ESTRUCTURA
ESTRUCTURAS DE ENTRAMADOS DE ACERO GALVANIZADO DE BAJO ESPESOR LIGHT STEEL FRAMING Francis Pfenniger 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 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 http://www.scottsdalesteelframes.com
Detalle de Dinteles – Fuente: ALACERO Steel Framing – Arquitectura –Sarmanho Freitas, A.M; Moraes de Crasto, R.C .
Lo anterior s e 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. Torrojacomo 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 p ersonas. 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 s e 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 1 2mm (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 per fil 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
Detalles de Anclajes Fuente: ALACERO Steel Framing – Arquitectura –Sarmanho Freitas, A.M; Moraes de Crasto, R.C.
Cintac
Gentileza
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.
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 c uidar 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 c ruzamiento.
Gentileza Cintac
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.
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 60 0mm. 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. L os 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 c onectan mediante tornillos autoperforantes de #7 x 1/16”.
Gentileza Cintac
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 s uperior 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.
Gentileza Cintac
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 c olaborantes 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 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.
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 Francis Pfenniger
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 c onstructivas. 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 bar ras 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.
Cruz del Sur – Santiago Fuente: www.skyscrapercity.com
de
Chile;
Izquierdo
y
Lehman,
arquitectos;
Edificio www.izquierdolehmann. 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 so lución 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 e l la altura de las vigas. Sin embargo, para que es ta 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 c orte 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 s olicitada 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 a rmado 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.
2. Losas mixtas 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 estructur a 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.
3. Columnas 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 c onstrucción mixta; Inmobiliaria Paz.
VIGAS DE CELOSIA Francis Pfenniger Una forma bastante común de resolver las exigencias estructurales de salvar las grandes luces es mediante el uso de vigas de celosía o cerchas. La ventaja del uso de este tipo de soluciones es que obvia el uso de perfiles estructurales pesados, ocasionalmente no disponibles en el mercado local. En efecto, la disponibilidad de vigas conformadas en frío está limitada a ciertas secciones que varía según la producción local, pero no suele sobrepasar los 400mm de altura. Por otra parte, la disponibilidad de vigas laminadas de secciones mayores depende tanto de la producción local (no en todos los países de la región de producen vigas laminadas) como del oportuno suministro en caso de importaciones. Aún así, hay también buenos argumentos para estructurar sobre la base de vigas de celosías a partir de componentes de menores dimensiones. Entre ellos, aparte del uso y aprovechamiento de perfiles plegados disponibles en el mercado local, hay que mencionar el bajo peso de estas estructuras, su liviandad visual y el hecho de que permiten despejados avances horizontales de duc tos e instalaciones. Típicamente, una viga de celosía está conformada por un cordón superior, un c ordón inferior y un sistema de barras que las conectan, que pueden instalarse verticales y diagonales, o solamente en diagonal.
Esquema viga de entramado. Fuente, clases teóricas prof. S. Maino; Alacero; disponible en este sitio
Existen diferentes formas de conectar los cordones superior e inferior para conformar una viga de celosía, algunas de las cuales tienen nombre propio y se muestran a continuación.
1. 1. a. b. c. d. e. f. g. h.
Viga Prattà diagonales convergen hacia el centro Viga Howeà diagonales salen desde el centro Estructura Reticular isostática Estructura reticular rómbica sin montante Reticular rómbica con montante central à estable Estructura en red Estructura en K Viga Warren à reticular sin montantes
Las soluciones de celosía han sido usad as ampliamente en estructuras industriales, entre otros en forma de marcos bi o tri articulados.
Construcción de galpones industriales simples a partir de marcos triarticulados. La obra no está terminada, como se puede apreciar, puesto que no tiene los arriostramientos Sin embargo, a partir de la reinterpretación de estas estructuras simples, también se han desarrollado proyectos de gran interés arquitectónico, como por ejemplo, la Bodega Huanuco - de los arquitectos E. FamD. Pinochet-L. Suárezen Chile.
– arquitectos Bodegas Huanuco, Santiago de Chile - E. Fam-D. Pinochet-L. Suárez
La racionalidad y liviandad de estas estructuras ha sido motivo de muchas investigaciones, tanto en el campo estructural y constructivo, como en el campo del diseño arquitectónico. Entre los muchos ejemplos que se pueden citar (y que, con toda seguridad se pueden enriquecer con mucha información local a la que no tenemos acceso), no podemos dejar de mencionar los desarrollos pensados para escuelas por Ezra Ehrenkrantz para la School Construction Systems Development (Scsd) en la década de los 60 y el sistema Patera, desarrollado por Michael Hopkins en la década de los 80. El sistema Patera fue concebido como un sistema prefabricado de pequeños edificios industriales que se vendían en modulaciones de 12m x 18m y 5m de altura interior, completamente listos para armar. Gracias a un diseño de detalle muy cuidado, se logra estructurar con base en perfiles muy esbeltos y de bajo peso que se complementa con un revestimiento de chapas de acero corrugadas (se usan las mismas chapas en muros y cubierta) que suministran arriostramiento en los planos horizontales de la es tructura. El montaje en obra se hacía en pocos días con tres operarios y una pequeña grúa. Lamentablemente sólo queda uno de estos edificios en pie, el que alberga la actual oficina de Hopkins & Partners en Londres: las demás fueron desmanteladas para habilitar desarrollos inmobiliarios.
SCHOOL CONSTRUCTION SYSTEMS DEVELOPMENT (SCSD) - EZRA EHRENKRANTZ
PATERA BUILDING SYSTEM (1980-82) MICHAEL HOPKINS
http://www.engineering-timelines.com
Otro caso interesante es la casa Eames, que corresponde a la Casa Case Study House Nº 8 de la mencionada iniciativa de John Entenza del programa de las Case Study Houses realizado en la postguerra en California. La pareja de arquitectos y diseñadores Ray y Charles Eames diseñaron esta casa-estudio para ellos mismos logrando un edificio icónico de la arquitectura moderna en USA que es, hasta hoy, una referencia relevante. La fotografía de la casa en obra, da cuenta de la simplificación extrema del concepto estructural y muestra, en la cubierta, las vigas en celosía que completan la estructura.
EamesHouse –
Interior Eames House http://www.eichlernetwork.com http://www.eichlernetwork.com/article/steel-houses-st /article/steel-houses-steel-ideal?page=0,2 eel-ideal?page=0,2
Casa Eames - otrootroblog.blogspot.com otrootroblog.blogspot.com
Casa Eames - http://www.greatbuildings.com http://www.greatbuildings.com
Aunque hemos destacado hasta aquí estructuras livianas que parecen destinarse a obras menores o de pequeñas luces, los sistemas de vigas de celosía son posibles de ejecutar en las más diversas escalas. En efecto, de acuerdo a con las recomendaciones de altura de las vigas de celosía en función de la luz que salvan son eficaces entre los 8 y los 75 m de luz, debiendo considerarse una altura de viga aproximada de entre 1/10 – 1/15 de la luz. Si el sistema se concibe como un entramado de vigas (en dos sentidos) se pueden cubrir eficientemente hasta luces de 90m con alturas de vigas entre 1/15 y 1/20 de la luz. (ver – – Arquitectura y Acero, Borgheresi, H; Pfenniger, F; Vol Vol 2; pag. 38; ICHA 2001). Una aplicación frecuente de estas vigas en estructuras mayores es en puentes y, frecuentemente, en puentes de ferrocarril o vehiculares. Sin embargo, a diferencia de las estructuras menores que se pueden ejecutar en perfiles conformados en frío, en éstos casos, tanto por las luces como por las magnitudes de las cargas, deben usarse perfiles laminados en caliente.
Un ejemplo clásico de este tipo de estructuras es el puente
Puente Firth of Forth –Fuent ehttp://www.puentemania.com/385 ehttp://www.puentemania.com/385
Una de las recomendaciones importantes para el diseño de vigas de celosía es que las cargas o los apoyos de los miembros soportados por la viga deberán, preferentemente, descansar sobre los nudos que se consideran articulados, evitando los apoyos en los tramos intermedios. De esta manera las barras están sometidas exclusivamente a solicitaciones axiales. En caso contrario hay que considerar los efectos simultáneos de momentos flectores y fuerzas axiales.
Esquema viga de celosía. Fuente, clases teóricas prof. S. Maino; Alacero; disponible en este sitio
Esquema cargas no recomendadas obre viga de celosía. Fuente, clases teóricas prof. S. Maino; Alacero; disponible en este sitio
Otra consideración interesante respecto de las vigas de celosía es que se pueden especializar los elementos que la componen en función de las solicitaciones. Esto permite, entre otras cosas, diferenciar las secciones de los elementos comprimidos –que serán más robustos – de los elementos sometidos a tracción – que serán más esbeltos (dada la eficiencia del trabajo de los perfiles de acero a la tracción al no aparecer los problemas de pandeo). Entre las recomendaciones generales se señala que se debe procurar que las barras sometidas a compresión tengan mayores secciones para evitar el pandeo y que los elementos más largos estén sometidos a tracción. Esto puede permitir importantes ahorros en el peso de la estructura (y consecuentemente en su costo) pero tiene, además un efecto estético y de diseño que es interesante explorar, como se aprecia en los diagramas siguientes, extraídos de los cursos teóricos del Prof. S. Maino desarrollada para Alacero y disponible en este sitio.
Un aspecto importante a tener en cuenta es el arriostramiento lateral de las vigas de celosía en las formas de pandeo, como se puede apreciar en las figuras siguientes, extraídas del cuaderno técnico Nº 6 del Manual de Diseño de Estructuras de Acero de Sidetur.
Sin perjuicio de lo anterior, es necesario recalcar la importancia de los arriostramientos entre vigas y o cerchas como se expresa en el esquema siguiente,
Una variante de las vigas de celosía lo constituyen las vigas atirantadas, en que los elementos en tracción son reemplazados por cables. En las imágenes siguientes se muestran algunos ejemplos: a) viga Fink doble; b)Fink múltiple; c) viga Bolmann y d) viga Pratt.
Una variante particular de los sistemas de vigas de celosía lo constituye la viga Vierendeel cuyos cordones superiores e inferiores están conectados sólo por elementos verticales y no cuenta con elementos diagonales. Lo anterior obliga a que esta viga tenga uniones rígidas en todos los nudos, lo que la hace más pesada que una viga de entramados con elementos diagonales. Pese a lo anterior, la viga Vierendeel tiene muchos usos, especialmente porque libera casi completamente el espacio inferior, permitiendo el avance libre de instalaciones y/o circulaciones.
Vigas: Pratt (superior) y Viga Vierendeel (inferior)
Vigas Vierendeel de la Remodelación de la Scala de Milá; Mario Botta.
Montaje de Viga Pratt
Una estructura típicamente de entramados corresponde al sistema Steel Joist que en algunos casos ha sido desarrollado como un sistema estandarizado o precalculado. El Steel Joist Institute viene publicando documentos técnicos relacionados con el análisis y el diseño, la fabricación, el transporte y el montaje del sistema de steeljoist desde 1932, lo que se pueden ad quirir en el sitio de www.steelJoist.org. En 2012, Gerdau Aza (Chile) lanzó al mercado su Manual de Diseño Sistema Constructivo JOISTEC, desarrollado por Bascuñán, Maccioni e Ingenieros Asociados (BMing) de los autores Alberto Maccioni y Bárbara Rodríguez, actuando como consultor el ingeniero Rodolfo Vergara del Pozo. Hay mucha información disponible sobre este sistema en el sitio de Alacer ohttp://www.construccionenacero.com/Search/Results.aspx?k=JOIST, en el que, además se tiene acceso para solicitar el manual de Gerdau Aza -BMing mencionado anteriormente.
Sistema de Joist y Girders en proyecto en Maipú, Santiago de Chile. Fotografía gentileza de Gerdau.
SOLUCIONES DE ESTRUCTURAS COLGANTES EN EDIFICIOS F. Pfenniger Muchas veces se ha comentado que una de las características interesantes del acero para la arquitectura y la construcción es la esbeltez que se puede lograr con las estructuras. Hace pocos meses atrás incluimos una pequeña reflexión sobre la esbeltez desde una perspectiva económica, más allá de las evidentes implicancias que esta esbeltez representa en la configuración del espacio y en la estética de lo construido, algo que hemos llamado el lenguaje del acero. (ver http://www.arquitecturaenacero.org/soluciones-constructivas/60-solucionesconstructivas). En esta oportunidad queremos comentar algunos conceptos estructurales y explorar algunos ejemplos que permiten llevar esta idea de lo esbelto a un extremo interesante aplicable a la edificación. Se trata de las estructuras suspendidas o colgantes aplicadas en proyectos de edificaci ón. En efecto, hemos comentado muchas veces que una de las ventajas del acero es, precisamente su excelente comportamiento en tracción. Es en condición de tracción donde se logran las menores secciones de los elementos estructurales, dado que, como comentamos en otro documento en este sitio (ver http://www.arquitecturaenacero.org/soluciones-constructivas/41-uniones-y-conexiones - conexiones base - columna) la sección no está limitada por pandeo, como sucede con los elementos sometidos a compresión. Lo anterior es más evidente aún si el esfuerzo de tracción se transmite por el eje del elemento y no está combinado con otros esfuerzos, con lo que se logrará la mayor eficacia y la mejor relación masa-resistencia, permitiendo secciones muy bajas. Los elementos comprimidos, por el contrario, tendrán secciones mayores entre otros aspectos, para contrarrestar los esfuerzos de pandeo comentados. Esto puede ser explotado en el diseño de las estructuras mediante la diferenciación de las distintas secciones de los elementos tensados y comprimidos, lográndose estructuras muy livianas y con una presencia de muy baja de material. Un ejemplo de lo anterior es la estructura de la viga Fink compuesta del puente de ferrocarril que se muestra a continuación y que fuera comentada en este mismo sitio hace unos meses (verhttp://www.arquitecturaenacero.org/soluciones-constructivas/23-estructura)
Es evidente que para tener elementos en tracción se deberán concentrar los esfuerzos de compresión en algún punto de la estructura. Lo anterior quiere decir que si tenemos un buen elemento desde el cual colgarnos, podremos proveer apoyos que, en vez de estar directamente conectados al terreno, estén suspendidos de dicho elemento. Un ejemplo clásico de lo anterior son los puentes colgantes o atirantados.
Rainbow Bridge - Taipei, Taiwan
Esta estrategia de diseño estructural tiene muchas aplicaciones y variantes que pueden llegar a soluciones de estructuras muy sofisticadas, como las exploraciones de varios autores en las estructuras del tipo tensigrity inicialmente investigadas por Buckminster Fuller y por el escultor Keneth Snelson, que comentamos a propósito del primer premio del Concurso Torre Antena Santiago. En este concepto, las estructuras son sistemas en equilibrio que se componen de elementos comprimidos no conectados directamente entre sí más que a través de una red continua de elementos tensados. En su propuesta para el Concurso Torre Antena Santiago, Smilan Radic incursiona en una estructura de este tipo y logra una propuesta de destacada esbeltez y levedad. (verhttp://www.arquitecturaenacero.org/obras-civiles/591-torreantena-santiago). Otros ejemplos relativamente recientes (2009) de estructuras basadas en los principios de la tensigrity son la pasarela peatonal y ciclovía Kurilpa Bridge, en Brisbane, Queensland, Australia. El proyecto, según sus autores, evoluciona del estudio de soluciones más tradicionales que significaban, en condiciones de luces similares y en el contexto de las condiciones de terreno de fundación, significativos impactos visuales. La tipología de tensigrity se explora por su capacidad de permitir el predominio del diseño sobre las restricciones de la ingeniería permitiendo crear interesantes relaciones de escala con los edificios del entorno.
Kurilpa Bridge - Cox Rayner Architects - Arup
Sin ir tan lejos, sin embargo, existen soluciones de uso frecuente, algunas de las cuales son bastante simples, que se pueden aplicar en edificios. Una representación evidente de ellas será, por ejemplo, el columpio. En efecto, una viga o un marco pueden ser estructuras suficientemente robustas para suspender de ellas una cadena, una cuerda o un cable que soporte una plataforma que recibirá una carga o un peso. El columpio, en tanto tal, es un mecanismo que incorpora el movimiento y demanda una conexión rotulada en la viga y, posiblemente en la llegada al tablero. Si se limita el movimiento y se le imagina simplemente suspendido nos acercamos a situaciones más frecuentes en la edificación. Existen muchos proyectos que recurren a la estrategia de suspender una parte de la estructura para lograr, una estructura interior más esbelta y menos invasiva y, simultáneamente, liberar espacio de apoyo en los niveles inferiores. Con mucha frecuencia esta estrategia se usa para la construcción de pasarelas de servicio al interior de edificios industriales. Sin embargo, existen algunos casos aplicados a otro tipo de edificios que sirven para ilustrar estas ideas.
Un ejemplo de lo anterior es el edificio Media Tic (ver http://www.arquitecturaenacero.org/edificioscomerciales/79-media-tic). En él, una estructura robusta tipo marco ejecutada con sendas columnas de celosía y una gran viga superior cuya altura corresponde a la altura de dos de sus pisos, permite suspender un total de 7 losas dejando el primer nivel completamente libre.
Edificio Media Tic- Barcelona - Enric Ruiz Geli & Cloud -
Otro ejemplo de una aplicación sencilla pero con una resolución destacada es el edificio bodegas y oficinas Huanacu, de Fam, Pinochet y Suárez (tFPS arquitectos), en Santiago de Chile. Más allá de los evidentes méritos del proyecto que lo hicieron ser seleccionado en la Primera Muestra y Premio Icha de arquitectura en Acero 2013, en su interior el cubo de las oficinas está suspendido sobre el showroom, dejando la planta del primer nivel completamente libre.
Interior Oficina Bodegas Huanacu – Santiago de Chile – tFPS arquitectos
Fotografía de la obra: se observa el voladizo de las oficinas y un único colgador que suspende el entrepiso del marco superior.
Hay otros muchos ejemplos que se pueden comentar y citar. Por ejemplo, es el edificio de la unidad departamental, contiguop a la planta del convertidor de oxígeno de la Cía. Siderúrgica Huachipato, en Chile, diseñado por de Groote, Molina, Gubbins y Barros en 1974, recurre a esta misma estrategia. Entre cuatro módulos de hormigón armado que albergan las circulaciones verticales, se dispone de una robusta estructura de cubierta desde la cual se cuelga el edificio propiamente tal, dejando completamente libre el espacio inferior. Otro ejemplo, a mucho menor escala, es el caso de la construcción de un pequeño hotel en Santiago, en que, para permitir eliminar una columna que impedía la resolución de la circulación de vehículos en el nivel de acceso, se proyecta una viga de celosía superior desde la cual se suspende la columna de los pisos inferiores, retirando la que corresponde al nivel de acceso.
Hotel Nippon – Santiago de Chile – Pfenniger Asociados - Obra gruesa de Viga de celosía en estructura mixta desde la que se suspenden los pisos inferiores.
Sin embargo, más que abultar con ellos, lo que nos interesa es dejar instaladas dos ideas. En primer lugar, destacar que, más allá de las estructuras de puentes y pasarelas en que estas soluciones son frecuentes, en la edificación también se pueden disponer elementos estructurales para suspender o colgar partes de una estructura desde elementos suficientemente robustos que permitan soportar dicha carga. En segundo lugar, que dichos elementos pueden muy eficientemente concebirse en acero ya que, al estar traccionados, harán trabajar al elemento en su mejor disposición y permitirán, por lo mismo, secciones sensiblemente reducidas. Existen distintas soluciones de diseño para ello que van desde el uso de cables hasta el uso de elementos tubulares o tipo barras a partir de perfiles de los más diversos tipos, secciones y conformaciones. (ver http://www.arquitecturaenacero.org/materiales/24-perfiles-y-tubos). En esta misma edición hemos incluido un interesante proyecto de Schmidt Hammer Lassen architects que aborda este mismo tema. Se trata del edificio corporativo del banco Nykredit que forma un gran marco de hormigón armado constituido por dos edificios paralelos conectados en el piso superior por una gran placa de todo un piso de altura que deja un gran vacío central de varios pisos de altura. En este hall se disponen algunas salas de reuniones y parte del sistema de circulaciones (pasillos, escaleras y ascensores) en voladizo y/o parcialmente suspendidos de la estructura superior.
b anco Nykredit, Schmidt Hammer Lassen architects
No podemos terminar sin algunas consideraciones adicionales importantes. En primer lugar, es necesario reiterar que, para poder aplicar una estructura suspendida, se debe contar con una superestructura suficientemente resistente que permita soportar las cargas adicionales que le serán aplicadas. Superado lo anterior, es necesario recalcar que, especialmente en países sísmicos, las estructuras suspendidas están sometidas a esfuerzos horizontales que pueden inducir desplazamientos y oscilaciones que serán tanto más significativas cuanta más masa esté suspendida. Lo anterior obliga a disponer de soluciones que eviten dichas oscilaciones y el efecto de péndulo en que pueden derivar. Para ello, el diseño de las conexiones que restrinjan estos movimientos relativos será de la mayor importancia y, posiblemente, significará una exigencia adicional en los elementos soportantes verticales que conforman el conjunto.
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 i nterés. 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.
MATERIALES En esta sección presentaremos distintos materiales de construcción de acero disponibles en el mercado, organizados y ordenados según su función específica para la que están diseñados y concebidos. La presentación en cada caso será genérica y se complementará con los enlaces (links) a los diferentes fabricantes y proveedores regionales, links que esperamos ir enriqueciendo con el tiempo. Asimismo, presentamos una breve descripción del proceso siderúrgico que permite tener una perspectiva de la gran cadena de producción que está asociada a los productos y materiales de uso frecuente en la arquitectura y la construcción.
PROCESO SIDERURGICO El hierro es un metal que se encuentra en la corteza terrestre generalmente en forma de óxidos de hierro. La siderurgia es la metalurgia del hierro y básicamente consiste en el proceso de transformación de la materia prima del mineral de hierro en acero, o s ea, en una aleación metálica constituida por Hierro y una proporción especialmente reducida de Carbono (entre 0,02 y2%) más algunos metales adicionados (Cromo, cobre, fósforo, manganeso, molibdeno, níquel, silicio, vanadio titanio, entre otros) que le otorgan a la aleación propiedades específicas. El hierro colado (o cast iron) utilizado en las primeras estructuras era producido en fundición de altos hornos, pero no podía ser forjado y era extraordinariamente quebradizo. Se fundía rápidamente ante la acción del calor y, aunque trabajaba bien a la co mpresión, no tenía resistencia a la tracción. La primera construcción en este tipo de hierro corresponde al puente sobre el río Severn en 1775. El hierro forjado que fue empleado por Eiffel en sus construcciones de fines del siglo XIX, también llamado hierro batido o hierro dulce, tiene una mejor resistencia a la tracción, y se ob tiene a partir del hierro colado al que se le oxidan las impurezas en hornos en los que se remueve la carga batiendo la mezcla fundida con barras de acero. Este tipo de hierro es posible de laminar en formas de pletinas y ángulos y otras secciones. En la producción del acero se requiere la presencia de varias materias primas que cumplen distintas funciones en su proceso de producción. Ellas s on: MINERAL DE HIERRO: El mineral de hierro es un c ompuesto de hierro, oxígeno e impurezas como el azufre, sílice y fósforo. Los minerales de baja ley son triturados hasta convertirse en polvo. Las partículas de hierro se separan magnéticamente y luego se concentran y fusionan en pellets con un alto contenido de hierro. COQUE: Sirve como combustible al quemarse rápidamente con un calor suficientemente intenso como para fundir el mineral. La combustión genera los gases necesarios para desprender el oxígeno del mineral. También proporciona el carbono que se requerirá mas tarde para la fabricación del acero. PIEDRA CALIZA: La piedra caliza triturada es una piedra gris compuesta principalmente por carbonato de calcio. Derretida purifica el hierro y actúa como fundente (empleado para remover materiales indeseados) absorbiendo el azufre, fósforo e impurezas. Esto forma una escoria, que flota sobre el h ierro líquido. AIRE: Es la materia prima de mayor presencia en la pro ducción de hierro: se ocupan aproximadamente tres y media toneladas de aire por cada tonelada de arra bio producida. El aire se emplea para mantener la combustión y para suministrar el oxígeno necesario para las reacciones químicas. Precalentado hasta 1.100ºC aproximadamente se inyecta a alta presión dentro de la base del horno. En general, se habla de una siderurgia integrada cuando la producción del acero se realiza a partir del mineral de hierro. En este caso, existen básicamente dos procesos diferentes: a) alto horno – convertidor de oxígeno y b) horno de reducción directa –horno eléctrico de arco. a) Altos Hornos: Como se observa en el diagrama siguiente la producción se inicia cargando las materias primas (mineral de hierro, carbón coque y piedra caliza) por la parte superior del alto horno inyectando aire
precalentado a aprox. 1.100ºC en la base del horno, lo que quema el coque generando altísimas temperaturas que funden el mineral y liberan gases que permiten separar el hierro del mineral. La piedra caliza a esas temperaturas se convierte en c al y captura parte de las impure zas, especialmente azufre y forma una escoria que flota sobre el mineral fundido. El material resultante de este proceso se denomina arrabio y contiene aún importante proporción de carbono e impurezas que se r educen en las etapas subsiguientes. El arrabio es transportado al horno convertidor de oxígeno donde se le adiciona una parte de material de chatarra (aprox. 25% de la carga) y, mediante una lanza enfriada por agua, se le inyecta oxígeno puro a presión, generando temperaturas de 1.650ºC. En estas condiciones, el oxigeno se combina con el exceso de carbono en forma de gas y quema rápidamente otras impurezas que terminan flotando como escoria. El ajuste fino de la composición del acero se realiza en el horno cuchara (también llamada metalurgia secundaria. En esta etapa se adicionan las ferro-aleaciones de acuerdo al tipo de acero que se requiere producir. El proceso se completa con la desgasificación removiendo los gases producidos durante el proceso (oxígeno, hidrógeno y nitrógeno), lo que se logra mediante dos procesos posibles (desgasificación por flujo o en la olla de colada). Finalmente, el acero fundido se vierte desde la olla de colada dentro de un depósito en forma d e embudo desde el que fluye -a una velocidad regulada- dentro de un molde con superficie de cobre refrigerado por agua cuya forma hueca interior corresponde a la forma deseada de los llamados productos semi terminados: tochos, palanquillas y planchones. Los tochos y palanquillas son de sección cuadra da (comúnmente de 150mm por lado) y difieren en el largo en que se corta. Los planchones son de sección rectangular y varían entre 150 y 200mm de espesor por alrededor de 1.000mm de ancho. El acero, ahora sólido, se desplaza hacia una mesa de s alida donde se corta al largo deseado mediante un s oplete de corte. Desde allí se traslada mediante una correa transportadora hacia una planta de acabado para pasar al proceso de laminado.
b) Reducción Directa: el horno de reducción directa es a limentado por la parte superior con mineral de hierro generalmente en forma de pellets inyectándole un gas reductor rico en monóxido de c arbono e hidrógeno que reacciona con el óxido de hierro removiendo el oxígeno y convirtiéndolo en hierro metálico, que puede ser producido en forma de hierro esponja o e n briquetas, las que posteriormente son procesadas en el horno eléctrico al arco. Por su parte, las acerías, basan su producción en hornos eléctricos que, en vez de usar el oxígeno puro como combustible para generar las altas temperaturas requeridas, funden chatarra (o proporciones de hierro de reducción directa) creando un arco eléctrico entre los electrodos y la carga metálica.
La laminación del acero consiste en transformar los productos semi terminados reduciendo su sección hasta secciones deseadas, con el consiguiente alargamiento. En general, los tochos y palanquillas dan origen a la familia de los productos largos, en tanto los planchones dan origen a productos planos. El proceso de laminación en caliente se hace altas temperaturas y, tiene efectos no sólo sobre la dimensión de los elementos sino también sobre la estructura granular del acero, mejorando la dureza, resistencia y ductilidad. Entre otros efectos menos deseados de la laminación en caliente cabe mencionar la oxidación (cascarilla de laminación) y la consecuente imperfección de las tolerancias dimensionales. La laminación en frío se hace a temperatura ambiente y otorga a las planchas y flejes un acabado liso de la superficie, alta precisión dimensional y propiedades mejoradas (aumenta la dureza y resistencia aunque red uce la ductilidad)
TIPOS DE ACERO Los aceros al carbono son a quellos que contienen solamente carbono y hierro con pequeñas adiciones de manganeso y otras pequeñas cantidades de elementos impuros y representan cerca del 85% del total de la producción en acero. Los aceros de aleación contienen uno o más elementos de aleación distintos del hierro y del carbono que se agregan con el propósito de asegurar propiedades que no se obtienen mediante aceros al carbono. Algunos efectos buscados con los elementos de aleación son:
- Mayor resistencia y dureza. - Mayor resistencia a los impactos. - Aumento de la resistencia al desgaste. - Aumento de la resistencia a la corrosión. - Mejoramiento de la maquinabilidad. - Dureza al rojo (Dureza a altas temperaturas). - Aumento de la profundidad a la cual el acero puede ser endurecido (Penetración de temple).
Existen tres categorías de clasificación de estos aceros de aleación: Aceros de Aleación Estructurales que son aquellos aceros que se emplean para diversas partes de máquinas, tales como engranajes, ejes y palancas. Además se utilizan en las estructuras de edificios, construcción de chasis de automóviles, puentes, barcos y semejantes. El contenido de la aleación varía desde 0,25% a un 6%. Aceros de Aleación para Herramientas que son aceros de alta calidad y se emplean en herramientas para cortar y modelar metales y no-metales. Aceros de Aleación Especiales son los aceros inoxidables y aquellos con un contenido de cromo generalmente con un contenido superior al 12%. Estos aceros de gran dureza y alta resistencia a las altas temperaturas y a la corrosión, se emplean en turbinas de vapor, engranajes, ejes y rodamientos. Los elementos de aleación más comunes y su efecto sobre las propiedades del acero son:
Aluminio: Se emplea en pequeñas cantidades actuando como desoxidante y produce un acero de grano fino. Boro: Aumenta la templabilidad (profundidad a la que el acero puede ser endurecido) Cromo: Aumenta la profundidad de endurecimiento y mejora resistencia al desgaste y la corrosión. Cobre: Mejora la resistencia a la corrosión atmosférica.
