Estructura
ESTRUCTURAS DE ENTRAMADOS DE ACERO GALVANIZADO DE BAJO ESPESOR
LIGHT STEEL FRAMING
Hace y varias décadas se ha desarrollado este sistema constructivo amparado en los atributos y ventajas de la construcción en acero. Sus fundamentos habrá que buscarlos en la construcción de entramado de madera –el sistema Plataforma- que es, a su vez, la evolución del sistema de Baloon Frame desarrollado por George Snow en Chicago a mediados del siglo XIX. En efecto, el Steel Frame, como se le conoce coloquialmente, es la respuesta de la industria del acero a la construcción de entramados de madera, muy difundida en algunos países como Usa y Canadá.
Inspirado en dichos sistemas y en reemplazo de los elementos típicos de madera, se han desarrollado una serie de perfiles abiertos conformados en frío a partir de chapas de acero de bajo espesor y galvanizadas por inmersión en caliente en proceso continuo. Estos perfiles, en diversas dimensiones y espesores, están compuestos típicamente por canales abiertas tipo “U” (para soleras inferiores) y canales atiesadas tipo “C” (para pies derechos y montantes).
Construcción Típica Sistema Plataforma en Madera – Fuente CMHC - Canadá
Construcción en Steel Framing – Fuente – Cintac
La combinación de estos perfiles permite conformar diversos tipos de vigas, dependiendo de la cantidad de elementos que converjan, lo que permite dar respuesta a una amplia variedad de requerimientos estructurales.
Aunque con frecuencia se asocia a edificaciones de altura máxima de dos pisos más una buhardilla, la verdad es que con el sistema del Steel Frame se pueden enfrentar proyectos de mayor altura sin problemas.
Fuente http://www.scottsdalesteelframes.com
Detalle de Dinteles – Fuente: ALACERO Steel Framing – Arquitectura –Sarmanho Freitas, A.M; Moraes de Crasto, R.C.
Lo anterior se completa con diversos perfiles complementarios, como los perfiles tipo “omega” (que se usan como costaneras y o entramados de cielo), y otros perfiles menores tipo ”z” y “u” (perfiles resilentes, perfiles de término para cielos, etc.).
Perfiles típicos de Steel Framing – Fuente: ALACERO Steel Framing – Arquitectura –Sarmanho Freitas, A.M; Moraes de Crasto, R.C.
Con el conjunto de perfiles desarrollados para este sistema constructivo se pueden construir desde tabiques divisorios no estructurales, tabiques y muros estructurales, envigados de entrepiso y estructuras de cubierta así como todo tipo de cerchas (desde cerchas tradicionales, cerchas habitables para mansardas, hasta cerchas curvas facetadas). Sin embargo, más allá de la descripción de los elementos posibles de construir con el Steel Framing, lo importante a destacar es que se trata propiamente de un SISTEMA CONSTRUCTIVO, sistema que mediante una combinación eficiente y lógica de algunos elementos y componentes muy bien desarrollados, permite resolver la totalidad de una edificación.
El sistema en sí construye tabiques estructurales disponiendo una serie de pies derechos o montantes distanciados usualmente a 400 o 600mm, que se fijan a una solera inferior y a otra superior, mediante conexiones de tornillos auto perforantes. Tanto los pies derechos como las soleras emulan las dimensiones más típicas de la construcción en madera (2” x 4”), los distanciamientos más frecuentes y hasta la instalación de la placa arriostrante de madera contrachapada o de partículas (OSB). Todo está concebido para una transición fácil y cómoda entre la construcción típica en madera y esta alternativa y evolución hacia la construcción en acero. Las similitudes son comparables hasta el punto en que se debe comenzar a hablar de los diferentes atributos de cada una de los materiales y, especialmente, de su sistema de conexiones.
El desarrollo de esta industria se ha extendido mucho en los últimos años, encontrándose disponible en la mayoría de las plantas transformadoras del acero. Por su parte, el mercado de la construcción ha recibido con muy buena aceptación este sistema constructivo que en muchos países representa una nueva forma de construir. En los países de tradición maderera, en cambio, el Steel Framing mantiene el concepto y la forma de construir y sólo cambia el material con que lo hace. En los primeros, el sistema enfrenta mayores resistencias que en los segundos. En muchos países de América Latina, de escasa o menor tradición de construcción en madera y más cercanos a las construcciones en elementos pétreos -al decir de E. Torroja- como los adobes, albañilerías de arcilla o de hormigón, esta forma de construir en base a elementos ligeros debe convencer y difundir sus atributos con mayor fuerza que en países de tradición en madera como los ya comentados.
Conjunto vivienda social en Coihayque – Chile – Patricia Corbalán – Arqto.
