Principios de arquitectura e ingeniería Oficinas Ciudad de México Presidente Masaryk 111 - 302 Chapultepec Morales | Miguel Hidalgo Distrito Federal | México 11570 Tel. +52 (55) 5262 7300 [email protected] www.gerdaucorsa.com.mx La línea de perfiles más completa de México ÍNDICE Presentación Introducción Cronología 1.0 Anteproyecto 1.1 ¿Lo qué se desea realizar 1.2 ¿Qué se requiere? 1.3 ¿Qué se puede hacer? 2.0 El proyecto en acero 2.1 El acero 2.2 El proyecto Decálogo para hacer más economicas las estructuras de acero Comentarios adicionales Elaboración: Octavio Alvarez Valadez Carlos Cházaro Rosario Coordinación Técnica: Octavio Alvarez Valadez Diseño Gráfico: Valeria Giselle Uribe Pérez Pág. 2 Pág. 3 Pág. 4 Pág. 5 Pág. 5 Pág. 6 Pág. 13 Pág. 16 Pág. 17 Pág. 21 Pág. 46 Pág. 52 PRESENTACIÓN Este volumen trata sobre los principios de arquitectura que se utilizan en la estructura metálica como un sistema estructural, comienza con un resumen cronológico que contiene la descripción de algunos materiales y la evolución científica y tecnológica de los descubrimientos estructurales en los últimos siglos. Plantea en forma de pregunta, que para la concepción de la arquitectura como un espacio construido será necesario precisar con la mayor clareza posible, las necesidades funcionales, cuáles son los componentes estructurales que serán utilizados y como serán los apoyos de las condiciones de frontera, a manera de garantizar la estabilidad del sistema estructural. Esta preocupación fenomenológica y cualitativa propia del desarrollo de un proyecto, revela su potencial creador, aspecto poco común en la ingeniería estructural y que mucho auxilia al arquitecto en la concepción de un proyecto donde la estructura nace junto con la definición formal, no solo como una opción aleatoria del material que se utilizará empezando a construir una parte importante de la definición del conjunto. El artículo sigue el proyecto estructural tratando los esfuerzos solicitantes y resistentes: fuerzas axiales, flexión, cortante, torsión y deformaciones. Termina hablando sobre el dimensionamiento, las conexiones, el detalle de la estructura, la fabricación, el transporte, el montaje y el mantenimiento. Este trabajo surge oportunamente, para la formación de estudiantes en arquitectura e ingeniería cuyo interés por las estructuras metálicas va creciendo, y que reclaman el conocimiento en esta área ya que no existen suficientes publicaciones especializadas en el tema del acero. INTRODUCCIÓN El acero es sinónimo de arquitectura moderna. En el siglo XX, éste material inspiró a Arquitectos e Ingenieros, combinando la resistencia y la eficiencia con oportunidades de expresión escultural. Hoy en día, en la era del pluralismo arquitectónico y de innovación de ingeniería, el acero se encuentra presente en los edificios más modernos y sofisticados. Esto se debe en cierta parte a la evolución metalúrgica, al avance en el análisis estructural, a las nuevas tecnologías en fabricación de estructuras, al montaje y al desempeño de los componentes constructivos que completan la estructura. Las limitaciones técnicas y expresivas del acero son cada vez más exploradas, generando soluciones estéticas creativas y variadas. Los perfiles de GERDAU CORSA acompañan la tendencia de racionalización y de la utilización de la construcción industrializada. Las conexiones de la estructura se pueden estandarizar y transformarse en elementos arquitectónicos importantes. Esta publicación fortalece la visión general de conceptos constructivos y estructurales en los que generalmente están basadas las edificaciones. Pág. 2 Principios de arquitectura e ingenieria www.gerdaucorsa.com.mx Pág. 3 Pág. 4 Principios de arquitectura e ingenieria Aluminio Plástico Cemento y concreto Acero Fierro fundido y forjado Tabique MATERIALES Computadoras personales (EUA) Robert Maillart - Losa reticular Bauhaus (Alemania) Hardy Cross - Proceso para determinación de esfuerzos - Estructuras Hiperestáticas Primer computador (EUA) Computadoras electrónicas (EUA) Teoíra de la relatividad (Einstein - Alemania) Resistencia de los Materiales (Galileo) Coordenadas cartesianas El Método (René Descartes) Robert Hooke - Teoria de Elasticidad Leibnitz - Cálculo diferencial e integral Principios (Newton) Abraham Darby descubre el coque para producción del fierro guza Motor eléctrico (Faraday - Inglaterra) Exposición mundial Londres Elisha Graves Otis - Elevador Joseph Louis Lambot - Concreto reforzado con Acero Proceso Bressener (acero) Henri Laboustre - uso de vigas, arcos y columnas Comportamiento de los entramados (Da Vinci) Matemática (India) Números, álgebra y geometría (Arabia) CIENCIA Y TECNOLOGÍA Torre del Banco de China - Hong Kong - 315m Museo Guggenheim - Bilbao Torre Sears, Chicago 443m (EUA) Empire State Building 381m (EUA) Biblioteca de Santa Genoveva 1er Metro (Londres) 1er Ferrovía transcontinental (EUA) 1er Hidreléctrica (EUA) 1er Puente Pensil Brooklyn (EUA) Torre Eiffel (Gustave Eiffel - Francia) Urbanización Moderna (Howard) Primer puente de hierro en arco - Río Severn (Inglaterra) Palacio de Metal - Joseph Praxton (Inglaterra) Termina la construcción del Taj Mahal Cúpula de Santa María del Fiore Cúpula de la Roca - Jerusalén (Islámica) Gran Mesquita de Córdoba Catedral de Cartres - Arquitectura Gótica Arquitectura Islámica y difundida en la India OBRAS 1997 1988 1980 1974 1953 1946 1931 1930 1919 1912 1910 1905 1899 1889 1883 1882 1869 1863 1856 1856 1855 1853 1851 1821 1775 1709 1687 1677 1660 1653 1637 1564 1500 1452 1425 1215 1154 788 692 600 500 AÑO CRONOLOGÍA Santiago Calatrava | Tenerife Concert Hall | Santa Cruz de Tenerife, Islas Canárias | España 1991. 1. EL ANTEPROYECTO 1.1 ¿Lo que se desea realizar? 1.1.1 Satisfacer las necesidades y las posibilidades del cliente Es imprescindible atender las expectativas del cliente, definiendo la forma y el destino, analizando los costos dentro de sus posibilidades. 1.1.2 Espacios Establecer un proceso. Atender un cronograma, para el diseño lógico de los espacios funcionales, observando las condiciones de confort y estética. 1.1.3 Volumen Límite en el espacio abierto y el contenido. Lo que protege. Lo que muestra. Embalaje. 1.1.4 Estética La separación y la unión de los espacios y volúmenes determinan la forma. La estructura se conforma a través de un conjunto de elementos, interrelacionados, caracterizando la sincronía y la satisfacción de los sentidos. 1.1.5 Material Es importante considerar en la concepción del proyecto, el material a utilizar para aprovechar las bondades de éste, así como su factibilidad. www.gerdaucorsa.com.mx Pág. 5 1.2.2 Cargas La evaluación de las cargas sobre una estructura es un tema de gran importancia, que depende no solo del diseño de cada elemento del conjunto, sino también del sistema estructural que será adoptado. Existen una serie de cargas que actúan en una estructura. En algunas de ellas tenemos libertad de elección y son evaluadas de acuerdo con las necesidades del proyecto a manera de optimizar los costos. Cargas muertas La evaluación de estas cargas está en función de los materiales escogidos. • Peso propio de la estructura (acero, concreto, madera, etc.) • Muros (Muros de mampostería, paneles de fachadas, etc.) • Acabados (pisos, rellenos, impermeabilización, etc.) • Paisajismo (jardines sobre losas) • Instalaciones (eléctrica, hidráulica, acústica, equipamiento, etc.) • Cubiertas (tejas, aislantes, etc.) Tabla de pesos volumétricos de materiales de construcción PIEDRAS NATURALES MATERIALES Walter Groups, Adolf Meyer y Eduard Werner | Fábrica de hormas para calzado Fagus | Alfeld/Laine | 1910/1914 Areniscas Basaltos Granito Mármol Pizarras 1.2 ¿Qué se requiere? 1.2.1 Claros Tepetates Secos Saturados Secos Saturados En general un proyecto muchas veces puede tener claros especiales: para el propio montaje, práctica de deportes, paso de vehículos o equipos, salas de espectáculos. Tezontles La relación entre la longitud de los claros y los costos no es lineal. Los claros pequeños pueden llegar a desperdiciar la resistencia del material y los claros muy grandes pueden ser muy deformables y antieconómicos. PIEDRAS ARTIFICIALES Concretos y morteros con agregados de peso normal Concreto simple Concreto reforzado Claro Principios de arquitectura e ingenieria PESO VOLUMÉTRICO ton/m3 MÁXIMO MÍNIMO MATERIALES Costos Pág. 6 PESO VOLUMÉTRICO ton/m3 MÁXIMO MÍNIMO 2.50 1.80 2.60 2.40 2.60 2.40 2.80 2.50 2.80 2.30 1.60 0.75 1.90 1.30 1.20 0.70 1.60 1.10 Clase I Clase II Clase I Clase II Mortero de cal y arena Mortero de cemento y arena Tabique de barro hecho a mano Tabique prensado o extruído Bloque de concreto tipo pesado Bloque de concreto tipo intermedio Bloque de concreto tipo ligero Mampostería de piedras naturales 2.30 2.10 2.40 2.20 1.80 2.10 1.50 2.10 2.10 1.70 1.30 2.50 2.10 1.90 2.20 2.00 1.50 1.90 1.30 1.60 1.90 1.30 0.90 2.10 www.gerdaucorsa.com.mx Pág. 7 TABLA DE PESOS VOLUMÉTRICOS DE TABLA DE PESOS VOLUMÉTRICOS DE MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN RECUBRIMIENTOS (no incluye material de unión) MADERAS PESO VOLUMÉTRICO ton/m3 MÁXIMO MÍNIMO MATERIALES A) Pesadas Tropicales (chicozapote, pucté, Ramón) Seca Saturada 1.30 1.50 0.85 1.00 Azulejos Mosaico de pasta Encino Blanco Seca Saturada 1.10 1.30 0.65 0.85 Granito o terrazo Seca 0.95 070 Saturada Seco Saturado 1.10 0.75 0.85 0.80 0.45 0.50 Seco 0.75 0.45 Saturado 0.85 0.50 Seco Saturado Seco Saturado 0.65 0.90 0.65 0.75 0.50 0.60 0.40 0.50 B ) Medianas Tropicales (pelmax, chacohuanate, aguacalillo, tzalam) Encino rojo C) Livianas Tropicales (maculis, bari, pas’k, amapola, primavera, haya, alie) Pino Oyamel, ciprés, sabino, enebro, pinabete SUELOS PESO VOLUMÉTRICO ton/m3 MÁXIMO MÍNIMO MATERIALES Arena o grava Arcilla típica del Valle de México en su condición natural Arcilla seca Limo suelto húmedo Limo compacto húmedo Arcilla con grava Relleno compacto Cascajo Pág. 8 MATERIALES Principios de arquitectura e ingenieria Seca, suelta Seca, compacta Saturada Compactada Seco Saturado 1.70 1.90 2.00 1.40 1.60 1.80 1.40 1.20 1.20 1.30 1.60 1.70 2.20 2.30 1.60 0.90 1.00 1.30 1.40 1.60 2.00 1.20 20 x 20 cm 30 x 30 cm 40 x 40 cm Loseta asfáltica o vinílica Lámina de asbesto Madera contrachapeada Tablero de yeso Tablero de viruta cementada Cielo raso con malla y yeso Plafón acústico Aplanado de cemento Aplanado de yeso Enladrillado 5 mm 6 mm 12 mm 38 mm 25 mm 25 mm 25 mm 25 mm 20 mm PESO POR M2: kg/m2 MÁXIMO MÍNIMO 15 10 35 25 45 35 55 45 65 55 10 5 15 10 4 2.5 14 11 40 30 60 40 7 4 85 50 50 30 40 30 MUROS (no incluye el peso de los recubrimientos) PESO POR M2: kg/m2 MÁXIMO MÍNIMO MATERIALES Tabique de barrohecho a mano Bloque hueco de concreto pesado Bloque hueco de concreto ligero Tabique de concreto ligero macizo Tabique de concreto pesado Tablaroca (con hoja de 1.25 cm de yeso ambas caras) MATERIALES Vidrio Yeso Asfalto Acero Aluminio 14 cm 15 cm 15 cm 15 cm 15 cm 240 210 150 250 310 190 190 130 220 280 50 40 PESO VOL. ton/m3 2.60 1.50 1.30 7.85 2.70 www.gerdaucorsa.com.mx Pág. 9 Observaciones: 1.