Estructuras de entramados de acero galvanizado de bajo espesor light Steel Framing

Estructuras de entramados de acero galvanizado de bajo espesor light Steel Framing

1. INTRODUCCION

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.

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.).  

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.

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.

 

Detalle Gentileza Cintac

 

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

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 diagonales

Se 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.

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 rígidas

Una 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.

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.

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.

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.

Gentileza Cintac

 

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.

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.

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.

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 cubierta

Para 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.

 

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.

Distintas configuraciones de estructuras de cubiertas en base a cerchas y detalle de fijación. Gentileza Cintac

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