La versatilidad de este sistema constructivo permite recibir las más variadas expresiones y terminaciones exteriores e interiores por lo que se adapta muy eficaz y eficientemente a distintos requerimientos y tipologías de proyectos. En verdad, con el Light Steel Framing, se puede concebir, proyectar y construir una gran diversidad y variedad de proyectos.
Sin embargo, más allá de los esfuerzos de difusión que son responsabilidad de cada productor, los atributos y ventajas de esta forma de construir y de proyectar son múltiples. Entre ellos:
- Los perfiles de acero son de bajo espesor, variando entre los 0,5mm (para elementos no estructurales) y los 0,85mm y 1,5mm (para elementos estructurales), por lo que las estructuras son de muy bajo peso, muy maniobrables y fácilmente transportables por hasta uno o dos personas.
- Los perfiles de acero tienen gran resistencia mecánica y permiten conformar estructuras de grandes prestaciones que responden a altas exigencias estructurales.
- Los perfiles de acero son estables dimensionalmente y no varían por efecto de humedades o temperaturas del ambiente.
- Los perfiles de acero galvanizado no son atacadas por insectos, hongos ni moluscos.
- Los perfiles galvanizados de bajo espesor tienen una muy buena resistencia frente a los riesgos de corrosión, tanto por su protección galvanizada (hecha por inmersión continua –hdg) como por su posición protegida dentro de los tabiques.
- Por tratarse de perfiles abiertos, son anidables y demandan menos espacio para su transporte.
- Permiten soluciones de estructuras sismo resistentes
- Permiten una instalación rápida y simple
- Son de bajo costo
- La resistencia al fuego se logra mediante recubrimientos de planchas de yeso-cartón o de fibrosilicato que, en los espesores comerciales y habituales (10,12 o 15mm) logran resistencias generalmente aceptadas en las distintas construcciones de viviendas o comerciales en los distintos pisos en que se aplica.
2. ELEMENTOS ESTRUCTURALES
Los principios y elementos básicos de este sistema constructivo se detallarán según su función estructural en el conjunto de una edificación. Las explicaciones y recomendaciones que se presentan son genéricas y pueden variar entre distintos productores. Por otra parte, estas recomendaciones no pueden ni deben reemplazar el proyecto y consideraciones de cálculo específico que necesariamente deberá hacerse para cada proyecto.
2.1. Tabiques Estructurales
Los tabiques estructurales son sistemas que toman cargas verticales (entrepisos, cubiertas) por pesos propios o sobrecargas de uso, además de cargas horizontales (viento y sismo) cuando corresponda. Se construyen con perfiles de espesores entre 0,85 y 1,6mm para conformar un entramado básico de soleras y montantes o pies derechos. Normalmente los montantes se instalan a 400 o a 600mm, ajustándose a las dimensiones habituales de las planchas de revestimiento interior (yeso-cartón, fibro cemento) o exterior (tableros de madera contrachapada o de partículas).
Fuente: ALACERO Steel Framing – Arquitectura –Sarmanho Freitas, A.M; Moraes de Crasto, R.C.
Las uniones entre los elementos se hacen atornilladas (a razón de un tornillo en cada ala) mediante tornillos autoperforantes de # 7 x7/16” que se deben instalar, en la medida de lo posible, mediante atornillador eléctrico con torque, para evitar sobre apretar la conexión. No se deben aplicar remaches. Uniones soldadas no son recomendables dada la dificultad que representa soldar elementos tan delgados por las deformaciones que induce la temperatura de soldadura. Es recomendable prefabricar los tabiques (a pie de obra o en taller) ya que hacer las conexiones de los elementos por separado es más demoroso.
Soleras inferiores y superiores
Son perfiles abiertos tipo “U” de dimensiones ligeramente superiores a las dimensiones de los montantes, a fin de permitir anidarlos en ellos. Las dimensiones varían según cada fabricante, pero se sitúan generalmente entre 42mm x 25mm (eq. 2” x 2”), 62mm x 25mm (2” x 3”), 92mm x 30mm (2” x 4”), 103mm x 30mm ((2” x 5”), 153mm x 30mm (2” x 6”), 203mm x 30mm (2” x 8”) y 253mm x 30mm (2” x 10”).
Las conexiones entre los montantes y las alas de la solera inferior y superior se hacen mediante tornillos autoperforantes cabeza de lenteja de # 7 x7/16” a razón de uno por cada lado o ala.
Las soleras inferiores se deben fijar al piso (radier o sobrecimiento) mediante anclajes mecánicos ya comentados.
Sin perjuicio de que la solera superior confina el tabique, se debe agregar un perfil que actúe como una cadena o amarra superior, lo que se detalla en el punto c siguiente.