- Para elementos con área tributaria mayor de 36 m², Wm podrá reducirse, tomando su valor en kN/m² igual a CARGAS VIVAS Estas son estipuladas por normas según el uso, las Normas Técnicas Complementarias sobre criterios y acciones para el diseño estructural de las edificaciones del Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal en la Gaceta Oficial del 2004 utiliza la siguiente tabla para especificar estas cargas. (para su aplicación, referirse a estas Normas). DESTINO DEL PISO O CUBIERTA 2 kg/m CVa Carga Viva Instantánea 2 kg/m CVm Carga Viva Máxima OBSERVACIONES 2 kg/m a) Habitación (Casas Habitación, apartamentos, viviendas, dormitorios, cuartos de hotel, internados de escuelas, cuarteles, cárceles, correccionales, hospitales y similares). 70 b) Oficinas, despachos y laboratorios. 100 180 250 c) Aulas. 100 180 250 40 150 350 d) Comunicación para peatones (Pasillos, escaleras, rampas, vestíbulos y pasajes de acceso libre al público). 2.- Para elementos con área tributaria mayor de 36 m², Wm podrá reducirse, tomando su valor en kN/m² igual a 90 170 1 2 donde A es el área tributaria en m². Cuando sea más desfavorable se considerará en lugar de Wm, una carga de 10 kN (1000 kg) aplicada sobre un área de 500×500 mm en la posición más crítica. Para sistemas de piso ligero con cubierta rigidizante, definidos como en la nota 1, se considerará en lugar de Wm, cuando sea más desfavorable, una carga concentrada de 5 kN (500 kg) para el diseño de los elementos de soporte y de 1.5 kN (150 kg) para el diseño de la cubierta, ubicadas en la posición más desfavorable. 3.- En áreas de comunicación de casas de habitación y edificios de departamentos se considerará la misma carga viva que en el inciso (a) de la tabla. 3y4 4.- Para el diseño de los pretiles y barandales en escaleras, rampas, pasillos y balcones, se deberá fijar una carga por metro lineal no menor de 1 kN/m (100 kg/m) actuando al nivel de pasamanos y en la dirección más desfavorable. 5.- En estos casos deberá prestarse particular atención a la revisión de los estados límite de servicio relativos a vibraciones. e) Estadios y lugares de reunión sin asientos individuales. 40 350 450 5 f) Otros lugares de reunión (Templos, cines, teatros, gimnasios, salones de baile, restaurantes, bibliotecas, aulas, salas de juego, y similares). 40 250 350 5 0.8CVm 0.9CVm CVm 6 g) Comercios, fábricas y bodegas. 6.- Atendiendo al destino del piso se determinará con los criterios de la sección 2.2 la carga unitaria, Wm, que no será inferior a 3.5 kN/m2 (350 kg /m²) y deberá especificarse en los planos estructurales y en placas colocadas en lugares fácilmente visibles de la edificación. 7.- Las cargas vivas especificadas para cubiertas y azoteas no incluyen las cargas producidas por tinacos y anuncios, ni las que se deben a equipos u objetos pesados que puedan apoyarse en o colgarse del techo. Estas cargas deben preverse por separado y especificarse en los planos estructurales. Adicionalmente, los elementos de las cubiertas y azoteas deberán revisarse con una carga concentrada de 1 kN (100 kg) en la posición más crítica. 8.- Además, en el fondo de los valles de techos inclinados se considerará una carga debida al granizo de 0.3 kN (30 kg) por cada metro cuadrado de proyección horizontal del techo que desagüe hacia el valle. Esta carga se considerará como una acción accidental para fines de revisión de la seguridad y se le aplicarán los factores de carga correspondientes según la sección 3.4. h) Cubiertas y azoteas con pendiente no mayor de 5%. 15 70 100 4y7 i) Cubiertas y azoteas con pendiente mayor de 5%, otras cubiertas, cualquier pendiente. 5 20 40 4, 7, 8 y 9 15 70 300 10.- Más una concentración de 15 kN (1500 kg), en el lugar más desfavorable del miembro estructural de que se trate. 250 La Carga Viva Media se utiliza para revisar el estado límite de servicio, la Carga Viva Instantánea se utiliza para revisar el estado límite de falla en condiciones de fuerzas accidentales y la Carga Viva Máxima se utiliza para revisar el estado límite de falla únicamente por fuerzas gravitacionales. j) Volados en vía pública (marquesinas, balcones y similares). k) Garajes y estacionamientos (para automóviles exclusivamente). Pág. 10 CV Carga Viva Media donde A es el área tributaria en m². Cuando sea más desfavorable se considerará en lugar de Wm, una carga de 5 kN (500 kg) aplicada sobre un área de 500×500 mm en la posición más crítica. Para sistemas de piso ligeros con cubierta rigidizante, se considerará en lugar de Wm, cuando sea más desfavorable, una carga concentrada de 2.5 kN (250 kg) para el diseño de los elementos de soporte y de 1 kN (100 kg) para el diseño de la cubierta, en ambos casos ubicadas en la posición más desfavorable. Se considerarán sistemas de piso ligero aquéllos formados por tres o más miembros aproximadamente paralelos y separados entre sí no más de 800 mm y unidos con una cubierta de madera contrachapada, de duelas de madera bien clavadas u otro material que proporcione una rigidez equivalente. 40 Principios de arquitectura e ingenieria 100 10 9.- Para tomar en cuenta el efecto de granizo, Wm se tomará igual a 1.0 kN/m² (100 kg/m²) y se tratará como una carga accidental para fines de calcular los factores de carga de acuerdo con lo establecido en la sección 3.4. Esta carga no es aditiva a la que se menciona en el inciso (i) de la tabla y en la nota 8. www.gerdaucorsa.com.mx Pág.11 Cargas accidentales Estas cargas son el producto de diferentes situaciones de la naturaleza, tales como el viento, el sismo, huracanes, variación de temperatura, acumulación de residuos, granizo, etc. La revisión de estas condiciones se realiza de acuerdo a las especificaciones del código vigente de la región. Cargas dinámicas Dependen del uso y del tipo de estructura. En el caso de equipos, las cargas deberán ser obtenidas junto con el proveedor. Para el caso de flujo de vehículos o vibración, se pueden considerar las cargas de utilización por ciertos factores de amplificación. Para estructuras muy esbeltas, sujetas a la acción del viento, se deberá desarrollar un análisis dinámico de acuerdo al manual de Comisión Federal de Electricidad CFE. Para el análisis de cargas dinámicas en puentes grúa, se recomienda usar las especificaciones que para tales efectos propone el IMCA. Cargas mínimas De no ser aplicable ningún reglamento de construcción en la localidad de la obra, las cargas mencionadas anteriormente no serán menores que las especificadas en el manual de obras civiles de la Comisión Federal de Electricidad CFE. Foster Associates (arq.) y Ove Arup and Partners (ing.) | Sede de ventas de la Renault | Awindon-Wiltshire- Inglaterra 1.3 ¿Qué se puede hacer? 1.3.1 Normatividad y limitaciones La arquitectura define la forma, crea el objeto, y tiene limitaciones entre lo natural y lo artificial. Esta creación interfiere en lo urbano, se convierte en un acto social, y como tal tiene que atender reglas de la sociedad. La estructura también las tiene, sólo que sus limitantes las otorgan la seguridad y el confort, los cuales son resultado de las experiencias, estudios y observaciones que a lo largo de la historia de las construcciones se consolidan como reglas. Existen las Normas Técnicas Complementarias para el Proyecto Arquitectónico, que contienen los requisitos mínimos necesarios arquitectónicos, ergonómicos y en general de uso de los espacios, que se deberán considerar, pero no limitan así la creatividad, es prioridad consultarlo antes de comenzar el proyecto. Los materiales también tienen sus limitantes. Límites de resistencia, limites de servicio (deformaciones, confiabilidad y de comportamiento estructural). Combinaciones de Carga Utilizadas en México. 1) 1.4CM + 1.4CVm en Estructuras Grupo B 2) 1.5CM + 1.5CVm en Estructuras Grupo A 3) 1.1CM + 1.1Cva ± 1.1Sx ± 0.3Sz 4) 1.1CM + 1.1Cva ± 0.3Sx ± 1.1Sz 5) 1.1CM + 1.1Cva ± 1.1Vx ± 0.3Vz 6) 1.1CM + 1.1Cva ± 0.3Vx ± 1.1Vz 7) 0.9CM – 1.1(S ó V) Cuando hay efectos de Volteo 8) 1.1CM + 1.1Cva + 1.1G 9) CM + CV Revisión de Flechas Donde: • CM = Carga Muerta • CVm = Carga Viva máxima • CV = Carga Viva media • Cva = Carga Viva accidental • Sx = Sismo en la dirección X • Sz = Sismo en la dirección Z • Vx = Viento en la dirección X • Vz = Viento en la dirección Z • G = Granizo Nota: Estas combinaciones de carga son las más comunes, pero no quiere decir que sean las únicas que se pueden presentar en una estructura. Pág. 12 Principios de arquitectura e ingenieria www.gerdaucorsa.com.mx Pág.13 Combinaciones de carga utilizadas en E.U.A. según AISC. Las combinaciones de carga requeridas por el código son: Según ASD: 1) D 2) D + L 3) D + 0.75L + 0.75W 4) 0.6D + 0.7E Según LRFD: 1) 1.4D 2) 1.2D + 1.6L + 0.5(Lr ó S ó R) 3) 1.2D + 1.6(Lr ó S ó R) + (0.5L ó 0.8W) 4) 1.2D + 1.3W + 0.5L + 0.5(Lr ó S ó R) 5) 1.2D + 1.5E + (0.5L ó 0.2S) 6) 0.9D – (1.3W ó 1.5E) Cuando hay efectos de Volteo Donde: • D = Carga Muerta • L = Carga Viva • Lr = Carga Viva en Techos • S = Carga de Nieve • R = Carga inicial de Agua o lluvia sin incluir encharcamiento • W = Viento • E = Sismo Los códigos de diseño estructural empleados en México son: • RC – DF – 2004 Reglamento de construcciones para el D.F. • NTC – 2004 Normas Técnicas Complementarias para el Diseño y Construcción de Estructuras Metálicas. • IMCA Instituto Mexicano de la Construcción en Acero. • CFE – 2009 Manual de Diseño de Obras Civiles (Viento y Sismo). • NOM Norma Oficial Mexicana de la D.G.N. (Dirección General de Normas). • NMX Norma Mexicana. • ASTM American Society of Test and Materials. Los Códigos de Diseño Estructural empleados en E.U.A. son: • American National of Specification Institute “ANSI” (avala la calidad de los reglamentos). • American Society of Civil Engineers “ASCE”. • American Society of Test and Materials “ASTM”. • American of Welded Society “AWS-96”. • Consejo de Investigaciones sobre conexiones estructurales, surgió después del sismo de Nortich California. • Especificaciones para Diseño por Factores de Carga y Resistencia de Uniones Estructurales con Tornillos ASTM A325 ó A490 en 1988. • Especificaciones para Diseño por Factores de Carga y Resistencia de Miembros de Acero Formados en Frío 1996, American Institute of Steel and Iron “AISI”. Pág. 14 Principios de arquitectura e ingenieria • Código de prácticas generales para edificios de Acero y Puentes. American Institute of Steel Construction “AISC”. • “UBC-97” Uniform Building Code-96. Es un reglamento que se utiliza en toda la unión americana, tomando en cuenta todo tipo de estructuras y regula las solicitaciones. 