Manganeso: Actúa como desoxidante y neutraliza los efectos nocivos del azufre. Facilita la laminación y moldeo. Aumenta la penetración del temple y mejora resistencia y dureza. Por sus propiedades constituye un elemento básico de todos los aceros comerciales. Molibdeno: Mediante el aumento de la penetración del temple, mejora las propiedades del tratamiento térmico aumentando, asimismo, la dureza y resistencia a altas temperaturas. Níquel: Mejora las propiedades del tratamiento térmico reduciendo la temperatura de endurecimiento y distorsión al ser templado. En combinación con el cromo aumenta la dureza y la resistencia al desgaste. Silicio: Se usa como desoxidante y endurecedor. Azufre: Aunque se considera normalmente una impureza, aplicado en cantidades importantes (hasta un 3%) aumenta la maquinabilidad de los aceros al carbono y de aleación. Titanio: Actúa como desoxidante e inhibe el crecimiento granular. Aumenta la resistencia a altas temperaturas. Tungsteno: Aporta gran resistencia al desgaste y dureza a altas temperaturas, por lo que se utiliza en la producción de acero para herramientas. Vanadio: Aumenta la dureza, la resistencia a los impactos y la resistencia a la fatiga. Contribuye a la formación de granos de tamaño fino.
Las proporciones en que estos elementos participan de la aleación determinan las propiedades específicas del acero así producido. Una mención especial de debe hacer de los aceros inoxidables, un producto típico del siglo XX que apareció casi simultáneamente en varios países del mundo poco antes de la Primera Guerra Mundial. Muchos estudios permitieron comprender que el alto contenido de carbono en las aleaciones de acero disminuye su resistencia a la corrosión, en tanto que un c ontenido de al menos un 12% de cromo otorga una resistencia a la corrosión que permite hablar de aceros inoxidables. Las innovaciones tecnológicas posteriores a la Segunda Guerra Mundial permitieron un desarrollo muy importante de la capacidad de producción y una consiguiente reducción de los costos de producción, por lo que estos aceros tuvieron una importante baja en el precio. Inicialmente utilizados en la fabricación de cuchillos, las aplicaciones de estos aceros hoy son mucho más amplias y están presentes en diversas formas y productos de la construcción. La acción del cromo se debe a la formación de una muy delgada capa de óxido sobre la superficie del metal que es impermeable e insoluble en el medio corrosivo, lo que sucede solamente en medios oxidantes. El níquel que se agrega a estas aleaciones aumenta la re sistencia en medios ligeramente oxidantes o no oxidantes y contribuye a modificar la estructura del acero dotándolo de mejores características de ductilidad, resistencia mecánica en caliente y soldabilidad. Otras adiciones como el molibdeno y el cobre, mejoran la resistencia a la corrosión por vía húmeda en tanto que el aluminio mejora la resistencia a la corrosión a altas temperaturas. Aceros Patinables o Cortén El acero cortén es un acero común al que no le afecta la corrosión. Su composición química (aleación de acero con níquel, cromo, cobre y fósforo) hace q ue su oxidación tenga unas características especiales que protegen la pieza frente a la corrosión atmosférica. De ahí que este material tenga un gran valor y la oxidación haya pasado a ser voluntaria y controlada. (ver http://www.arquitecturaenacero.org/attachments/article/61/OXID%20Tratamiento%20del%20acero%20CO R-TEN.pdf ) (ver http://www.arquitecturaenacero.org/attachments/article/61/78_ACERO.CORTEN.pdf ) LAMINACION Todos los metales tienen una estructura cristalina, conformados por pequeñas partículas irregulares llamadas granos que, a su vez, están estructurados por átomos de acuerdo a un patrón tridimensional que es único. Estos granos que pueden tener diferentes formas y tamaños, están unidos entre sí y forman la masa del metal. La delgada capa de material entre los granos llamada “límite de granos”, está constituida por una
densa capa de átomos espaciados irregularmente y es l a parte más dura y resistente del me tal. Esto explica que, a menor tamaño de los granos aumenta la proporción del “límite de granos” y, consecuentemente,
aumenta la dureza, resistencia y la resistencia a la corrosión. Los metales de granos más gruesos tendrán
una menor dureza, pero una mayor formabilidad, ductilidad y maquinabilidad. En una condición estable y sin ser sometidos a ninguna carga, los átomos del metal están en sus posiciones normales con sus átomos asociados. En esta posición, el metal está en su condición más blanda. La deformación elástica de un metal se produce cuando las cargas a las que se le somete dejan a lo s átomos ligeramente fuera de su posición normal, a la que pueden volver cuando se remueve la carga. Si la carga es superior, la unión entre los átomos asociados se rompe momentáneamente y éstos se desplazan para asumir una nueva posición con otros átomos asociados. Esto es lo que se conoce como deformación plástica y sucede durante el proceso de laminación. La rotura se produce cuando ante una carga aún más fuerte, se rompen permanentemente las uniones entre los átomos en capas adyacentes y el grano se separa en dos partes. Recordemos las siguientes definiciones: Plasticidad Ductilidad Maleabilidad
Capacidad de deformarse permanentemente sin fractura. Plasticidad bajo tensión Plasticidad bajo compresión
La laminación en caliente es un proceso de forja continua en la que los lingotes (tochos, palanquillas y planchones o las formas provenientes de la colada continua) son reducidos en caliente a un proceso de prensado por rodillos alterando su sección a las formas deseadas dentro del límite de la deformación plástica. En este proceso, los granos son severamente deformados e iniciarán el proceso de recristalizado formando nuevos granos más pequeños que se asociarán eventualmente con otros no distorsionados, por lo que el acero queda libre de tensiones internas. Las ventajas de la laminación en caliente son varias:
Mejoramiento de la dureza, resistencia y ductilidad por la reducción del tamaño de los granos (refinamiento granular). Quiebre de impurezas (inclusiones) y distribución uniforme en el metal. Eliminación de la porosidad de lingote, desapareciendo bajo el efecto de la presión de laminación de sopladuras y bolsas de gases.
Entre las desventajas de este proceso se de be mencionar la oxidación o escamación superficial debido a las altas temperaturas a las que se realiza y la imposibilidad de mantener tolerancias debido a lo anterior. La laminación en frío es un proceso que se realiza a temperatura ambiente en el que la deformación plástica se realiza bajo su temperatura de recristalización. Muchas planchas y flejes laminados en caliente se laminan posteriormente en frío para mejorar el acabado superficial permitiendo lograr una superficie lisa de alta precisión dimensional. Durante el proceso de laminación en frío no se producen recristalizaciones, por lo que las estructura granular se mantiene junto con las tensiones internas, lo que la hace más fuerte y resistente pero reduce su ductilidad. Hay una proporción entre el aumento de la dureza y la p érdida de ductilidad que es controlada por la cantidad de la deformación. En resumen, el resultado de la laminación en frío sobre el metal se traduce en:
Alta distorsión de la estructura granular y tensiones internas en el metal. Aumento de la dureza y reducción de la ductilidad. Acabado liso y brillante y gran precisión dimensional.
En el estiramiento en frío, las barras previamente laminadas en caliente, descamadas por decapado y cubiertas de cal, son estiradas a temperatura ambiente a través de una matriz de sección ligeramente más pequeña que la sección de la ba rra, produciendo una gran distorsión de la estructura granular y altas tensiones internas, lo que aumenta la dureza y la resistencia. Entre sus ventajas podemos mencionar:
Acabado liso, brillante y libre de escamas abrasivas. Aumento de resistencia y dureza Mejoramiento de las tolerancias (de 0,23mm del laminado en caliente a 0,05mm para una ba rra de 25mm de diámetro) Mayor rectitud
Aumento de la maquinabilidad.
El recocido es un proceso que incluye tratamientos térmicos que ablandan el metal y reducen las tensiones internas, lo que después de un enfriamiento controlado, permite lograr varios ob jetivos como reducir la dureza, aumentar la ductilidad y maquinabilidad o producir la micro estructura deseada. Se aplican varios procesos de recocido distintos de acuerdo al objetivo buscado. El recocido a planchas y flejes confiere una estructura sin distorsiones y de grano regular, pero lo deja demasiado blando para la mayoría de las aplicaciones, por lo q ue se debe aplicar un laminado de temple que permite otorgar la dureza especificada y mejorar la superficie hasta lograr una superficie altamente pulida. Durante este proceso la plancha reduce su espesor en proporciones variables entre un 0,5% y un 3%. Laminación de Planchones Las planchas delgadas y los flejes s e producen a partir de los p lanchones, los que calentados a 1200ºC pasan a un laminador continuo de flejes calientes luego del cual se le remueve la escamación abrasiva de l a superficie para pasar a una serie de puestos de acabado en los que mediante el paso entre rodillos, se reduce progresivamente su espesor. Este proceso culmina en una mesa d e enfriamiento por rocío de agua para luego ser enrollada como producto final conocido como plancha delgada laminada en caliente. También es posible someterlo posteriormente a un proceso de laminado en frío que da origen a la plancha delgada laminada en frío. Uno de los productos que más aplicación tiene en la construcción, industria y transporte son las planchas gruesas que se producen, generalmente a partir de planchones, en espesores que varían entre los 6,35 y los 300mm. Este proceso se hace precalentando los planchones previamente en un horno de recalentamiento para luego someterlos a tres tipos de laminado en los laminadores de plancha gruesa por deslizamiento, el laminador de plancha gruesa universal o el laminador continuo. Si es necesario lograr propiedades especiales a las planchas se les dará un tratamiento térmico adecuado. Otro producto común es la fabricación de planchas laminadas en caliente para tubos cuya producción es similar a la producción de flejes pero dejando los bordes ligeramente biselados y dándole el tratamiento apropiado para tolerar las severas operaciones de moldeo y soldadura. La Tubería Soldada Butt se usa con propósitos estructurales para postes y tuberías de gas, agua o deshechos y su proceso de fabricación se hace a partir de planchas recalentadas a su temperatura de moldeo que son alimentadas dentro de un Laminador Moldeador Soldador, Reductor. En este proceso, una serie de rodillos moldean progresivamente la plancha hasta darle la forma de tubo para luego c omprimir los bordes con una presión s uficiente para prensarlos y soldarlos de tope. Posteriormente el Laminador Dimensionador la reduce al diámetro especificado, se corta al largo especificado y se enfría controladamente. La tubería soldada por Resistencia Eléctrica se h ace a partir de un proceso de moldeo en frío pa ra soldarla por resistencia eléctrica. Se emplea principalmente para transportar agua o productos petrolíferos y en aplicaciones mecánicas y/o estructurales.
Laminación de tochos Los principales perfiles estructurales son los ángulos, vigas, canaletas, columnas, barras en forma de Z, vigas
en T y barras de refuerzo y generalmente se laminan a partir de tochos de acero. Al igual que en los casos anteriores, el tocho es recalentado a una temperatura uniforme para pasarlo a través de una serie de puestos de laminación que le dan progresivamente la geometría especificada. Luego de enfriarse los perfiles pasan por un enderezador rotatorio y se aserran en frío al largo deseado. La fabricación de rieles de acero sigue el mismo procedimiento de laminación en caliente que los perfiles. A partir de un tocho se pueden producir aproximadamente 37m lineales de riel, que luego se corta a un largo de 12m para su uso en los ferrocarriles. Laminación de palanquillas La producción de barras de cualquier secc ión (redonda, ovalada, cuadrada, hexagonal, octogonal y los perfiles de secciones especiales o más pequeñas como c analetas y barras en U) se hace en un Laminador de Barras a partir de palanquillas siguiendo el proce dimiento del laminado en caliente. Las barras de menor tamaño se enrollan mientras las de diámetro mayor se enfrían en trozos rectos para ser cortadas al tamaño requerido. Algunas se procesan p osteriormente mediante dimensionamiento, torneado, esmerilado o tratamiento térmico. Debido a que en el proceso de laminación en caliente las barras no pueden laminarse a tolerancias muy precisas y a que dejarán oxidación de superficie o escamación, muchas de ellas serán estiradas en frío para lograr mejoramiento de la calidad de la superficie, mayor precisión dimensional y aumento de la resistencia a la tensión, rigidez y dureza aunque una disminución de la ductilidad. Para lograr esto la barra laminada en caliente debe estirarse pasando a temperatura normal a través de un a matriz de carburo de una sección ligeramente inferior a la sección de la barra. Por efecto de la c ompresión a la que se somete, la estructura granular de la barra se distorsiona y se estira.
En Resumen, la elaboración de los productos semi terminados da origen a los siguientes productos terminados que son, en muchos casos, a su vez materia prima para procesos de transformación subsiguiente: Laminado de Planchones Rollos Laminados en Caliente – RLC Planchas Laminadas en Caliente – PLC Rollos Laminados en Frío – RLF Planchas Laminadas en Frío – PLF Hojalata en Rollos y Láminas Zincalum (Aluzinc) en Rollos y Planchas
Laminado de Tochos Perfiles laminados en caliente y rieles Laminado de Palanquillas Barras para Hormigón Barras para Molienda Alambrón.
PERFILES Y TUBOS 1. PRESENTACION Normalmente los perfiles de acero se pueden clasificar según el tipo de proceso de producción que le da origen, según se detalla a continuación: a) Perfiles Laminados: Los perfiles laminados se producen a partir de la laminación en caliente de palanquillas o tochos hasta darle la conformación deseada. Entre sus características destaca su uniformidad estructural pues no presentan soldaduras o costuras y tienen un b ajo nivel de acumulación de tensiones residuales localizadas. Se distinguen, básicamente en dos grandes familias: a.1. Perfiles de alas paralelas: Los perfiles de ala paralela se producen en secciones tipo “I” y “H”, también denominadas doble T y los
perfiles H de al. Se caracterizan por tener alas perpendiculares al alma, de caras paralelas, rectilíneas y de espesor constante que dejan ángulos redondeados en los encuentros interiores entre el ala y el alma.
Son muy utilizados en la fabricación de estructuras, ya que su geometría paralela y rectilínea facilita las uniones, conexiones y encajes. a.2. Perfiles de alas inclinadas o Normales americanos Los perfiles normales americanos o de alas inclinadas se producen básicamente en secciones tipo “I”, “U” y “L” y se caracterizan por tener los exteriores de las alas perpendiculares al alma, mientras las caras interiores
de las alas presentan una inclinación de h asta un 14% respecto de la cara exterior, por lo que los espesores de las alas son decrecientes. Las uniones entre las caras exteriores e interiores de las alas, así como las uniones entre las alas y el alma, son redondeadas.
b) Perfiles conformados en frío:
Los perfiles conformados en frío o doblados se ob tienen por la conformación de planchas planas en forma de chapas o flejes sin cambiar su temperatura. El proceso se puede hacer mediante plegado, en cuyo caso su longitud está limitada por el largo de la plegadora, (usualmente de entre 3.000 y 6.000mm) y los espesores mayores se sitúan alrededor de los 12mm, también dependiendo de la potencia de la plegadora. Se pueden hacer mediante proceso continuo en una línea perfiladora o “roll former”, en cuyo caso, el largo de fabricación
es continuo y la longitud es teóricamente indefinida, aunque limitada normalmente a medidas comerciales o a limitaciones del transporte. Los espesores máximos en las líneas perfiladoras, difícilmente superan los 6mm. Su característica geométrica principal es que los cantos y vértices que presentan son redondeados. Se producen usualmente en secciones tipo “U”, “C” (o canal atiesado), “L” y algunas variantes según cada
productor (Omega, Sigma, etc.). A diferencia de los tubos, esta familia de perfiles conformados suele denominarse también como perfiles abiertos.
c) Perfiles soldados: Una alternativa frecuentemente utilizada para enfrentar las limitaciones de disponibilidad de perfiles l aminados y responder a exigencias de diseño e specíficas es la producción de perfiles soldados, fabricados a partir de planchas planas de acero que son sometidas a corte, armado y soldadura. Esta estrategia permite obtener una casi ilimitada variedad de formas, geometrías y espesores de perfiles a partir de las secciones o flejes que son empalmados mediante soldadura, normalmente de arco sumergido. Una de las características de los perfiles soldados es que permiten la producción de perfiles de sección variable. El proceso de producción permite desarrollar esta actividad desde instalaciones semi -artesanales a complejas instalaciones industriales. La soldadura produce deformaciones térmicas en las alas, que deben s er compensadas previamente o corregidas luego de su producción.
d) Perfiles electrosoldados La producción de perfiles soldados mediante electrosoldadura por resistencia eléctrica (o electrofusión) permite altas productividades de perfiles en secciones que varían entre 100 y 500mm y espesores entre 3 y 12mm.
e) Perfiles tubulares con costura La fabricación de perfiles tubulares de sección redonda, cuadrada o rectangular, tanto para transporte de fluidos, gases o para efectos estructurales se realiza a partir de procesos continuos o de cilindrado de planchas, según los requerimientos de dimensión y espesor del producto esperado. Estos perfiles, cuando
tienen cierto tamaño y resistencia (espesores superiores a 3mm) se denominan secciones huecas estructurales, siendo su denominación en inglés: HSS. e.1. De producción continua con soldadura por resistencia eléctrica El acero plano en bobinas es previamente seccionado en flejes de acuerdo al desarrollo del perfil tubu lar a producir, siendo cargado en una línea de conformado en frío qu e, en sus etapas previas a la conformación, tiene una etapa de preparación de los bo rdes para luego ser conformado hasta la formación del tubo. En el extremo final se sitúa la estación de s oldadura en la que mediante una corriente eléctrica de alta frecuencia se produce la fusión de los cantos e n contacto. Los excedentes de la soldadura son eliminados por raspadores antes de que se enfríen. La producción de secciones cuadradas o rectangulares se logra posteriormente por deformación por presión lateral del tubo circular.
e.2. Producción continua con soldadura helicoidal por arco sumergido Otra forma de producir tubos soldados en forma continua es mediante soldadura helicoidal por arco sumergido, que permite la construcción de tubos de mayores diámetros (entre 406 y 2540mm) y mayores espesores (entre 4,4mm y 12,6mm) en largos de entre 6 y 12m. e.3. Cilindrados de grandes dimensiones y espesores La producción de tubos es posible a partir del cilindrado de chapas en c ilindradoras que varían en sus características, existiendo las que actúan tanto manualmente como en forma mecánica, neumática o hidráulica. La deformación de la plancha o chapa se produce en un equipo de tres o cuatro cilindros que ejercen presión entre sí conformando un aro llamado virola. Este proceso, que permite la obtención de variados espesores y diámetros, está limitado en la longitud de los cilindros deformadores de la cilindradora, por lo que se deben empalmar longitudinalmente los tramos de plancha cilindrada o virola. El diámetro mínimo de cilindrado depende del espesor de la plancha y del material. Hay procesos hidráulicos que permiten cilindrar hasta planchas de 50mm de espesor y diámetros internos de hasta 840mm, mientras cilindradoras pequeñas están limitadas a espesores máximos de 6mm. f) Perfiles tubulares sin costura El proceso de producción de tubos sin costura se realiza por laminación en caliente de palanquillas redondas (esbozos) mediante un mandril de expansión en un proceso también conocido como extrusión. Y se producen en espesores variables entre 2,9 y 20,6mm y en secciones entre 26,7 y 355,6mm.
VIGAS LAMINADAS Y SOLDADAS Francis Pfenniger Hemos comentado que existen distintas maneras de producir un perfil de acero destinado a su uso en la construcción. En el caso de los elementos estructurales destinados a usarse como vigas, dependiendo de las prestaciones estructurales, es posible usar casi todas las formas de fabricación de perfiles existentes. En efecto, perfiles conformados en frío de secciones y espesores usualmente no muy a ltas, pueden constituir vigas eficientes tanto en forma de perfiles abiertos (perfiles tipo U y/o canales atiesadas, ver más arriba Perfiles Conformados en frío) como en perfiles tubulares de sección cuadrada o rectangular. Son apropiados para edificios de pocas plantas y para e dificios construidos en base a una grilla de apoyos no muy distanciada. Hay algunos ejemplos de edificios de altura media construidos casi íntegramente c on este tipo de perfiles.
Conjunto habitacional Padre Las Casas, Chile Valdivia, Chile
Torreón del Canelo,
Si se aplica la recomendación de pre dimensionamiento para vigas de alma llena generalmente aceptada de que su altura varía entre 1/20 y 1/30 de la luz que salva, (Borgheresi, Pfenniger; Arquitectura y Acero; Icha 2001; Santiago, Chile) se podrá tener una aproximación a las secciones posibles p ara determinadas situaciones estructurales. La no mención de los espesores no es un olvido sino deliberada: la “receta”
mencionada permite una aproximación dimensional a nivel de anteproyecto pero no permite, en ningún caso, obviar el proyecto de cálculo estructural necesario para asegurar el correcto funcionamiento de toda estructura.
VIGAS LAMINADAS Los perfiles laminados, en cualquiera de sus denominaciones, son muy adecuados para el uso en estructuras de distinta configuración y dimensión. Desde luego, existen en secciones y dimensiones mayores a los perfiles conformados en frío y en una muy amplia paleta de alternativas. Entre ellas: Vigas UPN
Se denomina perfil U normal a los perfiles de sección en forma de U. Las caras exteriores de las alas son perpendiculares al alma y las interiores presentan una inclinación del 8% respecto a aquellas (U de caras inclinadas), por lo que las alas tienen espesor decreciente hacia los bordes. Las uniones e ntre la cara interior del alma y las c aras interiores de las alas son redondeadas. Las alas tienen el borde con arista exterior viva e interior redondeada. La anchura de las alas está relacionada con la altura nominal mediante la fórmula siguiente: b =h/4 + 25 mm.
Vigas UPE
Se denomina perfile UPE o Perfil U europeo de caras paralelas a los perfiles U cuyas alas son de caras paralelas y que tienen bordes con aristas vivas tanto interiores como exteriores. El encuentro del ala con el alma es redondeado. Perfil I Normal (IPN)
Se denomina perfil I normal o doble T normal (IPN), al perfil cuya sección tiene forma de I, también denominada doble T. Las caras exteriores de las alas son perpendiculares al alma y las interiores presentan una inclinación del 14% respecto a las exteriores. El resultado es un perfil que tiene alas con sus caras interiores inclinadas que tienen espesor decreciente hacia los bordes. Las u niones entre las caras del alma y las caras interiores de las alas s on redondeadas y tienen el borde con arista exterior viva e interior
redondeada.
Vigas IPE
Se denomina perfil IPE o doble T de caras paralelas, a un perfil de sección en forma de I, también denominada doble T. Las caras exteriores e interiores de las alas son perpendiculares al alma, por lo que tienen espesor constante y caras paralelas. Las uniones entre las caras del alma y las caras interiores de las alas son redondeadas. Las alas tienen el borde con aristas exterior e interior vivas. La relación entre la anchura de las alas (b) y la altura (h) se mantiene inferior a 0,66.
Vigas HEA
Se denomina perfil HEA o viga de ala ancha y caras paralelas, a los perfiles que tienen sección en forma de H. Las caras exteriores de las alas son perpendiculares al alma, por lo que tienen espesor constante y caras paralelas. Las uniones entre las caras del alma y las caras interiores de l as alas son redondeadas. Las alas tienen el borde exterior e interior con aristas vivas. El perfil HEA es más ligero, con menores espesores de alma y alas, que el perfil HEB.
Vigas HEB
Se denomina perfil HEB o viga de alas anchas y caras paralelas, a un perfil de sección en forma de H. Las caras exteriores e interiores de las alas son perpendiculares al alma, por lo que tienen espesor constante o caras paralelas. Las uniones entre las caras del alma y las caras interiores de las alas son redondeadas. Las alas tienen el borde exterior e interior con aristas vivas. También existen las vigas WF o vigas americanas I o H de alas paralelas. Se denominación más frecuente hace referencia a la altura en mm (o en pulgadas) y al peso por metro lineal de perfil en kilos (o libras) Para encontrar el detalle de dimensiones y características de los distintos tipos de perfiles laminados producidos en America Latina recomendamos usar el buscador de productos desarrollado por ALACERO en el siguiente link http://productos.alacero.org/FrameBuscadorProd.aspx?idioma=ESP Para el pre dimensionamiento de los perfiles laminados a ser empleados como vigas sirve, e n términos generales, la misma fórmula señalada presentemente, con las mismas advertencias respecto de la necesaria concurrencia de un proyecto de cálculo estructural.
VIGAS SOLDADAS Los perfiles laminados se encuentran en configuraciones muy adecuados para aplicaciones estructurales con una muy amplia gama de aplicaciones en distintos tipos de proyectos, a lgunos de los cuales han sido comentados en estas páginas.
construccion.php
http://www.copromet.cl/proyectos-
Sin embargo, es posible que por las exigencias estructurales de algunos proyectos no se encuentren disponibles perfiles laminados en las dimensiones adecuadas al proyecto de cálculo. En tal caso, las soluciones posibles con frecuencia recurren a la fabricación de perfiles especiales, los que s e elaboran en talleres a partir de planchas. Es una práctica común y muy conveniente el revisar la disponibilidad local de perfiles laminados antes de iniciar un determinado proyecto. Como se ha comentado, la soldadura (ver uniones y conexiones) otorga una gran r igidez a las conexiones y, si está bien ejecutada, asegura la continuidad estructural del material a costos generalmente razonables. La fabricación de perfiles en base a uniones soldadas ejecutadas en las condiciones controladas de un taller asegura una unión probablemente perfecta y permite diseñar y fabricar los perfiles más a decuados a las exigencias del proyecto de cálculo estructural. No son sólo las condiciones ambientales o ergonométricas en las que trabaja un posible operador o soldador las que hacen e ficiente y seguro el trabajo de fabricación en taller. También las tecnologías de corte y soldadura, hoy altamente tecnificadas (desde corte y soldadura por oxiacetileno, corte y soldadura al arco, soldadura por arco sumergido o corte por plasma), permiten configurar los perfiles según requerimiento e incorporarles, en el mismo momento, los elementos complementarios que permitan materializar buenas y eficientes conexiones en terreno.
Puente Amolanas - www.Skyscrapercity.com
Es frecuente que proyectos de gran envergadura, como se presentan en puentes o grandes proyectos industriales, recurran a este tipo de soluciones. Hoy en la mayoría de las regiones, el proceso de transformación del acero ha mostrado grandes progresos en los que la tecnificación e industrialización de los
procesos de fabricación, de la mano de las tecnologías CAD-CAM, permite soluciones muy eficientes y competitivas.
Puente Río Maule, Chile - http://www.edyce.com/main/proyecto/obras#
Puente Tranapuente www.edyce.com
Otra aplicación de los perfiles soldados es en proyectos que, por decisiones de diseño o por optimización de las estructuras, se recurre a vigas de sección variable. En tales casos, no existe otra alternativa (por el momento, al menos) que recurrir a la fabricación en talleres o maestranzas. En algunos casos, la fabricación
de perfiles de sección variable se puede lograr optimizando la sección de una viga laminada. Una variante de esta alternativa la conforman las vigas alveolares y/o perforadas, como las mostradas en el proyecto de Megacentro de Bodegas Cimenta, publicado en este mismo sitio. En la fotografía que sigue se aprecia tanto una sección de viga de sección variable en la llegada al nudo de una viga perforada. A su vez, la solución de la columna y del nudo mismo, está realizada en base a la fabricación soldada en taller.
Megacentro de Bodegas Cimenta http://www.arquitecturaenacero.org/index.php?option=com_content&view=article&id=490:megacentro-de-bodegascimenta&catid=8:edificios-para-la-industria&Itemid=18
CURVADO DE PERFILES Y TUBOS DE ACERO Francis Pfenniger Con frecuencia, en los procesos de pro yecto surge la necesidad (o la voluntad) de c urvar ciertos perfiles para dar una determinada solución al diseño. A partir de lo anterior se plantean dudas sobre la posibilidad efectiva de doblar algunos de los diferentes tipos de perfiles y tubos de acero disponibles en el mercado. Para dar respuesta a estos requerimientos existen, básicamente, dos soluciones que son, el proceso en frío y el proceso en caliente por inducción de alta frecuencia. Como es de imaginar, la formación de una curva con un perfil varía de acuerdo al tipo de perfil y al sentido de la curvatura y exige control de las deformaciones en la cara interior o cóncava del perfil curvado (que recibe esfuerzos de compresión) y en la cara exterior o convexa del perfil curvado (que recibe esfuerzos de tracción). Si estos esfuerzos sobrepasan ciertos límites, se pueden producir fisuras, desgarramientos y deformaciones en el perfil que afecten su comportamiento estructural y también su apariencia. Muchas industrias, talleres y maestranzas suelen tener instalaciones que les permiten resolver estos desafíos. Sin embrago, como se trata de un servicio específico, con frecuencia es desarrollado sólo por industrias o talleres de alta especialización que ofrecen los servicios de transformación o maquila. El más frecuente y más accesible proceso de c urvado suele ser el proceso en frío, en el cual, mediante un juego de tres rodillos o cilindros deformadores controlados hidráulicamente, se someten los distintos tipos de perfiles a un proceso de deformación controlada que evita las tensiones e xcesivas en las caras traccionadas y comprimidas del perfil. Para cada tipo de perfiles y para ca da dimensión se debe contar con un juego de rodillos o mordazas que se adecúen a él.
Fuente www.ebremetal.com
Fuente: http://www.carellcorp.com
También existen soluciones de dobladoras manuales, pero tienen mayores limitaciones de dimensiones y espesores de perfiles posibles de doblar.
Fuente: http://www.rothenberger.com
En términos generales se pueden doblar perfiles en cualquiera de los sentidos de la g eometría, aunque existen ciertos radios de curvatura mínimos que varían según geometría y espesores. Adicionalmente, estas limitaciones están definidas por las características de los equipos disponibles, por lo que es recomendable verificar esta condición antes de completar el diseño.
