Estructuración de edificios de acero

Héctor Soto Rodríguez. Director general del Centro Regional de Desarrollo en Ingeniería Civil.

El objetivo principal de este artículo es presentar los criterios generales de estructuración que deben considerarse y aplicarse en diversos proyectos de edificios de acero, particularmente los ubicados en zonas de alta sismicidad, para lograr una estructura que sea congruente con las características arquitectónicas y al mismo tiempo eficiente para resistir la acción sísmica.

Los criterios de estructuración son un conjunto de recomendaciones, reglas y lineamientos que se basan en la experiencia práctica y juicio del ingeniero estructurista; se aplican en las fases tempranas del diseño estructural, particularmente en la etapa de la estructuración.

En todo proyecto, el proyectista parte de premisas fundamentales que deben conjuntarse: la estructura debe ser razonablemente económica y segura, y tener un nivel de seguridad implícito en las normas, especificaciones de diseño y reglamentos o códigos de construcción.

Al respecto, Vitelmo Victorio Bertero, profesor emérito de la Universidad de Berkeley y doctor honoris causa de la UNAM, afirma: “Le tengo más fe a una estructura bien concebida aunque esté mal diseñada, que a una mal concebida aunque esté bien calculada”.

Para aplicar razonablemente los criterios de estructuración, es importante que el proyectista estructural tenga conocimientos profundos respecto a las propiedades mecánicas relevantes de cada material de construcción y del comportamiento sísmico de las estructuras hechas con cada material; de los sistemas estructurales y las conexiones convenientes que puede proponer según las características generales del edificio (uso, altura, ubicación, forma, claros a salvar, disponibilidad de materiales, mano de obra disponible, etc.) y de los sistemas de piso o diafragmas que pueden combinarse adecuadamente y que son compatibles con la estructura de acero.

En la fase de conceptualización de un edificio de acero, con mucha frecuencia el proyectista analiza de manera cuidadosa cuáles son los criterios generales a seguir; qué tipo de estructura es el que conviene utilizar de acuerdo con el proyecto arquitectónico; de qué orden son los peraltes de los miembros estructurales en función de los claros o longitudes a salvar; cuáles son los tipos de secciones estructurales laminadas convenientes en una estructura de acero; qué elementos de rigidez (diagonales de contraventeos concéntricos o excéntricos, muros de cortante de concreto reforzado, columnas compuestas acero-concreto) se pueden proponer para limitar los desplazamientos laterales producidos por las acciones accidentales (sismo, principalmente); qué tipo de conexiones precalificadas trabe-columna son las más convenientes y económicas, especialmente si el edificio se ubica en zona de alta sismicidad, y qué materiales complementarios prefabricados (muros divisorios y fachadas) son compatibles con la estructura de acero.

Con las respuestas a estas preguntas, la experiencia del estructurista prevalecerá para seleccionar la estructura más conveniente.

Planteado lo anterior, conviene repasar las ventajas que ofrece la estructura de acero frente al concreto reforzado, principal material con el que compite. Cada material tiene su propias reglas y campo de aplicación; lo cierto es que el acero estructural es la mejor alternativa en casos en que se deban salvar claros excesivamente grandes.

Durante el proceso del proyecto arquitectónico y para decidir si conviene resolver un edificio con estructura de acero o no, deben considerarse los siguientes aspectos: uso o destino, ubicación, altura, claros a salvar y características generales del edificio (por ejemplo, si se deben cubrir claros medianos o grandes o si se trata de un edificio alto). El tiempo de construcción disponible es fundamental; la construcción con acero permite reducir tiempos en obra, ya que se puede fabricar la estructura en taller mientras en la obra se realiza la cimentación.

En la etapa de estructuración, el ingeniero pone en juego todos sus conocimientos de la estática, mecánica de materiales, mecánica de suelos, análisis y diseño estructural, y comportamiento estructural y sísmico.

Los criterios aceptados por la ingeniería estructural mexicana señalan que toda edificación debe contar con un sistema eficiente contra efectos sísmicos, independientemente del material de construcción con que esté hecha.

Es cierto que la inversión inicial en un edificio de acero es fuerte, y costosa la protección de la estructura de acero contra la corrosión y el fuego, pero los beneficios inmediatos y a largo plazo los compensan con creces por su excelente desempeño sísmico.

En la tabla 1 se muestran las propiedades mecánicas de ambos materiales de construcción; en edificios altos y muy altos, la solución más conveniente y benéfica en todo el mundo ha sido su combinación. La estructura de acero es esbelta y consecuentemente propensa a diversos modos de pandeo y a efectos de segundo orden; el concreto reforzado que se usa en columnas compuestas aporta a la estructura de acero mayor amortiguamiento, resistencia y rigidez a las acciones laterales.

