en su composición. De forma general, se consideran cinco familias básicas de aceros inoxidables: martensíticos, ferríticos, austeníticos, dúplex y endurecidos por precipitación (PH). A continuación, se muestra una tabla comparativa de algunas de las características relevantes de estos tipos de aceros inoxidables:

Sobre la Construcción

• Subestructura

La primera indicación fue construir una subestructura que sirviera de soporte para el caparazón o piel hecha de placas de acero inoxidable, por lo que, se empezó con la construcción, instalación y ensamble de una subestructura o armazón de acero estructural rico en zinc de 30,000 lb de peso aproximadamente. Uno de los retos fue como sostener esta estructura tambaleante para poderla mantener erguida durante el proceso de construcción y ensamble, por lo que se usaron sistemas de anclaje muy complejos, que incluyeron sistemas de pretensión mecánica y algunos anclajes químicos que permitieron fijar la estructura al hormigón y así continuar con el proceso de fabricación. Esta subestructura incluyo dos grandes anillos en forma de O de acero inoxidable 304 fabricados, uno en el extremo norte de esta estructura y otro en el extremo sur. Los anillos se mantienen unidos con armaduras de tubos entrecruzados. El bastidor auxiliar de núcleo anular está construido en secciones y atornillado en campo con refuerzos soldados usando GMAW y soldadura por electrodos.

• Montaje de la Carpa

Para poder continuar con el proceso de ensamblaje, se construyó una carpa que permitiera continuar con los trabajos en un ambiente un poco mas controlado y al mismo tiempo que evitara la vista del público. Solo en algunos meses, fue necesario abrir unos de los extremos debido a las altas temperaturas que se experimentaban en el interior y que generaban un ambiente complicado para el trabajo. La Figura 9, muestra cómo se veía la estructura dentro de la carpa.

• Preparación y Colocación de Placas

Finalizada la etapa de fijación, ensamblaje de los anillos y sistema de soporte de tubos entrecruzados, se inició con el proceso de colocación de las placas de acero inoxidables. Para la preparación, corte y moldeado de las placas, se usó tecnología informática para dimensionarlas y así poder hacer los cortes con precisión y curvaturas requeridas para asegurar que todas encajaran correctamente. Las placas más grandes tenían, en promedio, 7 pies de ancho y 11 pies de largo y pesaban hasta 1,500 libras. Algunas placas eran cuadradas, otras tenían forma de pastel. Cortar con plasma las placas de acero inoxidable 316L de 1/4 a 3/8 de pulgada de espesor fue bastante difícil. Posterior al corte, las placas se rodaron en un rodillo tridimensional que se diseñó y construyó específicamente para rodar estas placas (ver Figura 10). Cada placa se curvó moviéndola hacia adelante y hacia atrás sobre el rodillo, ajustando la presión sobre los rodillos hasta que la placa estuvo dentro de 0,01 pulgadas de la dimensión requerida.

Cortadas las placas, se procedió a la colocarlas en las posiciones definidas de acuerdo con el plano de ubicación. Una a una, fueron instaladas utilizando las propias manos del personal técnico y equipos de levantamiento que permitieran a los instaladores la colocación exacta de cada una.

Las placas fueron sostenidas internamente por el sistema de resortes.

• Soldadura de las Placas

El próximo gran desafío de fabricación de este proyecto fue soldar las costuras sin perder la precisión de la forma debido a la distorsión por contracción de la soldadura. La soldadura por plasma proporcionó la fuerza y la rigidez necesarias, con un riesgo mínimo para las placas. Una mezcla de 98 por ciento de argón y 2 por ciento de helio funcionó mejor para reducir las incrustaciones y mejorar la fusión. Los soldadores utilizaron una técnica de soldadura por plasma de ojo de cerradura utilizando una fuente de alimentación Thermal Arc® y un conjunto especial de tractor y soplete desarrollado y utilizado por PSI.

• Esmerilado y Pulido Final

La tercera y última fase del proyecto fue el esmerilado y pulido final, con el fin de eliminar la visibilidad y rugosidad de la costura dejada por el proceso de soldadura. No puedo imaginar el reto que fue para los responsables pensar y definir un procedimiento para literalmente desaparecer cada junta soldada hecha por el proceso de soldadura de las placas de acero inoxidable, ya que el objetivo final era lograr una apariencia de espejo uniforme en toda la estructura. Finalmente, el acabado de la soldadura fue un proceso de 12 pasos, comenzando con un esmerilado basto de la soldadura cerca de la superficie existente utilizando papel de zirconio de grano 60 en una banda circular, seguido de lijadoras de banda semiautomáticas con ruedas que tenían tornillos de ajuste que permitían lograr el acabado buscado. Posteriormente, se utilizó un grado especial de papel de lija cerámico de grano 400, denominado tipo CF-Trizact™. La empresa 3M desarrolló nuevos sistemas de bandas para lograr un acabado muy brillante.