Montantes o pies derechos
Los perfiles que se usan como montantes son canales atiesadas de dimensiones ligeramente inferiores a las de las soleras a fin de permitir alojarlos dentro de las soleras inferiores y superiores. Se fabrican en espesores de 0,85mm, 1,0mm y 1,6mm y las dimensiones más habituales (aproximadas a las respectivas dimensiones en pulgadas de la madera) son 40 x 38 x 6mm (2” x2”); 60 x 38 x 6mm (2” x 3”); 90 x 38 x 12mm (2” x 4”); 100 x 40 x 12mm (2” x 5”); 150 x 40 x 12mm (2”x 6”); 200 x 40 x 12mm (2” x 8”) y 250 x 50 x 15mm (2” x 10”)
Cadenas y Dinteles
Tal como se mencionara anteriormente, se debe completar el tabique con una cadena o amarra superior que permita distribuir las cargas superiores.
Para casas de un piso que sólo recibirán una estructura de cubierta, basta con la instalación de una doble canal tipo “U” conformando un perfil cerrado (18).
En el caso de tratarse de una edificación de más de un piso, se deberá hacer una viga compuesta en base a dos perfiles atiesadas tipo “C” enfrentadas que reciben una canal abierta tipo “U” en su cara superior e inferior. (19) Todas estas vigas compuestas en base a elementos tipo de perfiles galvanizados de bajo espesor se deben conectar mediante tornillos cabeza de lenteja a un distanciamiento no superior a 400mm.
Para salvar las luces correspondientes a vanos de ventanas, ventanales y/o puertas se debe considerar la ejecución de una viga en base al mismo principio detallado precedentemente.
El detalle de la fijación de los envigados y/o estructuras de cubierta a estas cadenas superiores se detalla más adelante.
Un aspecto a cuidar es la conexión del tabique al piso (radier o sobrecimiento) la que debe considerar conexiones mecánicas mediante pernos de anclaje de mín. 8mm a un distanciamiento no superior a los 600mm o según lo detalle el proyecto de cálculo respectivo.
Se pueden usar pernos de expansión si las condiciones geométricas y de resistencia del hormigón lo permiten. La instalación de hilos mediante anclajes químicos (hay gran variedad de ellos, de uno o dos componentes) es una alternativa muy recomendada. También es frecuente dejar insertos de barras de acero en el hormigón, los que posteriormente pueden doblarse y fijarse mediante clavos a un trozo de madera que se instala como taco. Es de gran importancia que se instale un refuerzo en la zona de la solera que recibirá la conexión de anclaje al piso. Esto debido a que los bajos espesores de los perfiles que forman las soleras podrían desgarrarse ante un esfuerzo importante. Para resolver este inconveniente se suelen instalar tacos de madera (11/2” x 3” ó 4” por 0,25m de largo ).
Detalle de fijaciones al piso – Gentileza Cintac
Otra solución muy utilizada es instalar un trozo de perfil tipo “C” de los montantes o aún un tozo de perfil de acero al carbono de mayores espesores . Las distintas soluciones son posibles y se podrán aplicar según mejor aprovechamiento de materiales disponibles, sin embargo lo importante es que distribuyan el esfuerzo en una superficie de contacto mayor que la carga puntual del anclaje.
Fijaciones mediante clavos de impacto sólo son aplicables a elementos no estructurales o para los efectos de una conexión temporal o de montaje.
Otro aspecto importante en zonas sísmicas y/o expuestas a esfuerzos importantes de viento es que se deben considerar anclajes especiales en algunos puntos críticos. Estos anclajes reforzados deben tomar el esfuerzo de tracción que afecta a las estructuras sometidas a esfuerzos horizontales. Para éstos efectos, estos anclajes especiales se fijan no sólo a las soleras inferiores sino que a la parte inferior de los montantes en los vértices de la construcción o donde lo señale el proyecto de cálculo correspondiente.
Anclaje de esquina – Gentileza Cintac
Detalles de Anclajes Fuente: ALACERO Steel Framing – Arquitectura –Sarmanho Freitas, A.M; Moraes de Crasto, R.C.
Gentileza Cintac
Diafragmas Rígidos y Arriostramientos
Finalmente, se deben considerar soluciones que permitan rigidizar las estructuras de entramados a fin de evitar la deformación por acción de esfuerzos horizontales. Existen, básicamente dos soluciones para esto:
a. Arriostramiento mediante diagonalesSe puede ejecutar un arriostramiento en cruz en el plano de un tabique mediante flejes de ancho variable confeccionados en base a la misma plancha de acero galvanizado de bajo espesor (0,85mm) con que se confeccionan los perfiles. La fijación en los extremos inferiores y superiores se hace mediante una placa tipo Gousset atornillada a las alas de las soleras y los montantes según detalle y/o cálculo.
Detalles de Arriostramientos; Fuente: ALACERO Steel Framing – Arquitectura –Sarmanho Freitas, A.M; Moraes de Crasto, R.C.