Fuente http://www.curvadoscdp.com/
Fuente: http://www.curvadoscdp.com/
Por último, cuando las condiciones de diseño no se adecúan a las posibilidades de doblado, siempre existe la posibilidad de hacer curvas a partir de elementos planos y curvar solo en el sentido perpendicular al plano, recortando la curva deseada en el otro plano y conformando el perfil mediante soldadura. Otra alternativa es hacer la curva a partir de casquetes o segmentos. Estas opciones suelen usarse en condiciones de grandes dimensiones o grandes radios de curvatura
BARRAS, CABLES Y MALLAS Aquí presentaremos la diversidad de elementos tipo barras, cables y mallas, algunas de sus aplicaciones y soluciones, catálogos y vínculos con las empresas productoras y proveedoras. Como se ha mencionado, a partir de los elementos semi terminados llamados palanquillas se produce la familia de los llamados elementos largos, entre los que encontramos principalmente las barras y el alambrón. Unos y otros son a su vez materia prima para el desarrollo de nuevos productos elaborados, como el alambre que a su vez permite la conformación de cables o las mallas electrosoldadas. La Barra es un elemento de sección maciza en que predomina la longitud. La geometría de la sección es variable y puede ser redonda, cuadrada, rectangular, oval o de diseño específico. Las barras de sección redonda son las que se emplean como barras de refuerzo en estructuras de hormigón armado y ferrocemento, entre las que existen las barras lisas, barras estriadas o con resalte, y barras reviradas e frío. Los diámetros inferiores a 12mm se pueden conformar en rollos, mientras las secciones superiores normalmente se comercializan en tiras de un largo referencial 6,0m a 12,0m. .
Alambrón se denomina al producto largo de sección circular que se obtiene por laminación en caliente y enrollado, a partir de palanquilla. El alambrón es comúnmente trefilado para producir alambres de diversas calidades y también para la fabricación de pernos y clavos. Alambre se le llama a una barra de sección circular de secciones hasta 4mm de diámetro que se produce en rollos a partir del alambrón. Existen diversos tipos de alambres que varían de acuerdo al contenido de carbono y de los demás componentes de la aleación del acero. También existen recubiertos. Los Cables son un haz de alambres, se producen en diversas calidades de acero según su aplicación y uso. También existen recubiertos. Las aplicaciones de cables en la construcción van desde los cables de pretensado, para estructuras de hormigón pre y postensado, hasta las estructuras tensadas de las cuales hay ejemplos destacados en la arquitectura reciente. Quien puso la piedra fundacional de esta técnica fue el ingeniero ruso Vladimir Schuchov. En 1896 se construyen dos pabellones en la exposición de "Todas las Rusias" con sus sistema de cubiertas estructuradas en cables tensados apoyados sobre columnas compuestas de hierro. Más obras se pueden visitar en nuestro sitio en el menú "clases teóricas", en el curso de construcción en acero de Ilafa del arquitecto Sandro Maino o ver en http://www.construccionenacero.com/.
Las mallas electrosoldadas se producen en diferentes secciones y dimensiones y son de uso frecuente en la construcción en refuerzos para hormigón como en cierros. Existen además soluciones recubiertas.
Grating (ver) es una malla rígida o reja electro soldada fabricada con chapa de acero al carbono que tiene diversas aplicaciones, desde pisos industriales –su uso más conocido y frecuente- hasta aplicaciones como quiebra vistas o cerramientos como hemos presentado en algunos proyectos (ver Studio Kase ). También existen placas de grating confeccionadas en otro tipos de acero, como acero inoxidable, por ejemplo (ver Suba Restaurant).
Normalmente la reja se conforma por un entramado metálico compuesto por planchuelas o pletinas de 25mm a 50mm de altura x 2 a 3mm de espesor dispuestas de canto, distanciadas entre 25 y 50mm entre sí. Estas pletinas suelen conectarse, además, por hierros redondos de cruce de diferentes diámetros a un distanciamiento variable entre 50 y 100mm. El conjunto va enmarcado con una pletina de borde de altura proporcional a las pletinas interiores y de un espesor de 3mm, soldada en puntos de unión. Las dimensiones y diseños pueden variar de acuerdo a requerimientos de proyectos y a procesos productivos de cada fabricante. Aunque se fabrica en acero al carbono y se puede terminar con distintos tipos de protección y acabado, es frecuente su uso con protección a la corrosión mediante galvanizado por inmersión en y Metalización). caliente (ver Galvanización Su uso más frecuente en la construcción industrial es para la c onformación de plataformas, pasarelas, pisos y entrepisos, así como puentes, montacargas, rampas, estribos, escaleras, etc. Además se usa mucho en productos estandarizados y modulares como escalones, descansos y alcantarillas. La fabricación de grating en acero inoxidable, es muy especial para la industria alimenticia, petroquímica, vitivinícola y farmacéutica. Últimamente se ha aplicado con soluciones de gran interés arquitectónico en soluciones de cerramientos y quiebra vistas. También su aplicación como piso o pavimento ha derivado desde las aplicaciones industriales a otro tipo de edificaciones, como edificios educacionales,
UNIONES Y CONEXIONES La construcción en estructuras metálicas debe entenderse como prefabricada por excelencia, lo que significa que los diferentes elementos que componen una estructura deben ensamblarse o un irse de alguna manera que garantice el comportamiento de la estructura según fuera diseñada. El proyecto y detalle de las conexiones puede incidir en forma significativa en el costo final de la estructura. La selección del tipo de conexiones debe tomar en consideración el comportamiento de la conexión (rígida, flexible, por contacto, por fricción, etc.), las limitaciones constructivas, la facilidad de fabricación (accesibilidad de soldadura, uso de equipos automáticos, repetición de elementos posibles de estandarizar, etc.) y aspectos de montaje (accesibilidad para apernar o soldar en terreno, equipos de levante, soportes provisionales y hasta aspectos relacionados con clima en el lugar de montaje, tiempo disponible, etc.). Hoy en día estas variables se analizan en forma conjunta e integral, bajo el concepto de constructividad, materia en la que el acero muestra grandes ventajas. Remaches en caliente o roblones Las primeras estructuras metálicas empleadas en los puentes a mediados del siglo XIX se construían a partir de hierro colado y/o forjado, materializándose las uniones mediante remaches en caliente o roblones. Para hacer este tipo de uniones, las planchas que s e debían unir se perforaban en un régimen que se determinaba por cálculo, reforzando los empalmes y traslapes con planchas igualmente perforadas de acuerdo al mismo patrón. Muchas veces estas planchas adicionales llegaron a representar hasta el 20% del peso total de la estructura. Los roblones o remaches tienen una cabeza ya preformada en forma redondeada y se colocan precalentados a una temperatura de aprox. 1.200ºC, pasándolos por las perforaciones y remachando la cara opuesta hasta conformar la segunda cabeza. Al enfriarse, su caña s ufrirá una contracción que ejercerá una fuerte presión sobre los elementos que se están uniendo. Este sistema de co nexión funciona por la enorme dilatación térmica del acero que permite que, aún elementos relativamente cortos como los roblones, se contraigan significativamente al enfriarse desde los 1.200ºC hasta la temperatura ambiente. (El coeficiente de
expansión lineal del acero es 0,0000251 x lo ngitud del elemento x diferencial de temperatura = contracción/expansión de la p ieza ). En la práctica, este procedimiento está superado por el desarrollo y evolución del acero como de las posibilidades de unirlo. Hoy existen básicamente dos procedimientos para materializar las uniones entre los elementos de una estructura metálica: las Uniones Soldadas y las Uniones Apernadas. Soldadura La soldadura es la forma más común de conexión del acero estructural y consiste en unir dos piezas de acero mediante la fusión superficial de las caras a unir en presencia de calor y con o sin aporte de material agregado. Cuando se trabaja a bajas temperaturas y con aporte de un material distinto al de las partes q ue se están uniendo, como por ejemplo el estaño, se habla de s oldadura blanca, que es utilizada en el caso de la hojalatería, pero no tiene aplicación en la confección de estructuras. Cuando el material de aporte es el mismo o s imilar al material de los elementos que se deben unir conservando la continuidad del material y sus propiedades mecánicas y químicas el calor debe alcanzar a fundir las caras expuestas a la unión. De esta forma se pueden lograr s oldaduras de mayor resistencia capaces de absorber los esfuerzos que con frecuencia se presentan en los nudos. Las ventajas de las conexiones soldadas son lograr una mayor rigidez en las conexiones, eventuales menores costos por reducción de perforaciones, menor cantidad de acero para materializarlas logrando una mayor limpieza y acabado en las estructuras. Sin embargo, tienen algunas limitaciones importantes que se relacionan con la posibilidad real de ejecutarlas e inspeccionarlas correctamente en obra lo que debe ser evaluado en su momento (condiciones ergonométricas del trabajo del soldador, condiciones de clima, etc.) Hoy en día, una tendencia ampliamente recomendada es concentrar las uniones soldadas en trabajos e n el taller y hacer con exiones apernadas en obra. Las posiciones de soldadura típicas son: plana, vertical, horizontal y sobre c abeza; y expresan parcialmente las dificultades de la soldadura en terreno
Fuente: Indura en Véliz S, Sebastián; Seminario FAU 2009
Los tipos de conexiones de perfiles y planchas por soldadura son las siguientes:
Fuente: Indura en Véliz S, Sebastián; Seminario FAU 2009 Por su parte, los tipos de soldaduras que se pueden practicar se detallan en el s iguiente esquema:
Fuente: Indura en Véliz S, Sebastián; Seminario FAU 2009
A su vez, hay diferentes formas de practicar los biseles en los perfiles o planchas a soldar:
Fuente: Indura en Véliz S, Sebastián; Seminario FAU 2009
Entre los variados tipos de soldadura se p ueden mencionar:
Soldadura Oxiacetilénica, en que la temperatura se logra encendiendo una mezcla de gases de oxígeno y acetileno en el soplete capaz de fundir los bordes de las planchas a unir a la que se le agrega el material de aporte proveniente de una varilla con la que se rellena el borde a soldar. El principio de la soldadura con mezcla de oxígeno y acetileno se emplea también en el corte de planchas.
Soldadura al Arco, los procesos más utilizados hoy s on la soldadura por arco eléctrico en qu e se genera un arco voltaico entre la pieza a soldar y la varilla del electrodo que maneja el operador que produce temperaturas de hasta 3.000ºC. Los materiales que revisten el electrodo se funden con retardo, generando una protección gaseosa y neutra en torno al arco eléctrico, evitando la oxidación del material fundido a tan alta temperatura. Este proceso puede ser manual, con electrodo revestido o automática con arco sumergido.
Soldadura por Electrodo Manual Revestido (Stick Metal Arc Welding) Consiste en un alambre de acero, consumible, cubierto con un revestimiento que se funde bajo la acción del arco eléctrico generado entre su extremo libre y la pieza a ser soldada. El alambre soldado constituye el metal de relleno, que llena el vacío entre las partes, soldándolas.
Fuente: Curso Ilafa, arquitecto Sandro Maino Ansaldo
Soldadura por arco sumergido (Submerged Arc Welding) Para la soldadura de arco sumergido se emplea un equipo compuesto de un alambre de acero desnudo, asociado a un dispositivo inyector de fundente. Al generarse el arco eléctrico, el alambre se funde soldando las partes y el fundente es depositado sob re la soldadura, protegiéndola. El proceso de arco sumergido, es un proceso industrial que al ser automático le confiere mayor calidad a la soldadura.
Fuente: Curso Ilafa, arquitecto Sandro Maino Ansaldo
La soldadura por resistencia se logra generando el arco voltaico entre dos electrodos que están presionando las planchas a unir, el que encuentra una resistencia en las planchas generando una alta temperatura que las funde y las une. Se emplea principalmente en la unión de planchas superpuestas como soldadura de punto. También se aplica entre electrodos en forma de rodillos generando una soldadura de costura. En el cálculo de las estructuras, la r esistencia de las uniones está dada por la longitud de la soldadura en el sentido longitudinal de los elementos traccionados o comprimidos. Cada unión deberá tener determinada cantidad de centímetros lineales de soldadura. Sin embargo, esta situación es, frecuentemente, imposible de lograr, especialmente si se está trabajando con perfiles de menor tamaño. Para suplir esta dificultad se
agregan planchas en las uniones llamadas “gousset”, cuyo único objeto es permitir conexiones entre
elementos a unir y lograr el largo de soldadura requerido para el nudo. La soldadura es una operación que requiere un trabajo delicado, realizado por un operario calificado. Una soldadura mal realizada puede quedar porosa y frágil y expone a la totalidad de la estructura a un desempeño diferente al que ha sido diseñado con el consecuente riesgo de colapso. En muchos países la calificación de los soldadores se hace ante instituciones certificadoras y debe revalidarse cada cierta cantidad de años. Conexiones apernadas Otra forma frecuente de materializar uniones entre elementos de una estructura metálica es mediante pernos. Hoy, el desarrollo de la tecnología ha permitido fabricar pernos de a lta resistencia, por lo que estas uniones logran excelentes resultados.
Pernos y uniones apernadas: Fuente: Curso Ilafa, arquitecto Sandro Maino Ansaldo
Ha sido generalmente aceptado que es mejor que las uniones soldadas se realicen en taller o maestranza, en que se puede trabajar en un ambiente controlado, en forma automatizada (soldadura de arco sumergido, por ejemplo) o con los operadores en posiciones s uficientemente cómodas para garantizar un buen cordón de soldadura. Asimismo, en taller es mucho más factible el someter las soldaduras a un exigente control de calidad, que incluye la certificación mediante rayos-x o ultrasonido de las soldaduras, lo que en terreno frecuentemente es costoso y a veces imposible de realizar. En concordancia con lo anterior, la tendencia actual y c reciente es a realizar las uniones apernadas en terreno (cuya inspección y control de obra es mucho más fácil y económica de hacer) y las uniones soldadas en taller. Aún así, la construcción y materialización de estas uniones apernadas requiere de un cuidadoso y detallado planeamiento en los planos de fabricación, cuya precisión milimétrica debe ser estrictamente respetada en la maestranza a fin de evitar descalces o problemas en el montaje. Entre las ventajas de las uniones apernadas se cuenta con que existe una amplia gama de dimensiones y resistencia, no se necesita una espe cial capacitación, no exige un ambiente especial para el montaje y simplica los procesos de reciclado de los elementos. Tornillos Los tornillos son conexiones rápidas utilizadas en estructuras de ac ero livianas, para fijar chapas o para perfiles conformados de bajo espesor (steel framing). Las fuerzas que transfieren este tipo de conexiones son comparativamente bajas, por lo que normalmente se tienen que insertar una cantidad mayor de tornillos (hay que tener presente que los tornillos deben ser utilizados preferentemente para unir chapas delgadas). Los tornillos pueden ser autorroscantes o autoperforantes (no necesitan de perforación guía y s e pueden utilizar para metales más pesados). Entre las ventajas de estas conexiones hay que destacar que son fáciles de transportar, existe una gran variedad de medidas, largos, diámetros y resistencia; y finalmente, que son fáciles de remover, factor importante para el montaje y desmontaje de los componentes de la estructura.
Diseño de Uniones Un aspecto importante en el diseño de uniones y conexiones es la determinación, que se debe hacer en la etapa de proyecto de estructura, del tipo de conexión que se diseña: si es rígida o articulada (flexible). Se llaman conexiones rígidas aquellas que conservan el ángulo de los ejes entre las barras que se están conectando, en tanto serán articuladas o flexibles, aquellas que permitan una rotación entre los elementos conectados (aunque en la realidad no existan conexiones 100% rígidas ni 100% flexibles). Ambas se pueden ejecutar por soldadura o apernadas, pero será determinante el diseño, el uso de elementos complementarios (ángulos, barras de conexión, nervaduras de refuerzo, etc.), las posición d e los elementos de conexión y las holguras y/o los elementos que permitan la rotación relativa de un elemento respecto del otro.
Uniones Rígidas: Reliance Control factory, Swindon (1967) Richard Rogers flexibles: Aeropuerto Stansted
Uniones articuladas o
Más información respecto de lo anterior se po drá encontrar en los cursos que s e presentan en este mismo sitio > ver
CONEXIONES EN ACERO…¿Apernadas o soldadas? Francis Pfenniger - arquitecto Editor www.arquitecturaenacero.org
1. Introducción
Hemos comentado en varias oportunidades que construir en acero es, esencialmente, asumir una construcción prefabricada. Por otra parte, más allá de las múltiples ventajas que representa la construcción prefabricada que también hemos comentado reiteradamente, hay que tener en consideración que, también en esencia, prefabricar es unir . Así, construir en acero es, en esencia también, unir o conectar. En efecto, ningún sistema o método de construcción prefabricada, cualquiera sea el material con que ella se ejecute, puede hacer abstracción de la necesidad de ocuparse en detalle de los sistemas y elementos con que las partes prefabricadas han de unirse para conformar la estructura o la totalidad del edificio. Las conexiones son como el adhesivo que mantiene las partes de la estructura unidas y permite que absorban las cargas a las que están sometidas. Son pues, un aspecto crítico en el comportamiento de la estructura. Se ha demostrado que, históricamente, la mayor recurrencia de fallas estructurales mayores en las estructuras de acero se debe a fallas en los sistemas de conexiones. Las conexiones –y su diseño- dependen de cuatro factores principales:
Tipo de cargas –el tipo y dirección de los esfuerzos que convergen sobre una conexión es determinante de su diseño. Resistencia y rigidez –de los elementos y de las c onexiones. Economía – las conexiones tienen una relación directa con el costo total de la estructura. (Conexiones repetitivas pueden tener un impacto importante en la reducción de costos) Dificultad de ejecución – aunque una conexión puede ser muy eficiente en relación al uso de los materiales (y en consecuencia, ser razonablemente económica) aún puede significar un costo importante en obra en función de su c omplejidad.
2. Tipos de conexiones en acero Según AISC, las conexiones se clasifican en función de su relación momento -rotación y son, básicamente, de tres tipos: conexiones simples, conexiones rígidas (FR) y conexiones semi rígidas (PR). Sin perjuicio de lo anterior, agregamos al final las conexiones con diagonales o arriostramientos que, no siendo una conexión propiamente dicha, constituyen una solución interesante de tener en cuenta. Su incorporación en el texto responde más bien a un ordenamiento de temas afines que faciliten la c omprensión.
Conexiones Simples: Las conexiones simples o de co rte son conexiones muy comunes en construcción en acero. Se asume que las conexiones de corte no transfieren momentos flectores, permitiendo la rotación en el extremo del miembro. Las conexiones simples se pueden materializar conectando el alma del elemento soportado mientras las alas quedan desconectadas. Las conexiones simples en vigas o enrejados deben s er diseñadas como flexibles y se permite dimensionarlas solamente para reacciones de corte, excepto que se indique lo contrario en los documentos de diseño. Las conexiones flexibles de vigas deben ser capaces de acomodar las rotaciones de los extremos de las vigas calculadas como simplemente apoyados.
(Fuente ALACERO: MÓDULO DE UNIONES APERNADAS Y SOLDADAS, departamento de Ingeniería Macro Steel Project, ver anexos abajo, al final del artículo)
Si bien es cierto que las conexiones simples o de corte poseen algo de restricción rotacional, como lo ilustra la curva A de la Figura 3, esta magnitud es comúnmente ignorada y la conexión es idealizada como totalmente flexible.
Comportamiento de la conexión simple o de corte (Fuente ALACERO: MÓDULO DE UNIONES APERNADAS Comportamiento APERNADAS Y SOLDADAS, departamento departamento de Ingeniería Macro Steel Project, ver anexos abajo, al final del artículo)
Los ángulos para las conexiones de c orte se pueden fijar tanto mediante soldadura como mediante pernos.
Conexiones Rígidas (FR): Las conexiones rígidas o de momento deberán proveer continuidad entre el elemento soportado y el soportante conservando inalterado el ángulo entre ellos durante la deformación producto de la acción de las fuerzas sobre el nudo. Así, las conexiones rígidas deben proveer suficiente resistencia y rigidez para mantener el ángulo constante entre los miembros conectados durante la aplicación de las cargas y evitar toda rotación relativa entre el elemento soportado y el elemento soportante. Por lo mismo, las deformaciones de flexión se producen en los miembros (pilares o vigas) que convergen al nudo. Las conexiones de momento completamente restringidas en los extremos empotrados de vigas y enrejados deben ser diseñadas para el efecto combinado de fuerza de momento y de corte inducidos por la rigidez de las conexiones. Las alas del elemento soportado se contactan directamente al elemento soportante o a una placa de conexión. Las conexiones consideradas como totalmente rígidas raramente proporcionan una rotación cero entre los miembros, sin embargo, esta flexibilidad es generalmente ignorada.
Comportamiento de la conexión de momento Comportamiento (Fuente ALACERO: MÓDULO DE UNIONES APERNADAS Y SOLDADAS, departamento de Ingeniería Macro Steel Project, ver anexos ver anexos abajo, al final del artículo)
Fuente Clases teóricas Alacero, Prof. Sandro Maino, ver en anexos Clases teóricas
Ante la acción de fuerzas fuerzas horizontales Importantes Importantes (sismos) la conexión conserva el ángulo entre columnas y vigas mientras se induce deformación en las columnas y vigas.
Conexiones Semi Rígidas (PR): Las (PR): Las conexiones de momento parcialmente restringida, poseen un ángulo intermedio entre la flexibilidad de la conexión simple o de corte y la rigidez total de la conexión de momento FR. Las conexiones de momento PR son permitidas sobre la e videncia de que las conexiones a usar son capaces c apaces de proporcionar, como mínimo, un previsible porcentaje de empotramiento.
Conexión de momento parcialmente restringida (PR) (Fuente ALACERO: MÓDULO DE UNIONES APERNADAS Y SOLDADAS, departamento de Ingeniería Macro Steel Project, ver anexos ver anexos abajo, al final del artículo)
Comportamiento de la conexión de momento PR. Comportamiento (Fuente ALACERO: MÓDULO DE UNIONES APERNADAS Y SOLDADAS, departamento de Ingeniería Macro Steel Project, ver anexos abajo, al final del artículo)
3. Conexiones con diagonales Como se mencionara antes, los esfuerzos laterales inducidos por sismos o vientos, tienden a deformar el edificio como se muestra en la figura a) siguiente. Las c onexiones de momento, aunque eficaces, demandan una gran rigidez y resistencia a la conexión lo que representa importantes impactos en el material y costo de la conexión. Una alternativa que permite contrarrestar el efecto de la deformación y reducir significativamente los costos son las conexiones mediante diagonales. Si la fuerza horizontal es aplicada desde la izquierda, una diagonal como se señala en la figura b) s iguiente permitiría evitar la deformación. Sin embargo, las fuerzas horizontales pueden presentarse tanto en un sentido como en el con trario, por lo que se deberá contrarrestar la deformación en el sentido contrario mediante la diagonal complementaria, como se aprecia en la figura c ) siguiente.
Fuente: Arquitectura y Acero; Borgheresi, Pfenniger; ICHA 2001
Estas diagonales, conocidas como arriostramientos, presentan distintas soluciones según las condiciones de diseño que afectan al marco. Lo que hay que tener presente es que, según la dirección de la fuerza, los esfuerzos en las diagonales serán, alternadamente, de tracción y de c ompresión. Aunque estas diagonales se podrían disponer sólo en un sentido, dicho elemento único tendrá que as umir tanto los esfuerzos de tracción como los de compresión. Sin embargo, el acero es menos eficiente a la compresión, entre otros aspectos, por el efecto de la deformación de pandeo, lo que haría probablemente más robusto y pesado dicho elemento. Una solución económica es disponer de las diagonales en ambos sentidos a fin de pr ivilegiar el trabajo conjunto de tracción en una dirección y c ompresión en la otra. Es usualmente aceptado que una estructura de marcos arriostrados es significativamente más liviana (y económica) que una estructura de marcos (y uniones) rígidas. Sin embargo, en muchos casos la disposición de las diagonales afecta aspectos arquitectónicos y funcionales, como, por ejemplo, la posición de ventanas y puertas en las fachadas, o la libre o rganización de las plantas interiores. Existen varias formas de hacer los arriostramientos y de posición de las diagonales que permiten resolver p arte de estas limitaciones.
Fuente Clases teóricas Alacero, Prof. Sandro Maino, ver en anexos Clases teóricas
Una alternativa que permite dar mayor flexibilidad al espacio son las soluciones de arriostramientos excéntricos que, adicionalmente son interesantes desde el punto de vista del funcionamiento de la estructura puesto que dejan en las vigas zonas de deformación plástica que pueden ser muy eficientes para disipar energía ante deformaciones muy elevadas sin afectar la estabilidad de la estructura. En la práctica, la formación intencionada de rótulas plásticas asegura una mayor robustez del edificio y además, una menor probabilidad de colapso frente a esfuerzos cortantes
Arriostramientos en “V” invertida – Obra Gruesa Edificio Municipalidad de Macul, Santiago de Chile. Cálculo Estructural
Sergio Contreras.
Ejemplos de conexiones de diagonales (Fuente ALACERO: MÓDULO DE UNIONES APERNADAS Y SOLDADAS, departamento de Ingeniería Macro Steel Project, ver anexos abajo, al final del artículo).
4. Conexiones soldadas La soldadura es la forma más co mún de conexión del acero estructural y c onsiste en unir dos piezas de acero mediante la fusión superficial de las caras a unir en presencia de calor. Se ejecuta con o sin aporte de material agregado. Son procedimientos que mediante la aplicación de energía manifestada en calor y/o presión permiten lograr la unión íntima y permanente de elementos metálicos dejándolos con la continuidad apta para que trabajen mecánicamente como un todo homogéneo, conservando sus cualidades físicas (ver en soluciones constructivas, uniones y conexiones, soldadura). Si la soldadura ha sido c onvenientemente realizada deberá permitir que la zona de unión posea las mismas propiedades mecánicas que las piezas que se han unido, conservando sus c ualidades de trabajo a tracción, compresión, flexión, etc. En general, se reconoce a la soldadura algunas ventajas como el otorgar mayor rigidez a las conexiones, demandar menor cantidad de acero para materializar la conexión y permitir una significativa reducción de costos de fabricación. Adicionalmente se le reconoce como ventajas el evitar las perforaciones en los elementos estructurales y simplificar los nudos complejos. Sin embargo, se le reconocen también algunas desventajas, como las ya mencionadas dificultades que representa la soldadura en obra y el demandar mayores calificaciones a los operarios en obra para soldar que para hacer uniones apernadas. Lo anterior hace que las conexiones soldadas en obra sean mucho más costosas que las soluciones apernadas, lo que se replica en los costos y dificultades de las inspecciones requeridas a las faenas de soldadura. Las propiedades resistentes de la sección de una soldadura o de un grupo de soldadura, se determina considerando su longitud y garganta efectiva. Los tipos de soldadura más comunes son las soldaduras de filetes, soldaduras de penetración parcial, soldaduras de penetración completa y soldaduras de tapón. Los detalles y exigencias de cada una de ellas se Especificación ANSI/AISC 360-10 para construcción en acero, versión oficial en español de ALACERO (que se encuentra en los anexos y en: http://www.construccionenacero.com/noticias/Paginas/DescargagratuitaversiónenespañoldelaEspecificaciónA NSIAISC360-10.aspx) y, además en el documento anexo de ALACERO: MÓDULO DE UNIONES APERNADAS Y SOLDADAS, departamento de Ingeniería Macro Steel Project, y en las tablas correspondientes, todas concordantes con AISC 2005.
Más allá de todo lo allí detallado, sin embargo, la recomendación de base es, en la medida de lo posible, hacer las conexiones soldadas en taller, aunque esto no siempre es posible.
5. Conexiones apernadas
Como está dicho, a las conexiones apernadas s e le reconocen como ventajas el ser un método simple de conexión en obra, lo que las convierte en una solución de conexión más económica que la soldadura en obra. Sin embargo, entre las desventajas hay que señalar que requiere de perforación de las planchas y elementos a conectar.
Se conocen dos tipos de conexiones apernadas: Conexiones de tipo aplastamiento: Son las conexiones en que la ca rga es resistida por la cortante en los pernos y por aplastamiento sobre los mismos.
La resistencia de diseño está definida por la p resencia –o no- de la rosca. Un perno con roscas incluidas en el plano de corte se le asigna u na menor resistencia de diseño que a un perno con roscas excluidas del plano de corte. Conexiones de deslizamiento crítico: Son las conexiones en que el des lizamiento sería inconveniente para la capacidad de servicio de la estructura a que pertenecen dichas uniones. Estas incluyen conexiones sometidas a cargas de fatiga o a inversión importante de carga, vibraciones y sismo.
Las conexiones apernadas de elementos secundarios y/o no es tructurales (barandas, costaneras, escaleras de gato y escaleras menores) se pueden ejecutar con pernos corrientes ASTM A307. Sin embargo, para conexiones estructurales el código AISC establece que el uso de pernos de alta resistencia debe s atisfacer las disposiciones de la ASTM 325 y A490. Los pernos deben ser apretados a una tensión que s e regula según las tablas que se señalan en la Especificación ANSI/AISC 360-10 para construcción en acero, versión oficial en español de ALACERO (que se encuentra en los anexos y en: http://www.construccionenacero.com/noticias/Paginas/DescargagratuitaversiónenespañoldelaEspecificaciónA NSIAISC360-10.aspx). Esta tensión se debe poder as egurar mediante algún método como el del giro de la tuerca, un indicador de tensión directo, llave calibrada o diseño alternativo. La condición de apriete ajustado de los pernos sólo se acepta en conexiones de tipo aplastamiento y en aplicaciones de tracción o combinación de corte y tracción, solamente para pernos ASTM A325 (se entiende por apriete ajustado como la más firme alcanzada tanto por p equeños impactos de una llave de impacto o por el máximo esfuerzo de un trabajador con una llave de palanca corriente que permite que las piezas conectadas queden en contacto firme). Es importante detallar en los planos de fabricación y montaj e los pernos que estén sujetos a apriete ajustado. Otros aspectos importantes del diseño y especificación de las conexiones apernadas se refieren al tamaño de las perforaciones (variables entre 2 y 3 mm de diámetro superior al perno) y a s u distanciamiento (que no debe ser menor a 22/3 del diámetro nominal, aunque se prefiere usar el valor de 3 veces el diámetro). Ambas están reguladas por las tablas J.3.3. de AISC.
Otro aspecto regulado es la distancia entre el c entro de una perforación y el borde d e una parte conectada, lo que se detalla en las tablas J.3.4 y J.3.5. de la Especificación ANSI/AISC 360-10 para construcción en acero, versión oficial en español de ALACERO (que se encuentra en los anexos y en: http://www.construccionenacero.com/noticias/Paginas/DescargagratuitaversiónenespañoldelaEspecificaciónA NSIAISC360-10.aspx ). Más allá de todo, una recomendación generalmente aceptada es que las uniones apernadas son especialmente adecuadas para las conexiones a materializar en obra.