• Acabado Espejo

El acabado de espejo #8 se considera el estándar de la industria para una apariencia de espejo altamente reflectante. Esto se logra mediante el pulido direccional con compuestos abrasivos en varias etapas, seguido de un pulido con un compuesto colorete. La superficie producida es brillante y altamente reflectante y está virtualmente libre de líneas de arena, aunque en ciertos ángulos algunas todavía son visibles.

Posibles Mecanismos de Corrosión

Por el momento no se han encontrado daños por corrosión o por lo menos no pude encontrar información sobre esto. Sin embargo, en el futuro valdría la pena mantener una vigilancia sobre la condición superficial del acero inoxidable de las placas, en especial porque podrían sufrir de picaduras, a pesar de encontrarse en un área alejada de los vientos marinos provenientes del océano atlántico. La cercanía de la estructura al Lago Michigan podría favorecer la presencia de humedad, la cual combinada con agentes contaminantes e incluso con los fluidos y grasas que dejan los visitantes al tocarla diariamente, podrían también causar algún tipo de ataque sobre el acero inoxidable. Pensando en el lado interno, en donde se han colocado otros materiales como el acero galvanizado, igualmente podría hacerse una inspección visual para verificar que no hay indicios de ningún proceso corrosivo. El acero inoxidable también puede ser susceptible a agrietamiento no solo en las láminas sino también en la soladura y zonas afectadas por el calor.

Por otro lado, con el pasar de los años, pudiera requerirse del reemplazo de alguna de las partes de la estructura interna, sistema de resortes, fijación atornillada o cualquier pieza que por desgaste o deterioro pueda comprometer la integridad estructural y de aquí la importancia de mantener las especificaciones de los materiales definidas durante el proceso de diseño y construcción.

Mantenimiento Rutinario y Mantenimiento Mayor

• El mantenimiento rutinario se realiza todas las mañanas a través de una limpieza y pulido diario con una duración de 2 horas aproximadamente y ejecutada por solo dos personas que utilizan agua para lavar y para remover las marcas y grasa que dejan las personas que visitan y tocan la estructura. Para esto se utiliza un trapo de microfibra y una escobilla con extensor para no dejar ninguna marca de agua. Este trabajo de limpieza se ejecuta siempre y cuando la temperatura este por encima del punto de congelación.  

• El Mantenimiento Mayor, se realiza a través de un proceso de limpieza y lavado dos veces al año con 150 litros (40 galones americanos) de detergente líquido en horas de la noche utilizando un conjunto de andamios. Este proceso requiere del uso de un equipo de rocío de agua a baja presión para eliminar suciedad y excrementos de pájaros.

El mantenimiento de Cloud Gate cuesta alrededor de $ 70,000 por año (para limpiar huellas dactilares, gotas de lluvia y rocío, etc.). Cuando un vándalo rayó la superficie, el costo de pulirla superó los $7,000.

Comentarios Finales

• Según el contrato de Anish Kapoor, y probablemente debido a sus materiales de acero inoxidable y su riguroso mantenimiento, está destinado a sobrevivir al menos 1000 años.
• Esta escultura es un excelente caso de éxito de la aplicación del proceso de gestión de integridad de activos, ya que fue planificada exhaustivamente desde el diseño hasta su finalización y ahora su vida útil siempre y cuando se continue con una adecuada gestión del mantenimiento.  
• Por estar hecho de metal de acero inoxidable brillante puede atraer rayos durante una tormenta. Cada vez que pase una tormenta eléctrica, la seguridad desalojará el lugar para la seguridad de las personas. Para mitigar este efecto, se ha instalado un sistema de puesta a tierra de la empresa HLP System.
• Como información adicional en 2018 un grupo de 7 individuos fue arrestado por hacer grafitis sobre la escultura, los cuales fueron removidos inmediatamente sin mayor problema. El costo de pulirla superó los $7,000.

Referencias Consultadas

• Cloud Gate en Chicago (Puerta de nube) - Swedishnomad.com
• 2009 Rudy Bruner Award: Silver Medal Winner Millennium Park Chicago, Illinois
• Metal fabricating "The Bean" in a new millennium (thefabricator.com)
• The Amazing Steel Structures of Millennium Park. by George Wendt. Steel Day 2009
• Materials and Processes and Contemporary Sculpture. Mahmoud M. Farag. Cambridge Scholars Publishing.2020
• HYPERSEEING The Publication of the International Society of the Arts, Mathematics, and Architecture. Julio 2007