Una vez fijado el gousset a la estructura se podrá fijar el flete tensor. Se deberá cuidar de darle manualmente la mayor tensión posible evitando que quede flojo. La fijación se hace mediante tornillos auto perforantes al gousset según detalle o recomendación de cálculo.
Detalles de Fijación de Diagonales; Fuente: ALACERO Steel Framing – Arquitectura –Sarmanho Freitas, A.M; Moraes de Crasto, R.C.
Como se ha mencionado en otros capítulos, la eficacia de un sistema de diagonales de arriostramiento depende de su tensión. Diagonales que no estén en tensión no sólo no cumplen con la función si no que pueden exponerse a un efecto de “látigo” que puede resultar muy perjudicial para la estructura. De manera que se debe poner especial atención al tensado de este elemento.
Para ello, se han desarrollado soluciones muy ingeniosas, como la inclusión de un trozo de ángulo de acero de unos 4mm de espesor que lleva una perforación por la que pasará un perno. El fleje tensor tiene también una perforación que permite pasar el perno. El conjunto del ángulo de acero y el fleje es apretado mediante una tuerca lo que induce una deformación del fleje que se “acorta”. En otras palabras, se tensa. Las diagonales no deben fijarse a los pies derechos a excepción de los extremos de fijación. Tampoco deben fijarse entre sí en su punto de cruzamiento.
b. Arriostramiento mediante planchas o placas rígidasUna solución muy extendida, muy práctica y segura, es la instalación por la cara exterior del panel o tabique estructural de un revestimiento tipo placa rígida arriostrante. Es frecuente que esta placa sea de madera contrachapada de 10mm o tablero de partículas tipo OSB de 9,5mm. No deben usarse planchas de madera aglomerada de ningún tipo, tampoco planchas de fibrocemento, yeso cartón o cualquier otra plancha cuyo comportamiento mecánico a esfuerzos en el plano no esté de acuerdo a los requerimientos estructurales.
Gentileza Cintac
Una consideración especial se debe dar al patrón de fijación de estas planchas arriostrantes a la estructura de pies derechos y soleras, lo que se hace mediante tornillos autoperforantes cabeza de lenteja de #8x 1”. La consideración se debe a que es necesaria la fijación continua de la plancha a la estructura del entramado a fin de asegurar la función estructural para la cual está concebida. Dicho patrón de fijación debe considerar una fijación a un distanciamiento no superior a 200mm en el perímetro de cada plancha y no superior a 250mm en el centro de la plancha. Otro aspecto de importancia es que se deben considerar una dilatación mínima de 3mm entre las planchas arriostrantes. La razón que hace imperiosa esta dilatación es que estas planchas pueden ser hidroscópicas (especialmente el OSB) y sufrir dilatación con los diferenciales de humedad ambiente, lo que podría generar importantes deformaciones en el plano.
Vanos
Para la conformación de los vanos de puertas y ventanas se deberá considerar un refuerzo de los elementos montantes que los configuran. Aunque hay varias soluciones y dependen de cada proyecto específico, es conveniente considerar al menos las siguientes soluciones.
Detalle de Dinteles - Fuente: ALACERO Steel Framing – Arquitectura –Sarmanho Freitas, A.M; Moraes de Crasto, R.C.
Encuentros de Tabiques
Una atención especial merecen los encuentros de tabiques estructurales o no estructurales. Entre los aspectos a considerar está conservar la continuidad estructural, especialmente de los diafragmas rígidos en los casos de los paneles estructurales. Otra consideración dice relación con entregar apoyo suficiente para materializar las fijaciones de los revestimientos no estructurales (interiores). A continuación, algunos esquemas básicos de resolver estos encuentros.
Encuentro Esquina; Fuente: ALACERO Steel Framing – Arquitectura –Sarmanho Freitas, A.M; Moraes de Crasto, R.C.
Encuentro de 4 paneles en Cruz; Fuente: ALACERO Steel Framing – Arquitectura –Sarmanho Freitas, A.M; Moraes de Crasto, R.C.
2.2. Tabiques no estructurales
Los tabiques no estructurales, tabiques divisorios entre recintos, se estructuran bajo el mismo principio de soleras y montantes detallados para los tabiques estructurales. La diferencia principal está en el espesor de los perfiles a utilizar que suelen ser de entre 0,4 y 0,5mm.
De lo anterior se colige y se recalca que PERFILES GALVANIZADOS DE ESPESORES DE 0,5mm O MENORES NO PUEDEN USARSE EN TABIQUES ESTRUCTURALES.
Otra diferencia importante está en que las fijaciones al piso son menos exigentes y pueden hacerse con clavos de impacto a distanciamientos no superiores a 600mm.