6- ¿Conexiones soldadas o conexiones apernadas? Hay varias consideraciones que hacer en relación a la selección del tipo de conexión a ejecutar. En términos generales se acepta y recomienda que las uniones soldadas se ejecuten en taller y las uniones a pernadas se hagan mayoritariamente en obra. Hay diversas razones para esto, pero vale la pena recordar algunas. La soldadura en terreno suele ser de mayor costo y de mayor dificultad que la soldadura en taller. A lo anterior hay que sumar que el trabajo de soldadura requiere de una calificación muy alta y ciertamente superior al trabajo de apernado. Desde luego, las condiciones de trabajo y ergonómicas a las que se expone el operador son radicalmente distintas. En obra, las condiciones del trabajo a la intemperie, eventualmente expuesto a temperaturas extremas, humedad, viento y lluvia hacen de la faena una ac tividad compleja, imprevisible e incluso insegura. Por otra parte, la posición de trabajo en obra no s iempre es la más adecuada y segura. Muchas veces, la única posición posible del soldador en obra es, pr ecisamente, la más compleja desde el punto de vista de la operación (como es el caso de las soldaduras sobre cabeza).
Todas estas variables son parcial o totalmente controladas en taller: desde la posición de trabajo hasta las condiciones del medio pueden ser optimizadas en taller. No hay exposición a lluvia, exceso de asoleamiento ni viento y, eventualmente, hay condiciones de temperatura más controladas. A lo anterior se suma que hay muchas tecnologías y procedimientos de soldadura automatizada que se pueden ejecutar en taller que no es posible de trasladar a terreno, sea por el tamaño y peso de la maquinaria, la alta demanda de energía o porque los procedimientos exigen el movimiento de la pieza a soldar más que del equipo de soldadura. Desde la soldadura de arco sumergido hasta la soldadura de plasma, e incluso los procesos de corte, destaje, perforación y armado en línea son más eficientes y s eguros en taller.
Soldadura de arco sumergido
Adicionalmente, el trabajo de control e inspección de la soldadura en taller es mucho más eficiente y seguro. Todo ello redunda en que, desde el punto de vista de los resultados, es posible esperar una mejor calidad de soldadura si es ejecutada en taller. Por otra parte, materializar uniones apernadas en obra o terreno es más fácil, seguro y exige menor calificación. Lo anterior vale, también, para la inspección, control y aseguramiento de la calidad de las conexiones apernadas en obra.
Montaje Tiger & Turtle
En síntesis, un principio general recomendable es HACER CONEXIONES SOLDADAS EN TALLER Y HACER CONEXIONES APERNADAS EN OBRA.
Sin embargo, como el principio enunciado anteriormente no siempre es posible de aplicar, se deberá considerar el diseño integral del sistema de c onexiones a aplicar caso a caso, p royecto a proyecto, incorporando todas las variables concurrentes del proyecto. Para ello, el trabajo integrado entre los diseñadores, arquitectos, ingenieros estructurales, fabricantes y montadores, resulta altamente conveniente.
CONEXIONES TÍPICAS EN ESTRUCTURAS DE ACERO Francis Pfenniger - arquitecto Editor www.arquitecturaenacero.org
Como se comenta en el documento de Conexiones de acero publicado en este sitio en febrero 2013, los tipos de conexiones para las estructuras de acero se clasifican principalmente en función de su grado de rigidez las que -siguiendo a AISC2010 - son básicamente tres: conexiones simples o de corte, conexiones rígidas (FR) y conexiones semi rígidas (PR). En este documentomostraremos algunas soluciones de conexiones típicasque se presentan en la construcción de estructuras de acero. Para mayor precisión recordamos algunas definiciones básicas de términos que se usan en la explicación. Así, entenderemos por conexión (inglés connection) la combinación de elementos estructurales y elementos de unión para transmitir fuerzas entre dos o más miembros (AISC 360/2010, traducción oficial al español por ALACERO); por junta (inglés joint) el área donde se unen dos o más extremos, superficies o bordes, y que incluye las planchas, angulares, pernos, remaches y soldaduras empleados. Se clasifican en juntas soldadas y juntas empernadas y por nodo (inglésconnection assembly, node) la zona completa de intersección de columnas y vigas, incluyendo las planchas de continuidad y las planchas adosadas. El nodo comprende las conexiones (estas últimas definiciones según Covenin 1618-98), lo que se grafica en el esquema siguiente:
Los documentos tenidos a la vista están disponibles en forma completa en este sitio y son: a. b. c. d. e. f.
Material Educacional elaborado por AISC con el apoyo del College of Architecture at the University of North Carolina at Charlotte, bajo la dirección general de David Thaddeus, cuya versión completa en inglés (link) Módulo de Uniones apernadas y soldadas elaborado para ALACERO por Meta Steel Proyect 2010 (link) Clases Teóricas desarrolladas para ALACERO, por parte del Prof. Maino (link) Manual de conexiones de CBCA, cuya versión en portugués también entregamos adjunta en este sitio (link) Especificación ANSI/AISC 360-10 para construcciones de acero; versión en español traducida para ALACERO por Ing. Carlos Aguirre y revisión Ing. Arnaldo Gutiérrez. Norma Venezolana Covenin 1618-1998; Estructuras de acero para edificaciones, método de los estado límites
Todos estos documentos sugieren distintas formas de clasificación de las c onexiones, cada una de las cuales tiene un orden y un sentido lógico y riguroso, aunque todas hacen referencia a los tipos de conexiones que menciona AISC ya comentados. El Manual del CBCA presenta distintos tipos de conexiones ordenados y cl asificados según: a. b. c. d.
grados de rigidez (siguiendo AISC) los medios de unión (soldados o apernados) las solicitaciones lugar de la ejecución: en Obra o en Taller
Todas las variables mencionadas son relevantes en la toma de decisión del proyecto (análisis, dise ño y detallado), la fabricación, el montaje, la inspección y el control y el aseguramiento de la calidad, partiendo por el concepto estructural. Las ventajas y desventajas de los medios de unión y las preferencias de lugares de ejecución han sido comentadas, pero se deberán tener especialmente en cuenta en consideración de las condiciones específicas y locales del proyecto, como accesibilidad, transporte, visibilidad de la conexión, disponibilidad de talleres, mano de obra calificada, equipamiento local y muchos otros largos de enumerar. Por su parte, las Clases Teóricas desarrolladas para ALACERO por el Prof. S. Maino, ordena las conexiones según los miembros conectados: a. Viga con columna b. Viga con viga c. Columna con columna d. Columna con fundación e. Arriostramientos f. Tubulares Esta aproximación nos parece importante desde el punto de vista del p royecto, puesto que permite visualizar la conexión no sólo como un punto c rítico desde la perspectiva de la estructuración del edificio si no c omo un nudo, visible (o no), puesto en el espacio y que forma parte de la expresión de edificio. Con el objeto de facilitar la comprensión de las conexiones, hemos organizado la presentación de estas soluciones típicas a partir tres variables concurrentes que permitan seleccionar la conexión deseada: por miembros que vincula (I.); por tipo de conexión (A) y según el medio de unión utilizado (1). La idea es presentar, en esta primera oportunidad, algunas de las soluciones típicas para los nudos que se señalan en el índice que presentamos a continuación. Sin embargo, en las ediciones siguientes las iremos completando progresivamente, incorporando soluciones estandarizadas que respondan a la clasificación y, asimismo, agregando nuevos detalles y ejemplos que surjan de los propios proyectos comentados. Este índice se ordena como sigue: I. CONEXIONES VIGA-COLUMNA
A. DE CORTE 1. Apernadas 2. Soldadas 3. Apernadas o soldadas B. DE MOMENTO 1. Apernadas 2. Soldadas 3. Apernadas o soldadas
II. CONEXIONES VIGA – VIGA
A. DE CORTE 1. Apernadas 2. Soldadas 3. Apernadas o soldadas B. DE MOMENTO 1. Apernadas 2. Soldadas 3. Apernadas o soldadas C. EMPALMES 1. Apernadas 2. Soldadas 3. Apernadas o soldadas
III. CONEXIONES DE EMPALME COLUMNA –COLUMNA
1. Apernadas 2. Soldadas 3. Apernadas o soldadas
IV. CONEXIONES COLUMNA - FUNDACIÓN V. ARRIOSTRAMIENTOS VI. CONEXIONES EN MIEMBROS TUBULARES VII. CONEXIONES ESPECIALES
Antes de presentar los ejemplos ejemplos y detalles es preciso preciso destacar que no se hace énfasis en los requisitos y detalles sismo resistentes de las conexiones, las que se encuentran en los documentos de AISC 358 (Conexiones precalificadas) y 341 (provisiones sísmicas) anexos, pero d esgraciadamente sólo disponibles en inglés. Además, es preciso mencionar que por facilitar la exposición se u tiliza un modelo simplificado, actualmente superado, según el cual el alma de las vigas transfiere solo fuerza cortante y las alas el momento flector. Para graficar el glosario hay que atenerse al gráfico siguiente:
I. CONEXIONES VIGA-COL VIGA-COLUMNA UMNA
Las conexiones entre las vigas y las columnas son una de las conexiones más frecuentes en las estructuras de acero y concebirlas y diseñarlas correctamente corresponde no sólo a una decisión de cálculo estructural sino de manera muy significativa, a una decisión del proyec to y la construcción. La conexión entre vigas y columnas se puede resaltar expresivamente en el edificio, dependiendo de su visibilidad.
A. Conexiones de corte: Ya hemos comentado los atributos de las conexiones de corte el documento Conexiones en Acero…
¿apernadas o soldadas? publicado en este mismo sitio (link). Valga sólo agregar algunas consideraciones adicionales:
Las conexiones de corte sonmuy utilizadas en las estructuras de acero. Se pueden materializar conectando sólo al alma del miembro soportado, dejando las a las no conectadas. Las conexiones de asiento son las únicas que conectan a las alas del miembro soportado Los ángulos de las conexiones de corte se pueden conectar indistintamente por soldadura o apernados. Las conexiones con ángulos simples tienden a tener menor capacidad de carga que las c onexiones con doble ángulo. Aunque las conexiones con planchas de corte son más económicas, su aplicación aplicación debe ser evaluada cuidadosamente.
A continuación se presentan algunos ejemplos y soluciones soluciones típicas de CONEXIONES CONEXIONES DE CORTE VIGAVIGACOLUMNA.
I.A.1. CONEXIONES VIGA-COLUMNA, DE CORTE APERNADAS a) Con DOBLE ÁNGULO apernado en taller al alma de la viga y apernado en obra al alma de la columna Esta conexión es aplicable tanto para conexiones viga-columna como para conexiones de viga (secundaria) a viga (principal). Se trata de una conexión de c orte toda vez que los ángulos se fijan al alma de la viga y transfieren la fuerza de corte.
Fuente: ALACERO; MÓDULO DE UNIONES APERNADAS Y SOLDADAS; Macro Steel Project – Anexo 8
Los ángulos son apernados al alma de la viga en taller. Posteriormente, en obra, los ángulos son apernados al alma de la columna (o de la viga principal, según corresponda). Si la altura de la viga principal y de la viga secundaria coincide, se deben rebajar ambas alas de la viga secundaria para permitir la nivelación superior de las alas. Si tienen altura diferente, bastará con rebajar las alas superiores de la viga secundaria
Fuente: Gerdau; LIGAÇÕES PARA ESTRUTURAS DE AÇO; Guia Prático para Estruturas com Perfis Laminados
Las perforaciones para los pernos se pueden desfasar o desplazar a fin de no quedar enfrentadas para facilitar la instalación. Existe una cierta rotación debido a la separación entre las alas de la viga y el alma de la columna debido a la flexibilidad del material de la conexión (ala sobresaliente del ángulo).
Fuente: Clases teóricas Prof. S. Maino
Fuente: Material Educativo AISC: STRUCTURE OF THE EVERYDAY; Structural Steel Connections; D. Thaddeus
En algunos casos se agrega un ángulo inferior para apoyar la viga, lo que facilita el montaje y asegura la transmisión de las fuerzas verticales a la columna.
Fuente: Clases teóricas Prof. S. Maino
I.A.2. CONEXIONES VIGA-COLUMNA DE CORTE SOLDADAS a) Con DOBL E ÁNGULO soldado en taller al alma de la viga y so ldado en o bra al alma de la colum na (o de la viga princ ipal): (AISC (AISC d. 23 23 y 24)
Esta conexión es aplicable tanto para c onexiones viga-columna como para conexiones viga a viga (viga secundaria a viga principal). Se trata de una conexión de corte toda vez que los ángulos se fijan al alma de la viga y la columna. Los ángulos dobles son soldados en taller al alma de la viga Si las alas de las vigas son muy anchas para calzar entre las alas de la columna se deberán rebajar las alas de la viga.
Existe la posibilidad de cierta rotación entre la viga y la columna debido a la separación entre las alas de la viga y el alma de la columna. Esto se debe a la flexibilidad del material de la conexión (ala sobresaliente del ángulo conector). La soldadura vertical transfiere las cargas del alma de la viga al alma de la columna. La soldadura alrededor del perímetro del ala sobresaliente del ángulo de fijación inhibirá la flexibilidad de la conexión. La soldadura de retorno se dispone en la parte superior de cada angular
Fuente: Material Educativo AISC: STRUCTURE OF THE EVERYDAY; Structural Steel Connections; D. Thaddeus
I.A.3. CONEXIONES VIGA-COLUMNA DE CORTE SOLDADAS O APERNADAS a) Con DOBL E ÁNGULO - sold ado en taller al alma de la viga y apern ado en ob ra al alma de la column a (o de la viga princip al):
Esta conexión es aplicable tanto para conexiones viga-columna como para conexiones viga a viga
(viga secundaria a viga principal). Se trata de una conexión de corte toda vez que los ángulos se fijan al alma de la viga y transfieren la fuerza de corte.
Los ángulos dobles se sueldan al alma de la viga en taller. Si la altura de la viga principal y de la viga secundaria coincide, s e deben rebajar ambas alas de la viga secundaria para permitir la nivelación superior de las alas. Si tienen altura diferente, bastará con rebajar las alas superiores de la viga secundaria. Hecho lo anterior, se apernan los ángulos de la viga secundaria al alma la viga principal. Si se trata de una conexión viga columna, se apernan al alma de la columna. Igualmente que en el caso anterior, es posible que exista una cierta rotación debido a la s eparación entre las alas de la viga y el alma de la columna debido a la flexibilidad del material de conexión (ala sobresaliente del ángulo).
Fuente: Material Educativo AISC: STRUCTURE OF THE EVERYDAY; Structural Steel Connections; D. Thaddeus
b) Con PLA NCHA EXTREMA DE CORTE soldada en taller al alma de la viga y apernada en obra al ala de la colum na:
Se trata de una conexión de corte ya que las alas de la viga no se aseguran para evitar la rotación de la viga.
La plancha de cabeza se suelda al alma de la viga, habiendo hecho previamente las perforaciones para pasar los pernos. En obra se hace la conexión apernada a la columna.
Fuente: ALACERO; MÓDULO DE UNIONES APERNADAS Y SOLDADAS; Macro Steel Project – Anexo 9
Ver animación de esta conexión en link gviomj3ipoj
c) Con PLA NCHA DE CORTE SIMPLE (Single Plate) soldada en t aller a la column a y apernada en obra a la viga
Como se comentó anteriormente, esta es una conexión simple muy económica y es u na conexión de corte por cuanto la placa se fija al alma de la viga.
Fuente: Material Educativo AISC: STRUCTURE OF THE EVERYDAY; Structural Steel Connections; D. Thaddeus
La plancha de corte es perforada o punzonada y luego soldada en taller al alma de la columna Luego, es apernada al alma de la viga principal
d) Con ángu los s oldados a las alas de la viga en taller y apernadas a la colum na en ob ra:
Se trata de una conexión simple o de corte ya que los pernos que fijan el ángulo inferior (asiento) a la columna trabajan al corte.
Los ángulos son perforados antes de ser soldados a las alas de la viga. El ángulo inferior, denominado asiento es de mayor sección y espesor que el ángulo superior ya que transfiere la reacción de la viga a la columna. El ángulo superior otorga estabilidad a la viga. A diferencia de otras conexiones, esta conexión no se hace alalma sino a las alas de la viga.
Tanto el angular de asiento como el de estabilidad tienen acotados su espesor para permitir cierto grado de rotación en la viga.
Fuente: Material Educativo AISC: STRUCTURE OF THE EVERYDAY; Structural Steel Connections; D. Thaddeus
Ver animación en Link
B. CONEXIONES DE MOMENTO Las conexiones de momento proveen continuidad entre los miembros soportantes y los s oportados. Las alas del miembro soportado se fijan indistintamente a un elemento de conexión o directamente al miembro soportante. A continuación se presentan algunos ejemplos y soluciones típicas de conexiones de momento viga-columna. Por el momento presentaremos sólo las conexiones de momento viga columna soldadas o apernadas
I.B.3. CONEXIONES VIGA-COLUMA DE MOMENTO SOLDADAS O APERNADAS a) Con planc has (cartelas) sold adas en taller a la column a y vigas apernadas en obr a:
Se trata de una conexión de momento ya que las alas superiores e inferiores soldados a la columna evitan la rotación del extremo de la viga.
La plancha de corte (single plate) s e aperna en taller al alma de la viga. Las planchas, superior e inferior, se apernan a las alas de la viga. La plancha de corte es soldada al alma de la columna y trasfiere la fuerza de corte. Las planchas evitan la rotación de la viga y transfieren los momentos a la columna.
Fuente: Material Educativo AISC: STRUCTURE OF THE EVERYDAY; Structural Steel Connections; D. Thaddeus
b) Con planch a sobresaliente soldada en el extrem o de la viga en taller y apernada a la columna en obra:
Se trata de una conexión de momento ya que la mayor dimensión de la plancha soldada a la cabeza de la viga evita la rotación del extremo de la viga y transfiere los esfuerzos de momento a la columna. La plancha de cabeza se perfora y se suelda en taller al extremo de la viga. Las perforaciones en la columna se ejecutan en taller. Las cartelas atiesadoras en la columna son soldadas en taller para transferir las fuerzas de las alas de la viga.
Fuente: Material Educativo AISC: STRUCTURE OF THE EVERYDAY; Structural Steel Connections; D. Thaddeus
II. CONEXIONES VIGA-VIGA Las conexiones viga-viga son muy frecuentes en estructuras de acero y permiten aprovechar las ventajas estructurales del acero aplicando de una modulación de columnas distanciadas conectadas mediante vigas principales y conectar los componentes que conforman los planos d e piso directamente a las vigas principales.
II. A.1. CONEXIONES VIGA-VIGA DE CORTE APERNADAS a) Con DOBL E ÁNGULO apernado en taller al alma de la viga y apernado en obra al alma la viga principal
Esta conexión es aplicable para conexiones de viga (secundaria) a viga (principal), aunque también se aplica en conexiones viga-columna, como se muestra en I.A.1. Se trata de una conexión de corte toda vez que los ángulos se fijan al alma de la viga y transfieren fuerza de corte.
Los ángulos son apernados al alma de la viga en taller Posteriormente, en obra, los ángulos son apernados al alma de la viga principal Si la altura de la viga principal y de la viga secundaria coincide, se deben rebajar ambas alas de la viga secundaria para permitir la nivelación superior de las alas. Si tienen altura diferente, bastará con rebajar las alas superiores de la viga secundaria.
Fuente: Gerdau; LIGAÇÕES PARA ESTRUTURAS DE AÇO; Guia Prático para Estruturas com Perfis Laminados
Fuente: Material Educativo AISC: STRUCTURE OF THE EVERYDAY; Structural Steel Connections; D. Thaddeus
II.A.3. CONEXIONES VIGA-VIGA DE CORTE SOLDADAS O APERNADAS a) Con DOBL E ÁNGULO - soldado en taller al alma de la viga secund aria y apernado en obra al alma de la viga prin cipal: (AISC d.21 y 22)
Esta conexión es aplicable tanto para conexiones viga-viga como para conexiones viga a columna, según se muestra en I.A.3 . Se trata de una conexión de corte toda vez que los ángulos se fijan al alma de la viga y transfieren fuerza de corte.
Los ángulos dobles se sueldan a l alma de la viga en taller. Si la altura de la viga principal y de la viga secundaria coincide, se deben rebajar ambas alas de la viga secundaria para permitir la nivelación superior de las alas. Si tienen altura diferente, bastará con rebajar las alas superiores de la viga secundaria. Hecho lo anterior, se apernan los ángulos de la viga secundaria al alma la viga principal. Igualmente que en el caso anterior, es posible que e xista una cierta rotación debido a la separación entre las alas de la viga y el alma de la columna debido a la flexibilidad del material de conexión (ala sobresaliente del ángulo).
fig.1: Fuente: Gerdau; LIGAÇÕES PARA ESTRUTURAS DE AÇO; Guia Prático para Estruturas com Perfis Laminados fig.2: Fuente: Material Educativo AISC: STRUCTURE OF THE EVERYDAY; Structural Steel Connections; D. Thaddeus
b) Con PLANCHA DE CAB EZA soldada en taller al alma de la viga secundaria y apernada en obra al ala de viga princip al:
Se trata de una conexión de corte ya que las alas de la viga no se aseguran para evitar la rotación de la viga.
La plancha de cabeza se suelda al alma de la vigasecundaria, habiendo hecho previamente las perforaciones para pasar los pernos.
En obra se hace la conexión apernada a la viga principal.
Fuente: Material Educativo AISC: STRUCTURE OF THE EVERYDAY; Structural Steel Connections; D. Thaddeus
c) Con PLA NCHA DE CORTE SIMPLE (Single Plate) sold ada en taller la viga principal y apernada en obra al alma de la viga secund aria:
Como se comentó anteriormente, esta es una conexión simple muy económica y es una conexión de corte por cuanto la placa se fija al alma de la viga.
Fuente: Material Educativo AISC: STRUCTURE OF THE EVERYDAY; Structural Steel Connections; D. Thaddeus
La plancha de corte es perforada o punzonada y luego soldada en taller al alma de la viga principal Luego, las vigas secundarias con las perforaciones hechas en taller, se fijan mediante pernos a la plancha de corte que está soldada a la viga principal
II.C.1. CONEXIONES VIGA-VIGA EMPALMES DE MOMENTO APERNADO Las conexiones de empalme de vigas son situaciones que se presentan con frecuencia en la c onstrucción de estructuras de acero debido a que las piezas se fabrican de largos establecidos por razones comerciales y de transporte. a) Emp alme de mo m ento apernado en obra (s. AISC d. 37 y 38)
Las planchas conectoras de las a las restringen la rotación, haciendo de esta conexión una c onexión de momento. Todas las perforaciones de esta conexión s e hacen en taller. Asimismo, se hacen en taller las perforaciones de las alas y el alma de las vigas a conectar. Las planchas de corte se apernan en obra a las alas superiores e inferiores. Las dos planchas que fijan el alma de las vigas son responsables de transferir la fuerza de corte. Los pernos que fijan las planchas de alma de la viga trabajan a corte Las planchas que fijan las alas son responsables de transferir el momento de flexión.
Fuente: Material Educativo AISC: STRUCTURE OF THE EVERYDAY; Structural Steel Connections; D. Thaddeus
Detalle de conexión de empalme de momento apernado de vigasFuente: ALACERO; MÓDULO DE UNIONES APERNADAS Y SOLDADAS; Macro Steel Project – Anexo 6
CONEXIONES BASE-COLUMNA Francis Pfenniger - arquitecto Editor www.arquitecturaenacero.org
Las columnas se definen básicamente como elementos que están sometidos a esfuerzos axiales de compresión, aunque ocasionalmente sometidos a esfuerzos horizontales (viento y sismo) que pueden introducir solicitaciones importantes de tracción, flexión y hasta torsión. En las estructuras de acero, las columnas se pueden formar a partir de las múltiples posibilidades y var iedades de perfiles conformados y/o laminados y también a partir de soluciones soldadas y de la combinación de varias de estas alternativas. La geometría y disposición de las columnas dependerá de cada proyecto y del modelo estructural que lo ordene. Sin embargo, todas las columnas, independientes de su diseño, deberán transmitir los esfuerzos al terreno a través de las fundaciones. En ese contexto, la conexión de la columna a la fundación es un elemento crítico en el diseño estructural que tiene gran impor tancia en el diseño arquitectónico. Por tratarse de la trasmisión de cargas axiales de compresión en estructuras que en acero son us ualmente esbeltas o muy esbeltas (o pueden serlo, dados l os atributos comentados del acero), hay dos aspectos que se deben tomar en consideración. El primero, que no será tratado en profundidad en esta s ección, es el pandeo, que puede ser lateral o por flexión. El pandeo lateral, corresponde a la característica que tienen los elementos esbeltos de desplazarse en el sentido transversal a la carga c uando ésta supera un determinado valor. Otra forma de pandeo es el pandeo por flexión (o pandeo de Euler).
Ambas dependen de que se supere la llamada carga crítica, que es dependiente de la sección de la columna, de su longitud o altura y de las conexiones que se produzcan en sus extremos.
Es comprensible que las secciones robustas y los elementos menos largos estén menos expuestos a las deformaciones de pandeo que las secciones muy esbeltas. Existen diversas estrategias para contrarrestar la excesiva esbeltez, aparte de aumentar la sección de la c olumna. Entre ellas se cuentan las columnas de sección variable y las columnas de s ección variable compuestas y las tensadas. El otro aspecto importante se refiere al punzonamiento que, dada la esbeltez d e la columna, ésta puede ejercer en su base sobre el elemento de cimentación que la recibe. Las bases de la columna tienen, pues, la función de hacer la transición entre el ace ro y el hormigón a fin de que no se sobrepasen las tensiones admisibles y que las cargas verticales se distribuyan de manera uniforme hasta la fundación y, a través de ella, al terreno. Esta conexión será brevemente revisada en este documento.
CONEXIONES RÍGIDAS Y ARTICULADAS La primera diferenciación que se debe hacer es si esta conexión corresponde a una conexión rígida o a una conexión articulada. Es sabido que las conexiones rígidas en la base son usualmente más costosas, entre otros aspectos, porque demandan una mayor cantidad de material concurrente a la conexión, tanto en el acero como en la fundación. Las conexiones articuladas en la base han tenido importantes aplicaciones y se han diversificado desde las construcciones de las grandes naves de las ferias internacionales y las grandes estaciones del siglo XIX. La Galería de las Máquinas (Dutert y Contamin, 1889) y la estación de Dresden (Giese y Weidner – 1898) son una buena muestra de ello.
Galerie des Machines _ Dutert y Ciontamin
Estación de Dresden – Giese y Weidner – 1898
Esta concepción, sin embargo, ha evolucionado y se la tecnificado y aligerado mucho.
Base columnas ed. Diseño FAU (fotografía Francis Pfenniger)
Sin embargo, como se observa en las fotografías adjuntas, aún en las c onexiones articuladas la carga puntual de la rótula se distribuye en una base que es significativamente más grande que el apoyo, por lo que permite distribuir la carga puntual en una superficie de c ontacto con la fundación mayor. La rótula o articulación se produce así en un punto superior al de la placa base, que es la que va conectada rígidamente a los cimientos. En los casos en que estas conexiones quedan a la vista, el impacto del diseño de las rótulas es muy determinante de la expresión final del edificio. El detalle de esta conexión dependerá en gran medida del cálculo estructural, sin embargo su diseño deberá ser concebido y considerado a partir del proyecto de arquitectura. Existe, sin embargo, una gran cantidad de edificaciones en las que la conexión de las columnas a las fundaciones no participa en forma tan significativa en la expresión del edificio. En esos casos, la solución más frecuente para conectar la base de una c olumna a sus apoyos es la instalación de una placa base soldada a la base de la columna. Esta placa, cuya dimensión es mayor a la sección de la columna, es usualmente
soldada a la base de ésta en taller. Su función, como está dicho, es distribuir sobre la base del hormigón de la fundación la carga puntual de la columna. Para lograr esto, la placa debe de un espesor tal que permita, efectivamente, lograr este cometido.
Columnas con su placa base antes de ser instaladas: proyecto YPF – Tigre Nordelta en www.arquitecturaenacero. org
La placa base tiene unas perforaciones que permiten la fijación de ella a la fundación mediante pernos de anclaje que atraviesan la placa y se fijan mediante tuercas. La posición de los pernos de anclaje determinará si se trata de una conexión fija o articulada. La disposición de sólo dos pernos en el eje de la columna permitirá una rotación relativa en el sentido perpendicular al eje de los pernos de anclaje. Por el contrario, 4 o más pernos dispuestos en próximos a las esquinas de la placa base, generarán una conexión más rígida. Para mejorar la rigidez en la base se pueden incluir cartelas en los vértices de la columna. Otra solución posible es agregar una cartela horizontal puesta en una altura superior a la placa base y conectar la columna mediante pernos que pasan tanto a través de la placa base como de esta se gunda cartela. Presentamos a continuación algunos ejemplos de conexiones de columnas a fundaciones extraídos del libro “Edificio de acero en altura media” publicado por el ICHA en 2006, cuyo proyecto de cálculo estructural fue
desarrollado por Luis Leiva y Asociados. Como se puede apreciar, se trata de c olumnas de soldadas de una sección muy esbelta que se apoyan en sendas fundaciones de hormigón armado.
Uno de los aspectos interesantes de comentar se refiere al proceso constructivo. Con frecuencia, las barras de anclaje se instalan en la fundación antes de va ciar el concreto, por lo que su posicionamiento y alineación es un aspecto que se d ebe cuidar.
Por otra parte, la nivelación de la base de la fundación debe ser perfecta de manera de a segurar una superficie de contacto continua y perfecta entre la placa base y el hormigón. Por ello, se suele dejar u n espacio de 50mm (según diseño) que se rellenará con un mortero tipogrout con posterioridad a la colocación de la columna. Este mortero autonivelante y con aditivos ocupa y rellena completamente el espacio entre la placa base un el concreto de la fundación. Ocasionalmente se instalan tuercas de nivelación en las barras de anclaje por debajo de la placa base. Girándolas éstas permiten la nivelación y apoyo transitorio de la columna antes de la ejecución del mortero grout .
Unión anti-sismo. SOM Patente US6681538.
