MATERIALES

Estructuras de acero: tendencias actuales y futuras

HÉCTOR SOTO RODRÍGUEZ Director general del Centro Regional de Desarrollo en Ingeniería Civil (CRDIC).

CAMILA GONZÁLEZ MARROQUÍN Asistente, CRDIC.

Isaac Almanza Toscano (AHMSA)

A raíz de los sismos de 1985 en la Ciudad de México, el desarrollo de las estructuras de acero ha sido notable en nuestro país, debido a su comportamiento satisfactorio ante dichos eventos catastróficos. En los sismos de 2017 de nuevo se pudo confirmar su excelente desempeño, por lo que hoy en día dicho material es cada vez más frecuente, en particular en los edificios altos que se están construyendo en dicha ciudad.

En nuestro país, los materiales más utilizados en la industria de la construcción para edificios de tipo urbano son el concreto reforzado, el acero estructural y la mampostería, en este orden de preferencia; rara vez se usa la madera. En Japón, Europa y Estados Unidos se están construyendo muchos edificios con estructura de concreto y resistencia superior a 1,000 kg/cm 2 , mientras que en México se desarrolla concreto de ultrarresistencia.

Por su parte, la calidad del acero ha presentado incrementos relativamente pequeños en comparación con las resistencias del concreto. Se construyen numerosas estructuras con acero ASTM-A572 (NMX-B-284 grado 50) y con acero A992, que tiene alta resistencia y excelente ductilidad y soldabilidad.

Ventajas del acero Cuando se refiere la ductilidad del acero se quiere decir que este material es susceptible de deformarse significativamente antes de fracturarse, y esto es muy importante sobre todo en zonas de alto riesgo sísmico, donde el comportamiento de los edificios dependerá en buena medida de esta propiedad. Desde el punto de vista práctico, la ductilidad hace que el colapso de una estructura sea anunciado por la deformación previa y no sobrevenga de forma repentina, a diferencia de otros materiales que tienen poca ductilidad o que son frágiles.

La gran capacidad del acero para absorber energía le provee especial resistencia a choques o impactos que tienen lugar durante sismos de gran intensidad. Recordemos que en muchos edificios que presentaron daños estructurales durante los terremotos de 1985 éstos se debieron al golpeteo de edificios adyacentes.

La estructura metálica pesa considerablemente menos que una de concreto con la misma geometría y las mismas cargas. El consumo de acero estructural en edificios diseñados después de los eventos de 1985 es de unos 80 kg por metro cuadrado.

Las fuerzas sísmicas que actúan en la estructura de un edificio se determinan multiplicando la masa de éste por su aceleración de respuesta, de lo que se des

prende que mientras más pequeña sea la masa del inmueble (carga muerta), menor será la vulnerabilidad ante sismos. El acero es apropiado para reducir la carga muerta, pues gracias a su elevada resistencia se puede aumentar el número de pisos con un incremento relativamente pequeño de dicha carga.

La construcción en acero se basa en procesos constructivos modernos, con técnicas industriales que la hacen eficiente. En general, el trabajo de construcción de una obra resuelta con acero debe representar un porcentaje importante de los procesos llevados a cabo en el taller de fabricación, quedando pendiente un mínimo de trabajo para el montaje. Esto se traduce en rapidez durante la construcción.

A partir del diseño arquitectónico, la modulación y estructuración a base de estructura metálica permite manejar elementos estructurales de mayores claros y dimensiones menores, libres de columnas, con lo que se logra un espacio interior más aprovechable en las plantas de un edificio (área rentable mayor).

Asimismo, la experiencia en la construcción de varias edificaciones metálicas ha mostrado que las reducciones acumuladas en la altura de entrepisos en un edificio

de 20 niveles son equivalentes a la altura de dos pisos completos, y por consiguiente se obtiene una mayor economía en los acabados y revestimientos de los muros y fachadas. Visto de otra manera, la estructura de acero permite que un edificio tenga mayor número pisos que uno de concreto con la misma altura.

Otras ventajas son limpieza de obra, prefabricación, dimensiones menores de los miembros estructurales de acero respecto a las secciones de concreto, métodos de reestructuración rápidos en estructuras dañadas por sismo, recuperación, facilidad de ampliación o adaptación de la estructura, menor peso y por consiguiente economía en la cimentación, mayor resiliencia y sustentabilidad, entre otras.