Consideraciones especiales se deben hacer respecto a la fijación superior, la que se recomienda ejecutar exclusivamente en la conexión solera-estructura de cielo, cubierta o losa. Es recomendable que los montantes sean de un largo ligeramente inferior a la altura de piso a cileo o estructura, dejando una dilatación de 5mm entre el extremo superior del montant y la cara interior de la solera superior. Los montantes no deberán conectarse a la solera superior en el caso de los tabiques no estructurales. Lo anterior permitirá una cierta deformación básica que no afectará a las planchas de revestimiento de los tabiques no estructurales, las cuales, por la misma razón, se fijan exclusivamente a la solera inferior y a los montantes pero no a la solera superior.
2.3. Envigados de entrepiso
Las vigas de entrepiso se ejecutan mediante la combinación de distintos perfiles del sistema. El dimensionamiento y la disposición de las vigas de entrepiso se ajustará siempre al proyecto de cálculo.
Si la base de pavimento es de una placa de madera contrachapada u OSB (15-18 o 20mm), el distanciamiento entre las vigas recomendado es de 400mm aunque en casos especiales (y dependiendo del espesor de la planchas) puede ser de 600mm.
La fijación de las vigas a las cadenas o dinteles se hará mediante el uso de un perfil abierto tipo “U” auxiliar, cuyas alas se recortan para permitir la formación de un ángulo cuyas alas traslapadas se conectan mediante tornillos autoperforantes de #7 x 1/16”.
Una solución posible es alojar el envigado entre un perfile tipo “U”, como se muestra en la siguiente imagen, lo que, sin embargo, exige un perfecto alineamiento entre los pies derechos del piso superior y los del piso inferior, aspecto no siempre fácil de lograr en obra.
Detalle Envigado entrepiso; Fuente: ALACERO Steel Framing – Arquitectura –Sarmanho Freitas, A.M; Moraes de Crasto, R.C.
Al igual que en el caso de los refuerzos para dinteles, existen diferentes posibilidades de configuración de elementos para solucionar diferentes vigas.
Distintas configuraciones de vigas y Dinteles
Las soluciones de balcones y voladizos son perfectamente posibles de resolver siguiendo los soluciones esquemáticas que se acompañan.
Planta Envigado Entrepisos; Fuente: ALACERO Steel Framing – Arquitectura –Sarmanho Freitas, A.M; Moraes de Crasto, R.C.
El sistema Steel Frame permite la ejecución de entrepisos a partir de losas colaborantes o con sobrelosas para los efectos de construir terrazas exteriores o para mejorar la performance acústica de la solución de entrepiso.
Detalle envigado entrepiso y losa tipo steel deck – Fuente : ALACERO Steel Framing – Arquitectura –Sarmanho Freitas, A.M; Moraes de Crasto, R.C.
Existen soluciones de envigados que permiten alojar bovedillas de poliestireno expandido y recibir una base de pavimento de una losa de hormigón armado. También es posible hacer soluciones en base a losas colaborantes en edificaciones hechas en base a estructuras de steel frame. Una consideración especial se deberá tener en el diseño y cálculo estructural para asegurar la conexión mecánica entre la losa y la estructura.
2.4. Estructuras de cubiertaPara la solución de estructuras de cubierta existen diversas soluciones de cerchas y envigados confeccionados en base a los perfiles galvanizados de espesores entre 0,85mm y 1,6mm. En los gráficos siguientes se pueden observar algunos ejemplos, sin embargo es necesario recalcar que las bases de diseño y el cálculo varían entre los diferentes productores y productos y dependen fundamentalmente del proyecto de cálculo estructural que se deberá ajustar a las condiciones de cada proyecto y de cada emplazamiento.
Las posibilidades estructurales que ofrece el sistema del Steel Frame permite resolver las más diversas configuraciones y geometrías de estructuras de cubiertas. La mayoría de las empresas que fabrican y proveen los perfiles de acero galvanizado de bajo espesor han desarrollado también servicios de diseño, cálculo y, en algunos casos, hasta de prefabricación de las estructuras. Es conveniente consultar con los proveedores más cercanos al lugar del emplazamiento de los proyectos.
Fuente http://www.scottsdalesteelframes.com
Distintas configuraciones de estructuras de cubiertas en base a cerchas y detalle de fijación. Gentileza Cintac
Complementando esta información, dejamos links a una publicación de ALACERO sobre el Steel Framing, de Arlene M. Sarmanho Fretias y Renata C. Moraes de Crasto, desarrollado especialmente para arquitectos.
