El PRFV (polímero reforzado con fibra) es un material compuesto hecho de fibras embebidas en una matriz polimérica. Los perfiles estructurales de PRFV se forman por pultrusión, un proceso de fabricación continuo que da piezas de alta resistencia, ligeras y resistentes a la corrosión. Los perfiles estructurales de acero, en cambio, se forman por laminación, extrusión o forja de acero —una aleación de hierro y carbono— y siguen siendo un pilar de la construcción, la ingeniería y las aplicaciones industriales. Aun así, los perfiles estructurales de PRFV tienen ventajas reales sobre el acero en comportamiento, coste y sostenibilidad. Este artículo compara ambos según varios criterios clave.
Comportamiento
Una de las principales formas de comparar los perfiles estructurales de PRFV y de acero es su comportamiento en distintas condiciones y cargas, medido mediante propiedades como la resistencia, la rigidez, el peso, la resistencia al impacto, la conductividad térmica y la conductividad eléctrica.
Resistencia: la resistencia es la capacidad de un material para resistir la deformación o el fallo bajo tensión, y se expresa mediante la resistencia a tracción, compresión, flexión y cortante. Los perfiles estructurales de PRFV tienen altas relaciones resistencia-peso, es decir, soportan cargas elevadas con poco peso. El PRFV de vidrio, por ejemplo, tiene una resistencia a tracción de 414 MPa y pesa 1.8 g/cm³, mientras que el acero A709 Grado 50 tiene una resistencia a tracción de 345 MPa y pesa 7.8 g/cm³, lo que significa que los perfiles estructurales de PRFV pueden reducir la carga muerta y aumentar a la vez la capacidad portante de una estructura.
Rigidez: la rigidez es la resistencia de un material a la deformación bajo tensión, y se expresa mediante el módulo de elasticidad (módulo de Young). Los perfiles estructurales de PRFV tienen relaciones rigidez-peso menores que el acero, es decir, se flexionan más y son menos rígidos. El PRFV de vidrio tiene un módulo de Young de 24 GPa con 1.8 g/cm³, frente a los 200 GPa con 7.8 g/cm³ del acero A709 Grado 50, lo que significa que los perfiles estructurales de PRFV absorben más deflexión y vibración sin agrietarse ni romperse. En aplicaciones críticas por rigidez como aviones y bicicletas, sin embargo, el PRFV de carbono puede alcanzar relaciones rigidez-peso mayores que el acero.
Peso: el peso es la masa por unidad de volumen y determina los costes de transporte, instalación y mantenimiento. Los perfiles estructurales de PRFV pesan menos que el acero, lo que facilita su manipulación y transporte: el PRFV de vidrio pesa un 75 por ciento menos que el acero, lo que reduce el consumo de combustible y las emisiones de vehículos y equipos, además de los costes de mano de obra y equipos de instalación y mantenimiento.
Resistencia al impacto: la resistencia al impacto mide la capacidad de un material para absorber energía y resistir daños por golpes o colisiones repentinos, y se ensaya mediante los ensayos de impacto Charpy o Izod. Los perfiles estructurales de PRFV resisten mejor el impacto que el acero y soportan más impacto sin deformación permanente ni fallo: el acero puede deformarse de forma permanente por un impacto, mientras que el mat de vidrio de las piezas pultruidas distribuye la carga del impacto para evitar daños superficiales. Eso da a los perfiles estructurales de PRFV una ventaja en durabilidad y seguridad en estructuras de entornos duros o bajo cargas dinámicas.
Conductividad térmica: la conductividad térmica mide lo bien que un material transfiere el calor, y determina el comportamiento térmico y el aislamiento de una estructura. Los perfiles estructurales de PRFV tienen una conductividad térmica menor que el acero, por lo que actúan como mejores aislantes y se ven menos afectados por los cambios de temperatura: el PRFV de vidrio mide 0.25 W/mK frente a los 50 W/mK del acero, lo que significa que los perfiles estructurales de PRFV reducen la pérdida o ganancia de calor y mejoran la eficiencia energética.
Conductividad eléctrica: la conductividad eléctrica mide la capacidad de un material para conducir corriente, y determina el comportamiento eléctrico y la seguridad de una estructura. Los perfiles estructurales de PRFV tienen conductividad eléctrica nula: no son conductores y no interfieren con señales o campos electromagnéticos. Los perfiles estructurales de acero conducen la electricidad con facilidad, con riesgo de peligros eléctricos o interferencias. Eso hace a los perfiles estructurales de PRFV más fiables y protectores en entornos eléctricos o magnéticos.
Coste
Otra forma de comparar los perfiles estructurales de PRFV y de acero es el coste del ciclo de vida, que abarca el coste del material, de fabricación, de instalación, de mantenimiento y de eliminación.
Coste del material: el precio de las materias primas, determinado por la disponibilidad, la calidad y la demanda. Los perfiles estructurales de PRFV tienen costes de material mayores que el acero, por lo que son más caros de comprar al principio, aunque el coste del material es solo una parte del coste total y no refleja el comportamiento global ni los beneficios de los materiales.
Coste de fabricación: el coste de convertir las materias primas en perfiles estructurales, determinado por la complejidad, la eficiencia y la calidad del proceso. Los perfiles estructurales de PRFV cuestan menos de fabricar que el acero: se forman por pultrusión, un proceso continuo sencillo que usa herramientas estándar y no requiere soldadura ni corte, mientras que los perfiles de acero se forman por laminación, extrusión o forja, procesos más complejos e intermitentes que requieren equipos y habilidades especializados.