Editado por Tectónica Blog - NuriaPrieto La patente diseñada por SOM para resolver uniones bajo ca rgas sísmicas define un detalle constructivo para estructuras de acero. El detalle propone una rótula que permite unir vigas y soportes de acero en situaciones de carga sísmica elevada. Ésta resiste los momentos y cortante generados por las cargas a través de elementos metálicos estandarizados, sin embargo puede utilizarse también en estructuras de hormigón o estructuras mixtas de acero y otro material.
La unión plantea una parte atornillada al soporte y otra unida mediante una pletina soldada (por puntos). Ambas piezas se conectan mediante un pasador metálico. Para asegurar la conexión a pesar de los movimientos de corte en sentido perpendicular a la rótula, todos los elementos se curvan en sus aristas. La tornillería utilizada para la unión de los elementos es de alta resistencia. La pieza fue probada mediante exámenes en laboratorios de mecánica aplicada a la construcción desde 2010, obteniendo resultados positivos, que garantizan su funcionamiento en terremotos muy fuertes.
vía http://tectonicablog.com/?p=79989
CORROSION 1. PRESENTACION DEL PROBLEMA La corrosión es un proceso espontáneo y continuo que afecta a un material –en este caso el acerocomo una serie de alteraciones físico químicas por la acción de agentes naturales. En general, los metales –y el hierro en particular- se encuentran en la corteza terrestre en forma de minerales, de óxidos y/o sales. Para transformar estos minerales en metales se requiere energía y mientras más energía demanda el proceso metalúrgico, mayor es la tendencia del metal a volver a su c ondición original (Oxido o sal). El acero, cuyo mineral de origen es el hierro en forma de óxidos, no es ajeno a esta situación y está, como se sabe, expuesto a la corrosión u oxidación.
Oxidación galvánica Todos los metales tienen su propio potencial de oxidación, que es la capacidad de entregar o liberar electrones. Mientras mayor sea este potencial de oxidación, tanto más electronegativo es un metal y, a la inversa, cuanto más electropositivo es un metal, menor es su potencial de oxidación (son los que conocemos como metales nobles). Estas propiedades de los metales están definidas en la Serie Galvánica.
De dos elementos puestos en contacto, mientras mayor sea la distancia en la serie galvánica, mayor será su diferencia de potencial de oxidación y más rápidamente aparecerá la corrosión en e l elemento de menor potencial (se denomina cátodo al elemento m ás electropositivo y ánodo al más electronegativo). En la superficie del acero se suelen presentar pequeñas partes con potenciales eléctricos diferentes, resultado de impurezas y e lementos de aleación o por tratamientos térmicos en el proceso de laminación. Estas partes son, en la práctica, como pequeñas pilas galvánicas en potencia. En presencia de un electrolito (por e j. Agua) se cierra el
circuito y comienza el movimiento de electrones. Así, cuando la superficie de un elemento de acero es expuesta a la humedad o a ambientes contaminantes (neblina salina, gases) se forma el electrolito y se da inicio al proceso de corrosión electroquímica, formando herrumbre. La condición inicial para que se produzca la oxidación del hierro e s la presencia de agua y oxígeno y la tasa de corrosión será proporc ional al tiempo de exposición a esta condición. De lo anterior, se colige que para evitar o reducir el riesgo de corrosión del acero se deberá evitar el contacto de oxígeno y agua con el acero y evitar el contacto del acero con otros metales más electropositivos. Lo anterior significa, en términos simples, que se deberá aislar lo mejor posible la superficie de acero de esta exposición a estas condiciones de riesgo y se deberá r educir el tiempo de exposición a ellas. En general, las estrategias para enfrentar el riesgo de corrosión de una estructura de acero se pueden clasificar como sigue:
MEJORAR LA RESISTENCIA A LA CORROSION DEL ACERO En lo principal consiste en proteger el acero mediante la aplicación de una capa protectora de otro metal más resistente (como zinc o zinc y aluminio) mediante procesos por inmersión en caliente (las piezas individuales o la lámina continua pasan por cuba de zinc fundido, previo proceso de limpieza, lavado, decapado y pasivado), electrodeposición (una corriente eléctrica aporta el zinc desde ánodos hacia la plancha que actúa como cátodo) o metalización (aplicación mediante pistolas de proyección de partículas fundidas de zinc). Cuando se trata de m ateriales gruesos o de piezas y estructuras, se debe aplicar la galvanización por inmersión en caliente en potes o ti nas o a la metalización (àver) Las chapas galvanizadas (protegidas con zinc) o del tipo galvalume (también conocido como zincaluminio) son de uso muy difundido en bajos espesores, especialmente en soluciones de revestimientos, cubiertas, placas colaborantes (“deck”) en que el recubrimiento es aplicado sobre bobinas de acero al carbono laminadas en frío por ambas caras mediante el proceso de inmersión en caliente (Hot-Dip). En el caso de las chapas galvanizadas la capa de protección es zinc. El galvalume (Aluzinc y/o zincalum según país y nombre comercial) está recubierto en ambas caras por una capa de aleación de Aluminio-Zinc de composición nominal: Aluminio 55%, Zinc 42% y Silicio 1.6%, en que el el Zinc aporta la protección galvánica y el Aluminio aporta la resistencia a largo plazo, proporcionándole una alta resistencia a la corrosión. También es utilizado para la conformación de perfiles de bajo espesor, estructurales y/o auto soportantes para estructuras de entramados conocidos como “Light gage Steel Framing” (ver artículo en sección estructuras).
USO DE ACEROS DE ALTA RESISTENCIA Un acero patinable (Cortén o similares) consiste en una aleación de bajo co ntenido de carbono (inferior al 0,25%) que, en adición de pequeñas cantidades de metales como Cobre (Cu, Níquel (Ni) y Cromo (Cr) y expuesto a ciclos alternados de humedad y sequedad, desarrolla una capa de óxido homogénea y de alta adherencia que funciona como barrera de protección contra el avance de la corrosión sin revestimientos o protecciones adicionales. Una mención especial se debe hacer de los aceros inoxidables, un producto típico del siglo XX que apareció casi simultáneamente en varios países del mundo poco antes de la Primera Guerra Mundial. Muchos estudios permitieron comprender que el alto contenido de carbono en las
aleaciones de acero, disminuye su resistencia a la c orrosión, en tanto que un contenido de al menos 12% de cromo, otorga una resistencia a la corrosión que permite hablar de aceros inoxidables. Las innovaciones tecnológicas posteriores a la Segunda Guerra Mundial permitieron un desarrollo muy importante de la capacidad de producción y una consiguiente reducción de los costos de producción, por lo que estos ace ros tuvieron una importante baja en el precio. Hoy, la aleación básica se ajusta a mínimo 10,5% de cromo un máximo 30% de níquel. Inicialmente utilizados en la fabricación de cuchillos, las aplicaciones de estos aceros hoy son mucho más amplias y están presentes en diversas formas y productos de la construcción. Especialmente adecuados para la industria alimenticia, industria química, hospitales y salud hoy se aplican tanto en elementos estructurales como en acabados y terminaciones: chapas de revestimientos, sistemas de fijación de muros cortina, barandas y pasamanos son sólo algunas de sus aplicaciones. La acción del cromo se debe a la formación de una muy delgada capa de óxido sobre la superficie del metal que es impermeable e insoluble en el medio corrosivo, lo que sucede solamente en medios oxidantes. El níquel que se agrega a estas aleaciones aumenta la resistencia en medios ligeramente oxidantes o no oxidantes y contribuye a modificar la estructura del acero dotándolo de mejores características de ductilidad, resistencia mecánica en caliente y soldabilidad. Otras adiciones como el molibdeno y el cobre, mejoran la resistencia a la corrosión por vía húmeda, e n tanto que el aluminio mejora la resistencia a la corrosión a altas temperaturas. Más información sobre los aceros inoxidables se puede encontrar en www.nucleoinox.org.br
INSTALAR BARRERA ENTRE EL ACERO Y EL MEDIO Consiste en la aplicación de un revestimiento no metálico y mal conductor de la electricidad sobre la superficie a proteger de forma de, efectivamente, aislar el contacto entre el acero y las condiciones de humedad y oxígeno que gatillan el proceso de corrosión. Esta forma de protección depende de la naturaleza del revestimiento, de su porosidad y de la adherencia que logra con la superficie de acero. Algunas de las soluciones típicas para diferentes tipos de usos son:
- Protección de maquinaria: Oleo, grasa, ace ites, parafina
- Ductos y estanques en contacto con el suelo: Betunes, asfaltos y alquitranes
- Orgánicos: Plásticos, PVC, epóxicos, teflón
- Inorgánicos: Vidrio, cerámica y hormigón
- Pinturas
REDUCIR LA ACCIÓN CORROSIVA DEL MEDIO Actuar sobre el medio y no sobre el acero se logra mediante procesos de desaireación del agua (eliminación de aire disuelto en el agua) o la aplicación de inhibidores de corr osión en medios acuosos.
2. SOLUCIONES Las soluciones para prevenir la ocurrencia de la corrosión son variadas y dependen, en gran medida, del ambiente al que estará expuesta la estructura a proteger. Para enfrentar
adecuadamente el problema es necesario ordenar e l proceso de toma de decisiones a partir del siguiente esquema de secuencia:
- Evaluación de condiciones
- Preparación de la superficie
- Aplicación de la protección
- Mantenimiento
Sin embargo se pueden tener en consideración algunas precauciones que, desde la perspectiva del diseño, contribuyen a prevenir la ocurrencia de la corrosión. Entre ellas, podemos mencionar las recomendaciones sugeridas en el Libro de Luis Andrade de Mattos Días, como por ejemplo, no disponer los perfiles abiertos o de ángulos de manera que ac umulen agua o polvo, que son agentes que inducen la formación de corrosión o preocuparse de ocluir o completar los filetes de soldadura en elementos a soldar a fin de evitar que se produzcan láminas de humedad o agua entre ellos.
2.1. EVALUACION DE CONDICIONES Y RIESGO DE CORROSION Las condiciones de riesgo de corrosión se clasifican, en general en las siguientes categorías:
Ambiente Rural - BAJO RIESGO El ambiente rural, lejano a grandes ciudades y del borde de mar es considerado de bajo riesgo de corrosión, siendo exclusivamente un factor de riesgo la humedad presente en algunos sectores y el eventual uso de fertilizantes o insecticidas concentrados.
Ambiente Urbano – RIESGO MEDIO En las grandes ciudades con gran concentración de tráfico vehicular, la presencia de CO2, SO2, y el hollín sumados a condiciones de humedad ambiental local, generan condiciones de mayor riesgo de corrosión.
Ambiente Industrial – ALTO RIESGO La industria suele liberar gases, vapor y polvo, elementos que, según su naturaleza química y concentraciones, generan condiciones de mayor riesgo de corrosión.
Ambiente Marino – ALTO RIESGO En los ambientes del borde mar y dependiendo de la topografía y la rompiente de la ola, se forma niebla salina que impulsada por el viento, genera condiciones de alto riesgo de corrosión, especialmente en los primeros 100m.
Ambientes Mixtos – ALTO RIESGO
La combinación de ambientes urbanos con zonas industriales y/o con bordes marinos, aumenta el riesgo de la corrosión. Por su parte, la Norma ISO-9223 (ISO-9223: 1992 Corrosion of metals and alloys - Corrosivity of atmospheres Classification) que es ampliamente aceptada, clasifica la corrosividad atmosférica en 5 categorías en función de la pér dida anual de masa y de espesor tanto del acero como del zinc expuesto, y son:
C1 - muy baja: ambientes interiores limpios y calefaccionados
C2 - baja: ambientes rurales e interiores con algún riesgo de condensación C3 - media: ambientes urbanos o industriales de moderada contaminación e interiores de naves industriales de alta humedad relativa y presencia de co ntaminantes (procesadora de alimentos, lavanderías, plantas de cerveza y lácteos.
C4 - alta: áreas industriales y costeras de moderada salinidad e interiores de plantas químicas, piscinas temperadas, astilleros, barcos.
C5 - I - Industrial muy alta: áreas industriales de alta humedad y ambientes agresivos e interiores de condensación casi permanente y alta contaminación.
C5 - M - Marino, muy alto: áreas costeras de alta salinidad e interiores de condensación casi permanente y alta contaminación.
2.2. PREPARACION DE LA SUPERFICIE: Cualquiera sea la estrategia de protección a desarrollar, una de las acciones principales e irrenunciables es el adecuado tratamiento de la superficie a proteger. Esto es particularmente importante no sólo por el aspecto técnico sino porque el costo de la preparación de la superficie supera el 50% del costo total de protección, en tanto el costo de la pintura, se sitúa alrededor del 30% del costo total. Es importante conocer el grado de corrosión de una superficie de acero, conocida como “intemperismo” para determinar la correcta forma de pre pararla para recibir el esquema de protección adecuado a las condiciones a las que estará expuesta. Estos son:
GRADO A: Superficie completamente cubierta por cascarilla de laminación intacta con poca o ninguna corrosión.
GRADO B: Superficie con incipiente corrosión atmosférica: la cascar illa ha comenzado a agrietarse.
GRADO C: La corrosión elimina la cascarilla de laminación agrietada dejando sólo oxidación. (la eventual cascarilla aún adherida a la superficie se remueve raspando fácilmente) GRADO D: La cascarilla ha sido removida completamente y aparece corrosión por picaduras La preparación de las superficies se clasifica según el método de limpieza:
QUIMICOS
Desengrase
Decapado en caliente
Removedores de pinturas
Lavados Químicos
FISICOS
Escobillado Manual
Limpieza mecánica
Limpieza con llamas
ARENADOS Y GRANALLADOS Metal Blanco
Casi Metal Blanco Comercial Brush Off La intensidad o profundidad de su aplicación está normada por la norma SSPC (Stee l Structures Painting Council)
SP 1 – DESENGRASADO POR DISOLVENTES Se debe hacer siempre antes de cualquier otro tratamiento: remover grasa, óleos, tierra, polvo.
Secuencia:
a) Remover con cepillos duros los restos de tierra, cemento, etc.
b) Remoción de aceites
- Fregado con paño, pinceles, cepillos embebidos en disolvente (aguarrás, xilol, bencina, toluol)
- Inmersión en disolvente. Se debe cuidar la contaminación del disolvente
- Chorros de disolvente
- Vapor de disolvente (para piezas pequeñas: deben ser no inflamables (percloroetileno, tricloroetileno, cloruro de metilo
SP 2 – LIMPIEZA MANUAL (St 2) Martillos, picadores, raspadores, espátulas, cepillos de acero, lana de acero (virutilla), lija o esmeril. Eliminar cascarilla de laminación suelta, restos de pintura y óxido parcialmente suelto.
Secuencia:
- Remoción de aceites
- Remoción oxidación estratificada con martillos y picadores
- Remoción cascarilla y oxidación suelta con cepillos
- Remoción polvo y polvo de oxidación con cepillo, paño o air e
SP 3 – LIMPIEZA MECANICA (St 3) Cepillos rotatorios, discos abrasivos, esmeriles y lijadoras rotatorias u orbitales. Remover cascarilla de laminación parcialmente suelta, restos de pintura y oxidación parcialmente suelta.
Secuencia:
- Remoción de aceites
- Remoción oxidación estratificada o cáscaras con martillos y picadores
- Remoción cascarilla y oxidación suelta con cepillos
- Eliminar polvos y polvo de oxidación
SP 4 – LIMPIEZA A FUEGO Con soplete se suelta la cascarilla de laminación por diferencial de dilatación térmica. Más efectiva que la limpieza manual pero más riesgosa (incendio, explosión, deformación)
SP 5 – CHORRO ABRASIVO METAL BLANCO Elimina grasas, cascarilla de laminación, óxido, pinturas antiguas, etc. Terminación: 100% de la superficie de color grisácea-plateada, uniforme.
SP 6 – CHORRO ABRASIVO COMERCIAL Elimina grasas, cascarilla de laminación, óxido, pinturas antiguas, etc. Terminación: 65% de la superficie de color gr isácea, resto con leves muestras de sombras decoloración.
SP 7 – CHORRO ABRASIVO LIGERO – BRUSH OFF Remueve vestigios de grasas, cascarilla de laminación, óxido, pinturas antiguas, etc. Terminación: Suave brillo metálico. Los restos de cascarilla, óxido o pinturas antiguas deberán quedar firmemente adheridos.
SP 8 – DECAPADO QUÍMICO Remueve cascarilla de laminación y escamas de óxido. Baños con ácidos: clorhídrico, (muriático) sulfúrico, fosfórico: Secuencia: desengrase, decapado, neutralización Terminación: superficie uniforme gris metálico.
SP 10 – CHORRO ABRASIVO CASI METAL BLANCO Elimina grasas, cascarilla de laminación, óxido, pinturas antiguas, etc. Terminación: 95% de la superficie de color gr isácea libre de toda sombra. Resto puede mostrar ligeras sombras o venas. Uno de los aspectos importantes a tener en consideración es generar un perfil de anclaje adecuado entre la superficie de acero y la capa de pintura de prote cción, que se recomienda no sea inferior a 1/3 del espesor de la pintura.
2.3. APLICACION DE PROTECCION En general, hablamos de sistema de protección al referirnos al conjunto de acciones que involucran la protección de una estructura metálica contra la corrosión, incluyendo el tipo de superficie, el análisis del ambiente a la que e stará expuesta, las condiciones de servicio o de trabajo, las posibilidades de acceso a los lugares a proteger, la preparación de la superficie, el esquema de protección o pintura, y el método de aplicación. Se debe mencionar, además e n todo sistema de protección, los controles de c alidad y el mantenimiento que se deberá co nsiderar en la vida útil de la estructura. La protección mediante galvanoplastía (metalización, electrodespositación o inmersión en caliente) es generalmente considerada la solución más adecuada para condiciones de alto riesgo de corrosión por su durabilidad, sin embargo, existen diversas soluciones de protección que dependerán en gran medida de las condiciones de exposición y de servicio a las que estarán expuestas las estructuras de acero. El cuadro siguiente presenta algunas de las resinas o aglutinantes de uso más frecuente y las propiedades que los caracterizan. Como se puede observar, los distintos aglutinantes tienen
propiedades específicas que los pueden hacer más recomendables que otros según las condiciones a las que estará expuesta la e structura. Hay que mencionar, además, que existen también los sistemas o soluciones mixtas, como e l tratamiento de prepintado que se aplica sobre planchas de zincalum (típicamente en planchas de revestimientos, cubiertas y planchas aisladas) o los denominados sistemas dúplex, aplicados sobre estructuras galvanizadas por inmersión en caliente o por metalización.
2.3.1.
Pinturas
Las pinturas están conformadas básicamente por tres componentes que son: el vehículo (resinas no volátiles; disolventes - volátiles), los pigmentos y los aditivos. Las resinas son las formadoras de película y son el componente más importante y le dan el nombre a las pinturas (pinturas de caucho clorado, epóxicas, poliuretano, etc.). Actúan como aglomerante de los pigmentos, y afectan sus propiedades (impermeabilidad, flexibilidad, continuidad secado, etc.). El pigmento está formado por partículas en suspensión y le dan el color a la pintura. Para la protección de estructuras metálicas son importantes los pigmentos que le oto rgan características anticorrosivas a la pintura, como el azarcón (oxido de plomo - color naranja), cromato de zinc (color amarillo de zinc), cromato de plomo (color naranjo pero menos efectivo que el óxido de plomo), entre otros. Los aditivos se agregan en pequeñas cantidades y le dan propiedades específicas a la pintura (secantes, etc.) Los disolventes son líquidos volátiles que reducen la viscosidad de las resinas y permiten mejorar la uniformidad de la capa de pintura, controlar el secado, siendo adem ás, importante en la limpieza de los instrumentos de aplicación. Las pinturas actúan a través de diferentes mecanismos en la protección de la superficie de l acero:
- Protección por barrera: aún sin tener pigmentos inhibidores de corrosión como los mencionados arriba, la pintura actúa como una barrera mecánica que permite aislar la superficie de acero del medio ambiente. La permeabilidad al vapor de agua es una variable importante, siendo las pinturas de caucho clorado las más impermeables y las alquídicas las de menor impermeabilidad.
- Protección anódica: mediante pigmentos anticorrosivos sumados a la protección por barrera ofrecen una solución eficiente.
- Protección catódica: utilizando un pigmento en base a zinc en polvo se fabrican pinturas ricas en zinc, también llamadas galvanización en frío, que con altos contenidos de zinc y logrando un contacto efectivo entre las partículas de zinc y el acero base, actúa como ánodo.
Las principales resinas utilizadas en la protección de estructuras de acero son:
Resinas de Caucho Clorado: es una resina mono-componente resistente a ácidos, álcalis y sales, a agentes oxidantes, a la humedad y al desarrollo de hongos, aunque es termoplástica, por lo que no debe aplicarse a elementos expuestos a temperaturas superiores a los 70 ºC.
Resinas Vinílicas: son resinas de secado rápido que se conocen usualmente como látex y se fabrican en base a acetato de vinilo (PVA) o cloruro de vinilo (PVC) o ambos, logrando una excelente resistencia química, especialmente a los álcalis.
Resinas Alquídicas: conocidas usualmente como esmalte o primer sintético, son más permeables y menos resistentes que las anteriores. Cuando se modifican con aceites y vegetales dan origen a nueva resina de mayor adherencia y flexibilidad.
Resinas Acrílicas: son mono-componentes en base a disolventes orgánicos o agua, también conocidos como látex, tienen en e l último tiempo, aplicación sobre aceros al carbono gracias al desarrollo de aditivos y pigmentos que los protegen. Re sisten bien la corrosión y el intemperismo. Son inodoras, por lo que se prestan para su aplicación en recintos como hospitales o industrias alimenticias.
Resinas Epóxicas: en su gran mayoría son bi-componentes y presentan una alta resistencia química y física, y muy buena flexibilidad y dureza. Al sol pierden su brillo volviéndose opacas (por pulverización o “chalking”). Muy usadas e n mantenimiento industrial, equipos portuarios y marinos como “primers” para recibir una te rminación en poliuretano. Existen también en base agua, apropiadas para la industria alimenticia.
Resinas de Poliuretano: pinturas en base a resinas de poliuretano se usan en forma de esmaltes y barnices como una forma de terminación con una muy buena resistencia a la intemperie, y gran dureza, flexibilidad y brillo. Muy usadas sobre bases epóxicas en aeronáutica, marina, obras industriales y en grandes estructuras.
Resinas de Etil-Silicato: son bi-componentes en base de aluminio o zinc, sirven como acabados resistentes a altas temperaturas (hasta 600ºC) pero no resisten ácidos o álcalis. Se usa en pintura de chimeneas, ductos calientes, hornos y calderas. También como fondo en esquemas de pintura de plataformas marinas.
2.3.2.
Galvanización y Metalización
En términos generales consiste en el recubrimiento de las superficies de acero con zinc fundido. Si la aplicación se hace mediante proyección de partículas fundidas hablamos de metalización, que es una excelente forma de lograr recubrimientos de altos espesores (entre 100 y 250µm). El proceso de galvanización por inmersión en caliente consiste en, previo tr atamiento de la superficie de acero, sumergir las piezas en tinas de zinc fundido a aproximadamente 450ºC. El procedimiento logra una unión metalúrgica entre el hierro y el zinc, formando varias capas en que v aría la proporción de la aleación de ambos metales. Es un revestimiento de gran resistencia a la corrosión, tanto por la protección catódica que otorga como por la protección de barrera. Los espesores dependen del tiempo de inmersión y varían entre 2 5µm para chapas planas y entre 75 y 125µm para piezas no planas de acero. En el diseño de una solución que ha de recibir una protección por galvanización en caliente se deben observar algunos aspectos importantes: o
Es conveniente conocer las limitaciones de tamaño de las cubas de galvanizado disponibles en las plantas de galvanizado por inmersión en caliente en la región del proyecto, ya que determinan las dimensiones máximas de las piezas a galvanizar (para mejor ar esta limitación existe la posibilidad de hacer galvanizados por doble inmersión, bañando primero un extremo y luego el opuesto de la pieza).
o
o o
o
Asimismo, es conveniente considerar que las conexiones de piezas galvanizadas por inmersión en caliente se ejecuten mediante pernos a fin de evitar soldaduras que, por la temperatura de fusión relativamente menor del zinc, dañen esta protección. En todo caso, existe la posibilidad de aplicar protecciones en frío (pinturas ricas en zinc) en las zonas afectadas. Se deben evitar cantos y ángulos muertos. Se debe asegurar el escurrimiento del zinc fundido, mediante perforaciones y destajes en las zonas más críticas. En el caso de tubos o elementos cerrados, se debe perforar el extremo opuesto a la zona de inmersión inicial, a fin de permitir la liberación de los gases que se acumulan en el proceso.
ACEROS GALVANIZADOS El Galvanizado 1. CORROSIÓN 1.1. Introducción El acero expuesto a determinadas condiciones del medio puede sufrir corrosión, que s e define como un conjunto de alteraciones físico químicas que sufre una sustancia por acción de determinados agentes naturales. La corrosión es un proceso natural, espontáneo y lineal que depende de las condiciones del medio y del tiempo en que esté expuesto a ellas. La corrosión se puede en tender como el proceso inverso de la metalurgia, es decir, aquel en que el hierro vuelve al estado en que con mayor frecuencia se le encuentra en la corteza terrestre, o sea, en forma de óxidos de hierro.
Oxido de hierro.
1.2. Tipos de Corrosión En el caso del acero, se describen tres tipos de corrosión: CORROSION ATMOSFÉRICA: proceso electroquímico que se forma en la c apa de humedad condensada sobre la superficie del acero. Se acelera en ambientes contaminados y ácidos (como el anhídrido sulfuroso de áreas urbanas) y en ambientes marinos (en que la sal destruye la película protectora de óxido s uperficial). Se diferencian la corrosión química o seca (una superficie metálica expuesta a la presencia de un gas puede desarrollar una reacción que forma óxido o s ales. En el caso el Hierro, la presencia d e oxígeno formará una capa de óxido sobre la superficie) y la corrosión electroquímica o húmeda (en la superficie metálica existen puntos o regiones con potenciales eléctricos diferentes -por alteraciones de la composición, variaciones de temperatura o alteraciones del medio ambiente- que son potenciales contactos eléctricos abiertos, pero que en presencia de humedad actúan como minúsculas pilas galvánicas). CORROSION GALVÁNICA corriente electroestática entre metales más o menos nobles de la s erie galvánica en presencia de humedad. Se acelera mientras mayor sea la distancia en la serie galvánica entre los metales. CORROSION A ALTAS TEMPERATURAS se produce por el aumento muy rápido de la película de ó xido superficial. Se presenta en procesos de laminación en que por el enfriamiento con agua se produce la laminilla o cascarilla de laminación, que se elimina en la industria. Procesos d e Soldadura también generan altas temperaturas cuyo riesgo de corrosión se reduce por emisión de gases inertes que eliminan el oxígeno en torno al punto de la soldadura. Se entiende por potencial de oxidación la capacidad de u n metal de liberar electrones o de sufrir oxidación, que es distinto para cada metal, y e stá ordenada en la Serie Galvánica. Mientras más electronegativo es un metal, mayor es su potencial de oxidación. Metales más electropositivos tienen menor potencial de oxidación (metales nobles). En el caso de contacto entre metales de distinto potencial, siempre sufrirá corrosión el más electronegativo, en tanto se conservará el más noble. A mayor distancia en la serie galvánica de los metales puestos en contacto mayor es la diferencia de potencial y más rápidamente aparecerá óxido en el metal de menor potencial (ánodo). Dadas estas condiciones, podemos resumir que para que se produzca corrosión en el acero d ebe haber contacto de agua y oxígeno con la superficie metálica; que la corrosión potencial depende de contaminación atmosférica, pero que la corrosión real depende del tiempo de exposición a la h umedad y que, adicionalmente, el contacto con otros metales puede inducir corrosión localizada. En la práctica para combatir la corrosión se debe reducir el tiempo de exposición las condiciones corrosivas del am biente y se debe aislar lo más posible de la humedad (e impedir el c ontacto del agua con la superficie). 1.3. Ambientes Corrosivos De lo anterior se desprende que uno de los aspectos importantes a considerar en e l diseño de estructuras de acero es conocer las condiciones del medio al que va a es tar expuesto. Muchos países cuentan con mapas de riesgo de corrosión, puesto que condiciones locales específicas suelen aumentar la a gresividad potencial del ambiente. Sin embargo, esta información, que se construye a partir de estaciones de monitoreo que evalúan en el tiempo el efecto de los metales expuestos a la intemperie, no está disponible para todas las regiones y localidades. En general, se pueden clasificar los tipos de ambientes según el siguiente esquema:
2. ESTRATEGIAS DE PROTECCIÓN. La corrosión produce importantes pérdidas en las economías de países industrializados y emergentes (en los primeros, se estima que alcanza el 4% del PIB). En consecuencia, todo aquello que se pueda hacer para prevenir y evitar la corrosión es de gran importancia. Para prevenir la corrosión se puede recurrir a las siguientes estrategias básicas:
MEDIANTE LA MODIFICACIÓN DEL ACERO BASE Los aceros pueden modificarse agregando diferentes minerales a la a leación, con lo que se logran propiedades especiales. Tal es el caso de los Aceros inoxidables ( en los que el material en sí tiene resistencia a la corrosión) y los Aceros patinables (en que la protección está dada por capa de óxido (pátina) protectora que se forma con el contacto con la humedad ambiente), de los cuales el acero tipo Corten ha sido ampliamente usado en diversos proyectos que hemos presentado en estas páginas. MEDIANTE REVESTIMIENTOS Aunque hay una gran diversidad de tratamientos y revestimientos para proteger el acero de la corrosión, en esta sección trataremos básicamente el Galvanizado en bobinas del material antes de ser procesado por el cliente de la siderurgia y el Galvanizado en cubas.
3 GALVANIZACIÓN 3.1. INTRODUCCIÓN Una eficaz protección del acero frente a los riesgos de corrosión se pu ede lograr mediante la Galvanización, que es el recubrimiento del acero base mediante una capa de zinc. Como veremos más adelante, esta capa de zinc no es sólo un recubrimiento del tipo película (como las pinturas, por ejemplo) si no que se genera adicionalmente una unión metalúrgica con el acero formando capas de aleación entre el acero y el zinc de diferente composición de cada uno de ellos. Básicamente existen dos formas de aplicación de esta protección galvanizada: a) por un proceso que se aplica a bobinas de espesores inferiores a 2,5mm en procesos continuos por inmersión en caliente o por electrodeposición o b) en procesos que se aplican a estructuras y/o perfiles pesados por inmersión de las piezas en cubas.