Link: ALACERO - Steel Framing Arquitectura
ESTRUCTURAS MIXTAS
Se definen estructuras mixtas aquellas en que se utiliza miembros de construcción de acero y hormigón, incluido el hormigón armado, la más común de las aplicaciones de este concepto. Sin embargo, el interés de este documento es mostrar otras aplicaciones de estructuras mixtas que hagan actuar en conjunto elementos de hormigón y elementos de acero distintos de las barras de refuerzo que corresponden al hormigón armado. Más que profundizar en aspectos específicos del cálculo estructural, para lo cual recomendamos algunos documentos (Roberto León; Ricardo Herrera, Juan Felipe Beltrán y Leonardo Massone), intentaremos compartir una visión de estas estructuras mixtas como un recurso disponible al servicio de los proyectos de arquitectura. Las ventajas de las estructuras mixtas y las motivaciones que llevan a su aplicación pueden ser de variada índole, desde estructurales, de resistencia al fuego o incluso constructivas.
Pese a las evidentes ventajas en materia de resistencia al fuego que proveen los recubrimientos de hormigón de los perfiles de acero, no hay que confundir esa solución constructiva con las estructuras mixtas. En efecto, en dichos casos, el hormigón de recubrimiento sólo cumple la función de protección.
En términos estructurales, las estructuras mixtas permiten optimizar el trabajo de cada uno de los componentes (el acero a tracción o compresión, y el hormigón a compresión), logrando atractivas soluciones tanto desde el punto de vista de la estructura como del diseño. Comentaremos más adelante algunos ejemplos de soluciones para distintos componentes de un edificio.
Por otra parte, en algunos casos la cantidad de barras de refuerzo en los miembros estructurales de hormigón reforzado dificulta el adecuado vaciado y vibrado de los mismos, lo que ha llevado a proponer concentrar las secciones de acero en barras en algunos perfiles de acero. Esta situación se puede dar tanto en las soluciones con perfiles de acero embebidos en el hormigón (perfiles HEB, por ejemplo) como aquellas en que elementos de acero envuelven la estructura (como “encamisados” de planchas de acero en pilares de sección circular). Un ejemplo de esto último lo mostramos en el caso del edificio de la Torre Titanium, de Santiago de Chile. En ese caso, la envoltura de acero actúa tanto como encofrado (moldaje) como parte del refuerzo de acero.
Torre Titanium – Santiago de Chile
En la misma línea de estructuras mixtas se levantaron algunos edificios de media altura con el sistema de Hormigón Armado Prefabricado (HAPE) desarrollado en Chile por el ingeniero Jorge Espinoza Otto. En este sistema prefabricado en planta, las columnas, vigas y arriostramientos se prefabrican en base a un núcleo interior en perfiles soldados doble T en dimensiones según cálculo que se complementa con las barras de refuerzo del hormigón y el recubrimiento de concreto. Las uniones se materializan en terreno entre los miembros de acero y son soldadas y/o apernadas, según corresponda al detalle. El nodo es, posteriormente recubierto con concreto vaciado en obra.
Hotel Nippon, Santiago de Chile. Sistema Hape. Obra gruesa y detalle de fachada poniente F. Pfenniger arquitecto
Una aplicación interesante y reciente de la construcción mixta acero – hormigón corresponde al Edificio Cruz del Sur, de los arquitectos Izquierdo y Lehmann, en Santiago de Chile. El edificio terminado en septiembre de 2009 (pocos meses antes del terremoto de febrero 2010) tiene una forma de pirámide invertida y representa un desafío estructural muy interesante. Cabe mencionar que tuvo un excelente desempeño en el terremoto que afectó a Chile el año 2010, al que resistió sin sufrir daños.
Edificio Cruz del Sur – Santiago de Chile; Izquierdo y Lehman, arquitectos; www.izquierdolehmann. com
Fuente: www.skyscrapercity.com
Estructuralmente, las cargas laterales que pueden afectar al edificio son tomadas por los muros del núcleo central, mientras las columnas del perímetro toman las cargas verticales. La transferencia de estas cargas verticales desde el perímetro al núcleo en el punto de quiebre se logra mediante el uso de columnas mixtas. En los anexos se adjunta un breve artículo con más antecedentes de este proyecto.
Edificio Cruz del Sur; Izquierdo y Lehmann; Fuente http://ingenieriaycomputacion.blogspot.com
En general, aunque más adelante mostraremos por separado los componentes de una solución mixta, la aplicación de estos componentes estructurales mixtos es posible en sistemas estructurales convencionales como, por ejemplo, marcos de momentos, marcos arriostrados y/o conexiones de muros de hormigón armado mediante vigas mixtas.
1. Vigas Mixtas
Una de las primeras aplicaciones de la construcción mixta fue la combinación de vigas de acero y losas de hormigón. El aporte de la losa a la rigidez permite reducir el la altura de las vigas. Sin embargo, para que esta colaboración realmente sea efectiva se debe asegurar que las vigas de acero y la losa de hormigón actúen en conjunto, evitando los desplazamientos relativos entre ambos componentes. Para ello se hace necesaria la incorporación de conectores de corte entre ambos componentes.