1.3.2 Materiales La tecnología se desarrolla en función de los materiales disponibles en cada localidad. Los materiales tienen características especiales y diferentes, tales como su resistencia, su confiabilidad, su elasticidad, etc. Los materiales naturales, tal como la madera, tienen poca resistencia a las inclemencias del tiempo, buen comportamiento y buena respuesta térmica, sin embargo, existe una gran incertidumbre en cuanto a la homogeneidad de sus características de trabajo mecánico, que se puede alterar a lo largo de una misma pieza en relación a las fibras que constituyen el material. Debido a esto será necesario utilizar factores de seguridad más amplios y sobredimensionar las conexiones para que éstas soporten los esfuerzos a los que estarán sometidos. El concreto armado es una roca artificial compuesta por cemento, arena, grava, agua y barras de acero (varillas), usualmente colado “In situ”. Debe existir un control de la mezcla, la ejecución y el curado de este material para garantizar que su resistencia nominal será la adecuada. Tiene buena confiabilidad, con coeficientes de seguridad menores que el de la madera. Este material no es reciclable. El acero es un material desarrollado a partir de aleaciones producidas industrialmente bajo un control muy rígido. Tiene óptimas condiciones mecánicas debido al control que se tiene, se garantiza que su comportamiento es homogéneo a lo largo de un elemento, alta resistencia y buen comportamiento. Los coeficientes de seguridad son muy bajos y aseguran la optimización en el uso del material. Es 100% reciclable. 1.3.3 Costos Una solución puede ser técnicamente adecuada, pero puede presentar un alto costo de ejecución. Los costos dependen del mercado de los materiales y de la oferta en la mano de obra. Las soluciones más económicas pueden variar dependiendo del lugar y de su situación económica, del destino de la obra y su tiempo de ejecución. Ver artículo técnico ¿Cuándo construir en acero? de GERDAU CORSA. De este modo, para escoger una buena alternativa estructural, es necesario balancear estos parámetros. Una estructura más ligera puede tener un alto costo de mano de obra. El costo de mano de obra sobre las piezas industrializadas tiene una sensible reducción debido a la repetición de piezas. 1.3.4 Ejecución Definir la metodología, el dimensionamiento de los elementos y la experiencia de los profesionales que trabajan en equipo para la ejecución de las obras, es algo que depende de la ubicación, presupuesto y tiempo disponible. Esto puede ser el resultado del proyecto estructural y los materiales adoptados. CARACTERÍSTICAS MADERA CONCRETO ACERO ACERO INOX ALUMÍNIO Resistencia a agresiones climáticas media buena media media óptima Confiabilidad del material mala buena óptima óptima óptima Disponibilidad media óptima óptima buena buena Rapidez de ejecución buena media óptima óptima óptima kg/m³ 600 a 1,200 2,400 7,854 7,920 2,770 Resistencia kgf/cm² 130 400 3,450 2,800 3,200 Módulo de elasticidad kgf/cm² 165,000 250,000 2,039,000 19,300,000 700,000 3 x 10-6 10 11.7 17.3 22.5 Densidad Coeficiente de dilatación www.gerdaucorsa.com.mx Pág. 15 2.1 El acero 2. EL PROYECTO EN ACERO 2.1.1 Descripción del material El hierro se encuentra en la naturaleza generalmente en forma de óxidos. Ver artículo "ELECCION DEL TIPO DE ACERO PARA ESTRUCTURAS" de Gerdau Corsa El mineral de hierro, el coque y los fundentes son las materias primas del proceso de reducción del hierro. Su refino ocurre en la acería, donde la adición de Cobre (Cu), Níquel (Ni), Cromo (Cr), entre otros elementos de aleación le proporcionan a los aceros diferentes propiedades mecánicas. Carbón Metalúrgico Coqueria Benzeno Tolueno Xileno Naftaleno Amonia Anidra Otros Colada Contínua Mineral de Hierro Sinterización Fundentes Alto-Horno Desulfuración Convertidor LD Horno-Cuchara RH Estación de Argón El control del contenido de carbono en la composición química, permite la obtención de una gran variedad de tipos de acero, que se diferencian en cuanto a su dureza, resistencia mecánica, ductilidad y resistencia a la corrosión. Como resultado de este proceso obtenemos uno de los materiales de mayor resistencia y menor deformabilidad entre los materiales de uso estructural. La resistencia del acero al carbono se debe primordialmente al contenido de carbono y Manganeso (Mn) por ejemplo ASTM A992. El acero de baja aleación y alta resitencia es aquel que cuando se la añaden elementos químicos como el Niobio (Nb), Vanadio (V), Titanio (Ti) entre otros promueven grandes propiedades mecánicas por ejemplo ASTM A572 – 50. La adición de Cobre (Cu), Níquel (Ni), Cromo (Cr) entre otros elementos químicos crean un grupo conocido como aceros patinables, que tienen mayor resistencia frente a la corrosión atmosférica, en condiciones específicas, cuando desarrolla un patinado aparente por ejemplo ASTM A588. Pág. 16 Principios de arquitectura e ingenieria www.gerdaucorsa.com.mx Pág. 17 2.1.2 Sustentabilidad 2.1.3 Perfiles de acero laminados en caliente “El desarrollo sustentable significa atender las necesidades del presente, sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para atender sus propias necesidades” (World Comission on Environment Development WCED 1987). Los perfiles I, CE, LI, LD, SOL, OS, CS, son perfiles laminados en caliente obtenidos por los procesos de producción antes mencionados, los perfiles de GERDAU CORSA siguen las normas ASTM A6/A 6M y existe una gran variedad de medidas (Tablas de Dimensiones y Propiedades de GERDAU CORSA). Todas las construcciones, impactan en el medio, consumiendo energía, recursos naturales, agua tratada y aumentando la contaminación. Para los arquitectos, ingenieros, empresarios y constructores es importante estudiar las consecuencias de sus proyectos a largo plazo: • Haciendo buenos proyectos arquitectónicos • Optimizando el uso de la energía • Utilizando materiales reciclables • Incentivando nuevas tecnologías • Disminuyendo los desperdicios • Innovando Un asunto que se descuida mucho, es el reaprovechamiento de las construcciones después de los 50 años de vida prevista. En las construcciones que se desarrollan en acero las opciones son: • Reestructurar la construcción en lugar de demolerla • Desmontar y reutilizar los componentes • Desmontar, reciclando el material Acero, una elección natural de sustentabilidad. 2.1.4 Soluciones especiales • Es uno de los materiales más abundantes en la tierra • La energía consumida es co-generada • El proceso de producción es controlado y no contamina la atmosfera • Consume 41% menos agua en su proceso a diferencia que el concreto • Todos los componentes que se generan en la producción son aprovechados • La fabricación de estructuras elimina los desperdicios en la obra, ya que el proceso es industrializado • El menor peso de las estructuras de acero permite que las cimentaciones sean de menores dimensiones, disminuyendo el impacto de las mismas en el suelo • La rapidez en el montaje, reduce el impacto en la comunidad local • Permite librar grandes claros, fachadas y cubiertas que facilitan la utilización de la energía solar • Sus desperdicios tienen un alto valor agregado • El proceso de reciclado es simple y eficiente En ocasiones en los perfiles se pueden desarrollar agujeros, sin embargo es necesario que sean compatibles con la sección de las vigas. Cuando no existe una solución para situaciones muy particulares, es ideal que se opte por perfiles castelados, vigas Vierendel ó perfiles celulares. El acero es 100% reciclable. La mitad de la producción del acero anual es reciclada. Pág. 18 Principios de arquitectura e ingenieria www.gerdaucorsa.com.mx Pág. 19 Su razón de ser es que aumenta las inercias, optimizando claros y reduciendo el peso de las estructuras, además de ser útiles para el paso de conexiones. Es solo una etapa, Que sigue la intensión de la forma, Que sigue la elección del proyecto, Que sigue el concepto. Perfiles Castelados 2.2 El proyecto 2.2.1 El nacimiento del proyecto Vigas Vierendel y Perfilles Celulares Es importante que en el proyecto de la estructura en acero ya comience a ser pensado con el concepto del material: el objeto formado por el diseño de las formas, las líneas, la permeabilidad de la mirada, la retícula y la clareza en la intensión de los detalles. La estandarización de piezas es un concepto muy importante, pues como todo sistema industrializado es repetitivo, reduce los costos. Decidir si la estructura es aparente o revestida, hace que el arquitecto piense en los pros y contras de cada opción. La estructura aparente puede mostrar la plasticidad del acero, sin embargo demandará protección del mismo (contra corrosión y fuego). En la estructura revestida el acero cumple su papel de esqueleto y minimiza los costos de protección. 2.2.2 Ventajas del uso del acero Pretensado Es la técnica de introducir un elemento estructural, con un esfuerzo controlado, con características contrarias a los esfuerzos a los que estará sometido en su condición de trabajo, compensando su situación crítica. El pretensado es hecho a través de cables de acero, similares a las barras, externa e internamente, pretensados por malacates (grandes cargas), estirados (pequeñas cargas) o por las propias cargas actuantes, como el caso del vagonamiento. Viga Vagonada Viga Pretensada • Organización de la obra de construcción • Reducción en la cimentaciones • Claros libres mayores • Racionalización del material y de la mano de obra • Menor plazo de ejecución • Retorno financiero más rápido • Facilidad de montaje y desmontaje • Optimización de ampliaciones • Compatibilidad con otros sistemas constructivos una buena nivelación, puede eliminar la necesidad de revestimientos y permite el trabajo en conjunto con las vigas metálicas (vigas de sección compuesta). Para el cierre de la obra, los paneles metálicos y de yeso acartonado (tablaroca) permiten rapidez en su instalación, fácil instalación de tuberías, buena calidad en los acabados y adaptación de lay-outs. Los paneles de fachadas permiten mejor previsión de los detalles en la interacción con la estructura y los marcos y en la estandarización de los acabados. También existen baños prefabricados agilizan el montaje y minimizan los problemas de acabados, instalaciones, impermeabilización y en referencia con las tuberías flexibles elimina los problemas con las conexiones. La composición de estos elementos proporciona mucho más rapidez en la conclusión de una obra y el retorno financiero más rápido. 