Estos materiales son distribuidos por las siderurgias o por los servicentros o empresas comercializadoras como bobinas o ya cortadas como chapas (l isas y eventualmente luego onduladas) o procesadas como perfiles conformados. O sea que son materiales estándares GALVANIZACIÓN DE BOBINAS
GALVANIZACION CONTINUA EN CALIENTE (HOT DIP GALVANIZING) Esta galvanización por inmersión en caliente se hace en un proceso continuo a partir de bobinas de chapas de acero laminadas en c aliente decapados (casos especiales) o laminadas en frío sin recocer (espesores menores a 2,5mm), las que pasan por etapas sucesivas y continuas. El proceso se inicia con el desbobinado, el posterior ingreso de la chapa en un horno que c umple las funciones de limpieza y tratamiento térmico para luego pasar por una c uba de inmersión que contiene el zinc fundido. Posterior a esto, se somete a un proceso de enfriado mediante chorro de aire hasta los 50°C, se sigue en una estación de planchado y culmina con el rebobinado de la chapa. Estas bobinas de chapas de acero así galvanizado tienen amplia aplicación en la conformación de perfiles galvanizados de bajo espesor para estructuras de entramados ligeros, estructuras de cubiertas y de cielos suspendidos, además de la conformación de paneles de c erramientos y/o cubiertas. Con frecuencia, en estos últimos casos, las chapas son posteriormente pintadas en procesos también continuos, lo que le otorga una doble protección: por una parte la protección catódica y de barrera que provee la galvanización y, por el otro, la protección adicional de barrera de la pintura, lo que adicionalmente entrega una terminación y acabado mejores. Este proceso se hace tanto mediante la aplicación de zinc (denominado galvanizado) como de aluminio (aluminizado) -poco usado- o mediante la combinación de ambos (conocido como tipo Galvalume, o Zincalum). En este último caso, que data de hace ya algunas décadas, se aplica una aleación de zinc y aluminio que otorga aún mejores propiedades a la protección, mejorando sensiblemente la durabilidad de las chapas así protegidas. Esta aleación de Aluminio y Zinc tiene una composición nominal de Aluminio 55%, Zinc 42% y Silicio 1.6%, y protege a l acero proporcionándole una alta resistencia a la corrosión e n que las zonas ricas en aluminio actúan como un recubrimiento barrera a largo p lazo, mientras que las zonas ricas en zinc proporcionan la protección galvánica que se necesita para reducir al mínimo la tendencia de las manchas de óxido en los bordes desnudos o sin protección y otras zonas de acero expuestas. Estos procesos se aplican en chapas de espesores en general inferiores a 2 ,50mm y, en general entre 0,35mm y 1,60 mm ELECTROCINCADO CONTINUO Otra forma de aplicar la protección de zinc es mediante el proceso de electrocincado continuo en el que la chapa laminada en frío recibe un recubrimiento de zinc por una o dos c aras mediante deposición electrolítica. La chapa es inicialmente sometida a un proceso de pre limpieza para eliminar la capa de aceite, pasando por un túnel de desengrasado antes de iniciar el proceso de limpieza electroquímica y entrar en las cubas de decapado. En la etapa siguiente, el material decapado pasa a las células de galvanoplastia. En ellas, tanto la banda de acero como los ánodos de zinc están sumergidos en una solución electrolítica que permite el paso de una corriente eléctrica entre los ánodos de zinc y la banda de chapa de acero que actúa como cátodo. Controlando la velocidad de avance de la chapa y la intensidad de la corriente eléctrica se puede regular el espesor del recubrimiento continuo de zinc sobre la chapa. El resultado del proceso es una chapa de acero que lograuna alta resistencia a la corrosión, buen aspecto superficial y mejora anclaje de pinturas. Las chapas electro cincadas se usan especialmente en la industria de artículos para el hogar y en la industria automotriz y no tienen aplicación masiva en la construcción.
GALVANIZACIÓN POR INMERSION EN CALIENTE EN CUBAS Para espesores gruesos de chapa no se usa el galvanizado en bobinas. Lo que se realiza es el galvanizado en cubas de las piezas fabricadas o sea los perfiles conformados gruesos o los perfiles soldados a partir de chapas. También se galvanizan en cubas los perfiles laminados. En todos los casos se destaca que son piezas de espesores considerables para estructuras medianas o pesadas. Este proceso es realizado por empresas especializadas fuera de la siderurgia y el material resultante es enviado a continuación directamente al cantero de la obra para s u montaje. Las piezas galvanizadas son entregadas contra pedido y no son estándares.
Descripción
El Galvanizado por Inmersión en Caliente es un proceso industrial por medio del cu al se protege todo tipo de productos de hierro o acero contra la corrosión. La protección anti corrosiva la otorga un recubrimiento de zinc sobre el acero, lo que se logra mediante la inmersión del elemento a proteger en un c risol con Zinc fundido a 450 grados Centígrados. Durante este baño se produce u na reacción química entre los metales, originando un recubrimiento unido metalúrgicamente al acero mediante diferentes capas de aleaciones. La reacción de difusión entre los metales da como resultado la formación de una barrera impermeable que protege a las superficies metálicas del medio ambiente. El espesor del recubrimiento depende del tiempo de inmersión. Los elementos recién salidos del proceso de galvanización por inmersión en caliente presentan un aspecto metálico brillante que va desapareciendo con el tiempo hasta estabilizarse en un color gris mate, que corresponde a la llamada capa de pasivación, formada por hidróxidos y carbonatos básicos de zinc, que aísla el zinc del medio ambiente. Como se menciona arriba, una de las c aracterísticas más importantes de la protección mediante galvanizado por inmersión en caliente es que el r ecubrimiento no es, estrictamente, una película de zinc depositada sobre el elemento de hierro a proteger sino una unión metalúrgica entre el acero y el zinc en que se crean distintas capas en el metal que tienen contenidos de acero y zinc diferenciados.
Técnicamente estas capas se denominan ETA (que contiene un 100% de Zn); ZETA (con un contenido de 94% Zn y 6% de Fe); DELTA (que contiene un 90% Zn y 10% de Fe) y GAMMA (con contenido de un 75% Zn y 25% de Fe).
Ventajas Las ventajas de una protección por galvanización en c aliente son muchas, pero hay que destacar que la principal es que asegura una mayor vida útil a los productos. La protección por galvanización en c aliente aumenta significativamente la durabilidad de los elementos de acero expuestos a ambientes corrosivos. Aunque su costo directo no es necesariamente elevado, en toda evaluación económica, necesariamente se debe considerar este aumento de la vida útil del pr oducto. Esta prolongación de la vida útil tiene gran importancia en la evaluación ambiental de un producto o proceso. En efecto, al proteger una tonelada de
acero se evita consumir la energía necesaria pa ra su producción. Probablemente, la galvanización por inmersión en caliente sea uno de los procesos más amigables con el medio ambiente para proteger estructuras de acero. Como se comenta en el d ocumento de Latiza anexo, cada 90 segundos en el mundo se consume una tonelada de acero por la c orrosión, y de cada dos toneladas de acero producido, una es para reemplazar el acero corroído. A lo anterior (que merece un comentario mucho más detallado que se puede encontrar en el documento anexo La Galvanización y la Construcción sostenible, de Tom Woolley) hay que sumar que tanto el zinc como el acero son metales 100% e indefinidamente reciclables: no pierden sus propiedades y características en el proceso de re ciclado. Otro aspecto importante a mencionar es que la galvanización por inmersión en caliente es especialmente adecuada para condiciones de riesgo de corro sión severo. En obras emplazadas en los primeros 200m del borde marino, la galvanización por inmersión en caliente debe considerarse como una condición de protección básica. Lo anterior se explica porque la protección por galvanización por inmersión en caliente se logr a con la acción copulativa de dos principios: Protección por barrera física: El recubrimiento es evita el contacto directo del acero con el agua y/o el oxígeno, generando una protección de barrera de gran mayor dureza y resistencia. Protección sacrificio: debido a su posición relativa en la serie galvanizada, el zinc actuará como ánodo de sacrificio, corroyéndose antes que el acero, aunque a u na tasa significativamente menor. Con el paso del tiempo se forma una fina capa de óxido de zinc que actúa como aislante del galvanizado. Además, la capa de zinc que protege el acero tiene la c apacidad de auto curado, ya que ante raspaduras s uperficiales, se produce un taponamiento por reacción química de la superficie dañada. En síntesis, la galvanización por inmersión en caliente es un tratamiento que no requiere de grandes faenas n i costos de mantenimiento. Aún así, si se quiere mejorar las prestaciones o cambiar la apariencia, siempre es posible aplicar posteriormente una protección mediante un revestimiento o pintura de protección y/o terminación. Con ello, se agregan a las propiedades de la galvanización por inmersión en caliente las propiedades de las resinas de la protección superficial las que actuarán como una barrera de p rotección adicional que se suma a la galvanización. Proceso Actividades previas Antes de entrar en el proceso de galvanización o en el baño en el crisol de zinc fundido, las piezas de acero deben cumplir algunas etapas previas. La primera será de inspección visual de las piezas a galvanizar. S e debe cuidar que las piezas sean de dimensiones posibles de sumergir en el crisol. Por otra parte, se deberá verificar que la geometría de las piezas permita el escurrimiento del zinc fundido excedente del proceso sin que se formen depósitos o bolsas. Asimismo, se debe asegurar que las piezas huecas a sumergir en el zinc fundido tengan aberturas en sus extremos que permitan la evacuación del aire y de los gases a fin de evitar daños y hasta explosiones producto de las dilataciones que se generan. La preparación de las piezas es, pues, fundamental. En caso de encontrarse condiciones inconvenientes, con frecuencia se deben hacer perforaciones o destajes, lo que se puede evitar con un adecuado diseño y detallamiento previo. Tanto el diseño de detalle como el adecuado dimensionamiento de las piezas son factores que deben ser considerados en la etapa de diseño de los proyectos. En síntesis, se debe verificar dimensión de la tina o crisol disponible en la planta próxima al taller o a la obra en que se disponga contratar la galvanización por inmersión en caliente. Piezas mayores a la capacidad se pueden proteger por doble inmersión (una vez un extremo, luego el otro). Lo anterior es importante porque es recomendable que las conexiones de obra sean apernadas, ya que la temperatura de la soldadura es superior a la temperatura de fusión del zinc y el proceso remueve la capa galvanizada. Aunque existen normas y recomendaciones para hacer las reparaciones en este caso (aplicación de pinturas con alto co ntenido de zinc en suspensión), en general se recomienda evitar o minimizar la soldadura en obra de las piezas galvanizadas. Además, se debe considerar diseñar y preparar las piezas a proteger por galvanización por inmersión en caliente con los destajes y perforaciones que aseguren correcto escurrimiento del zinc al salir del baño. Un buen diseño de detalles y conexiones debe incluir estos aspectos a fin de lograr una buena presentación
Proceso Una vez conseguidas las condiciones señaladas, las piezas son colgadas para iniciar el proceso de galvanización por inmersión en caliente, el que incluye, al menos, las siguientes etapas: Desengrase. Procedimiento en el que se remueven de la superficie del acero residuos de aceites, grasas, lacas y pinturas. Lavado. Limpieza en agua que se realiza para evitar el arrastre del líquido desengrasante al decapado. Decapado Ácido. Con soluciones en base de Ácido Clorhídrico o Sulfúrico se remueven los óxidos y calamina de las piezas de hierro o acero. Lavado. Enjuague con agua limpia de los materiales para evitar el arrastre de ácido y hierro a la solución de flux. Secado en aire caliente. Los productos mojados por la solución acuosa d e las sales del flux, debe secarse antes de su introducción en el baño de zinc, lo que se realiza en un foso de secado con aire caliente. Galvanizado - baño de zinc. La galvanización se realiza sumergiendo las piezas en un baño de zinc fundido, a temperatura comprendida entre 440°C y 460°C. Durante la inmersión de los productos en el zinc fundido se produce la difusión del zinc en la superficie del acero lo que da lugar a la formación de diferentes capas de aleaciones zinc - hierro de d istinta composición. Cuando los productos se extraen del baño de galvanización, éstos quedan recubiertos de una capa externa del baño de zinc. El tiempo durante el que los productos deben estar sumergidos en el baño de zinc, pa ra obtener un recubrimiento galvanizado correcto, depende, entre otros factores, de la composición del acero, de la temperatura del baño de zinc, y del espesor del acero de los productos. En cualquier caso, los productos deben estar sumergidos en el zinc hasta que alcancen la temperatura del baño. Enfriamiento. Una vez fuera del baño de galvanización los productos pueden enfriarse en agua o dejarse enfriar al aire. A continuación pasan al área de acabado para eliminar rebabas, gotas punzantes y adherencias superficiales de cenizas o restos de sales y finalmente, se someten a inspección. Los recubrimientos galvanizados sobre artículos diversos deben cumplir una seri e de requerimientos sobre aspecto superficial, adherencia y espesor que vienen especificados en las normas. Por último los productos se pesan para determinar su precio. Inspección y control de calidad. Se realiza con equipos magnéticos para medir espesores del recubrimiento e inspecciones visuales de la apariencia y acabado en el acero y en el recubrimiento.
Pieza galvanizada por inmersión en caliente a la salida del baño de zinc.
ACEROS INOXIDABLES ACEROS INOXIDABLES El acero inoxidable es un acero cu ya aleación contiene a lo menos un 10,5% de Cromo y un contenido de carbono inferior al 1,2%. El contenido de Cromo le otorga al ac ero inoxidable la resistencia a la corrosión que lo ha hecho merecedor del prestigio que lo acompaña. La adición de cromo en la aleación permite la formación de una fina capa de óxido de cromo sobre la superficie del acero en forma natural y continua. Esta capa, altamente impermeable e insoluble en el medio corrosivo, se denomina capa pasiva o p asivante y lo protege indefinidamente de la corrosión. La resistencia a la corrosión del acero inoxidable, así como el resto de sus propiedades físicas, pueden mejorarse con la adición de otros componentes como níquel, molibdeno, titanio, niobio, manganeso, entre otros. La adición de níquel mejora la resistencia del acero en medios ligeramente oxidantes o no oxidantes, mientras el molibdeno y el cobre mejoran la resistencia a la corrosión por vía húmeda y el silicio y el aluminio, contribuyen a mejorar la resistencia a la corr osión por altas temperaturas. Entre los aceros especiales, el acero inoxidable es un material que se ha incorporado crecientemente a la construcción a partir de su casi simultánea aparición en distintas partes del mundo a principios del siglo XX. Efectivamente, ya se sabía que la presencia de un 5% de cromo en la aleación de acero mejoraba s u resistencia a la corrosión. Sin embargo, es recién a partir de un contenido mínimo de 10,5% de Cromoque se habla de aceros inoxidables. Distintos estudios llevan aldesarrollo de d istintos tipos de acero inoxidable casi coincidentemente en Inglaterra y EEUU en 1913, Alemania 1914 y Francia 1917. La fabricación industrial comenzó en la década de los año s 20, después de la primera guerra mundial. La may or parte de los aceros inoxidables que se usan en la ac tualidad se desarrollaron entre 1913 y 1935. La estandarización de las aleaciones y métodos más económicos de producción impulsan un desarrollo importante después de la 2ª. Guerra mundial. Un desarrollo más reciente corresponde a los aceros inoxidables con molibdeno, altamente resistentes a la corrosión y fuertes, que se producen a partir de los años 70. Los principales tipos de acero inoxidables que se conocen se clasifican en: Ferríticos que, a diferencia de las otras familias de aceros inoxidables, no contienen níquel y contienen como mínimo un 12% de cromo. Son poco maleables y un p roducto ideal para cubiertas. Austenísticos, incluyen níquel que le proporciona una cierta ductilidad o maleabilidad. El acero inoxidable austenítico es especialmente valorado por los arquitectos y otros constructores de cubiertas. Sus aplicaciones
principales son: módulos, fachadas o incluso mobiliario urbano. Se divide en dos familias, la serie 200 y la serie 300. Martenísticos, se producen de manera que pueda «endurecerse», sin embargo normalmente posee una resistencia menor a la corrosión. Dúplex: Se trata de un acero inoxidable que se beneficia simultáneamente de las características del acero inoxidable austenítico y de las del acero al carbono. El acero inoxidable dúplex posee una resistencia muy elevada a la corrosión y presenta características mecánicas inmejorables. En la construcción, el dúplex se usa especialmente en la construcción de puentes, pasarelas y piscinas . Para elegir una calidad o tipo de acero in oxidable se debe considerar las condiciones a las que estará expuesto (temperatura, polvo, productos corrosivos, etc.); el entorno (interior, exterior, marítimo, especial, etc.) y las características propias del elemento a fabricar (características mecánicas, deformación, etc.). La resistencia mecánica del acero inoxidable permite disminuir los espesores del material. Son aceros simples de conformar mediante procesos habituales tales como perfilado, plegado, cizallado, perforación, punzonado y soldadura. Se recomienda que las herramientas utilizadas sean de uso exclusivo e n las faenas de acero inoxidable para evitar la contaminación ferrosa que podría causar la formación de herrumbre.
ACERO INOXIDABLE EN LA ARQUITECTURA Los usos y aplicaciones del acero inoxidable en la arquitectura no han sido muy masivos, probablemente por su impacto en los costos, ya que es aún un material relativamente costoso. Sin embargo, si se considera en incremento sustancial que tiene en la vida útil del acero, la inversión inicial se verá ampliamente compensada. No es nuestro propósito hacer una visita exhaustiva a las construcciones con uso más o menso intensivo del acero inoxidable, sin embargo caben algunas menciones que contribu yen a formarse una idea de sus aplicaciones y usos. Entre los edificios emblemáticos que han hecho uso del acero inoxidable está, por cierto, el Chrysler Building, de Van Allen, cuya cúpula o coronación superior está recubierta de chapas de acero inoxidabl e.
Edificio Chrysler – Nueva York – Cúpula y terminación superior con revestimiento de acero inoxidable
Frank Gehry hace uso de revestimientos de acero inoxidable en las cubiertas del Lou Ruvo Center for Brain Health, en Las Vegas, EEUU.
El nuevo edificio del Parlamento Escocés 1998, de los arquitectos EMBT de Barcelona y sus socios escoceses RMJM Scotland, tiene una cubierta de acero inoxidable, además de ventanas del mismo material en el bloque de las oficinas de lo s representantes.
En este mismo sitio hemos publicado ya más de alguna obra en que se ha usado el acero inoxidable en revestimientos y en otras aplicaciones. Entre ellas, cabe mencionar el Balancing Barn, de MVRDV o el Mercado de Pescados y Mariscos de Besiktas, de GAD, en Estambul.
Balancing Barn, MVRDV
Mercado de Pescados y Mariscos de Besiktas, de GAD
Cloud Gate de Anish Kapoor en Chicago
Conocida es la obra Cloud Gate, inspirada en una gota de mercurio, obra del artista británico Anish Kapoor, en Chicago, que pesa más de 100 tonelada y está hecha de placas de acero inoxidable pulidas.
Inverse, Roxy Paine
ACEROS PATINABLES RESISTENTES A LA CORROSIÓN Existen varias estrategias para evitar el daño del acero por la corrosión. Ya nos referimos en secciones de este sitio al caso en que todo el espesor del producto de acero es resistente a la corrosión (aceros inoxidables). También se han comentado soluciones como la aplicación de un recubrimiento (zinc, aluminio, etc.) que actúa como ánodo de sacrificio y la aplicación de barreras físicas (pinturas) (ver Aceros Galvanizados). Una solución alternativa son los aceros patinables, muchas veces conocidos como tipo Corten siguiendo el nombre de una antigua patente de la United Steel. En América latina existe producción regional de aceros patinables bajo otras marcas (ver abajo al final). Características Los aceros patinables se caracterizan po r su muy buena resistencia a la c orrosión, gracias a incluir cobre y cromo en su aleación. Básicamente consisten en una aleación de bajo contenido de Carbono (inferior al 0,25%) que, en adición de pequeñas cantidades de Cob re (Cu) Níquel (Ni) y Cromo (Cr) y expuesto a ciclos de humedad y sequedad, desarrolla una capa de óxido homogénea y de alta adherencia en la superficie del acero expuesto a las condiciones del clima. Es esta formación de esta fina capa de oxidación superficial no progresiva y protectora (pátina), la que le otorga resistencias a la corrosión superiores a la de los aceros comunes. Esta capa superficial, se desarrolla y regenera continuamente y funciona como barrera de protección contra el avance de la corr osión sin demandar revestimientos o protecciones adicionales, dependiendo del ambiente al que está expuesto. Esta capa superficial de protección se va formando de acuerdo a ciclos naturales de humedad (lluvia, neblina) y sequedad (sol, viento) en períodos variables de 18 a 36 meses que pueden acelerarse artificialmente. Normalmente, a partir del primer año de exposición, ya se aprecia l a coloración café típica del acero patinable, La formación, duración y efecto protector de la capa protectora dependen de varios factores, especialmente el carácter corrosivo de la atmósfera del lugar en que se emplazará. En general, se considera que en estructuras expuestas en ambientes industriales, urbanos y rurales, la capa protectora asegurará una muy buena protección contra la corrosión. En casos de estar expuesto a condiciones de contaminación ambiental que incluyen agentes agresivos, de estar en contacto directo con agua por largos períodos, de estar expuesto a humedad permanente o expuesta a condiciones de borde marino (menor a 600m del borde de mar), se debe necesariamente considerar recubrimientos de protección adicionales o materiales alternativos. (ver corrosión) El acero patinable tiene una apariencia similar al que resulta de un acero oxidado por lo que ha s ido explorada en diversos proyectos de obras de arquitectura, obras civiles y de esculturas, algunas de las cuales hemos presentado en este sitio (ver Puentes Can Gili, Pont Trencat, entre otros). El acero patinable se ajusta a normas. En el c aso de EEUU las normas correspondientes son las ASTM A242, (la primera) A-588 (desarrollo posterior) y A-606 (para chapas delgadas) .La composición de estos materiales patinables asegura, junto con su mejor resistencia a la corrosión ya comentada, una adecuada resistencia mecánica, buena ductilidad, tenacidad y soldabilidad. Cuatro empresas latinoamericanas producen laminados en caliente patinables. Ver abajo catálogos en Links de interés. Propiedades de los Materiales fabricados según norm as ASTM en América Latina
Calidad
C (máx.)
Mn
Cr
ASTM A- 0,15 242
1,0max
ASTM A- 0,20
0,75/1,35 0,40-
Cu
Rangos espesor
Limite fluencia (MPa) Min
0,20 min
0,20 min 290/345 415/480
16/21
0,20-0,40 345
16
Resistencia Elongación a la mín. tracción (MPa) Min
485
588 ASTM A- 0,22 606
/0,70 1,25max
340
480
22
Según comunicación de Alacero. Compilado a partir de Catálogos de Arcelor Mittal Tubarao, CSN, Gerdau; Usiminas; En el caso en que se indica máximo o mínimo en la columna pero figura el rango, se indica los valores que abarcan a los distintos proveedores o espesores. Aunque el acero patinable sufre una corrosión superficial que significa una cierta pérdida de espesor según el ambiente al que se encuentra expuesto, ésta es muy re ducida en comparación con aceros ASTM A-36, (tipo acero “comercial”) según se muestran en los gráficos siguientes:
Fuente: http://www.cbca-acobrasil.org.br/construcao-em-aco-acos-estruturais.php
HISTORIA Inicialmente los aceros patinables surgen en USA en 1933 aplicándose principalmente para la fabricación de vagones de carga de tren, amparado en e l bajo coste de mantenimiento que demandan. La United Steel Corporation de USA los registró bajo la marca de COR -TEN, que posteriormente fue vendida a la International Steel Group en 2003 (hoy Arcelor Mittal). Recién en la década de los años 60 del siglo XX se inicia su uso en aplicaciones de obras civiles y de arquitectura. El primer edificio construido enteramente en acero patinable (bajo la patente COR-TEN) fue el edificio administrativo de John Deere, en Illinois, proyecto de Eero Saarinen, que fue completado luego de su muerte por Kevin Roche. A solicitud del entonces presidente de la c ompañía, se utilizó por primera vez el acero COR-TEN lo que dio al edificio su a pariencia y color terrosa característica.
Fuente: http://www.greatbuildings.com
Fuente: http://www.greatbuildings.com
PRECAUCIONES La construcción con aceros patinables debe considerar especial atención a los niveles de contaminación ambiental que existen en el emplazamiento del edificio, especialmente si se quiere dejar la pátina o c apa superior de óxido a la vista. Más allá de lo anterior, según Luis Andrade Mattos Días (Estructuras de Acero: conceptos, técnicas y lenguaje) se deben tener algunas p recauciones durante la ejecución de las obras, e ntre otras:
Eliminar la cascarilla de laminación por limpieza de chorro abrasivo (Ver corrosión: 2.2.) Eliminar salpicaduras de soldaduras, aceites y hormigón. Evitar en el diseño sectores que pudieran retener agua o elementos sólidos. Si no es posible, estos sectores se deben proteger con pintura.
Otros autores señalan que diseño deberá considerar las eventuales pérdidas de masa o de espesor que tendrá el acero COR-TEN expuesto y tomar las medidas adecuadas, como la consideración de sobre espesores si corresponde. Por último, cabe destacar que el acero patinable puede ser trabajado con algunas consideraciones que se detallan: Oxicorte: el acero patinable puede trabajarse con oxicorte aplicando los métodos adec uados. En casos de ambientes bajo los 5ºC se deberá precalentar una sección razonablemente ancha alrededor de la zona de corte. Si los cortes van a ser sometidos a conformado en frío, el efecto de endurecimiento se deberá prevenir mediante precalentado. Soldadura: el acero patinable se puede soldar tanto manual como mecánicamente, bajo el supuesto de la observancia de las buenas prácticas de soldadura. Para asegurar obtener las mismas propiedades mecánicas en la soldadura y en el metal base, se deben aplicar los consumibles adecuados en las condiciones apropiadas. Asimismo, se deben considerar que para el uso de acero patinable expuesto sin recubrimientos la unión soldada debe ser igualmente resistente a la corrosión, lo que se logra usando consumibles que s e ajusten al material de base. Uniones Apernadas: la selección de pernos, remaches y accesorios se deberá hacer de forma de evitar la formación local de celdas electro-químicas. Los elementos de conexión deberán ser, preferentemente, de acero patinable. En las juntas se pueden crear condiciones capilares que conduzcan a la formación de humedad permanente que resulten en corrosión acrecentada. Por lo mismo, las zonas críticas deben ser protegidas adicionalmente mediante pinturas, sellos u otras medidas preventivas. En el caso de conexiones de alta resistencia aplican las condiciones para aceros no patinables como se detalla en DIN 18800, parte 1. Mayores informaciones relacionadas con esta materia se pueden encontrar en: http://www.construccionenacero.com/noticias/Paginas/DesarrollodeacerotipoCortenparaperfiles,pernosytuerca s.aspx Soldadura. La AWS-D1 incluye provisiones para uniones soldadas con aceros patinables. Aunque los electrodos estándares producen soldaduras de adecuada resistencia, se han desarrollado electrodos especiales p ara generar soldaduras con las mismas características de resistencia a la corrosión que los elementos que unen. Las soldaduras de filetes de un paso simple hechos con electrodos estándares incluyen suficiente material como para resistir a la corrosión pero tienen diferente apariencia que el acero patinable, Es por ello que se puede realizar una primera pasada con electrodo común y otra con un electrodo especial para unir aceros patinables. Debe prestarse especial atención a los extremos de las soldaduras para asegurarse que estén cubiertos con el electrodo especial Es p or ello que a veces se prefiere que todas las pasadas sean realizadas por el electrodo especial. Requisitos para una adecuada formación de la pátina Para quienes se interesen en mayor profundidad en los aspectos específicos de la velocidad de form ación de la pátina en distintas condiciones adjuntamos un link a un interesante artículo (lamentablemente en inglés).
Some Clarifications Regarding Literature on Atmospheric Corrosion of Weathering Steels I. Díaz, H. Cano, B. Chico, D. de la Fuente, and M. Morcillo Proyectos y galería de fotografías Después del edificio John Deere, varios proyectos han incursionado en el uso y aplicación del acero CORTEN, explorando su apariencia y aporte formal. Demás está decir que est a exploración suma los atributos formales de estos aceros a sus destacadas características de resistencia mecánica y resistencia a la corrosión. Como mencionamos arriba, en nuestro sitio hemos presentado y comentado varias obras cuya estructura principal o de revestimiento está propuesta en aceros patinables (tipo COR -TEN). Entre ellas:
Museo de Monteagudo Centro Cultural Gabriela Mistral Refugio Delta Residencia Montecito Centro de Distribución y Logística Ferretería O´Higgins Escuela de Arte e Historia del Arte de Iowa IronBank
Más allá de lo anterior, sin embargo, y sin hacer un análisis de cada proyecto y sólo citando la fuente y los autores, cuando esto es posible, queremos compartir algunas imágenes extraídas de internet que ponen en evidencia los atributos y posibilidades formales que el acero COR-TEN ofrece.
Publicado por Bob Borson, arquitecto, AIA, Leed AP, NCARB certified, and previous Dallas AIA Young Architect of the Year (2009).