Existen diferentes soluciones para materializar estas conexiones de corte pero, básicamente, lo que se espera es que, por una parte se evite el deslizamiento entre los componentes y por otra que, resultado de la actuación conjunta de la losa y la viga de acero, el eje neutro se desplace hacia la losa, con lo que la altura total de la viga estará solicitada a tracción, su condición de trabajo más eficiente, como se expresa en la figura 02. Al aplicar esta solución mixta, adicionalmente también se puede reducir la anchura de ambas alas de la viga.
Figura 02. Fuente Clases Teóricas prof. S. Maino
La figura a es una viga mixta con pernos de corte y losa de hormigón armado realizada in situ.
La figura b es una losa prefabricada con huecos en los pernos de corte para asegurar la unión entre los dos materiales.
La figura c es una losa prefabricada con una junta longitudinal que cae sobre la viga de acero donde se sitúan los pernos de corte.
Soluciones de vigas mixtas La figura d y e son unas vigas mixtas con una unión entre acero y hormigón por rozamiento, mediante pernos. La losa puede ser prefabricada o realizada in situ.
La figura f es una viga mixta de entramado con losa prefabricada, en la cual la viga no cuenta con el cordón superior y es fijada con pernos a la losa.
Esta solución es posible de aplicar en losas tradicionales vaciadas in situ y también (aunque con algunas complejidades de construcción adicionales) en soluciones de losas o losetas prefabricadas de hormigón armado y/o pretensado. En estos últimos casos, se deben dejar perforaciones en los componentes de hormigón prefabricado que permitan materializar la conexión y completar mediante vaciado in situ el hormigón que completa la solución.
Hoy en día se han desarrollado sistemas conocidos como Steel deck (sofitos metálicos) que ya hemos comentado anteriormente y que permiten resolver en forma eficiente aspectos de constructividad importantes: la eliminación de los encofrados o forjados necesarios para vaciar el hormigón de la losa y la drástica reducción de los sistemas de soporte o alzaprimados de los forjados de losas, lo que permite una mayor libertad de trabajo en el piso inmediatamente inferior. En el sistema de steel deck, las tensiones de tracción en la cara inferior de la losa son resistidas por la chapa de acero. Aunque en el lenguaje corriente se suelen mencionar como losas colaborantes, en estricto rigor los steeldeck o sofitos metálicos pueden ser colaborantes o no colaborantes. El grado de colaboración cubre una amplia gama, desde 0 al 100 %. En Latinoamerica, hay varias patentes asociados a esta solución.
Igual que en el caso anterior, es importante asegurar la conexión entre la chapa de acero del steel deck y la losa de hormigón a fin de lograr un efectivo trabajo conjunto. Para ello, los productos tipo steel deck desarrollados suelen tener indentaciones en sus caras que aseguren esa conexión mecánica. Es importante señalar que en el caso de las soluciones de losas con Steel deck, se deben instalar igualmente los conectores de corte que conectan las vigas y la losa de hormigón.
Aunque están concebidos como soluciones que se complementan muy bien con una estructura principal de acero, se conocen aplicaciones en edificios estructurados con marcos de hormigón armado que han optado (por las razones de constructivas ya mencionadas: velocidad de construcción, eliminación de forjados o moldajes y por la reducción de las alzaprimas en los pisos inferiores). Es el caso de otra de las grandes torres construidas en los años recientes en Chile: la Torre del Costanera Center.
En el caso de las columnas se conocen básicamente dos tipos de miembros mixtos, a saber, los confeccionados con perfiles embebidos en el hormigón (conocidos como ferroconcreto) y los perfiles tubulares rellenos de hormigón (concrete-filled tubes o CFT) como los ya comentados en el caso del edificio Titanium.
En el caso de los miembros tipo ferroconcreto, el perfil embebido aumenta su capacidad al pandeo y su resistencia al fuego. Se requiere de armadura de refuerzo transversal para confinar el hormigón y restringir el pandeo de las barras de refuerzo.
En los casos de los CFT el tubo o encamisado de acero actúa como forjado o moldaje y, simultáneamente como parte de la enfierradura de refuerzo transversal y/o longitudinal. Como ya hemos visto, dependiendo de las solicitaciones y del proyecto, esta solución es posible de complementar con barras de refuerzo longitudinal y transversal. El hormigón actúa, a su vez en la doble función de retrasar el pandeo local del tubo de acero y como disipador del calor por masa térmica, colaborando a mejorar la resistencia a altas temperaturas de la columna mixta (Shakir-Khalil 1988, Wang 2002 en Disposiciones de diseño para elementos compuestos; Herrera, R; Beltrán, L.F)
4. Arriostramientos
Para edificios con marcos arriostrados existen distintas soluciones de miembros de arriostramiento que combinan las soluciones comentadas arriba: un encamisado exterior en acero que contiene un relleno de hormigón que lleva, además uno o más insertos de perfiles de acero. Como se muestra en los esquemas siguientes, núcleos cruciformes o núcleos en base a pletinas simples o dobles son los encargados de tomar las cargas axiales de compresión y tracción en tanto el relleno de concreto tiene la responsabilidad de evitar el pandeo del núcleo. En este caso, es importante que no exista adherencia entre el acero del núcleo y el hormigón A su vez, el encamisado actúa muy eficazmente en el confinamiento del hormigón. Sin embargo, como señalan Herrera y Beltrán, muchas de estas soluciones están asociadas a patentes que llevan a que para la utilización de esta solución se deba acudir a los fabricantes exclusivos.