Coste de instalación: el coste de transportar, manipular y montar los perfiles estructurales en obra, determinado por el peso, el tamaño y la forma. Los perfiles estructurales de PRFV cuestan menos de instalar que el acero: son más ligeros y fáciles de manipular y transportar, lo que reduce el consumo de combustible y las emisiones de vehículos y equipos junto con los costes de mano de obra y equipos, y son más fáciles de montar y ajustar en obra, lo que reduce el tiempo de instalación y los errores.
Coste de mantenimiento: el coste de reparar, limpiar y proteger los perfiles estructurales del deterioro con el tiempo, determinado por la durabilidad, la resistencia a la corrosión y la estética. Los perfiles estructurales de PRFV cuestan menos de mantener que el acero: son resistentes a la corrosión por naturaleza y no necesitan pintura ni galvanizado frente a productos químicos, sal o agua, a diferencia del acero, que se oxida y se corroe y necesita pintura o galvanizado periódicos. Los perfiles de PRFV también incorporan color moldeado y opciones de resina que no se destiñen ni se pelan, mientras que el color aplicado y los recubrimientos del acero pueden desvaírse o pelarse con el tiempo.
Coste de eliminación: el coste de retirar y eliminar los perfiles estructurales al final de su vida, determinado por el impacto ambiental y la reciclabilidad. Los perfiles estructurales de PRFV cuestan más de eliminar que el acero: su naturaleza compuesta dificulta el reciclaje, por lo que normalmente acaban en vertederos o incinerados, mientras que la naturaleza metálica del acero facilita fundirlo y reutilizarlo. Aun así, el coste de eliminación es solo una parte del impacto ambiental y no recoge el consumo de energía ni las emisiones de los materiales.
Sostenibilidad
El último criterio para comparar los perfiles estructurales de PRFV y de acero es la sostenibilidad del ciclo de vida: consumo de energía, emisiones de gases de efecto invernadero, consumo de agua, generación de residuos y agotamiento de recursos.
Consumo de energía: la energía usada para producir, transportar, instalar, mantener y eliminar los perfiles estructurales, que determina el impacto ambiental y la eficiencia económica. Los perfiles estructurales de PRFV consumen menos energía que el acero, lo que los hace más eficientes energéticamente y más respetuosos con el medio ambiente: unos 20 MJ/kg a lo largo de su ciclo de vida frente a los unos 200 MJ/kg del acero, lo que reduce el consumo de combustibles fósiles y la dependencia de ellos.
Emisiones de gases de efecto invernadero: los gases liberados a la atmósfera que impulsan el calentamiento global y el cambio climático, y que determinan el impacto ambiental y la responsabilidad social. Los perfiles estructurales de PRFV emiten menos que el acero: unos 1 kg de CO2/kg a lo largo de su ciclo de vida frente a los unos 10 kg de CO2/kg del acero, lo que reduce la huella de carbono.
Consumo de agua: el agua usada para producir, transportar, instalar, mantener y eliminar los perfiles estructurales, que determina el impacto ambiental y la seguridad hídrica. Los perfiles estructurales de PRFV usan menos agua que el acero: unos 0.1 m³/kg a lo largo de su ciclo de vida frente a los unos 1.5 m³/kg del acero, lo que reduce el consumo de agua y su impacto.
Generación de residuos: los residuos producidos durante la producción, el transporte, la instalación, el mantenimiento y la eliminación, que determinan el impacto ambiental y la gestión de residuos. Los perfiles estructurales de PRFV generan menos residuos que el acero: unos 0.1 kg/kg a lo largo de su ciclo de vida frente a los unos 0.5 kg/kg del acero, lo que reduce la generación de residuos y su impacto.
Agotamiento de recursos: los recursos naturales usados o consumidos durante la producción, el transporte, la instalación, el mantenimiento y la eliminación, que determinan el impacto ambiental y la disponibilidad de recursos. Los perfiles estructurales de PRFV agotan menos recursos que el acero: unos 0.2 kg/kg de recursos no renovables a lo largo de su ciclo de vida frente a los unos 2 kg/kg del acero, lo que reduce el agotamiento de recursos y su impacto.
Conclusión
En resumen, los perfiles estructurales de PRFV y de acero tienen cada uno sus propias ventajas e inconvenientes en comportamiento, coste y sostenibilidad. Los perfiles estructurales de PRFV ofrecen mayores relaciones resistencia-peso, menores relaciones rigidez-peso, menor peso, mayor resistencia al impacto, menor conductividad térmica, conductividad eléctrica nula, menores costes de fabricación, menores costes de instalación, menores costes de mantenimiento, menor consumo de energía, menores emisiones de gases de efecto invernadero, menor consumo de agua, menor generación de residuos y menor agotamiento de recursos que el acero. Los perfiles estructurales de acero ofrecen mayores relaciones rigidez-peso, mayor conductividad térmica, alta conductividad eléctrica, menores costes de material y mayor reciclabilidad que el PRFV. La elección adecuada depende de la aplicación concreta y de los requisitos de diseño de cada proyecto, pero en conjunto los perfiles estructurales de PRFV ofrecen más beneficios que el acero en comportamiento, coste y sostenibilidad.