Comportamiento sísmico En nuestro país ocurren aproximadamente 5% de los temblores de todo el mundo. La historia muestra que en promedio cada 15 años ocurre un sismo de gran intensidad que ocasiona muchas muertes y grandes pérdidas económicas (1957, 1979, 1985 y 2017). Los especialistas en ingeniería sísmica no descartan la posibilidad de que en los próximos años ocurra en México un sismo de características similares a los de 1985. Los graves daños que causaron los sismos ocurridos hace más de 33 años fueron muy superiores a lo esperado, debido entre otras causas a la amplificación de ondas sísmicas en la zona lacustre de la capital y a la magnitud del terremoto; murieron más de 20 mil personas y las pérdidas económicas superaron los 3 mil millones de dólares. Organismos internacionales como el Instituto Estadounidense de la Construcción en Acero, el Instituto de Investigación en Ingeniería Sísmica, la Asociación Europea de Ingeniería Sísmica, el Instituto Internacional del Hierro y el Acero, y el Instituto Sudafricano de la Construcción con Acero, por citar algunos, consideran que este material sigue siendo el mejor que existe para construir estructuras en zonas sísmicas, en vista de las experiencias con sismos intensos en diversas partes del mundo.

Algunas recomendaciones que se hicieron en nuestro país después de 1985 para nuevos proyectos de edificios son las siguientes: poco peso, sencillez, simetría y regularidad en planta y elevación; propiedades dinámicas adecuadas al terreno en que se desplantará la estructura, con objeto de evitar problemas de resonancia; concordancia entre lo proyectado y lo construido, y previsión de separaciones sísmicas u holguras, entre otras. Al conjunto de estas recomendaciones se les conoce como configuración estructural.

Investigación La investigación en México vinculada al comportamiento del acero estructural y las conexiones trabe-columna después del año 2015 ha sido notable. La evolución de las normas mexicanas para diseño con

acero (Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras de Acero, del Reglamento de Construcciones de la Ciudad de México 2017) ha sido posible gracias a las aportaciones realizadas por un pequeño grupo de ingenieros dedicados a la práctica profesional, quienes han incluido sus experiencias personales y algunas lecciones derivadas de los sismos de 1985.

Existen varios centros de investigación dedicados exclusivamente a esta materia, tales como el Instituto de Ingeniería de la UNAM, el Centro Nacional de Prevención de Desastres, el Centro de Investigación Sísmica-Fundación Javier Barros Sierra, el Instituto de Investigaciones Eléctricas de la CFE, etc. Todos estos organismos están agrupados y participan activamente en las sociedades mexicanas de Ingeniería Estructural, de Ingeniería Sísmica y de Ingeniería Geotécnica.

En nuestro país la investigación en el campo del acero por parte de la industria siderúrgica o de algún centro técnico es inexistente. En contraste, en Europa, Estados Unidos, Japón, Brasil, Venezuela y Colombia las empresas productoras y distribuidoras de acero patrocinan los proyectos de investigación relacionados con el comportamiento del acero estructural, a la vez que promueven y divulgan las aplicaciones de este material para incrementar su utilización en la construcción.

El papel de la industria siderúrgica Durante más de 80 años, la industria mexicana del acero ha producido perfiles de acero estructural, materia prima imprescindible para el desarrollo nacional. El fomento de las aplicaciones de los perfiles estructurales por parte de las empresas productoras y distribuidoras de acero estructural ha sido muy eficiente, mediante fascículos y manuales indispensables para el diseño y construcción de estructuras con este material. Este sector también auspicia un programa nacional de difusión del acero. Otras asociaciones y organismos privados, como el Instituto Mexicano de la Construcción en Acero y el Centro Regional de Desarrollo en Ingeniería Civil, han contribuido a esta actividad. deler, MicasPlus Design, MicasPlus ModelDraft, SDS/2, Software IMCYC, CAD-SE, ASTE, DISEÑO-A, AutoSTRUCTURAL. SAFE-2000 y DISACERO, por mencionar algunos), que constituyen una herramienta indispensable y poderosa para el desarrollo integral de proyectos estructurales en acero. No obstante, muchos diseñadores están acostumbrados a usar sistemas tradicionales de trabajo que se niegan a modificar, ya sea por costumbre o por falta de conocimiento y de actualización para adoptar nuevas formas de trabajo.

Software para estructuras de acero Existen en el mercado un buen número de programas especializados para el análisis, diseño y detallado de estructuras, tanto desarrollados en México como de procedencia estadounidense y europea (SAP 90, ETABS, STRUDL, P-FRAME, STAADIII/ISDS, Revisión 17, 1993, RAMSTEEL, CONXPRT-AISC, ESDS, SCALE, SteelMo

Construcción en acero Óscar de Buen López de Heredia decía que la construcción con acero en México data de hace más de un siglo (el Palacio de Bellas Artes es el ejemplo más representativo de esto en la Ciudad de México), y esta práctica se ha dividido en cinco épocas bien definidas: la primera abarca desde el siglo XIX hasta 1942; la segunda, de 1942 a

1957; la tercera, de 1957 a 1967; la cuarta, de 1967 a 1985, y la quinta, de 1985 hasta nuestros días. Esta clasificación obedece a la ocurrencia de sismos de gran intensidad que han causado graves daños y a la evolución, como consecuencia de lo anterior, del reglamento de construcciones y sus correspondientes normas técnicas.