En zonas sísmicas es fundamental el concepto de hiperestaticidad y redundancia; en este sentido, las conexiones soldadas y atornilladas garantizan la continuidad de los marcos rígidos para el desarrollo de la fluencia en zonas donde deben formarse las articulaciones plásticas, necesarias para que la estructura alcance su resistencia última. Como es sabido, los elementos estructurales prefabricados isostáticos no desarrollan la distribución de momentos para que se formen las articulaciones plásticas necesarias y la estructura se convierta en un mecanismo de falla o de colapso. En la tabla 2 se ilustra el nivel de prefabricación del acero estructural y del concreto reforzado, asociado con el concepto de continuidad.

Continuando con el comportamiento estructural de los materiales, en la tabla 3 se resumen las propiedades inherentes a conceptos fundamentales que marcan la diferencia del comportamiento del acero frente a otros materiales de construcción.

Después de aplicar los criterios generales en un edificio de acero, el siguiente paso es la creación del modelo matemático tridimensional, que consiste en la representación “real” de la estructura y en el que deben tenerse en cuenta las características generales del edificio y del sitio donde se construirá.

1. Descripción del edificio (uso, ubicación, número de niveles, geometría general, claros a salvar, aberturas en diafragma, número de niveles, identificación de la zona sísmica o eólica, clasificación del grupo al que pertenece la estructura de acuerdo con su importancia, irregularidad de la estructura, etc.).
2. Clasificación del tipo de suelo y consecuentemente definición de los parámetros de análisis sísmico.
3. Evaluación correcta de las acciones que obran en la estructura.
4.  Tipos de perfiles estructurales laminados y grados de acero.
5. Propiedades mecánicas inherentes de los materiales.
6. Condiciones de apoyo de la estructura.
7. Definición de las secciones transversales.
8. Selección del sistema estructural más conveniente.
9. Concepción y selección de los tipos de conexiones trabe-columna y otras uniones.
10. Elección de los sistemas de piso y de cubierta.
11. Selección de los elementos no estructurales.
12. Análisis de la estructura propuesta ante cargas gravitacionales y accidentales.
13. Propuesta de la cimentación.

En lo referente a los sistemas estructurales en edificios de acero, probablemente se dispone de una gran variedad, a diferencia de otros arreglos para materiales alternos. En edificios de acero los sistemas tradicionales y modernos son los que se enumeran a continuación:

1. Marcos rígidos ortogonales carentes de contraventeo
2. Marcos rígidos con contraventeo concéntrico y excéntrico
3. Marcos rígidos con muros de cortante o muros con placas de acero
4. Armaduras alternadas
5. Construcción compuesta de acero-concreto
6. Estructuras tubulares (tubo en tubo)
7. Tejidos o redes estructurales

En edificios de acero estructurados con marcos rígidos, el concepto de desplazamiento lateral es de gran importancia. Los tableros se transforman en armaduras verticales y se obtiene una estructura más rígida y resistente a las cargas laterales (sismo).

Si se colocan las diagonales de contraventeo donde no interfieran con el funcionamiento del edificio, se obtienen soluciones estéticas.

Por su parte, el sistema estructural “tubo en tubo” se encontró vigente en la década de 1970 en rascacielos de Chicago, Nueva York y países europeos, ya que las alternativas de marcos rígidos con o sin contraventeo para edificios altos resultaban inconvenientes. Este concepto estructural se basa en una estructura interior que soporta exclusivamente cargas verticales y otra exterior muy rígida que soporta viento y sismo. Son estructuras muy rígidas en la periferia con numerosas columnas dispuestas en separaciones cortas y unidas con trabes de gran peralte. Se forma una estructura con paredes multiperforadas y con pequeñas ventanas, como en el caso de las desaparecidas Torres Gemelas de Nueva York. El resultado que se logra es una estructura muy rígida (poco deformable).

El uso de la construcción compuesta se justifica en virtud de que la estructura de acero es esbelta y se diseña para soportar exclusivamente las cargas verticales o gravitacionales.

Las columnas IR o W se embeben en concreto reforzado para que la estructura tenga la resistencia y rigidez adecuadas y soporte las cargas horizontales inducidas por sismo.

Actualmente, en el mundo hay una tendencia clara: el uso del acero y el concreto reforzado en edificios altos. En este tipo de edificios, los dos materiales “se dan la mano”, se obtiene una alianza benéfica al combinar las características intrínsecas de ambos materiales de la mejor manera posible: resistencia, rigidez, ductilidad, amortiguamiento y capacidad de absorción de energía.

