Perfiles conformado en frío y Steel Frame
Usualmente cuando hablamos de Steel Frame nos referimos y entendemos que se trata de una construcción en base a perfiles conformados en frío de acero galvanizado de bajo espesor que se usa como una estructura de entramados conformando tabiques, cerchas y envigados en entre piso. Aunque los perfiles conformados en frío de bajo espesor usualmente fluctúan entre espesores de 0,45 y 3,0mm las normas discriminan estos espesores entre los aceptados para tabiquerías no estructurales (usualmente alrededor 0,5 mm de espesor) y aquellos concebidos y aptos para uso en tabiquerías soportantes y otros elementos estructurales (en espesores variables entre 0,85mm y 1,6mm). Una característica adicional que define este sistema constructivo es que las uniones y conexiones entre los elementos estructurales son mecánicas, usualmente atornilladas, aunque se conocen soluciones de conexiones apernadas. Las conexiones soldadas son poco frecuentes en gran medida debido a que las altas temperaturas de los procesos de soldadura inducen deformaciones importantes en perfiles de bajo espesor lo que obliga a aplicar procesos de soldadura más complejos. Por otra parte, estas altas temperaturas de soldadura afecta la protección galvanizada de los perfiles, lo que obligaría, al menos en parte, a restituirla mediante algún procedimiento de protección en frío. En este escenario, las conexiones atornilladas y/o apernadas son muy competitivas y rápidas de ejecutar. Cuando de tabiquerías se trata, el steel frame se estructura y organiza en forma muy similar a la forma en que se concibe y se construye en el sistema de plataforma en madera, es decir, aquella estructura de tabiques conformados por soleras y pies derechos usualmente con piezas de 2” x 4” o de 2” x 5”, distanciados entre 400 y 600mm a eje. En ambas construcciones, el conjunto del entramado actúa solidariamente como estructura del conjunto, asociado una estructura arriostrante muchas veces confeccionada en base a una placa de OSB o de madera contrachapada. Opcionalmente, las placas arriostrantes se reemplazan por diagonales ejecutadas con flejes de acero que sirven para tomar los esfuerzos horizontales de viento o sismo. En este sitio le hemos dedicado algunas páginas a las soluciones constructivas del steel deck (ver ´ñweflmk) y también hemos mostrado algunos proyectos que la aplican. (ver ´we m).
Algo de historia [i]
El uso de los perfiles conformados en frío se origina en Inglaterra y Estados Unidos hacia mediados del siglo XIX. Sin embargo, su uso fue principalmente experimental y se centró en obras civiles y edificios industriales. En los albores de la construcción en hierro se usaron preferentemente perfiles conformados en caliente y/o laminados. El impulso mayor en el uso de los perfiles conformados en frío se da en el período de entre guerras del siglo XX, logrando un desarrollo importante durante la 2ª guerra mundial y, especialmente hacia fines de ella. El sistema constructivo del steel frame está asociado al desarrollo de otros inventos y patentes que surgen hacia fines del siglo XIX. Entre ellos, la patente de la plancha de yeso-cartón para revestimientos interiores, la madera contrachapada (y posteriormente el OSB) para los revestimientos arriostrantes y, hacia mediados del siglo XX, los tornillos autoperforantes que mejoran y facilitan las conexiones tanto entre los elementos estructurales como la fijación de las distintas planchas de revestimientos comentados.
En la historia de la evolución de este sistema constructivo se pueden mencionar algunos hitos que vale la pena recordar. Entre ellos aparece el esfuerzo desplegado a propósito de la feria mundial de Chicago de 1933, con la exposición llamada Century of Progress Homes of Tomorrow (un siglo de progreso, viviendas del futuro). Diversas empresas y arquitectos desplegaron su creatividad y esfuerzo para promover viviendas de relativamente bajo costo con tecnologías y sistemas constructivos innovadores. Originalmente se construyeron 11 viviendas, tanto en acero como en madera. Una de ellas, haciendose eco de las imágenes de un futuro utópico y luminoso, presenta un modelo que incluye un hangar de aviación particular para los propietarios. Otros estuvieron en la idea de incursionar en la solución prefabricada e industrializada de la vivienda, aproximándose a la lógica de la producción en línea que impuso H. Ford en la industria automotriz. El arquitecto Howard Fischer tomó contacto con Pulmann Car Corp. y otras empresas para aprender de ellas la forma de fabricar (más que construir) “viviendas sin ruedas”. Su investigación lo llevó a formar la empresa General Houses que construyó dos prototipos en la feria de Chicago. Según su catálogo, más de dos millones de personas visitaron estos prototipos durante la exhibición. Pese a este éxito y a los precios relativamente accesibles de las soluciones, la empresa cayó en bancarrota al inicio de la 2ª Guerra Mundial.