Casa de la Historia de Essen, Scheidt Kasprusch Architekten, fotografía Deimel & Wittmar
Endémico resguardo Silvestre, Estudio Gracia, México, Fotografía Luis García
Raif Dinçkök Yalova Cultural Center, Emre Arolat arquitecto, Turquía
Escultura Fulcrum 2, Richard Serra, Image: RichardSerra_Fulcrum.jpg
SITIOS DE INTERES RELACIONADOS
AISLACIÓN TÉRMICA
Es sabido que el acero, como material, tiene una alta conductividad térmica (λ=58,000Wm/K), lo que ha de
tenerse en consideración en el momento del diseño de soluciones constructivas. Esta condición crea con facilidad puentes térmicos en las edificaciones, lo que puede generar pérdidas o ganancias térmicas indeseadas y, dependiendo de factores como diferenciales de temperatura, humedades interiores, etc., condensación en las caras interiores frías. Como referencia se indica a continuación los valores aproximados de conductividad térmica de diferentes materiales:
Hormigón armado
3
(densidad aparente 2.400kg/m ) λ = 1,630Wm/K 3
Ladrillo hecho a máquina macizo (densidad aparente 1.000kg/m ) λ = 0,460Wm/K 3
Ladrillo hecho a máquina macizo (densidad aparente 2.000kg/m ) λ = 1,000Wm/K 3
Madera (pino)
(densidad aparente 460kg/m ) λ = 1,630Wm/K
Lana mineral
(densidad aparente 40kg/m3)
Poliestireno Expandido
(densidad aparente 10kg/m )
Poliuretano
(densidad aparente 25kg/m )
λ = 0,042Wm/K
3
λ = 0,043Wm/K
3
λ = 0,027Wm/K
El diseño de eficiencia energética es hoy una exigencia normativa en la mayoría de los países. Algunos países de la región han avanzado en este aspecto fijando los valores de las transmitancias térmicas máximas (U=W/m2K) o las resistencias térmicas mínimas (Rt=m 2K/W) para los elementos de la envolvente, cubierta y pisos ventilados de un edificio en sus distintas zonas climáticas. En otros países se debe incluir el cálculo completo de pérdidas y ganancias térmicas de la edificación para asegurar el cumplimiento de los estándares de confort térmico al interior de las construcciones. Sin embargo, y más allá de las disposiciones reglamentarias o normativas que rijan en los distintos países, el diseño, considerando los factores de aislamiento térmico que aseguren los estándares de confort a sus habitantes, así como el aseguramiento de la eficiencia energética -reduciendo los consumos excesivos de energía en acondicionamiento térmico: calefacción o aire acondicionado- es también un compromiso ético que convoca a todos los profesionales y actores de la construcción. La debida consideración a estos a spectos es una preocupación que queremos poner en valor en esta sección, contribuyendo a la difusión de soluciones constructivas en acero que aborden la aislación térmica de los edificios construidos en acero. Esta información se estará actualizando y complementando permanentemente, reportándose las novedades importantes a través del newsletter mensual. Aislación y Condensación Una aislación insuficiente en un muro perimetral de un edificio genera varios inconvenientes que se suman a lo inconfortable que puede ser habitar en un recinto de muy bajas o muy altas temperaturas en invierno y verano, según corresponda. Típicamente, un muro mal aislado expuesto a bajas temperaturas tiene un alto riesgo de recibir humedad de condensación superficial interior bajo determinadas condiciones de servicio que están marcadas, entre otros aspectos, por la temperatura exterior, la temperatura interior de los recintos, el tipo de calefacción y combustible empleado en temperar la vivienda, la cantidad y actividad de los moradores, la existencia de plantas, animales domésticos, etc. y hasta los hábitos de lavado, planchado, cocina y, especialmente, los hábitos y costumbres de ventilación. Esta condensación interior que afecta la habitabilidad y la estética interior de los recintos, facilitando la aparición de manchas de hongos, suele confundirse con problemas de filtraciones por los muros o las cubiertas. Una forma eficaz de prevenirla es mediante una adecuada aislación térmica de la envolvente. Sin embargo, se deben tener en cuenta recomendaciones uso y ventilación que aportarán en forma significativa a evitar este fenómeno. Otro fenómeno menos notorio y visible, cuyas causas son similares, pero cuyos efectos son muy complejos, es el de la condensación intersticial, que se produce en el interior de muros y tabiques. Uno de los efectos inmediatos de la condensación intersticial es que afecta la capacidad de aislación térmica de los muros que, en presencia de humedad, aumentan en forma significativa la transmitancia térmica, iniciándose una especie
de círculo vicioso en que a mayor condensación, menor aislación y, consecuentemente, mayor uso de calefacción interior, lo que aumenta la humedad relativa y produce mayor condensación y así sucesivamente. Este fenómeno afecta en igual forma a los muros de las distintas tipologías y materialidades constructivas aunque, ciertamente, afecta más a los muros de baja aislación. Siendo las tabiquerías de estructura de acero correctamente aisladas y construidas una muy buena solución de aislamiento térmico, la experiencia demuestra que son necesarias algunas precauciones adicionales para garantizar el óptimo comportamiento de un muro perimetral de este tipo. Los problemas que pueden derivarse de estos puentes térmicos son básicamente dos: que se produzca condensación superficial sobre los muros más expuestos al frío, marcándose la sombra de las estructuras de acero bajo los revestimientos interiores o que se produzca condensación intersticial sobre las estructuras de acero, afectándose la aislación térmica y, eventualmente, produciendo un deterioro progresivo en los elementos de acero que estén mal protegidos contra la humedad y la corrosión. En general, en las tabiquerías estructuradas con perfiles de bajo espesor la conductividad térmica no alcanza a ser un problema crítico en los paneles en virtud de su poca masa, pero es posible mejorar su prestación si entre el revestimiento exterior y los pies derechos se dispone de una lámina delgada de aislante.
Sin embargo, el problema principal para este tipo de edificios puede presentarse en la estructura de vigas y/o columnas. En este sentido, la disposición exterior de un panel aislado en los muros de cerramiento perimetral es una muy buena solución desde el punto de vista de minimizar los puentes térmicos en la estructura de acero. Cualquiera sea el tipo de panel exterior a utilizar, el sólo hecho de disponerlo por fuera de la estructura evita que ésta entre en contacto con las eventuales bajas (o altas) temperaturas exteriores y haga el puente térmico. Existen diversas soluciones como los paneles de acero inyectados de poliuretano, paneles de acero aislados con alma de poliestireno expandido o aislados con lana de roca o lana mineral. Muchas de estas soluciones son productos estándar de las empresas productoras.
En el caso de la construcción de edificios con cerramiento en tabiquerías de acero galvanizado de bajo espesor se deben cuidar cumplir con los detalles de barreras de humedad, barrera de vapor y aislación de la estructura que se detallan a continuación:
Aislar entre la estructura con material aislante (poliestireno expandido, poliuretano, fibra de vidrio, lana mineral, etc.) Instalar barrera de vapor antes d e instalar el revestimiento interior (lámina de polietileno 0,20mm) Colocar la barrera de humedad exterior antes de instalar el revestimiento exterior
La función de la barrera de vapor es evitar la migración de la humedad interior del edificio hacia el interior de panel perimetral y su condensación en las caras frías de la estructura interior. La función de la barrera de humedad es evitar la penetración de humedad desde el exterior hacia el interior del panel. Existen, además, otras soluciones complementarias que mejoran esta situación que responden a la denominación de EIFS. La sigla responde a los términos en ingles de Exterior Insulated Finishing Systems y básicamente consiste en hacer el tratamiento de estuco exterior sobre una lámina de poliestireno expandido de alta densidad que va adherida al sus trato del tabique perimetral. Esta solución es ampliamente utilizada en muchos países y tiene una muy buena respuesta térmica al incluir el aislante adicional por el exterior del
panel.
AISLACIÓN ACÚSTICA Los ruidos, entendidos como sonidos molestos, pueden ocasionar consecuencias que se traducen en bajo rendimiento, estrés, e incluso pueden llegar a provocar deterioro para la salud de las personas. En muchos países, las exigencias acústicas están orientadas a establecer estándares mínimos de habitabilidad, que en conjunto con diseños adecuados, permiten establecer niveles aceptables de confort acústico. La debida consideración a estos aspectos es una preocupación que queremos poner en valor en esta sección, contribuyendo a la difusión de soluciones constructivas en acero que aborden la aislación acústica de los edificios construidos en acero. Esta información se e stará actualizando y complementando permanentemente, reportándose las novedades importantes a través del newsletter mensual. El acero es un material de alta densidad (7.850kg/m3) lo que, de acuerdo a la Ley de Masa, le otorga la capacidad de lograr muy buenas prestaciones en materia de aislamiento acústico. De hecho, se conocen soluciones en las que se agrega masa a una partición o losa de entrepiso en base a planchas de acero de espesor considerable, mejorando el índice de reducción acústica. Sin embargo y por contraparte, debido a la excelente relación de masa-resistencia que presenta el acero, usualmente es usado en bajos espesores en cerramientos y revestimientos (a partir de 0,35mm) lo que no le permite hacer una contribución de masa importante suficiente para una buena performance de aislamiento acústico. El mismo inconveniente se presenta en las construcciones en base a tabiquerías de acero de bajo espesor, que no alcanzan por sí mismas un índice de reducción acústica importante. De acuerdo a la Ley de Masa, a mayor masa mayor capacidad de aislación acústica de los elementos, como se expresa en el gráfico siguiente.
Lo anterior, se expresa en términos prácticos en la tabla siguiente que resume algunas densidades por tipo de material y espesor:
MATERIAL
Plancha Yeso-cartón Plancha Fibrocemento
Revoque cemento/arena
ESPESOR (mm)
PESO (Kg/m2)
12,5
9,5
15,0
12,0
5,0
6,94
6,0
8,33
8,0
11,11
2,0
3,8
2,5
4,7
3,0
5,7
Muros y Tabiques Una solución típica de tabiques en base a una estructura de perfiles galvanizados de bajo espesor (0,85mm) con pies derechos de 90mm de ancho, recubiertas con una doble plancha de yeso cartón de 10mm por cada lado incluyendo una aislación interior de lana mineral de 80mm provee un índice de Aislación Acústica de 47dB(A). Una solución de similar estructuración, pero con pies derechos desfasados de 60mm y un recubrimiento de 2 planchas de yeso cartón de 10,0mm por c ada lado incluyendo una aislación interior de lana mineral de 80mm provee un índice de Aislación Acústica de 51dB(A).
Como referencia se pueden mencionar los siguientes valores referenciales:
Muro Albañilería Ladrillo Cerámico hueco de 29 x 14 x 7,1cm sin estuco = 46dB(A) Muro Hormigón Armado 15cm más estuco 2,5cm y cerámica 7mm = 45dB(A) Muro Hormigón Celular 150mm más 10mm estuco por cada lado = 45dB(A)
Planchas Aisladas Existe una familia de paneles de acero aislados con lana mineral y con ambas caras en planchas de acero
(con frecuencia una cara es una plancha perforada según un p atrón y diámetro en función de la frecuencia del ruido a aislar) que logran muy buenas s oluciones de índice de reducción acústico.
REVESTIMIENTOS EXTERIORES Y CUBIERTAS Existe una enorme variedad de revestimientos exteriores fabricados en acero que podemos c lasificar dependiendo de la función que cumplen o su posición en el edificio: revestimientos exteriores de muros y cubiertas. Adicionalmente, estos revestimientos, según el caso, se pueden dividir en diversos tipos de planchas, paneles aislados y aún en s istemas no necesariamente impermeables que actúan como pieles de control solar, como planchas perforadas, mallas y sistemas de celosías. Todos estos elementos se producen, a su vez, en una gran variedad de perfiles o secciones y con diferentes materiales de base y de terminación (galvanizados, alu-zinc, pre-pintados, etc.). Para tener una aproximación a esta diversidad de productos que depende de la producción y orientación de c ada productor, presentamos a continuación una síntesis de las alternativas presentes en el mercado. Para mayores detalles, estamos agregando los enlaces (links) a las empresas proveedoras o productoras de la re gión que se han puesto en contacto con nosotros y que esperamos ir complementando y enriqueciendo con el tiempo.
1. CHAPAS Y PLANCHAS a. Conformado La producción de planchas o chapas d e acero para revestimientos exteriores se hace a partir de bobinas de láminas de acero que pueden ser recubiertas en zinc o aluminio-zinc (ver à materiales) que son conformadas en frío. Muchos productores de bobinas las suministran, a su vez, con recubrimientos de pinturas que varían en especificación y color. Es frecuente, asimismo, que las empresas que producen planchas o chapas (también denominadas tejas en algunos países) conformadas en frío tengan su propia planta o instalación de pintura. Existen plantas que suministran colores de catálogo preestablecido y otras que, dependiendo de la magnitud de la obra, preparan y ajustan colores especiales según especificación.
Colores Estándar – Gentileza Cintac
La bobina, cuyo peso es variable s egún los productores se monta en el inicio d e la maquina conformadora y pasa por una secuencia de rodillos que la van deformando progresivamente, partiendo por el centro hacia los bordes. La cantidad de estaciones de rodillos es variable dependiente del tipo de conformadora y de onda que se desee producir.
Conformado chapas – Gentileza Metecno Chile
Gentileza Arcelror-Mittal
b. Tipos Existe una gran variedad de chapas o p lanchas conformadas en frío que combinan y optimizan básicamente las siguientes variables: el ancho de la chapa lisa que viene en la bobina, el ancho de la plancha conformada, el ancho útil de la plancha conformada (esto es , deduciendo el traslape de ondas que se debe efectuar para asegurar la estanqueidad del revestimiento) y la resistencia que permite determinar el distanciamiento mínimo de los apoyos, para lo cual puede conjugarse aún el espesores de la chapa a conformar. Tradicionalmente, las planchas o chapas conformadas que fueron inicialmente desarrolladas fueron las planchas onduladas. Sin embrago, aún en esta variante, existen diferentes tipos de ondulados posibles.
Onda Estándar – Gentileza CSH
Onda Toledana – Gentileza CSH
Ondulado 48 – Gentileza Cintac
Plancha corrugada – Gentileza Corpacero
En el esquema siguiente se muestra el ancho útil y el ancho total de algunos tipos de perfiles de chapas conformadas en frío, gentileza de Corpacero, Colombia.
c. Planchas conformadas en obra En proyectos de grandes luces y/o muy bajas pendientes, la instalación de planchas o chapas conformadas en frío de largo limitado (usualmente este límite está determinado por el transporte) suele no ser eficiente, especialmente porque los múltiples traslapes longitudinales en bajas pendientes son zonas de riesgo de infiltración de agua. Para lo anterior, muchas empresas han implementado un sistema de conformado de planchas en obra, generando cubiertas de chapas de largo continuo cuyo empalme lateral es de tipo emballetado mediante una máquina tipo Seamer que sella completamente la unión haciéndola estanca. En la secuencia siguiente, gentileza de Metecno Chile, se muestra una estructura de cubierta de una gran nave industrial y el proceso de conformado y montaje de la cubierta.
Uno de los aspectos que se debe considerar cuidadosamente es la fijación de la plancha o chapa a la estructura, puesto que en debido a la deformación térmica del acero, las planchas de grandes dimensiones,
sometidas a importantes cambios de temperaturas (hay lugares en que la oscilación térmica entre el d ía y la noche puede superar los 20ºC, lo que se refleja en variaciones de temperaturas superficiales de la c ubierta que pueden superar los 45ºC) pueden sufrir dilataciones/contracciones de varios centímetros. Para resolver este problema, se han desarrollado sistemas de fijaciones desplazables o móviles, que permiten que las planchas se dilaten y contraigan con los c ambios de temperatura sin afectar su sujeción y s in romperse.
Standing Seam – Gentileza Corpacero
2. PANELES AISLADOS Otra importante familia de productos de revestimientos, tanto para muros como para cubiertas está constituida por los paneles aislados. Nuevamente, existe una gran variedad en la oferta de soluciones de paneles aislados que dependen y varían de acuerdo a:
Tipo de Material Aislante: Existen soluciones que van desde poliestireno expandido, poliuretano en varias formulaciones, lana de roca, etc. Muchas de estas soluciones se producen, a su vez, en diferentes densidades aparentes de los materiales aislantes. Tipo de Perfil (onda) de la plancha exterior: como s e ha visto, hay una gran variedad de perfiles posibles para resolver la plancha de acero conformada en frío que actuará como la cara exterior del panel. Tipo de Revestimiento interior: Los paneles aislados se producen con una cara interior en chapa o plancha de acero, pero también existen otro tipo de materiales de terminación interior, dependiendo de las condiciones de uso (por ejemplo, foil de aluminio, entre otros) Fijación, tipo de Unión y sello entre paneles: existen diversas soluciones de empalmes y sellos entre paneles contiguos.
Finalmente, también existen diversos tipos de producción, desde sistemas de armado panel por panel, en forma semi artesanal, hasta líneas de conformado e inyectado en línea con una g ran capacidad de producción. Esta variedad de tipologías y soluciones permite, a su vez, ofrecer soluciones que tiene diferentes tipos de aplicaciones: soluciones para cámaras de frío, soluciones de revestimientos aislados sin cubrir las exigencias de las cámaras de frío, soluciones autosoportantes, soluciones como sistemas constructivos, etc.
Paneles aislados – Gentileza Cintac
Es importante destacar que algunas de estas soluciones tienen no sólo buenas prestaciones en materias de aislación térmica. Los paneles aislantes confeccionados en lana de roca logran importantes respuestas en materia de resistencias al fuego. Asimismo, se pueden lograr muy buenos índice de reducción acústica en base a soluciones de revestimientos con aislamiento de lana mineral y c aras de planchas o chapas de acero en combinación con chapas de acero perforadas s egún un patrón a determinar por un análisis de las frecuencias e intensidades del ruido.
Paneles Aislados – Gentileza Metecno Chile
PIELES: PLANCHAS PERFORADAS Y TEJIDOS METÁLICOS (F. Pfenniger)
En arquitectura se habla crecientemente de piel, haciendo alusión al tratamiento de las fachadas y cubiertas, o sea a la envolvente del edificio que está en contacto con el medio que lo rodea. A medida que se ha intensificado la preocupación y las soluciones en torno a una arquitectura sustentable, la piel de los edificios
se ha transformado en un elemento clave en materia de eficiencia energética: iluminación natural, aislamiento térmico, control solar y aislamiento acústico son algunos de los factores que se concentran sobre la envolvente de un edificio. Resistencia a otras variables físicas, químicas o biológicas del medio (como corrosión, humedades, viento, insectos u otros) sólo hacen de este elemento de la construcción un tema sensible y que concentra mucha atención, cuidado e inves tigación. Sin embargo, el concepto de piel en verdad no es tan nuevo: lo podemos encontrar en muchas de las prácticas constructivas y en las culturas más antiguas, desde las construcciones de los pueblos originarios de América hasta las culturas africanas, de Oriente y Oceanía. En lo fundamental, el concepto de piel reconoce que en los edificios se puede diferenciar entre la estructura portante y el cerramiento. En verdad podríamos diferenciar entre las culturas c onstructivas que se fundan en la estructuración maciza y pétrea, que funden en un solo elemento las funciones portantes y de cerramiento (la piedra, el adobe, la albañilería) que encuentran en el hormigón una expresión contemporánea y aquellas culturas que apelan a una diferenciación entre la estructura y el cerramiento, como muchas de las estructuras de entramados de madera que encuentran en el acero un potencial contemporáneo que les permite mayores complejidades y alturas de construcción. Asociar esta diferenciación a estados de desarrollo de los pueblos y culturas que las desarrollan es un error y un facilismo en que se c ae frecuentemente cuya discusión excede el propósito de este artículo. Si Roma y el imperio Inca se fundaron en la piedra, Japón y las culturas de Oceanía propugnaron la diferenciación entre estructura y envolvente. Hoy la piel como tratamiento exterior final de la envolvente de un edificio se aplica tanto a una como a otro concepto. El progreso y desarrollo en la tecnología de l os cristales y de los muros cortina llevan a enfrentar los problemas que plantean las excesivas ganancias solares. Por otra parte, las transmitancias térmicas del hormigón o consideraciones sobre durabilidad e impermeabilidad promueven el desarrollo de envolventes que mejoren y optimicen estas prestaciones. En este escenario, se han desarrollado muchas soluciones y tecnologías que responden a algunas de las preguntas y desafíos que representa la envolvente y la piel ú ltima de los edificios. La piel es entendida como un sistema complejo, de variadas y/o múltiples capas, cada una de las cuales juega un rol importante y específico en e l conjunto y en la expresión del edificio. El vidrio representa la aspiración a una transparencia casi total, especialmente con las tecnologías más re cientes de los vidrios extra claros y de los vidrios selectivos. Sin embargo, nuevos materiales y aplicaciones se suman a esta búsqueda de soluciones para fachadas diáfanas. Una de e llas son las pieles transparentes o semi transparentes de metal, aplicaciones que, en algunos casos, han sido desarrolladas para aplicaciones industriales y que han sido descubiertas y re direccionadas hacia la arquitectura por diferentes arquitectos. Es el caso de los tamices y las mallas perforadas. Veremos algunas de ellas.
Planchas perforadas El gran avance de las máquinas de control numérico computarizado (conocidas por la sigla CNC) así como la transferencia directa de información desde las aplicaciones CAD o BIM a estas un idades productivas ha permitido que la perforación de planchas delgadas se haga cada vez más fácil y eficientemente, a costos también cada vez menores. Hoy, diferentes empresas de transformación del acero así como talleres, prestan el servicio de perforado de planchas en distintas geometrías y formatos agregando una gran cantidad y variedad de alternativas a la paleta de soluciones. Las formas más usuales de perforación son:
a. Perforación redonda, alineada o alternada 1. o
Alineada
o
Alternada
Típicamente, se debe especificar variables importantes, a saber: R = diámetro de la perforación T = distancia entre los centros o ejes de la perforación El resultado de la combinación arroja un % de perforación que es un valor importante que determina el porcentaje de sombra y la transparencia a las vistas. En el caso de las perforaciones alternadas, se pueden hacer en diferentes grados, aunque las más comunes son de 60º o 45º.
b. Perforación cuadrada
c. Perforación alargada Redondeada u oblonga
Larga cuadrada
Perforación romboidal, triangular y decorativa.
Los procesos de perforación se pueden hacer con diferentes tecnologías, como el punzonado o el fresado. Uno de los problemas importantes a resolver es el tratamiento de los bordes, ya que ahí pueden quedar ondulaciones producto del impacto del punzonado o rebarbas resultado del fresado. Estas deformaciones pueden representar desde un problema estético hasta un problema de seguridad, dependiendo de la aplicación y uso de la plancha p erforada. Otro aspecto importante de tener presente es el tratamiento superficial de la plancha perforada que estará determinada por las condiciones ambientales y de servicio a la s que estará expuesta. Como ya hemos comentado, existen distintas soluciones para estas diferentes condiciones que van desde el uso de planchas de Zincalum pre-pintadas hasta planchas de aceros patinables o inoxidables. Para mayores d etalles se puede visitar Aceros Patinables
Hay innumerables aplicaciones de las planchas perforadas de acero en la arquitectura, algunas de las cuales hemos presentado en nuestro sitio.
Centro de Distribución O’Higgins – G. Hevia
Planta Graneros – Nestlé – G. Hevia arquitecto – Panel screen Hunter Douglas - http://www.hunterdouglas.cl
La caja Mágica – D. Perrault
C. Cultural GAM – C. Fernández & Lateral arquitectos
Art as Shelter – Tonic Design
También se usan planchas perforadas en elementos complementarios, como barandas, logias, cierros.
www.losepp.cl
Tejidos Metálicos Los tejidos metálicos, al igual que los textiles, consisten en alambres, cordones o c ables, redondos o planos, en que los alambres longitudinales (urdimbre) se tejen transversalmente de diversas formas (trama). El proceso de fabricación es mecánico, en telares especialmente configurados para ello. Como no s on mallas electrosoldadas, los puntos de contacto entre los alambres de la urdimbre y la trama se suelen deform ar a fin de asegurar la posición del cruce. Las diferentes combinaciones de cables, alambres o cordones así como los diferentes pasos dan origen a una gran variedad de texturas y patrones.
Con el fin de normalizar los tejidos se fijan algunos criterios en DIN 4189:
Abertura o ancho de la malla (w o mw): espacio vacío entre hilos adyacentes Diámetro del hilo (d) Finura: número de aperturas por unidad lineal medida entre ejes de hilos (mm, pulgadas, etc) Area abierta (tamiz: Ao o Fo): porcentaje de huecos de la superficie total Número de puntadas por cm2 Grosor del tejido, que depende del espesor de los hilos.
Las calidades de las mallas se miden en la resistencia al desplazamiento relativo de los hilos, siendo de mejor calidad el que tiene mayor resistencia al desplazamiento. Los tejidos metálicos son muy versátiles y tienen distintas aplicaciones que van desde usos industriales en filtros y tamices hasta aplicaciones en arquitectura como fachadas, revestimientos, particiones y protecciones.
www.theinoxincolor.com
Foro del Medio Ambiente y de la Hacienda Pública – Brasilia – S. Zanettini - S. Henqriques – arqtos.
www.sysprotec.cl
Edificio Municipal de Recoleta – Prado arquitectos – Malla metálica GKD – Hunter Douglas http://www.hunterdouglas.cl/ap/cl/galeria-de-proyectos/control-solar/mallas-metalicas
CHAPAS PREPINTADAS F. Pfenniger El desarrollo de las chapas de reves timiento de acero se remonta a la primera mitad del siglo XIX, un período fértil de la ingeniería inglesa. La primera patente que se conoce corresponde a Henry Robinson Palmer (1795 –1844), quien, en 1828, inventa y patenta el proceso de corrugado y galvanizado de chapas de hierro mientras trabaja en los docks de Londres. Precisamente es en los docks donde en 1830 se levanta el primer edificio con cubierta de chapa galvanizada ondulada. Este joven ingeniero, ya había dado que hablar por su libro'Description of a Railway on a new Principle' que desarrolla sus ideas sobre el monorriel. Probablemente su trabajo junto al gran ingeniero de puentes y caminos Thomas Telford (ver puente sobre el Menaï), con quien trabaja durante 10 años una vez finalizada su formación, fue determinante en su formación y espíritu investigador. Su interés en la investigación y en los inventos se extiende al área gremial: fue formador del la sociedad de ingenieros civiles británicos. Algunas de sus investigaciones preliminares tiene repercusiones importantes aún hoy: concepto de monorriel considerado como precursor de la Schwebebahn de Wuppertal; sus estudios sobre medios de transporte que anticipan la containerización del transporte de bienes; las patentes y estudios posteriores sobre galvanización y chapas corrugadas…
Wuppertaler Schwebebahn; http://bahn.startbilder.de/name/einzelbild/number/78792/kategorie/deutschland~magnetschwebe--schwebe-h-bahnen~wuppertaler-schwebebahn.html
En 1837 se registra otra patente para la fabricación de chapas onduladas, esta vez de Richard Walker. El producto se hizo rápidamente popular por sus atributos de revestimiento impermeable tanto en cubiertas como en muros que complementaron la construcción de edificios estructurados en entramados de piezas de fundición.
Cubiertas de chapa ondulada. Fuente Clases teóricas Alacero- Prof. Sandro Maino
El desarrollo de esta tecnología se difunde rápidamente por el mundo, aplicándose tanto en cubiertas como en revestimientos de muros. En América Latina, no quedamos ajenos a este influjo. Efectivamente, como ya hemos comentado en otras oportunidades, carentes de una industria siderúrgica propia, el desarrollo de la construcción en hierro durante el siglo XIX fue un proceso amparado en la importación de proyectos, productos y hasta edificios completos desde el viejo continente. En algunas economías exportadoras, las chapas de hierro galvanizadas llegaron casi en calidad de lastre en los buques que luego partían a Europa o USA cargados de minerales o productos agrícolas. Estas chapas se aplicaron lue go como revestimientos en edificios, muchas veces estructurados en madera.
Casas de madera en Valdivia (Chile) revestidas en chapa de acero galvanizado – Fotografía del autor
Temuco, Chile
Valparaíso, Chile
Muchos edificios construidos en hierro durante el siglo XIX fueron enteramente fabricados en Europa, transportados y construidos en la Región, como el caso del edificio de la Escuela República del Perú, en San José de Costa Rica (ver foto). Este edificio, estructurado en hierro, está revestido interior y exteriormente en chapas estampadas de hierro. También los cielos y la cubierta son chapas estampadas y/o onduladas.
Escuela República del Perú; San José de Costa Rica, Fotografía del autor
Como ha sucedido con los distintos productos y procesos de la industria del acero, la producción de chapas galvanizadas y onduladas fue evolucionando. Procesos cada vez más eficientes, productos cada vez más diversos, suministros cada vez más disponibles. Se desarrollan distintas geometrías de perfiles de ondulado, se logran espesores menores en los procesos de laminado que conllevan a pesos menores de las soluciones de cubierta y revestimientos lo que, a su vez, redunda en menores costos y precios. El producto se hace universal, la capacidad de producción y fabricación se instala también en los países en desarrollo. Hoy en América Latina contamos con una industria siderúrgica importante y con productores locales que han desarrollado y ampliado enormemente la paleta de soluciones de chapas onduladas.
Conformación chapas onduladas de aluzinc
De las chapas de acero galvanizado a las chapas de aluzinc; de los perfiles ondulados originales a diferentes geometrías y conformaciones; de las fijaciones vistas a las soluciones de fijaciones ocultas. También la apariencia y el color han evolucionado: del color propio de la chapa ocasionalmente pintada en obra a las chapas pre pintadas. Instalaciones de hornos y pintado en línea permiten hoy aplicar todo un esquema de pintura sobre la chapa de aluzinc en línea continua antes de su conformación. Las bobinas pasan por u na secuencia de varias estaciones de preparación (Desengrase/ Escobillado/ Enjuague/ Conversión: Oxido Complejo/ Enjuague/ Pasivado: Cromo trivalente-hexavalente/ Secado) hasta la aplicación del primer y la pintura de acabado. El proceso se completa con el paso del la chapa pintada por un horno de secado a la salida del cual se vuelve a consolidar la bobina, protegiendo la cara pintada con un foil plástico. Luego, la bobina es llevada al proceso de c onformación y corte. Primero en una paleta muy básica de colores, hoy están disponibles según demanda (dependiendo de la cantidad, debido al proceso de pintado e línea); colores metalizados; controles de brillos y satines. Y por cierto, una gran variedad de esquemas de pinturas para responder a diferentes condiciones del medio.
Conformación de chapas prepintadas y Pinturas de resina de polyvinil de cloruro (PVC) de alto peso molecular
Hoy contamos, además, con chapas perforadas y micro perforadas para control solar y transparencias. Todas estas planchas se pueden plegar, curvar en forma facetada o lisa, ensamblar y hasta conformar a pie de obra para superar las limitaciones del transporte y asegurar una cubierta continua que minimiza los problemas de sellos, traslapes y asegura la estanqueidad del sistema.
Conformación e instalación de chapa de cubierta continua en obra
A lo anterior, hay que sumar el desarrollo de todos los paneles compuestos en base a dos caras de chapas de acero y alma en base a polímeros, fibras u otros materiales: aislantes, auto portantes, inyectados, armados.