2.2.4 Fachadas Las fachadas pueden ser de paneles prefabricados, piedras naturales como el mármol, placas, albañilería vinculada o no a la estructura. 2.2.3 Construcción industrializada 2.2.5 Cubiertas En la construcción que contiene elementos prefabricados que son hechos en industrias especializadas que garantizan la calidad de los componentes, transforman la construcción en un lugar de montaje. Gran parte del confort térmico y acústico de la obra, está ligado al proyecto de la cubierta. Pensando en una obra como el conjunto de un todo, la racionalización de materiales y mano de obra, la agilidad en la ejecución con una planeación bien desarrollada en la logística y bajísimos índices de desperdicios, son ventajas importantes ofrecidas por la construcción industrializada. La respiración de una cubierta en el caso de construcción industrial se hace por linternillas, ventiladores estáticos o ventiladores dinámicos. La pendiente económica se considera entre 12 y13%. En la medida de lo posible deberá dejarse entrada de aire frío por la parte mas baja del edificio y salida del aire caliente por la parte mas alta del mismo, para aprovechar la fuerza asensorial del aire caliente. La estructura es una parte importante de la obra, que se completa con los paneles de fachadas, paneles internos, instalaciones, equipamiento, marcos, etc. Más allá de las alternativas formales, las pequeñas aberturas junto a las fachadas permiten la salida del aire sin el riesgo de que exista infiltración. ASTM A 36 El uso de losas prefabricadas, losas pretensadas, losacero (steel deck), pueden prescindir de apuntalamiento, permiten Pág. 20 Principios de arquitectura e ingenieria www.gerdaucorsa.com.mx Pág. 21 El calentamiento del techo, más allá de las recomendaciones en función del tipo de piso, debe tomar en cuenta el tamaño de las pendientes de la cubierta. El canalón puede ser predimensionado con alguna fórmula empírica: para cada 10m² de cubierta, el canalón será de 15 cm². Para los tubos de las bajadas de agua pluvial el área será de 1cm² para cada m² de agua drenada. recubrimiento y acabado, correctamente especificados retardan y evitan el proceso de corrosión. Un programa de mantenimiento consistente permite que las estructuras se encuentren en perfecto estado. 2.2.7 Tratamiento de superficie y revestimientos Antes de recibir cualquier sistema de protección, el acero debe pasar por una limpieza que remueva de su superficie aceites, grasas, polvos, oxidación suelta y cascarilla. Lámina de Acero para Cubiertas Vigas compuestas Es la asociación de una parte de la losa y el patín superior de la viga de acero Habrá un sensible aumento en la capacidad de la viga, y naturalmente una reducción en las deformaciones, que resulta en un ahorro de peso en las vigas de acero hasta en un 30%. De la misma manera, esta viga estará soportada lateralmente en la parte comprimida, lo que impedirá su pérdida de estabilidad. La vinculación entre la losa de concreto y la viga es hecha con conectores, piezas metálicas soldadas al patín superior con un espaciamiento pequeño (del orden de 20 a 50 cm), que impiden el desplazamiento del concreto en relación al acero, obligándolos a trabajar en conjunto. Normalmente esta limpieza es hecha por un chorro abrasivo (arenilla y arena) o por un proceso manual. Los principales tipos de revestimiento son: • Contra la corrosión: pintura y galvanización • Contra fuego: materiales proyectados, placas de yeso acartonado, pintura intumescente. 2.2.8 Estructuras compuestas Es la asociación de acero con concreto como se obtiene una pieza compuesta, con las mejores características mecánicas de cada uno de los materiales. En el caso de acero es muy resistente a los esfuerzos de tensión, caso contrario con el concreto el cual tienen mejor comportamiento a la compresión. Cubiertas Termoacústicas Lámina Superior Espuma de poliuretano, poli-isocianurato o lana mineral. Lámina Inferior m e la .00 do d del 4 0 a ien ión e 2.0 pend ificac icant de pec fabr es 2.2.6 Corrosión Todos los metales y aleaciones utilizados en las estructuras son susceptibles a la corrosión. La intensidad de este ataque depende, entre otros, de las condiciones ambientales y de la composición química de la aleación. tw tf Cumplen etapas diferentes a lo largo de su proceso de consolidación. El acero tiene desde su producción, forma y resistencia definidas, esto no ocurre con el concreto, este depende del proceso de curado para que su forma y resistencia estén bien definidas. Su capacidad también depende del armado, tanto para aumentar su resistencia como para disminuir la propagación de grietas. El proyecto de estructuras compuestas debe, por lo tanto, ser elaborado considerando 3 fases: 1. Montaje y lanzamiento del concreto = situación en que el acero trabaja por sí solo, antes del curado del concreto, siendo el responsable por el peso propio de la estructura y las cargas de la obra. 2. Resistencia de la estructura compuesta = situación en las que trabajan en conjunto el acero y el concreto. 3. Deformación de la estructura compuesta para las cargas de larga duración = situación en la que se lleva en contra el efecto de la perdida de la elasticidad del concreto a lo largo del tiempo. bf Columnas compuestas Son piezas compuestas que buscan aprovechar la capacidad del concreto en compresión asociada a la capacidad y esbeltez del acero. Este trabajo es garantizado por la utilización de conectores que eliminan el deslizamiento en las superficies de contacto. Una de las ventajas de utilizar columnas compuestas es proporcionar la protección contra fuego. La corrosión atmosférica de los aceros al carbono es un proceso electroquímico que depende básicamente de tres parámetros: agua, oxigeno y corriente eléctrica, que fluye de la liberación de electrones. Consultar artículo de Gerdau Corsa: “Principios de Protección de Corrosión y Fuego” La limpieza de la superficie, la aplicación de pinturas de Pág. 22 Principios de arquitectura e ingeniería www.gerdaucorsa.com.mx Pág. 23 Conexiones compuestas Ventilación En el planteamiento de la ventilación se debe considerar el aprovechamiento máximo de los vientos predominantes. La necesidad del armado en las losas de concreto, permite la posibilidad de otros tipos de asociación acero – concreto, como en conexiones compuestas. En este tipo de conexión la losa participa en la transmisión de los esfuerzos de los momentos flectores de las vigas, permitiendo la continuidad sobre los apoyos. En este caso el armado de la losa es reforzada, a manera de absorber las tensiones. El aire se mueve por el cambio de presión y las diferencias de temperatura. Un estudio sobre las aberturas de entrada de aire y espacios de salida, son los obstáculos que permiten dirigir la ventilación para el interior de la construcción. La ventilación puede ocurrir: • Naturalmente por ventanas, persianas (luvers) o linternas • Naturalmente por convección de vitrinas eólicas • Artificialmente por convección directa como ventiladores • Artificialmente por radiadores alimentados en sistemas de fachadas • Artificialmente por ductos de aire acondicionado Confort térmico El confort térmico depende de la renovación del aire. Una combinación de materiales aislantes adoptados en los elementos de ventilación con materiales permeables en el sistema de ventilación permite la circulación natural del aire. También son muy útiles los sistemas de brisas o tratar de sombrear en áreas con gran insolación. 2.2.9 Otros Iluminación La mayoría de las actividades requieren iluminación, que puede ser natural o artificial. La iluminación natural puede venir directamente del sol y entra por las aberturas de las superficies del edificio. Elementos como niveles del calor, sombras, reflexión y colores resultantes, se tienen que analizar. En el caso de que la iluminación no sea suficiente, o que en la atención al programa se creen espacios que busquen otras soluciones (galerías internas, salas de distribución o en espacios muy grandes) es posible buscar superficies iluminantes en las cubiertas, se sustituye parte del material opaco por material traslucido, o adoptando lucernarios, linternas, dientes de sierra, etc. La iluminación artificial produce energía térmica, normalmente, incandescente o fluorescente, combinando la luz y el calor radiante. Complementos Así como los puntos que ya se trataron, otros elementos constantes en una edificación tendrán interacción con la estructura. Tuberías hidráulicas, ductos de ventilación, conductores eléctricos, elementos de automatización, iluminación, protección de incendio entre otros, van a precisar la sustentabilidad, el espacio para caminar y el acceso para el mantenimiento. Todo en el mismo lugar entre el volumen y el espacio arquitectónico, entre lo oculto y la estética. La mejor solución es la coordinación entre los proyectos complementarios. La elección conjunta del paso de tuberías, posición de los puntos de iluminación de acceso, deben llevar una solución armónica con la estructura. Pág. 24 Principios de arquitectura e ingeniería www.gerdaucorsa.com.mx Pág. 25 2.3 Proyecto estructural Cubiertas o láminas (planos) 2.3.1 Tipología estructural Elementos con dos dimensiones que son mayores a la tercera (espesor). Su función es recibir las cargas, llevándolas a las barras, ó directamente a los apoyos. Son las losas, placas, cascarones, muros, membranas. Su nomenclatura depende de la manera en que se comportan en situaciones de trabajo. Elementos estructurales Como la geometría, la estructura parte de algunos elementos básicos, cuya combinación ordenada genera sistemas. Cascarón Losas: son láminas con forma fija, de razonable espesor, pueden ser ejecutadas horizontalmente, soportan cargas normales o cargas de flexión. Su analogía es tal, que usamos los elementos geométricos en la representación gráfica de los elementos estructurales. Bóveda Cascarones: son láminas con forma fija, con poco espesor, tienen su rigidez asociada a la curvatura, trabajan en flexión y fuerzas de tensión y compresión en su plano. Nudo o nodo (punto) El nudo se define como, el inicio, la intersección de elementos o barras, la fijación de las cargas. Lugar donde los esfuerzos que provienen de un elemento del sistema son trasmitidos a