Una asociación entre la revista Good Housekeeping y Stran- Steel Corporation presenta un modelo de 2 pisos, enteramente estructurado en perfiles de acero y revestido en planchas recubiertas de una gruesa capa de esmalte al horno. Los revestimientos interiores de planchas de yeso-cartón y/o fibrocemento, se fijaban a la estructura de acero mediante clavos especialmente diseñados para penetrar en los perfiles de acero. La casa original de la feria fue comprada por un inversionista inmobiliario y trasladada a un suburbio de Chicago. Se sabe de que aún existen algunas versiones de la casa que fueron construidas a partir de los planos originales.
http://users.marshall.edu/~brooks/stran-steel.htm
La guerra cambia drásticamente la realidad política y económica en Estados Unidos. Entre otros efectos, el uso civil del acero enfrenta una serie de restricciones para atender las necesidades de la industria militar. Asimismo, surgen necesidades y urgencias de construcciones ligeras, transportables, de fácil construcción para albergar a las tropas en territorios de ultramar. Así se desarrollan las construcciones tipo barracas conocidas como las Quonset Hut, pensadas para ser levantadas por personal con poca capacitación en un muy breve plazo. Basadas en el diseño original de la británica Nissen Hut sólo para la armada de EEUU se construyen más de 150.000 unidades de las diversas versiones que se desarrollaron.
Quonset Hut
Después de la guerra, Estados Unidos enfrenta una profunda crisis de vivienda para dar alojamiento a las tropas que retornan al país, cuya demanda supera ampliamente la oferta y la capacidad de producción en el país. Simultáneamente, una gran cantidad de industrias de equipamiento militar se encuentran paralizadas y en desuso. La Lustron Corporation fue una de las primeras en hacer la asociación entre ambas realidades y desarrolla y pone en práctica la idea de producir viviendas en forma masiva en una línea de producción industrial. Su funador, Carl Strandlund, obtiene una patente para un sistema de viviendas enteramente confeccionadas en acero, incluyendo paneles de acero esmaltado para el revestimiento exterior y, especialmente, el sistema de fijación y conexión entre las partes. Hacia 1947 logra instalarse en una antigua fábrica de aviones y comienza la producción en serie de viviendas de bajo costo poniendo más de 100 casas demostrativas en las mayores ciudades del país. Pese a lograr más de 20.000 órdenes de compra en poco tiempo, sólo unas 2.500 de estas casas fueron construidas. Problemas financieros, escándalos de corrupción y otros problemas llevaron a las Lustron Homes a la quiebra en 1950.
Así, con altos y bajos, la construcción en base a perfiles conformados en frío intenta ganar un espacio en el mercado de las construcciones de viviendas en EEUU. Conciente que los códigos y normas existentes para las construcciones en perfiles laminados no era aplicable a los perfiles conformados en frío, la AISI (American Iron & Steel Institution) fundada en 1855 como la American Iron Association, ya en 1939 promovía el desarrollo de códigos y normas específicas para los perfiles conformados en frío. En 1946, gracias al trabajo encomendado a la Cornell University y a George Winter que lo encabeza, se publica la primera especificación AISI para el diseño con miembros de perfiles de acero de bajo espesor (Specifications for the desingn of light gage steel structural member)
En 1950 se oficializa la patente de los tornillos autoperforantes permitiendo una eficiente y segura fijación entre los elementos y miembros estructurales así como la fijación de revestimientos y acabados.