Hemos anexado algunos documentos que permiten profundizar en algunos aspectos del proyecto estructural y otras consideraciones que pueden ser de interés. En ellos, se da cuenta del estado del arte en materia de estructuras mixtas y se comentan algunas de las recomendaciones y códigos atingentes, como las AISC. Ellos son:
- Desarrollos recientes en construcción mixtas en los Estados Unidos de Norteamérica; León, Roberto T.- Disposiciones de diseño para elementos compuestos; Herrera, Ricardo, PhD., Beltrán, J. Felipe, PhD.
- Diseño Sísmico de estructuras mixtas; Herrera, Ricardo, PhD.
- Recomendaciones de Diseño de Columnas Mixtas; Carrasco N., Sebastiçan; Herrera, Ricardo; Beltrán, J. Felipe; Massone, Leonardo; ALACERO
- Artículo Interesante utilización de construcción mixta; Inmobiliaria Paz.
Abordar el complejo tema de la estructura de un proyecto de arquitectura en acero escapa a las posibilidades de desarrollo de este sitio, al menos en esta etapa. Por esta razón, ponemos a disposición de los lectores el material desarrollado por distintos autores. En la medida de nuestras posibilidades, iremos enriqueciendo esta sección con nuevos documentos y, especialmente, con nuevos ejemplos de interés.
En relación al Cálculo de Estructuras el material respectivo está incluido en el sitio www.construccionenacero.com, que contiene asimismo diversos temas dedicados a una audiencia de ingenieros y técnicos. Allí podrán encontrar la versión española de las Especificaciones AISC, que son las utilizadas como referencia en América Latina para construcciones pesadas y medias. Sobre las mismas se han preparado Clases Teóricas y un Cuaderno de Ejercicios. Esto se complementa con diversos artículos, entre ellos varios dedicados a Construcción Mixta. (acero-hormigón) Asimismo para el cálculo de los sistemas de construcción liviana se ha incluido en ese sitio un Manual de Steel Framing: Ingeniería.
Links:
Clases teóricas
Versión española de las Especificaciones AISC 2005
Buena parte de América Latina se encuentra en zonas sísmicas y los materiales disponibles para el diseño sismorresistentes son complejos. Debido a esto, ILAFA encargó al Ph.D. Francisco Javier Crisafulli la confección de un compendio de diseño sismorresistente.
Este libro será complementado en el futuro por anexos nacionales que tengan en cuenta los espectros y normas locales de los principales países sísmicos de la región.
Libro: Diseño Sismorresistente de construcciones de acero
El objetivo fundamental de esta publicación es presentar una guía de utilidad práctica para los ingenieros estructurales vinculados al diseño sismorresistente de construcciones de acero. En ella se incluyen conceptos básicos y criterios de diseño para los sistemas resistente más usuales, como son los pórticos sin arriostrar (pórticos a momento) y los pórticos arriostrados concéntrica y excéntricamente. Para su redacción, se ha tomado como referencia la publicación Seismic Provisions for Structural Steel Buildings (AISC 2005a), preparada por el American Institute of Steel Construction, AISC, considerando la amplia difusión que este documento tiene en Latinoamérica, ya sea como reglamento de diseño o como bibliografía de consulta. Se incluye también una breve descripción de otros sistemas estructurales, como los pórticos con riostras de pandeo restringido y los muros especiales con placas de acero, que representan avances recientes de la ingeniería estructural que ya han sido aplicados en países como Estados Unidos y Japón.
Índice:
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Capítulo 1: Introducción
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Capítulo 2: Aspectos Generales del diseño sismorresistenta
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Capítulo 3: Pórticos no arriostrados
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Capítulo 4: Pórticos arriostrados concéntricamente
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Capítulo 5: Pórticos arriostrados excéntricamente
Este libro se puede descargar gratuitamente más abajo en los Adjuntos
"Diseño Sismorresistente de construcciones de acero - Francisco Javier Crisafulli"
Agregamos aquí un dato para aquellos arquitectos que estén interesados en adentrarse al cálculo, el sitio de www.construccionenacero.org ha publicado el siguiente Cuaderno de Ejercicios. http://www.construccionenacero.com/Paginas/Materialdidactico-CuadernoEjercicios.aspx