otro, liberando o no parte de los desplazamientos. Membranas: son láminas sin forma fija, de espesor extremadamente pequeño, adquiere la forma que solicite, y trabaja bajo fuerzas de tensión. Elementos o barras (planos) 2.3.2 Sistemas estructurales Su función es llevar las cargas que recibe de un nodo a otro. Se dimensionan de acuerdo a la sección más adecuada de acuerdo al tipo de esfuerzo que recibe, el material y las dimensiones para soportar dentro de los límites posibles la deformación. La asociación de elementos estructurales compone un sistema que generalmente define el aspecto espacial del edificio como un todo. Estos sistemas pueden ser categorizados como: Su capacidad tiende a ser mayor en cuanto menor sea su pérdida de estabilidad. Sistemas de marcos Elemento cuya dimensión es mucho mayor que las de la sección transversal. Membrana Es un sistema formado por barras capaces de crear un esqueleto resistente a las cargas puntuales o lineales, permitiendo incorporación de grandes claros. Estos marcos son montados paralelamente y espaciado conforme a las necesidades del proyecto. Cuando se estandarizan los espaciamientos la fabricación y el montaje se simplifican y por consiguiente se reducen los costos. El sistema de marcos tiene una gran resistencia en su plano de trabajo, sin embargo, depende de la condición de la estabilidad fuera del plano. Esta condición es obtenida a través de la disposición de sistemas perpendiculares a él, que le den arriostramiento en los puntos necesarios. Por ejemplo, armaduras o cerchas, arcos, pórticos, rejillas, asociación de vigas y columnas, y anclajes. bf Pág. 26 Principios de arquitectura e ingeniería z www.gerdaucorsa.com.mx Pág. 27 Armaduras o cerchas Son piezas formadas por barras de pequeñas secciones, apoyadas unas a las otras formando un sistema reticulado. Las piezas únicamente trabajan a tensión y compresión desde que las cargas son aplicadas a los nodos. Conexión de tirantes a largueros Composición de cerchas Arcos Son sistemas estructurales que vencen grandes claros y sufren compresiones simples, generando esfuerzos horizontales (empujes) en los apoyos que están en función de las deformaciones del arco. Los arcos tienen una relación mínima entre el claro y la flecha para que se comporten como tales. El arco se comporta como una viga de eje curvo. Esfuerzos en armaduras Pág. 28 Principios de arquitectura e ingenieria www.gerdaucorsa.com.mx Pág. 29 Ejemplos de estructuras en arco Arco como elemento portante de un tablero de un puente Pórticos Son estructuras formadas que componen un marco plano con acciones en este mismo plano. Su rigidez y estabilidad se concentran en los nodos, los tipos de vínculos de los nodos de un pórtico alteran su comportamiento y transmiten los esfuerzos a los apoyos. Carga vertical East London River Crossing | Santiago Calatrava | 1990 Combinación de arcos en una disposición espacial, transmitiendo los esfuerzos horizontales para anillos superiores de compresión e inferiores de tensión. Marco con todos los nudos articulados Pórtico empotrado Carga horizontal Es necesario un sistema de contraventeo (triangular) Carga y deformación Diagrama de momentos flexionantes Transmisión de momento a la cimentación Pórtico articulado en la base No transmite momento a la cimentación Articulación Pórtico triarticulado Vahrhunder Thalle - Vratislavia | Max Berg | 1911 - 1913 Pág. 30 Principios de arquitectura e ingeniería La estabilidad es garantizada por la rigidez del nudo El momento es nulo en el punto de la articulación_ Punto ideal para uniones y conexiones www.gerdaucorsa.com.mx Pág. 31 Sistema de planos Son sistemas formados por muros o diafragmas, con función de soporte de carga y fachadas simultáneamente. Soportan en general cargas uniformemente distribuidas y no aceptan fácilmente grandes aberturas. Por ejemplo losas, muros, placas y cúpulas. Anclajes y tirantes Son estructuras que trabajan solamente a esfuerzos axiales y compresión (anclajes) o tensión (tirantes). El equilibrio de los esfuerzos toma la forma de la geometría de la estructura a base de triangulaciones. dp dt dl Tirantes Anclajes Ejemplo de estructuras atirantadas Depende de la rigidez de las barras y de los nudos Depende de la rigidez de las barras Depende del espesor del muro o diafragma En la construcción de edificios, los sistemas de circulación vertical, torres de elevador y escaleras, son elementos tubulares, con pisos transversales (losas de escalera) o anillos de cierre (elevadores), que pueden ser utilizados como núcleos rígidos absorbiendo esfuerzos horizontales y dando estabilidad a los demás elementos de la edificación. La asociación de elementos rígidos y otros elementos articulados, permite que las conexiones sean más económicas, que tienen una función específica de soporte de carga y no de estabilidad. Con esta misma función pueden ser utilizadas las fachadas, cuando la trama de las vigas, las diagonales y las columnas crean una distribución tubular periférica. Los edificios extremadamente altos pueden controlar las oscilaciones debido a los esfuerzos de viento, con la utilización de una masa oscilatoria que, funcionando como péndulo, restaura su equilibrio. Alamillo Bridge | Santiago Calatrava | 1987 - 1992 Pág. 32 Principios de arquitectura e ingeniería www.gerdaucorsa.com.mx Pág. 33 Pág. 34 Fachada en malla ortogonal compuesta por columnas y vigas Fachada en enrejado compuesta por diagonales asociadas y malla de vigas y columnas. Fachada en rejilla diagonal con barras inclinadas y sin columnas formando un tubo enrejado. Fachada por varios tubos yuxtapuestos componiendo un sistema celular. Existe la posibilidad de variación de alturas en los núcleos de las células acompañando la volumetría de la arquitectura. Principios de arquitectura e ingeniería www.gerdaucorsa.com.mx Pág. 35 Sistemas tridimensionales Son sistemas en que los nudos son vértices y las barras son aristas de un sólido geométrico. En estos sistemas, las barras únicamente trabajan bajo fuerzas axiales, y se ajustan a la función de equilibrar estos esfuerzos. Por ejemplo geodésicas y estructuras espaciales. Fachadas que utilizan enrejado superior en los niveles intermedios, reduciendo sensiblemente las deformaciones ocasionadas por los esfuerzos de viento en edificios altos. Las columnas extremas trabajan como barras en tensión y compresión opuestas al del sistema central, creando una especie de compensación que invierte los esfuerzos del enrejado. Icosaedro •12 vértices •30 aristas •20 caras •Radio de la esfera que toca todas las caras 0.9342 •Radio de la esfera que toca todos los vértices 1.1756 •Radio de la esfera que toca el centro de todas las aristas Cara Sistema de membranas Son sistemas formados por membranas asociadas a cables y elementos rígidos, como tirantes o anillos de compresión. Son extremadamente ligeros, permitiendo vencer grandes claros, sin embargo solicitan grandes esfuerzos de tensión en sus puntos de anclaje. Por ejemplo tenso-estructuras. Vértice Arista = 1.236 x 1 Frei Otto | Carpa Olímpica | Münich Pág. 36 Principios de arquitectura e ingeniería www.gerdaucorsa.com.mx Pág. 37 2.3.3 Esfuerzos solicitantes y resistentes Los trabajos realizados por las piezas estructurales, sobre el efecto de las acciones solicitantes (cargas) son: Cortante Son los esfuerzos tangenciales a la sección de los elementos resistidos por el alma de la sección, tienden a cortar “rebanadas” de elemento. Axiales Son esfuerzos a lo largo del eje de las barras, pueden ser de tensión o de compresión. En tensión los esfuerzos son resistidos por el área de la sección, en la que se descuentan agujeros en el caso de conexiones atornilladas. En compresión, así como el área, es importante la forma del perfil, la esbeltez de la barra, ya que está vinculado el pandeo, estado crítico a partir del cual la pieza pierde capacidad de utilización. Esos son los tipos de esfuerzos que solicitan las barras de un enrejado, tirantes, anclajes y columnas. Torsión Es la solicitación que tiende a girar rebanadas de la sección de la barra en torno de su eje longitudinal, ocurre cuando la carga actúa fuera del eje de la barra, haciendo que ocurran las tensiones de cortante, que se deben equilibrar. Flexión Son los esfuerzos perpendiculares a la sección de las barras, que son resistidos por el módulo de sección. Tienden a girar la sección de la barra, en torno al eje, denominado eje neutro, que divide las áreas en tensión y compresión. En el caso de la flexión la forma de la sección es extremadamente importante, pues su trabajo equivale al de un par de fuerzas (doble palanca), siendo su resistencia mayor, cuando más alejada esté el eje neutro, centroide o centro de gravedad de las áreas tensionadas y comprimidas. Deformaciones Son parte del trabajo de la estructura. Una pieza estructural requiere deformarse para entrar en función, esas deformaciones tienen límites para que no se tornen incomodas o inadecuadas para su uso. Las normas limitan las deformaciones bajo cargas accidentales, considerando que para las cargas permanentes pueden ser adoptadas con contra flechas, esto es, pueden recibir una deformación previa que compense las deformaciones que son ocasionadas por las cargas permanentes. Pág. 38 Principios de arquitectura e ingeniería www.gerdaucorsa.com.mx Pág. 39 2.3.4 Formas de las secciones 2.3.5 Aspectos conceptuales Cada una de las barras de un sistema estructural tiene una función específica, como un equipo, en el que cada uno tiene características especiales para la función que ejerce. La sección de una pieza debe tener la forma más apropiada al tipo de esfuerzo al que estará sometido. Una obra bien concebida es económica y es un reflejo del proyecto arquitectónico, respetando el material, adoptando espacios estandarizados y compatibles a su uso, optimizando las piezas, alineando los cierres y viabilizando el transporte y el montaje. Piezas sujetas a tensión: pueden ser esbeltas, esto es, tienen una masa concentrada en torno a su eje. Su capacidad depende apenas del área de la sección. Por otro lado, buenos diseños estructurales aislados, no garantizan la calidad de la obra. Es importante la compatibilización de todos estos aspectos, para el suceso del proyecto. Piezas sujetas a compresión: Tienen un trabajo similar al de las piezas tensionadas, pero corren el riesgo “de huir de la línea de presión”. A este fenómeno se le da el nombre de pandeo, el cual puede ser resuelto disminuyendo la esbeltez de la pieza, esto es, la relación entre lo que se comprime (L) y la distribución de la masa en relación a su eje (r = radio