De ahí en más, la historia es bastante conocida. La tecnología ha progresado acompañada de normas y códigos que han transformado este sistema constructivo en un eficiente y eficaz modelo de construcción que ha permitido levantar innumerables viviendas y otros edificios que cubren parte de las necesidades de construcción en el mundo. En nuestra región, la introducción del Steel Frame ha sido un poco más lenta. Con diferencias entre los distintos países, posiblemente a fines del siglo recién pasado, comenzaron las primeras incursiones en construcciones basadas en este sistema constructivo. En Chile, por ejemplo, las primeras construcciones datan de los años 90 y se ejecutaron con perfiles importados. A los pocos año, sin embargo, ya la industria había adoptado el concepto y hoy se cuenta con varios productores de perfiles galvanizados de bajo espesor o Steel Frame. En general, ha sido la industria transformadora del acero la que ha asumido el liderazgo de esta transformación. El esquema, con diferencias, ha sido la producción de una serie de perfiles básicos confeccionados en aceros galvanizados G90 configurando una paleta de productos estandarizados de canales atiesadas, canales abiertas, ángulos, flejes (para arriostramientos) y perfiles omega (para costaneras) en espesores variables entre 0,85 y 1,6mm. Algunas empresas han incluido el servicio de prefabricación de cerchas y estructuras de tabiques, ocasionalmente con el servicio de ingeniería de detalles y panelizaciones asociada. Otros han optado por limitarse a la producción de los perfiles estándar dejando a los clientes y usuarios, la responsabilidad del diseño, cálculo y fabricación de los elementos y componentes de la construcción. No existe información disponible suficientemente verificada sobre la penetración de mercado que este sistema haya logrado en los distintos países de la región, pero ciertamente en los últimos años se percibe un aumento significativo de su uso. Basta con observar en terreno la creciente aparición de conjuntos habitaciones de viviendas de uno o dos pisos que usan en forma exclusiva o aún en forma mixta estas estructuras en combinación con primeros pisos de hormigón armado o de albañilerías.
No hace mucho, presentamos en este sitio, el caso más reciente de construcción de un edificio de media altura en Chile que incluye una solución mixta entre una estructura de acero al carbono tradicional complementada con una panelización en base a steel frame colaborante con la estructura principal. (ver edificio ñledfjk)
Un desarrollo reciente
Un desarrollo reciente que me ha llamado la atención y que puede transformarse en una pequeña revolución se refiere a la tecnología de elaboración de perfiles en pequeñas unidades de producción, con equipos de menor escala y de menor costo, que permiten una producción en línea, secuencial a partir de un software que produce desde la panelización hasta los detalles de fabricación. Estos equipos no miden más de 3,0m de largo, son de bajo peso, portátiles, caben fácilmente en una camioneta y se pueden incluso llevar a pie de obra. La programación se hace a partir de un notebook que contiene el proyecto desarrollado en 3D y que se programan para que vaya entregando los perfiles necesarios exactamente en la secuencia en que deben ser montado en la prefabricación del elemento estructural. A diferencia de los steel frame ‘tradicionales’, la variedad de perfiles que se producen en estos equipos, es menor, son todos atiezados y llevan un pequeño destaje que permite alojar los empalmes, con lo que se suple la menor variedad de perfiles. Además, se fabrican con las perforaciones necesarias para la instalación de los pernos de conexión. De esta forma, el operario instalado en el terminal de la máquina, se limita a empalmar los elementos que recibe, sin necesidad de medir ni de analizar mayormente los planos de fabricación.
Aunque no son de una velocidad de producción comparable a las líneas de conformado usualmente utilizados en la industria, estas pequeñas unidades cuyo costo posiblemente no alcance a la décima parte de los equipos tradicionales, representan una alternativa que puede modificar la forma de construir para un determinado segmento de vivienda. En efecto, estos equipos son una aplicación práctica, tangible -y muy amigable en términos de inversión- de la cadena CAD-CAM que hemos mencionado en otras oportunidades. Como no existen limitaciones técnicas en cuanto a la dimensión ni a la variedad de las estructuras que pueden abordar con este sistema, abren un campo a pequeños productores y constructores que pueden dar una interesante respuesta a la construcción industrial personalizada. No sería de extrañar que en el futuro próximo se observe el surgimiento de distintas unidades de producción de esta variante del Steel Frame.
[i] El ingeniero Don Allen (Director Técnico de Steel Stud Manufacturers Association, y miembro de Steel Framing Alliance y de Cold-Formed Steel Engineers Institute) y autor de varios estudios relacionados con los perfiles conformados en frío, presentó en el encuentro Internacional del acero en Colombia el 2011 una interesante charla sobre esta materia.