Las estructuras de acero convenientes para salvar grandes claros en la arquitectura contemporánea son: armaduras planas; estructuras tridimensionales o espaciales; estructuras colgantes, suspendidas y atirantadas a base de cables; velarias; estructuras neumáticas; domos geodésicos; estructuras a base de láminas plegadas; arcos y bóvedas; cascarones.

Criterios para la estructuración de edificios de acero

La estructuración de un edificio de acero se inicia con el análisis cuidadoso del proyecto arquitectónico para tener una idea clara de la geometría general de la estructura: distancia entre ejes de columnas (claros de las trabes), alturas de entrepiso y niveles.

La posición de las columnas del edificio debe coincidir con los ejes arquitectónicos ortogonales.

Luego, se proponen las secciones estructurales convenientes: ubicación, orientación y tipo de perfil laminado para cada miembro estructural –columnas, trabes, armaduras, vigas secundarias, contraventeos, etcétera.

Los criterios de estructuración que aquí se proponen se resumen en:

1. Tipos de acero en perfiles laminados: A572 grado 50 y ASTM A992 (resistencia, ductilidad y soldabilidad), etc. El ASTM A A36 (NOM-B- 254) ha pasado a la historia.
2. Modulación: retículas estructurales desde 8 × 8 m hasta 20 × 20 metros.
3. Vigas principales: perfiles IR. Evitar secciones hechas con tres placas soldadas (mayor costo y tiempo; control de calidad caro y estricto).
4. Vigas secundarias: perfiles laminados IR compuestos de acero y concreto.
5. Columnas: secciones laminadas H o perfiles IR ahogados en concreto reforzado. Eludir secciones en cajón (secciones cerradas), ya que dificultan las conexiones.
6. Sistema estructural: marcos rígidos, marcos con contraventeo concéntrico o excéntrico, marcos con muros de rigidez, armaduras alternadas y tubo en tubo.
7. Tipo de cimentación: según las características del suelo.
8. Tipos de sistemas de piso: Ternium losacero 25 con capa de 6 a 8 centímetros.
9. Cubiertas ligeras: materiales aislados prefabricados Ternium.
10. Tipos de muros divisorios: Contec – Hebel, Megabrick, panel W o Covintec (evitar los muros de albañilería artesanales).
11. Estabilidad lateral: contraventeo de tipo concéntrico o excéntrico (en “V” o en “X”); excéntricos en “V” invertida en zonas sísmicas.
12. Tipos de conexiones trabe-columna: atornilladas, preferentemente; combinación de atornilladas y soldadas, con un porcentaje bajo de soldadura de campo.

Las siguientes son algunas recomendaciones en el proceso de estructuración de un edificio de acero:

1. Evitar una distribución asimétrica de los miembros estructurales en planta.
2. Eludir fuertes entrantes y salientes en las fachadas del edificio.
3. Evitar cambios drásticos de rigidez de los miembros estructurales en elevación.
4. Si el proyecto arquitectónico conduce a soluciones no convenientes desde el punto de vista de seguridad estructural, deberá modificarse.

Desde el punto de vista de la resistencia a cargas gravitacionales, las decisiones arquitectónicas y estructurales pueden hacerse por separado, pero en lo que concierne a la resistencia a los sismos fuertes, separar al ingeniero del arquitecto es una fórmula que invita al desastre.

En cuanto a la responsabilidad del estructurista, el ingeniero debe diseñar estructuras eficientes, seguras y razonablemente económicas apegándose a un proyecto arquitectónico definitivo. Uno de los problemas derivados del proyecto arquitectónico durante la etapa de la estructuración estriba en que las normas de diseño estructural se basan en el comportamiento de edificios regulares, pues los modelos que se han estudiado analíticamente y en mesas vibratorias son de este tipo.

Finalmente, se proponen algunos criterios para lograr una economía razonable en un edificio de acero:

1. Optimizar materiales para lograr un costo competitivo de la estructura de acero.
2. Longitudes comerciales de los perfiles estructurales laminados, dimensiones de la placa estructural.
3. Cumplir con la calidad establecida en las normas nacionales e internacionales en cada una de las etapas de diseño y construcción.
4. Establecer un tiempo de construcción mínimo a costo razonable.
5. Evitar cambios en el proyecto arquitectónico, que suelen solicitar el arquitecto o el propietario durante la ejecución de la obra.
6. Facilitar el mantenimiento a la estructura.
7. Garantizar el funcionamiento correcto de la estructura durante su vida útil. Deben satisfacerse todos los estados límite de servicio pertinentes.
8. Tomar en cuenta las técnicas de fabricación y los procedimientos constructivos modernos, con base en la prefabricación de las estructuras de acero.