de giro). Por ejemplo perfiles H. 2.3.6 Predimensionamiento Es un estudio de conjunto analizando: · Relación entre claros y alturas · Verificación de las tensiones de trabajo de las piezas sobre los esfuerzos solicitantes · Verificación de las deformaciones · Verificación de las condiciones de anclaje y estabilidad de piezas En cualquier construcción a pesar de que las cargas de utilización sean las mismas, va a depender de los claros y de los espaciamientos de las vigas. Piezas bajo el efecto de torsión: tienen su capacidad resistente en el área de la sección de la pieza. Piezas bajo el efecto de corte: tienen su capacidad resistente ligada al área de la sección de la pieza, y frecuentemente están asociados a otro tipo de solicitación. Pág. 40 Principios de arquitectura e ingeniería www.gerdaucorsa.com.mx Pág. 41 2.3.7 Dimensionamiento 2.3.8 Conexiones Es el cálculo riguroso de las piezas estructurales de acuerdo con la jerarquía estructural, esto es, de acuerdo a la bajada de las cargas. A través de las conexiones logramos que las piezas de la estructura trabajen como un todo. Las conexiones entre perfiles pueden ser atornilladas o soldadas. Las conexiones atornilladas pueden ser premontadas en un taller, permitiendo mayor precisión y mejor calidad en el montaje, pueden verificarse con torquimetros o por tornillos de tensión controlada y presenten una mejor apariencia. Cuando las conexiones soldadas son ejecutadas en el taller tienen más control en la ejecución permitiendo una garantía en su calidad. Las conexiones hechas en obra deben ser inspeccionadas para garantizar su calidad. La soldadura es de gran responsabilidad (sobretodo en las conexiones). Son menos visibles dando una apariencia de continuidad de las piezas y requieren de mano de obra especializada. Es posible usar soldadura y tornillos en una misma conexión, más nunca en la misma función. Páneles Conexión a momento con placa y atiezador Vigas Secundárias Conexión a momento soldada empalme con placas atornillada Vigas Principales Columnas Cimentación Conexión a cortante (articulada) Conexión a momento soldada en los patines y atornillada en el alma Un aspecto importante en relación a las cargas, es la manera en que se transmiten de una pieza a otra, de acuerdo a la bajada de cargas hasta la cimentación. Como los pases de los jugadores hasta que logran el gol. Un buen pase permite que el jugador desarrolle plenamente sus potencialidades, un mal pase lo obliga a buscar su propio equilibrio antes de dar continuidad a la jugada. Pág. 42 Principios de arquitectura e ingeniería www.gerdaucorsa.com.mx Pág. 43 2.3.9 Detallado o ingeniería básica Es compuesto por: • Plantas y elevaciones, con la especificación de las dimensiones de los perfiles usados y la geometría de varios planos del proyecto • Detalles de conexiones que definen el esquema estructural • Estudio de las interfaces e interferencias • Identificación de la utilización • Especificación de la metodología ejecutiva de la obra Pág. 44 Principios de arquitectura e ingeniería www.gerdaucorsa.com.mx Pág. 45 Decálogo para hacer más económicas las estructuras de acero Basado en un artículo escrito por el Ing. Fernando Frías Beltrán, Presidente del Instituto Mexicano de la Construcción en Acero, A.C. El costo de la estructura de acero de una construcción se compone de cuatro partes principales: el de los materiales, de la fabricación, del transporte y del montaje. Podría incluirse también el costo de protección contra el fuego, la corrosión o intemperie, pero este aspecto frecuentemente esta fuera del control directo del diseñador, mientras que los cuatro primeros dependen primordialmente de las decisiones que toma éste cuando hace su diseño. Las siguientes recomendaciones permiten lograr importantes economías en el costo de las estructuras sin afectar el criterio de diseño, ya que se aplican a factores externos al propio diseño, como son condiciones de mercado, aprovechamiento de materiales, tamaño de componentes, tipos de conexión, procedimientos de fabricación y otros factores similares. Materiales El precio del acero se fija en el mercado por la oferta y la demanda, pero aún así el diseñador tiene influencia en el costo de las materias primas. En las estructuras intervienen dos tipos principales de materiales: los planos y los perfiles. Para prácticamente cualquier estructura, los materiales de que dispone el diseñador son placas, vigas laminadas, ángulos, canales, redondos y tubulares. Una de las primeras decisiones que el diseñador tiene que tomar, es si va a usar perfiles laminados, perfiles de placas soldadas o armaduras. Muchas veces la propia naturaleza de la estructura determinará el tipo de diseño, como por ejemplo una torre de transmisión, un hangar o una nave industrial, pero tratándose de edificios y puentes, el diseñador tiene mayor número de alternativas de donde escoger. Los precios de los perfiles laminados y de los planos varían independientemente unos de otros. Hay épocas en que el precio de los aceros planos es más bajo que el de los perfiles y otras en que es al revés. Si el diseñador está al tanto de estas variaciones, puede escoger el tipo de diseño más económico del momento. Cosa extraña es que muchos diseñadores no está enterados de que todos los perfiles estructurales IR (W), desde hace mas de 10 años están hechos de acero, que primero se llamó tipo “dual” y que ahora se llama A992 Grado 50, o es de otro acero que satisface igual las normas de los aceros A36 y los de Grado 50. Hoy algunos fabricantes suministran sus perfiles angulares y canales también en acero de alta resistencia al mismo precio del acero A36. Para que el diseñador pueda mantenerse al corriente de la situación del mercado de materiales, precios, disponibilidad, etc., y escoger la solución estructural más adecuada a los materiales disponibles. La primera regla del Decálogo es consultar con fabricantes de estructuras o distribuidores de materiales de su confianza, antes de comenzar el diseño, para conocer cuál es la situación del mercado del acero en ese momento. Para el diseño de edificios, los perfiles laminados tienen varias ventajas, siendo las principales la rapidez con que se Pág. 46 Principios de arquitectura e ingeniería pueden convertir en estructura mediante el empleo de procedimientos mecanizados de producción, su acero de mayor resistencia, el disponer de las bases de datos ya instalados en los programas de cálculo y la posibilidad, tratándose de cantidades de cierta importancia, el fabricante pueda adquirirlos ya cortados a largos especiales para evitar empates y desperdicios. Se tiene la desventaja en nuestro país de que la mayor parte de los perfiles estructurales laminados son importados. Cuando la cantidad requerida es menor de unas 70 toneladas (la capacidad de una plataforma de ferrocarril) o el tiempo de ejecución es corto, entonces esta opción deja de ser práctica y se tiene que recurrir a perfiles de placas soldadas. La segunda regla es diseñar el tipo de estructura que resulta más económica por su mejor aprovechamiento de los materiales comerciales disponibles para su fabricación. Cabe mencionar que los distribuidores de acero en nuestro país ya mantienen existencias de casi todos los perfiles estructurales IR (W), pero no de los perfiles especiales como las secciones M, S, HP, MC, ni de los angulares de lados desiguales, ni las medias vigas WT. Éstas tienen que hacerse partiendo por la mitad los perfiles IR (W) correspondientes, lo que generalmente no hacen los distribuidores de materiales sino los fabricantes de estructuras. Otro aspecto que debe cuidarse al diseñar con perfiles laminados, sobre todo los importados, es usar el menor número de perfiles diferentes. Los productores de acero hacen paquetes de materiales para facilitar su carga, principalmente de perfiles de poco peso. Puede suceder que el diseño requiera una sola pieza de un perfil y tengan que importarse cinco o seis, lo que encarece el costo de materiales. Una buena regla de las construcciones de cierta importancia es establecer un mínimo, como por ejemplo de 5 toneladas, de cada perfil que se vaya a usar. Siempre que sea posible, es más económico usar acero con Fy = 50 ksi, que acero A36, con Fy= 36 ksi. En los casos en que el factor determinante del diseño es la resistencia, los aceros de 50 ksi permiten obtener ahorros importantes de peso, que compensan con creces su posible precio mayor. La tercera regla es usar, siempre que sea lo adecuado, aceros de altas resistencia. Las placas comerciales en México casi siempre son de acero de 36 mil libras, aun cuando no hay razón aparente para que el mercado no maneje la placa de acero de 50 mil libras prácticamente al mismo precio. Cuando el tiempo requerido o el volumen de obra no permiten el uso de perfiles estructurales laminados, entonces las vigas de tres placas y columnas de tres o cuatro placas soldadas, son la solución obligada. Pero aquí hay también decisiones muy importantes que el diseñador debe tomar, que afectan seriamente el costo de la estructura como veremos más adelante. Fabricación El proceso de convertir la materia prima en estructura se llama fabricación. Su costo puede variar desde mucho menos de lo cuesta la materia prima, a mucho mas, lo que depende directamente del diseño. Para que la fabricación de una estructura resulte económica, el diseño debe resultar de rápida y fácil elaboración, con el mayor aprovechamiento posible de materias primas y, generalmente, el menor número de piezas componentes. Este criterio se aplica también a los pernos de anclaje y a la tornillería. No deben usarse muchas anclas de poco diámetro cuando pueden usarse menos piezas de mayor tamaño, pero sin exagerar. El diámetro máximo práctico de anclas es de unos 65 mm, ya que es difícil encontrar barras y tuercas de mayor tamaño. Lo mismo puede decirse de los tornillos, pero limitando el tamaño a 1 ¼ de pulgada, ya que el equipo requerido para apretar los tornillos mas grandes es muy pesado y muy estorboso de usar. Un detalle que conviene cuidar es evitar el uso de los pernos de anclaje de diámetro muy pequeño, aunque el cálculo muestre que no se requiere mayor tamaño. Es común que durante la ejecución de la obra civil se maltraten por el transito del equipo de construcción, problema que se disminuye con la robustez del elemento, pero además las anclas pueden tener que resistir cargas no previstas por el cálculo, impuestas por causas accidentales como impactos, viento o sismo o por el propio procedimiento de montaje. Es recomendable que el diámetro no baje de 19 mm, y