Conformación chapas para paneles compuestos – Gentileza de Metecno
Muchos de estos desarrollo son muy recientes, algunos de fines del siglo XX. Este árbol de posibilidades y alternativas surgido de una patente de hace menos de 200 años que ofrece un abanico de innumerables combinaciones de soluciones que es imposible graficar aquí. De todo ello surgen, necesariamente, nuevas soluciones técnicas y formales que se hacen presentes en la arquitectura. Las primeras aplicaciones a partir de los nuevos productos desarrollados los encontramos en la arquitectura industrial. Sin embargo, las múltiples aplicaciones, usos y prestaciones que ofrecen las chapas de a cero han incursionado en otros ámbitos de la arquitectura: los edificios de servicios, los establecimientos educacionales, los edificios para el deporte y, también, en la vivienda. Un ejemplo temprano de aplicaciones en este segmento corresponde al proyecto de viviendas sociales Stahlhaus (1927) impulsado por G. Muche y R. Paulick cuyaestructura de acero llevaba un cerramiento exterior de chapa de acero de 3 mm. Más allá del aporte precursor de este y otros prototipos en cuya fundamentación se pueden encontrar las reflexiones de la Bauhaus y del propio Walter Gropuis que colaboró con el estudio, es evidente que revestimientos de es os espesores hoy en día, que trabajamos con espesores mínimos de alrededor de 0,35mm son técnica y económicamente, impensables.
Stahlhaus- PROTOTIPO “STALHAUS” (1927) GEORG MUCHE Y RICHARD PAULICK
Construcción con paneles inyectados. Torreón los Canelos, Valdivia, Chile. Pfenniger, Sologuren, Jiménez, arquitectos 1992
Paneles aislados, Conjunto Padre Las Casas; Temuco; Chile. Juan Carlos Herníquez - arqto., Rodrigo Concha, cálculo.
Proyectos Guillermo Hevia – Chile: Unifrutti/ Viña Mater/Centro Distribución Farmacias Ahumada/Cristal Chile
Boulogne Billancourt Marcel Dassault – Dubosc & Assoc. Architectes
Cenpes – S. Zanettini
Unidad Angélica, Escuela Panamericana de Arte y Diseño; S. Zanettini
Sede Institucional SENIAT – A. Haiek LAB PRO FAB
ENTREPISOS Y CIELOS La construcción de losas de entrepisos tiene diversas soluciones constructivas y estructurales cuyas aplicaciones dependen de las características del diseño, de las cargas y sobrecargas, y del uso o destino de la obra. En general, se entiende que las losas deben soportar las cargas permanentes y las s obrecargas, transmitiendo dichos esfuerzos a las vigas y columnas. Adicionalmente, las losas pueden (y/o deben, según corresponda) actuar como un diafragma rígido que aporte arriostramiento horizontal a las estructuras ante la acción de fuerzas horizontales (viento o sismo). En tal caso, u no de los aspectos que se debe asegurar es la correcta y eficiente conexión entre la losa y las vigas que aseguren la transmisión de los esfuerzos y eviten el roce o el desplazamiento entre ellos. Las estructuras de acero pueden recibir c asi cualquier tipo de soluciones de losas, aún las prefabricadas o industrializadas. Por otra parte, como veremos más adelante, existen soluciones en base a elementos de acero que se complementan muy bien con estructuras de hormigón armado. Los tipos de soluciones de entrepisos se detallan a continuación. 1. LOSAS a. Losa Tradicional vaciada en obra sobre estructura metálica: Sobre una estructura de vigas y co lumnas de acero es posible vaciar in situ una losa de hormigón armado con barras de refuerzo de acero según el proyecto de cálculo. La evolución de los sistemas de encofrados y el desarrollo de la industria en las últimas dé cadas permite una faena de alta productividad.
Edificio Viviendas Inmobiliaria Artec – Chile Sandoval e Isla Arquitectos
Ampliación Clínica Las Lilas – Santiago de Chile
A los componentes convencionales de una losa de hormigón armado (hormigón y acero) hay que sumar los mecanismos de conexión entre la losa de hormigón y l as vigas de perfiles de acero. Esta conexión mecánica será la que permita el traspaso eficiente de los es fuerzos de la losa de entrepiso a la s vigas y a través de ellas a las columnas. Esto último es particularmente importante si se requiere que la losa actúe como diafragma rígido y absorba parte de los esfuerzos horizontales que actúan sobre la estructura. Para esta conexión losa viga se usan:
Pernos de corte (stud) de a lta resistencia: soldados a las vigas metálicas a un distanciamiento definido por cálculo, penetran en la losa asegurando una conexión que evita los desplazamientos relativos entre los elementos que se conectan.
Fuente: Edificio de Acero de 5 Pisos – ICHA – F. Pfenniger
Elementos conectores según diseño específico soldados a las vigas: c on frecuencia se utilizan barras de acero en forma de espiral o resorte, cuyo diámetro y paso se determinan según cálculo.
b. Losa con moldaje colaborante (steel deck) (ver abajo artículo especializado) Una solución desarrollada por la industria del acero que actualmente se produce en casi todo el mundo es el moldaje (encofrado) colaborante o “steel deck”, que consiste en un molde metálico de geometría generalmente trapezoidal que actúa como encofrado pero simultáneamente como parte de la armadura de refuerzo inferior de las losas. En otras palabras, el moldaje queda incorporado a la solución de la losa, reemplazando la armadura de tracción. Para mejorar la conexión entre el molde metálico y el hormigón que es vaciado en sitio, el molde tiene indentaciones o muescas que se hacen en la etapa del conformado y que mejoran el anclaje mecánico. Asimismo, se deben proveer conectores de corte sobre las vigas de la estructura metálica según lo comentado anteriormente. El sistema se complementa con una malla superior, usualmente electro soldada cuya función principal es evitar la aparición de fisuras en el hormigón. La ventaja de usar este sistema es que se pueden salvar mayores luces re duciendo las necesidad de apoyos o alzaprimados en la etapa de hormigonado. Lo anterior permite liberar espacio en los niveles inferiores a los pisos en que se trabaja, agilizando y acelerando las etapas de construcción siguientes.
Torre Las Condes, Santiago de Chile
Torreón El Canelo – Valdivia – Chile – 1996
Edificio Artec – Santiago Chile
c. Sistema de Vigas y viguetas de acero con bovedillas A partir de un sistema de columnas y vigas principales es posible concebir una estructura de entrepiso en base a viguetas secundarias que reciban elementos que actúan c omo moldajes o encofrados perdidos en forma de bovedillas de diferentes materiales. Entre ellos se pueden mencionar las bovedillas de arcilla o de mortero, así como bovedillas confeccionadas en poliestireno expandido. Dependiendo de las luces a salvar, se deberá proveer un sistema de vigas secundarias que reciban adecuadamente las viguetas. Sobre las bovedillas se vaciará una losa de concreto en la que se incorpora una malla electro soldada a fin de reducir los riesgos de fisuras en el concreto. Una solución interesante es el uso de viguetas en base a perfiles abiertos que serán rellenos con c oncreto junto con el vaciado de la losa. El perfil abierto actúa de esta forma similar al “deck”, o sea, como moldaje o encofrado y como enfierradura de tracción de la vigueta.
Vigueta perfil galvanizado abierto sobre viga de hormigón y bovedillas pex, malla electro soldada - Gentileza Cintac
d. Sistemas mixtos Una alternativa complementaria a la mencionada arriba es la instalación de viguetas de hormigón que se complementan con bovedillas o rellenos de diferentes materiales similares a los mencionados anteriormente. Un sistema de aplicación frecuente es la vigueta de hormigón trelizada en base a enfierradura de tracción incorporada en molde de cemento o arcilla y armadura en espera electrosoldada triangular que será concretada in situ en conjunto con la losa. Estos sistemas deberán considerar conectores de corte en caso d e requerirse comportamiento como diafragma rígido.
Vigueta trelizada y bovedillas. Gentileza Tralix Chile
Vista superior bovedillas antes de hormigonado losa Gentileza Tralix Chile
e. Sistemas de Envigados y Elementos complementarios Sobre sistemas de envigados de acero en perfiles laminados o conformados en frío se puede estructurar un sistema de entrepisos basados en plataformas prefabricadas de diferente geometría y materialidad que varían desde sistemas de losas pretensadas de hormigón (losas TT, losas alveolares, etc.), pre losas de hormigón, paneles compuestos aislados y hasta planchas o placas s imples, de acero, madera o compuestas. La preocupación ha de centrarse en la c onexión de cada uno de dichos elementos y la estructura metálica de manera de asegurar un correcto diseño y fijación. Esto último es importante en el diseño de la interface entre elementos de hormigón prefabricado (pretensado o no) y la estructura metálica. Fijaciones mediante conectores o pernos deben asegurar la estabilidad de la conexión, ya que normalmente esta solución es en base a junta seca.
Envigado base para recibir sistema de entrepiso complementario
Otro grupo de soluciones que se asocia a esta familia es la que resulta del uso de los perfiles galvanizados de bajo espesor (light gage steel framing) y las soluciones de entrepisos asociadas a ellos. En estos casos, el uso de planchas de madera de partículas (OSB) o contrachapados puede complementarse con una sobrelosa no estructural (simplemente apoyada) en base a hormigón normal o aligerado (celular o con perlas de poliestireno expandido). Estas soluciones livianas demandan apoyos bastante cercanos (400mm o 600mm). Se debe cuidar el patrón de fijación de las planchas de madera contrachapada u OSB (usualmente @ 150mm en el perímetro de la plancha y @ 250mm en las fijaciones que quedan en el centro de la plancha) a fin de que permitan al conjunto trabajar como un diafragma semi rígido.
Construcción en base a perfiles metálicos de bajo espesor – Gentileza de Cintac
f. Plataformas de circulación y/o bases de pavimentos. Grating En proyectos industriales es frecuente el uso de rejillas confeccionadas con pletinas soldadas que permiten elementos de circulación y/o ventilación. Existen de diversas dimensiones, formas y secciones. La ventaja que ofrecen estos sistemas es su modulación y adaptación a condiciones específicas de proyecto que cubren diversas aplicaciones. Inicialmente asociados a las construcciones industriales y su uso a instalaciones de servicios (pavimentos ventilados), se ha incorporado como parte del equipamiento y mobiliario urbano. Existen interesantes aplicaciones en propuestas de arquitectura contemporánea.
Rejillas Metal – Grating - http://www.metal-grating.com/rejillas.htm#
Pasillos Grating en Ed. Asuntos Estudiantiles UDP – Santiago Chile Fotografía gentileza Ignacio Volante
g. Sobrepisos o pisos técnicos Frecuentemente se instalan pisos elevados o pisos técnicos que permiten alojar y distribuir libremente las instalaciones eléctricas y de señal bajo ellos, lo que es especialmente necesario en oficinas o salas técnicas. Los pisos técnicos se instalan sobre un piso o pavimento existente y su propósito es generar espacios registrables. Estos sistemas están compuestos por una estructura metálica en base a soportes o gatas mecánicas regulables y viguetas que reciben una palmeta. La palmeta que está c ompuesta por una o dos planchas de acero que confina diferentes soluciones de relleno y/o pavimento. Los pavimentos pueden ser de madera, cementicios, baldosas o cerámicos y alfombras, en general en módulos de 0,61m x 0,61 m. La altura del pedestal de soporte es variable entre 0,1m y 1,8m.
Instalación de pisos técnicos – Access Floor – Argentina - http://www.accessfloor.com.ar/galeria-de-imagenes
http://www.elevair.cl/pisos_espec.htm
STEEL DECK O LOSA COLABORANTE (F. Pfennig er)
1. Presentación El steel deck tiene un lugar muy importante en la c onstrucción de losas de entrepiso en todo tipo de e dificios gracias a los evidentes atributos y ventajas que representa y que lo han hecho participar de las más importantes obras de construcción en América y el mundo en las décadas recientes. Como veremos más adelante, se trata de una solución constructiva que aprovecha las ventajas del acero y del hormigón que actuando conjuntamente superan las prestaciones de las partes por separado. Sin embargo, en apreciación de muchos, pese a sus innegables atributos, el steel deck es un mercado aún en desarrollo en América Latina, pudiendo alcanzar niveles de participación crecientes.
Estrictamente, el steel deck corresponde a una estructura mixta horizontal en la que la colaboración entre los elementos de acero y los de hormigón proveen de prestaciones estructurales optimizadas. Sus variados usos y aplicaciones permiten resolver desde proyectos de edificios industriales, hab itacionales, educacionales, de estacionamientos y de servicios. Se le suele conocer también por el nombre de losa colaborante o encofrado (moldaje) colaborante en reconocimiento de una de sus más interesantes funciones. 2. Definición „Una losa compuesta es aquella en que se utilizan chapas o láminas de acero como encofrado colaborante
capaces de soportar el hormigón vertido, la armadura metálica y las cargas de ejecución. Posteriormente las láminas de acero se combinan estructuralmente con el hormigón endurecido y actúan como armadura a tracción en el forjado acabado, comportándose como un elemento estructural mixto hormigón-acero. ´[1] Se entiende que en esta estructura mixta la parte superior de hormigón trabaja a compresión. En términos simples, el steel deck es un sistema constructivo para losas de entrepiso que se compone una chapa de acero nervada inferior apoyada sobre un envigado (de cualquier configuración, como veremos) y que permite recibir el hormigón vertido que completa la losa. La chapa nervada ac túa como encofrado perdido y queda incorporada al conjunto, actuando como parte de la enfierradura de refuerzo a tracción en la cara inferior de la losa. Esta configuración básica se complementa con una malla de refuerzo de acero superior que permite repartir las cargas y absorber los esfuerzos de retracción. Según proyecto, esta configuración se complementa con armadura de refuerzo en zonas de momentos negativos. El resultado es una losa nervada unidireccional que entrega una muy eficiente solución para la construcción de entrepisos. En esta primera descripción el steel deck se destaca la función de e ncofrado (moldaje) para recibir el vertido del hormigón. Las características y nervadura de la c hapa permiten una rápida y fácil instalación al tiempo que reducen en forma significativa la necesidad de instalar apoyos o alzaprimas que soporten el encofrado. De esta manera, se libera espacio de trabajo en los niveles inferiores a los de vaciado del hormigón lo que permite adelantar trabajos de tendido de instalaciones e incluso avanzar en terminaciones en dichos niveles.
Sus atributos, sin embargo, no se limitan a esta función pasiva y temporal de encofrado o moldaje. Tanto el diseño del perfil o plegado de la chapa c omo los sistemas de conexiones de la c hapa a la estructura portante, transforman a este forjado en un actor relevante y activo de la estructura de entrepiso. Como se mencionara arriba, en complemento con la malla de la chapa de acero actúa como acero de refuerzo tomando los esfuerzos de tracción en la cara inferior de la losa. Es claro que esto no sería posible si no existiera un grado de trabajo estructural conjunto entre el acero y el hormigón, o sea, si no existiera un a conexión mecánica entre ambos. Esto se logra en parte por el diseño de la onda como por las indentaciones que se materializan en las caras de la chapa (algo similar a los resaltes de las barras de refuerzo de hormigón).
Por último, a fin de asegurar un comportamiento estructural óptimo, el sistema constructivo del steel deck debe asegurar una conexión y continuidad efectiva entre el plano de la losa y las vigas que la soportan. Para ello, se deben instalar conectores de corta (o de cortante) entre las vigas y el hormigón. Estos son, usualmente, pernos de alta resistencia cuyas características, espesores, distanciamientos y longitudes se determinan en el proyecto de cálculo estructural.
Existen, sin embargo, una gran variedad de soluciones que perfeccionan esta conexión cuya aplicación deberá ser validada por el proyecto de cálculo estructural en consideración a las cargas pero, especialmente, a la disponibilidad y oportunidad de ejecutarla eficientemente. 3. Producción Existen diversos perfiles de las nervaduras de las chapas de steel deck, las que presentan diferentes soluciones y prestaciones, según diseño y espesor. En general, se usan bobinas chapas de acero estructural galvanizado en caliente (hdg) (ver aceros y productos especiales/acero galvanizado/galvanización de bobinas) las que son sometidas a un proceso de conformado en frío (ver materiales/revestimientos y cubiertas/conformado) que les otorga el perfil característico según el diseño de cada productor. En América Latina existe una gran variedad de productores de chapas de steel deck que cubren, progresivamente los requerimientos de los diferentes mercados.
4. Proceso Constructivo El proceso de construcción es muy sencillo y variará en algunos detalles dependiendo de la materialidad de la estructura soportante. Como hemos mencionado, el steel deck se puede usar sobre estructuras de envigados metálicos o vigas de hormigón armado e incluso, sobre estructuras de madera. Es necesario considerar y
respetar estrictamente las recomendaciones de diseño estructural emitidas por los productores y por el profesional responsable del cálculo estructural del edificio. Las recomendaciones de instalación que se presentan a continuación son genéricas y no reemplazan en ningún caso el diseño y pr oyecto estructural específico a cada situación de proyecto. Las etapas son, al menos, las siguientes 1.
Estructura soportante: la faena de confección de una losa de entrepiso mediante el uso de losa colaborante se puede enfrentar una vez c ompleta y recibida la estructura base que servirá de apoyo a la losa. El diseño y cálculo de la estructura principal del edificio deberá considerar oportunamente el uso del sistema de steel deck a fin de proveer los apoyos necesarios a los distanciamientos recomendados por el fabricante y el calculista que aseguren el comportamiento esperado para el edificio y la losa, habida consideración de las cargas vivas y muertas que actuarán sobre él.
2.
Instalación de las láminas o chapas de steel deck: las chapas se disponen en el área a cubrir por la losa de entrepiso asegurando los apoyos r ecomendados (en general 40mm) considerando la instalación del sistema de alzaprimas o apoyos temporales que se requiera.
3.
Instalación de Pernos de Corte: para asegurar la conexión entre la losa de hormigón y la estructura de vigas soportantes, se deben instalar los pernos de corte (o de cortante) según disposición, sección y distanciamiento, detalladas en el proyecto de cálculo. Estos pernos conectores de cortante materializan efectivamente la conexión entre la losa de hormigón y las vigas de la estructura de edificio, evitando los deslizamientos relativos entre estos elementos estructurales y permitiendo que la estructura resultante responda como una estructura mixta acero-hormigón.
4.
Instalación de Instalaciones embutidas: en el paso siguiente se deben instalar los tendidos de las instalaciones que quedarán embutidas en la losa que típicamente son instalaciones eléctricas y de corrientes débiles e instalaciones de calefacción (losa radiante). Las instalaciones de a gua se tratan de reducir al máximo mientras en muchos países ya no se recomienda ni se acepta el tendido de instalaciones de gas. Es importante que el tendido de estas instalaciones se haga según las recomendaciones usuales para este tipo de trabajos, cuidando los distanciamientos recomendados a los tendidos paralelos de servicios incompatibles y evitando densidades de tuberías que generen discontinuidades en la losa o dificulten el vertido y vibrado del hormigón.
5.
Instalación de malla electro soldada: Una vez hechas y recibidas los tendidos de las instalaciones se procede a la instalación de las mallas e lectro soldadas de refuerzo las que deberán cumplir con lo detallado en el proyecto de cálculo estructural. Adicionalmente, en los casos que corresponda, se deben instalar la enfierradura de refuerzo en las zonas que corresponda a proyecto. Es importante cuidar que ni la malla electro soldada ni la e nfierradura de refuerzo queden en contacto con el nervio del steel deck . Se recomienda que exista una separación de a lo menos 25mm entre la malla de retracción y el steel deck, para lo cual se recomienda el uso de distanciadores o separadores.
6.
Instalación de los testeros: finalmente, se deberán instalar, asegurar y sellar los elementos que actuarán como encofrado en los bordes y que darán la altura de la losa.
7.
Vaciado del Hormigón: el proceso de vaciado, vibrado y curado del hormigón se debe ajustar a la especificación correspondiente en cada caso.
5. Ventajas Es interesante observar que hay una buena l ínea de argumentos que señalan las ventajas en el uso y la aplicación de las soluciones de diseño y constructivas usando el sistema del steel deck. Muchos de ellos son de fácil lectura en los manuales y c atálogos que ofrecen los diferentes productores. Sin embargo y más allá de las consideraciones comerciales, el steel deck ofrece ventajas objetivas que podrán (o deberán) ser evaluadas por los desarrolladores en cada caso y en debida consideración a condiciones, requerimientos y ventajas o dificultades locales. Quizá si sólo a modo de anécdota, podemos mencionar que en la construcción (actualmente en obra final) de la que por el momento será la torre más alta de Sudamérica (el Costanera Center, en Santiago de Chile), pese a tratarse de un edificio cuya estructura principal es de hormigón armado, todas las losas de entrepiso de sus más de 70 pisos de altura, fueron diseñadas y construidas con el sistema steel deck. Aunque no hemos podido acceder a los análisis hechos por los desarrolladores que podrían haber enriquecido el comentario, mencionamos el caso por su s ingularidad.
Aún así, las ventajas generalmente aceptadas del uso del encofrado colaborante son:
Menor peso Diseño optimizado con ahorro de concreto debido a s u geometría. Facilidad de transporte Rapidez de montaje Seguridad y facilidad de instalación Reduce utilización de alzaprimas Facilita trabajos en pisos inferiores a los del vaciado del hormigón Reducción de Plazos de construcción
Funciona como una efectiva plataforma de trabajo durante su instalación Reduce encofrados de losas 6. Consideraciones adicionales
Es importante mencionar que los sistemas de steel deck , al dejar la chapa inferior a la vista y puesto que ella cumple una función estructural y no sólo de contención (tomar los esfuerzo de tracción en la cara inferior de la losa), quedan expuestos también a la acción del fuego y deben protegerse adecuadamente frente a ello con recubrimientos según las consideraciones de resistencia al fuego exigibles o deseadas.Ver Soluciones constructivas/ resistencia al fuego. En el sitio oficial del Steel Deck Institute (http://www.sdi.org/) hay abundante literatura y textos de interés relacionados al tema tratado, incluyendo manuales, papers, recomendaciones específicas del propio SDI así como Normas y Estándares, además de otras fuentes para adquirir literatura atingente on -line
TABIQUERÍA INTERIOR Entenderemos como tabiques a los cerramientos o particiones interiores autosoportantes o no estructurales que se usan para delimitar, conformar o separar espacios de una edificación. Cuando hablamos de tabiquerías interiores, nos referimos a los sistemas de tabiques no estructurales utilizados al interior de una edificación (los tabiques usados en cerramientos perimetrales de edificios han sido abordados en el capítulo de cerramientos y cubiertas). La conformación de un tabique interior de un edificio responde a la necesidad de conformar o dividir espacios según requerimientos programáticos del proyecto. Estas particiones están expuestas a diferentes exigencias dependiendo del uso y destino de los recintos que conforman y es materia del proyecto de arquitectura proponer las soluciones adecuadas a ellas. Así, podemos tener tabiquerías opacas, transparentes o traslúcidas; completas de piso a cielo o de media altura; herméticas o permeables, etc. Al momento de decidir respecto de los tabiques y detallar sus especificaciones, es necesario tomar en cuenta, entre otros, los requerimientos de transparencia, aislación acústica, resistencia al fuego, aislación térmica o esfuerzo perpendicular al plano a los que pueden estar expuestos estos elementos y que son propias de cada proyecto. Para alguna de las variables existen recomendaciones y exigencias reglamentarias locales que se deben consultar y que pueden variar de país en país. El tema de las tabiquerías interiores puede ser abordado desde dos perspectivas diferentes y complementarias, a saber, a) tabiquerías interiores confeccionadas o construidas en acero o con elementos y componentes en los que el acero tenga presencia y b) uso de tabiquerías de diversos materiales en edificios de acero. En este capítulo nos centraremos las tabiquerías confeccionadas en acero, dejando el tema de la relación entre las tabiquerías y una estructura de acero para ser abordado en la sección de “Sellos, Impermeabilidad e Interfaces”. Baste decir, en todo caso que un edificio estructurado en acero puede recibir
todo tipo de tabiquerías así como de cerramientos exteriores, pero el buen resultado de las distintas alternativas dependerá en gran medida del diseño de las conexiones e interfaces. En ambos casos, un aspecto importante a considerar es la interacción o interface entre el elemento de partición no estructural (tabique) y los elementos de la es tructura con los que se conecta o a los que se fija. El concepto general es que, resguardando la necesidad de fijación y de estanqueidad de los recintos, los tabiques no deben tomar cargas estructurales de los edificios. Lo anterior significa, en general, que los tabiques deben permitir las deformaciones eventuales de la estructura principal por el efecto de cargas puntuales y, en consecuencia disponer y conservar una cierta dilatación respecto de ella. Es justamente esta interface la que le otorga a los tabiques el carácter de tabiquería flotante.
1. TABIQUERÍAS INTERIORES DE ACERO La conformación de un tabique interior de acero en un edificio se puede hacer básicamente a partir de dos tipologías: entramados y paneles
1.1. ENTRAMADOS O “FRAME” La construcción de entramados responde al concepto de disponer una serie de elementos verticales o montantes de acero distanciados entre sí según criterios que se comentarán más adelante, fijados a soleras inferiores y superiores. Sobre los montantes se fijarán las planchas de revestimiento que completan el tabique. La construcción de estos entramados, a su vez, es posible de hacer en perfiles conformados en frío de acero al carbono en espesores superiores a 1,0 mm o en perfiles de espesor menor a 1,0mm mm, usualmente galvanizados. a) Entramados galvanizados de bajo espesor Similares a las tabiquerías de acero galvanizado de bajo espesor (“light steel framing”), estos sistemas se han desarrollado en espesores y secciones menores ya que no están concebidos para tomar esfuerzos verticales. Así, para montantes confeccionados en perfiles tipo C (o canal abierta atiesada) es frecuente encontrar dimensiones que fluctúan entre los 38mm y 90mm en espesores de 0,5mm hasta 1,0mm.
La fijación de la solera inferior se hace simplemente con clavos de impacto (usualmente a 500mm o 600mm a eje) ya que no estará sujeta a esfuerzos de tracción y sólo deberá responder a esfuerzos laterales. Como se indica en los gráficos siguientes, es recomendable dejar una dilatación mínima de 10mm entre el revestimiento y la losa en la base del tabique. Este mismo criterio se deberá aplicar en el encuentro superior entre las planchas del revestimiento y las planchas de cielo o la losa superior. El objeto de dejar estas dilataciones es permitir que las deformaciones menores en los elementos soportantes horizontales no afecten a los elementos no estructurales como los pan eles interiores.
– CUADRO Nº 1 TIPOS DE ESTRUCTURACIÓN DE Fuente: http://www.volcan.cl/wp-content/uploads/2010/09/volcan_arquitectos_manual_volcometal.pdf
TABIQUE.
CUADRO Nº 2 – DISEÑO DE TABIQUES INTERIORES EN FUNCIÓN DE Fuente http://www.volcan.cl/wp-content/uploads/2010/09/volcan_arquitectos_manual_volcometal.pdf
b)
SU
ALTURA.
Entamados de perfiles al carbono > 1,0mm
Dependiendo de las condiciones de cada proyecto, es posible que las soluciones en perfiles galvanizados de bajo espesor no respondan a los requerimientos específicos, por lo que se puede recurrir a tanto a una estructuración global o solamente complementaria en perfiles de acero de mayor espesor que contribuyan a entregar un esquema de estructuración adecuado. Es posible aplicar el uso de perfiles laminados, perfiles conformados en frío o perfiles soldados, siendo responsabilidad del arquitecto y del proyecto de cálculo la definición tanto del tipo como de la sección, distanciamiento y fijación de estas estructuras.
1.2. PANELES Existe, como hemos visto en el capítulo de los revestimientos exteriores, una amplia gama de productos confeccionados en chapas de acero de diferente geometría en sección que, unidas mediante rellenos o almas relativamente rígidas (poliuretano, poliestireno, lana de roca, etc.) conforman paneles de capacidad auto soportante. La principal diferencia entre los sistemas de paneles y los de entramados es que los paneles, por su carácter auto soportante, minimizan o hasta eliminan el uso de perfiles complementarios de estructuración. En algunos casos, estos elementos se limitan a perfiles canal o ángulos que fijan lateralmente el panel a los elementos de la estructura a nivel de piso y de cielo. Así, estos paneles resuelven en un solo elemento, el sistema de cerramiento y la estructura. Sin embargo, al igual que en el caso de los tabiques en base a entramados, el uso de paneles debe considerar un diseño adecuado de la interface entre el panel y la estructura principal a fin de evitar la interacción de ambas estructuras.
Existe una gran variedad de tipo de paneles que se catalogan en función del material del relleno o alma, el tipo de perfil u onda de sus caras y por la prestación principal que se le asigna. Así, se reconocen paneles de alta capacidad de aislación térmica (algunos desarrollados para la construcción de cámaras frías), aislación acústica y resistencia al fuego. En los ejemplos que se presentan a continuación se ha utilizado la información de catálogos entregada por la empresa Metecno-Chile. En la medida que vayamos obteniendo la información actualizada se irán incorporando nuevos catálogos en esta sec ción. a) Paneles Aislantes Térmicos Se conoce una gran variedad de paneles de chapas de acero y alma o cuerpo aislante. Normalmente, se usan chapas de acero zincalum pre pintado en espesores que varían entre los 0,4mm y 0,8mm. Su capacidad de aislamiento térmico será función del material aislante, siendo los más frecuentes el poliestireno expandido, el poliuretano inyectado y la lana de roca. Sus espesores más comunes varían entre los 30mm y los 200mm, pudiendo fabricarse en dimensiones superiores. Se suele usar estos materiales aislantes en densidades aparentes mayores a las comunes por las propiedades mecánicas que le agregan al panel. La configuración del perfil de acabado dependerá de la función y de la apariencia deseada, sin embargo para aplicaciones en cámaras de frío, por consideraciones sanitarias se recomienda la terminación interior más lisa posible y el color blanco.
PANEL AISLANTE TÉRMICO FRIGOWALL Fuente: http://www.metecno.cl/flash/fichas/ficha_frigowall.pdf
DE
METECNO
.
Uno de los aspectos importantes a tener en consideración en los paneles aislantes térmicos, especialmente si serán usados en cámaras de frío, es el diseño y solución de las conexiones entre paneles contiguos, que deberá minimizar los puentes térmicos.
SISTEMA DE FIJACIÓN Fuente: http://www.metecno.cl/flash/fichas/ficha_frigowall.pd f
Y
SELLO.