cuando solo hay dos anclas en apoyos articulados, de 25 mm. Desgraciadamente se han presentado algunos casos de derrumbes durante el montaje de naves, que hubieran podido evitarse simplemente mediante el uso de pernos de anclaje de mayor diámetro. Un aspecto de la construcción a la que generalmente no se le da la importancia que tiene, es la liga entre la cimentación del edificio y su estructura, que consiste en el sistema de anclaje, cuya instalación es responsabilidad del propietario. Es decir, que las anclas se instalen correctamente en cumplimiento con las tolerancias respectivas. Buena parte del problema lo ocasiona la falta de atención que se le da a este aspecto de la construcción y la costumbre de soldar las anclas al fierro de refuerzo del concreto, en vez de hacer la fijación a la cimbra de madera. El armado se mueve dentro de la cimbra durante la colocación del concreto, por lo que se mueven también las anclas, quedando fuera de su lugar. Esto ocasiona que cueste trabajo instalar las columnas y que sus bases queden fuera de su lugar, por lo que al montar las trabes a las columnas, éstas se desplomen. Las consecuencias de estas deficiencias son el retraso y encarecimiento del montaje. Sería de gran beneficio para la obra que el diseñador pusiera una nota en sus planos estructurales, exigiendo el cabal cumplimiento con las normas de tolerancia de instalación de anclas, prohibiendo soldarlas al armado del concreto y requiriendo del fabricante de la estructura la obligación de suministrar plantillas metálicas diseñadas para fijarse a la cimbra, que garanticen además del correcto posicionamiento del conjunto de anclas, su verticalidad y la altura sobresaliente del concreto. Las conexiones de momento en las conexiones entre trabes y columnas de acero son caras y deben preferirse sistemas de arriostramiento verticales con conexiones simples para resistir las fuerzas horizontales. Probablemente la forma más económica de hacer este tipo de conexiones es mediante el uso de muñones y placas extremas. Los muñones alejan la conexión del nudo, donde el momento es máximo, y las placas extremas permiten que los tornillos de alta resistencia trabajen a tensión, que es su forma más eficiente, al mismo tiempo que resisten las fuerzas cortantes. Un diseño complicado que desperdicia materiales resulta en una estructura cara. El costo de la estructura siempre es una cuestión de mucha importancia, sobre todo si se trata de una construcción comercial. Por ejemplo, cuando un diseño pide más soldadura es necesaria para resistir las cargas, se aumenta el costo y el tiempo de fabricación y se incurre en el riesgo de causar deformaciones dañinas innecesarias. Puede decirse que un diseño que resulta en una estructura que pesa más que lo necesario para satisfacer los requisitos del proyecto, es un mal diseño. La cuarta regla del Decálogo es diseñar el tipo de estructura que resulta más económica por la sencillez de su elaboración, la repetición de piezas iguales y el menor número de piezas. Varían los sistemas de producción de los diferentes fabricantes, por lo que resulta que lo que es económico producir para unos, no lo es para otros. Las maquinas computarizadas de control numérico tienen gran capacidad de producción de estructuras atornilladas en taller y en campo, pero si el diseño requiere de conexiones con mucha soldadura, son otros los equipos más productivos. La capacidad de medios de movimiento de materiales en el taller y el tamaño y disposición de sus naves, limitarán el peso y el tamaño de piezas que le sea práctico producir. Por lo general, el diseñador no sabe de antemano quien fabricara la estructura. Por esto es muy importante que quienes se dedican al diseño de estructuras metálicas conozcan bien los procedimientos de fabricación, y para esto, lo mejor es visitar los talleres de diferentes fabricantes, de diversas especialidades y capacidades, para de primera mano conocer lo que es fácil o difícil de hacer para unos y otros. Mientras más conozca el diseñador la forma en que se fabrican las estructuras, mejores diseños podrán hacer al evitar características que las encarecen innecesariamente. La quinta regla es que los diseñadores procuren conocer los procedimientos de producción del mayor número de talleres de fabricantes de estructuras que pueda, grandes, medianos y chicos, para recomendar los servicios del fabricante más adecuado a la obra de que se trate. www.gerdaucorsa.com.mx Pág. 47 Una de las cuestiones más debatidas es si las estructuras deben ser soldadas en taller y atornilladas en campo, atornilladas en taller y en campo o soldadas en taller y en campo. Ya ni pensar en el uso de remaches, que prácticamente han desaparecido, al igual que el personal que los sabía colocar. Por lo que representa las primeras dos alternativas, la respuesta es que la soldadura nunca desaparecerá totalmente del taller y si las conexiones son soldadas o atornilladas dependerá del equipo y experiencia con que cuente el fabricante. Los sistemas de taladrado de control numérico son cada vez son más comunes, por lo que se puede suponer que a la larga la segunda alternativa se irá imponiendo en México como lo ha hecho en Europa y Asia. Por lo general, cuando puede disponerse de perfiles laminados, siempre será más económico su empleo que el de perfiles fabricados de tres o cuatro placas, a no ser que por circunstancias especiales al precio de la placa sea mucho más bajo que el de los perfiles. Cuando las columnas de cuatro placas tienen diafragmas interiores o las tubulares rectangulares tienen las placas del continuidad por el exterior, entonces su costo se eleva considerablemente. En Estados Unidos también se usa este diseño, pero no incurren en el alto costo de mano obra que implican las placas de continuidad interiores y exteriores. Véase el diseño de conexiones de momento en columnas tubulares expuesto en el libro “ Design of Welded Structures” de Blodgett para una solución económica de este problema. La sexta regla es evitar diseñar columnas de cuatro placas en cajón con diafragmas interiores. A medida que se tiene más conocimiento del comportamiento de columnas cruciformes, hechas con dos perfiles IR (W) iguales en cruz, su uso se ha venido generalizando. Tienen, como las columnas de cuatro placas en cajón, la ventaja de tener iguales propiedades en ambos sentidos, pero sus diafragmas y placas de continuidad son exteriores, sin dificultad para soldarse, sin tendencia a torcerse por efecto de las soldaduras longitudinales, y muchísimo más fáciles y económicas de fabricar, siendo además siempre de acero de alta resistencia. La versión del 2013 del Manual del IMCA tendrá tabuladas las propiedades del las columnas cruciformes formadas con los perfiles IR (W) aptos para este uso, ya que sus proporciones deben ser tales que el espacio libre entre los bordos de dos patines adyacentes debe ser suficiente para poder insertar y soldar los diafragmas requeridos. Aun cuando hoy en día ya prácticamente todos los pisos de los edificios con estructura de acero se diseñan como construcción compuesta, para lograr el mejor aprovechamiento del material, vale la pena pensar en los diseños en que las columnas también son de construcción compuesta, con el concreto por el interior o el exterior del perfil estructural. Un factor que mucho influye en el costo de las estructuras es el diseño de las conexiones atornilladas. Hay estudios muy interesantes sobre estas y otras materias que se presentan en los Simposios que organiza el Instituto Mexicano de la Construcción en Acero y en las Convenciones de la A.I.S.C. Es recomendable que el diseñador se mantenga al día en el desarrollo de la tecnología, asistiendo a los eventos que organizan las sociedades dedicadas a la especialidad de las estructuras de acero. Una estructura que emplea arriostramientos u otros medios, en vez de depender solo de la rigidez de marcos para resistir las fuerzas horizontales, siempre será más económica. Su peso será mucho menor, su fabricación resultará más rápida y económica por la mayor sencillez de sus conexiones y habrá un importante ahorro de tornillería. Pueden lograrse ahorros hasta del 50% usando Pág. 48 Principios de arquitectura e ingeniería estructuras totalmente arriostradas. Se dice que las estructuras de marcos rígidos tienen la ventaja de que su redundancia resulta en un mayor factor de seguridad. Si esta es la finalidad que se busca, igual se puede lograr aumentando deliberadamente los factores de seguridad del diseño riostrado, con la ventaja de conocer lo que se aumentaron. Los que diseñan más que nada estructuras de concreto armado, en las que todas las conexiones son rígidas, tienen la tendencia de pensar que el acero debe diseñarse igual. Son dos materiales muy diferentes y deben aprovecharse las mejores características de cada uno. La séptima regla es usar riostras, o algún otro medio, siempre que se pueda para resistir las fuerzas horizontales en vez de depender sólo de la rigidez de marcos. Uno de los aspectos más descuidados en el diseño de las estructuras es proyectar de manera que las dimensiones de las placas de conexión o de los patines y almas de perfiles de placas soldadas sean múltiplos del ancho (o largo) de las placas comerciales. Al no hacerse así, se ocasiona el desperdicio, y por ende el encarecimiento, de los materiales. En la actualidad está desapareciendo del mercado la placa de 5’ de ancho, quedando solamente anchos de 6 y 8’, lo que es una lástima porque se pierden múltiplos muy útiles de anchos de placas. Sin embargo las placas de 5´ pueden sustituirse con placa en rollo cuando su espesor no es muy grande. Como ejemplo de lo anterior, si se proyectan placas de 40 cm de ancho y no hay mas que placa de 5´, 6’ y 8´ en el mercado, solo salen 3 tiras de placa de 1.52 m de ancho y se desperdicia el 21 % del material. Con placa de 1.83 m se desperdicia el 12.5 % y con placa de 2.44 m se podría sacar seis tiras de 40 cm sin desperdicio, pero con límite de espesor en caso de patines, ya que en ese ancho no se cuenta con espesores grandes. Con ancho de tiras de 45 cm, prácticamente se elimina el desperdicio, al igual que con anchos de 37.5 cm de placas de 1.52 m. La situación puede ser todavía peor si se proyecta un ancho de placa de base, de 51 mm de espesor, de 1.00 m de ancho; se desperdician 83 cm de material o sea el 45% de material si no puede usarse el sobrante en otra pieza de la obra. La octava regla es dimensionar las piezas para aprovechar al máximo los materiales comerciales, evitando desperdicios innecesarios. Los perfiles de placas soldadas tienen la ventaja de que se pueden diseñar secciones especialmente adecuadas a las condiciones del proyecto, generalmente con peso menor que el de los perfiles laminados y con menos mano de obra que las armaduras. Ejemplo de esto, son los marcos rígidos de uso ya generalizado para naves industriales y cada vez más para hangares. Existen dos tipos de productos planos, los que se manejan en rollos de diversos anchos (3’, 4’, 5’ y 6’), que se nivelan (planchan) y se cortan a largos especiales al venderse y los que vienen ya planos, cortados a tamaños comerciales, (6’ x 20’, 8’ x 40’, etc.). Los primeros generalmente tienen entre 5 y 13 mm de espesor y los segundos entre 5 y 76 mm de espesor. El material en rollo, muchas veces disponible en acero de 50 mil libras, se usa generalmente para marcos rígidos de naves industriales, comerciales y hangares. Si el diseñador dimensiona el ancho de patines y la altura de almas como múltiples de anchos comerciales de placas, evita el desperdicio de materias primas que puede ser del orden del 20%. La nueva versión del Manual del IMCA 2013, contendrá las tablas de propiedades de vigas de tres placas soldadas que cumplen estas condiciones. Transporte Para obtener los precios más bajos de transporte, la carga no debe sobresalir del ancho (2.50 m) ni del largo (12.20 m) de las plataformas de los trailers. La altura máxima de la carga es de 4.50 m, pero no hay que confiarse de esta cifra porque hay en México muchos pasos a desnivel que no llegan a esta altura. La decisión de la altura a que se cargan los camiones es generalmente del fabricante, pero el ancho y el largo de las piezas es cuestión de su diseño. Se busca generalmente que las columnas de los edificios alcancen cuatro o más niveles de entrepisos. Si éstos son de más de 3.00 m, entonces la longitud de la pieza resulta mayor que los 12.20 m mencionados. No hay que preocuparse por esto, si las piezas sobresalen del camión hasta el metro y medio, pero si sobresalen mas, entonces se aplica una cuota adicional al flete. Pueden transportarse en estas condiciones piezas de 20 o más metros de largo y la decisión que tiene que tomarse, generalmente por el diseñador junto con el fabricante, es si es más conveniente hacerle a la pieza una conexión o pagar el flete adicional, que muchas veces es la solución más económica. Por lo que respecta al ancho, generalmente puede sobresalir de los lados de la plataforma hasta 30 cm sin encarecer el flete, pero a medida que aumenta el ancho de las piezas el costo del flete se dispara, siendo a veces en el caso de piezas muy anchas, que cuesta más el flete que la estructura. Cuando el ancho de las piezas pasa de 3.00 m, debe pensarse en introducir conexiones atornilladas para embarcar piezas sueltas que se arman en el campo. Actualmente, puede decirse que en nuestro país, es posible transportar piezas casi de cualquier tamaño y de cualquier peso. Claro está, que a mayor tamaño y peso, mayor será también el costo del transporte, pero el trabajo en campo disminuirá si las piezas se ensamblan en taller, donde se tiene la ventaja de contar con mejores medios de manejo, con mas equipo y con más personal especializado. El trabajo de campo siempre es más difícil y generalmente más caro que el de taller. Siempre es cuestión de pesar los pros y contras de las diversas alternativas y decidirse por la que presenta las mayores ventajas. La novena regla del Decálogo es diseñar la estructura en forma de que el tamaño y el peso de las piezas no constituyan un problema de transporte, a no ser que se puedan lograr ventajas que compensen el costo de fletes especiales. www.gerdaucorsa.com.mx Pág. 49 Montaje En la actualidad prácticamente han desaparecido las plumas de montaje y los malacates, que hace unos años eran de uso universal. Con ellos han desaparecido también los trabajadores que sabían manejar eficientemente estos implementos. Hoy se dispone en nuestro país de grúas autopropulsadas o montadas en camión y de torre con brazo horizontal o abatible, con capacidades de carga y de alcance para prácticamente cualquier montaje. Claro está que a mayor capacidad y alcance, también es mayor el costo del equipo. Es necesario que el diseñador de la estructura piense en la forma en que esta pueda montarse de la forma más económica. En edificios de cierta altura, generalmente la mejor solución será mediante el uso de una grúa torre ubicada centralmente, con alcance para descargar los camiones que traen la estructura a la obra y para colocar las piezas más alejadas y con la capacidad para levantar a estas distancias las piezas más pesadas. Con esto en mente, puede convenir diseñar columnas de construcción compuesta, que permiten ahorros considerables en su peso y por consiguiente permitir el uso de equipo más económico para el montaje. Con este procedimiento se obtiene también un ahorro en el peso total de la estructura, ya que las columnas generalmente serán los elementos más pesados. El uso de una grúa torre implica el costo de llevarla a la obra y montarla, y al terminar el trabajo desmontarla de su altura total y devolverla. Este costo es importante y puede influir mucho en el costo total de la obra. Los centros comerciales, estacionamientos, naves industriales y otros edificios de gran extensión y baja alturas, se podrán montar económicamente con grúas auto transportables, que llegan a la obra en cuestión de horas y se mueven rápidamente de un lugar a otro. Es indispensable que el terreno se encuentre nivelado, compacto y sin obstrucciones que impidan la libre circulación de las grúas para que puedan trabajar eficientemente. Es muy importante determinar la forma y el orden en que se hará el montaje desde el inicio de la contratación de la estructura, ya que así se establece el orden en que deben hacerse los planos de taller, ordenarse los materiales y fabricarse la estructura. Cuando se establecen las Pág. 50 Principios de arquitectura e ingeniería prioridades desde el principio, al producirse la estructura fuera de orden puede resultar que se ocasionen congestiones en el piso del taller y en la obra e interrupciones del suministro, que provocan retrasos en la obra. Aun cuando este es un aspecto que más puede involucrar a la dirección de obra que al diseñador, el propio diseño puede obligar a cierta forma de montaje y es recomendable que al diseñador lo tenga presente. El montaje soldado también parece estar desapareciendo, ya que con la llegada de los tornillos de alta resistencia, de buena calidad y bajo precio, los montajes atornillados están prevaleciendo en todo el mundo y cada vez se ven menos montajes soldados. Por lo regular, se requiere menos del 1% del peso de la estructura de tornillería para el montaje, comparado con el 1 ½ de soldadura, aunque ciertamente el peso de las conexiones es mayor. Sin embargo, el menor costo del montaje compensa con creces el mayor de los pesos de las estructuras atornilladas. La correcta aplicación de soldadura requiere el seguimiento de procedimientos precisos y de vigilancia estricta, que no siempre se logra en el taller y solo con mucha más dificultad en el campo. Con los montajes soldados tiene que cuidarse mucho la secuencia de aplicación de la soldadura y la fijación de los elementos para evitar que se produzcan deformaciones de la estructura, que una vez que se presentan, son muy difíciles de corregir. Por otro lado, no todos los talleres de fabricación de estructuras tienen la capacidad de trabajar con la exactitud necesaria para el montaje atornillado. La falta de precisión en la posición de los agujeros de las conexiones puede causar problemas de montaje gravísimos, al grado de ser casi imposible instalar una estructura atornillada. Es recomendable que el diseñador, si conoce de antemano que el fabricante carece de la experiencia necesaria para hacer una estructura atornillada, opte por proyectar un montaje soldado, con tornillos solo para auxiliar el posicionamiento de las piezas. La decima regla del Decálogo es que el montaje más económico es el atornillado con tornillos de alta resistencia, pero siempre que el fabricante tenga capacidad demostrada para hacer este tipo de trabajo. www.gerdaucorsa.com.mx Pág. 51 Comentarios adicionales Con alguna frecuencia se presenta la exigencia de que los empalmes de perfiles estructurales se hagan con la soldadura en “Z”. Este tipo de unión es una reminiscencia de los empalmes de las vigas de madera, donde tiene su razón de ser, pero que no es aplicable a las uniones soldadas. Son más caras de hacer, desperdician material y no producen una unión más segura. La AWS recomienda que no se usen. Otra exigencia común, sin razón de ser, es que los tornillos deben sobresalir de la tuerca cuando menos tres cuerdas. Basta, y así lo indican las especificaciones correspondientes, que el extremo del tornillo quede al ras con la cara de la tuerca. Por otra parte, tampoco hay limitación a lo que pueda sobresalir el tornillo de la cara de la tuerca, más que la consideración económica de no usar tornillos más largos que lo necesario o la de carácter estético, de índole muy personal. A veces se exige que la longitud de un tramo empalmado en el extremo de una viga o columna sea de un cierto largo mínimo. No existe ninguna especificación al respecto. La longitud mínima, cuando hay una conexión en el extremo, es la necesaria para que la soldadura del empalme no estorbe el asiento de la pieza conectada. No habiendo pieza conectada, se vuelve una simple consideración estética que cada taller debe resolver, aceptando que un añadido muy corto puede parecer reparación y por consiguiente verse mal. Cuando deben o no usarse arandelas en anclas y tornillos, es un tema de frecuente discusión. La respuesta es que deben usarse en los casos en que las especificaciones o la lógica indican que son necesarias. Tratándose de tornillos de alta resistencia, las roldanas de presión no sirven más que de estorbo y no debe usarse. Siempre que el agujero sea de igual o mayor diámetro que la tuerca, debe usarse una arandela, y si el perno es de alta resistencia, debe ser de acero endurecido. Los tornillos A325 no llevan arandelas excepto en los casos especiales marcadas en las especificaciones. Hay ocasiones en que se exige que se esmerilen los refuerzos de las soldaduras. El fabricante debe hacerlo sin cobrar cuando así lo marcan los planos de ingeniería o el refuerzo no cumplen los requisitos de la AWS. En los demás casos, no tiene por qué hacerlo si no se le paga el trabajo adicional que representa. Pág. 52 Principios de arquitectura e ingenieria