Puede decirse que en el futuro las soluciones más convenientes para edificios de mediana y gran altura seguirán basándose en el acero. En el pasado inmediato, los edificios de poca altura (uno y dos niveles) se construían con concreto reforzado y mampostería confinada, pero hoy en día el acero domina incluso en este tipo de edificaciones.

Este material también seguirá prevaleciendo en las estructuras metálicas especiales o sofisticadas, como plataformas marinas, puentes atirantados de grandes claros, torres de transmisión, cubiertas ligeras de naves industriales y recipientes a presión, cuyos diseños se basan en una normatividad más estricta que la de estructuras convencionales.

Nuevas tecnologías Desde hace muchos años se desarrollan en Estados Unidos, Nueva Zelanda, Japón, México y otros países de alto riesgo sísmico disipadores de energía (aisladores de base, amortiguadores, contraventeos restringidos contra el pandeo de ductilidad alta, muros de placa, armaduras especiales, etc.). Los sistemas de contraventeo, que trabajan en conjunto con dispositivos cuya función principal es disipar y transformar la energía cinética de un sismo en energía térmica, tienden a reducir las deformacio

nes en las estructuras y, por lo tanto, los esfuerzos generados.

Los aisladores de base absorben la mayor parte de los movimientos del suelo cuando ocurre un sismo, haciendo que sólo una fracción de los impulsos sísmicos se transmita a la superestructura.

Los amortiguadores disipan internamente la energía que absorbe una estructura durante la ocurrencia de un sismo. Los disipadores de energía que se están probando en México son de fricción, de material elastométrico o de placas de acero flexionado. Con estas innovaciones se espera que la estructura metálica tenga mayor participación en nuestro medio.

Diseño y arquitectura Existen alrededor de 50 despachos y firmas de ingeniería especializados en el diseño de estructuras de acero en nuestro país, que llevan a cabo con excelente calidad el 90% de los proyectos estructurales que demanda la industria de la construcción.

De forma resumida, se puede decir que partiendo de perfiles de buena calidad, aprovechamiento integral de los mismos perfiles, elección de un sistema estructural eficiente respecto al tipo de suelo y la zona sísmica, factibilidad en el diseño y la fabricación de las conexiones convenientes, fabricación con sistemas de control estrictos y montaje programado, la estructura de acero será económica y confiable en su respuesta a las condiciones que sirvieron de base para su análisis y diseño.

Los arquitectos, en calidad de proyectistas, son quienes seleccionan los materiales de construcción. Por esta razón es importante que conozcan las características, propiedades y ventajas de cada uno de los materiales, con objeto de que puedan obtener soluciones económicas adecuadas. Si mediante una difusión efectiva del uso del acero en la construcción se logra que los arquitectos conozcan las ventajas y características intrínsecas de este material con objeto de que aprovechen racionalmente su utilización, la calidad de los proyectos que desarrollen será mayor.

Importancia de la ingeniería de detalle La ingeniería de detalle es el proceso mediante el cual se proporciona, a través de planos, absolutamente toda la información necesaria de cada una de las piezas que forman la estructura. Los planos de fabricación son documentos muy importantes, ya que garantizan el éxito de una obra, y a partir de ellos se puede tener una definición exacta de las características de la estructura antes de fabricarla, si la ingeniería es confiable. Estos documentos contienen la solución definitiva en dimensiones para que el mecano responda a las necesidades del análisis, diseño y geometría fijada por el proyectista. Esto exige que en los planos de ingeniería básica estén debidamente plasmados la estructuración, las escuadrías de los elementos estructurales, los perfiles que forman los miembros estructurales, el criterio de juntas, el tipo de acero y los sujetadores empleados, los tamaños de la soldaduras y el diámetro de los tornillos; de esta forma se obtiene una estructura absolutamente prefabricada.

Fabricación La fabricación de estructuras de acero se realiza en talleres o plantas que cuentan

con instalaciones y equipos adecuados y una cuidadosa selección de personal (grupo de obreros altamente especializados: trazadores, soldadores, montadores, etc.). En estas instalaciones se produce y sale terminada y prefabricada la estructura de acero, de acuerdo con procesos industrializados modernos y con un programa de control de calidad en cada una de las operaciones (enderezado, corte, trazo, habilitado, armado, soldadura, pintura).

Gracias al desarrollo tecnológico de los últimos años, ya se dispone de equipos y máquinas para las diferentes operaciones de fabricación, los cuales permiten obtener productos de gran calidad con apego a las normas nacionales e internacionales.

Montaje El montaje es la unión o acomodo ordenado en el sitio de la obra de los elementos estructurales prefabricados para formar una estructura completa, la cual recibirá

Rodolfo Valles (WSP)

otros materiales complementarios y cargas de acuerdo con el diseño y la construcción previstos por el ingeniero y el fabricante de las estructuras metálicas. El estricto cumplimiento de las normas de montaje que establecen los organismos internacionales, sobre todo del primer tramo de columnas, garantiza la geometría del resto de la estructura. El montaje implica conocimiento y evaluación del lugar de la obra, conocimiento del equipo (plumas, grúas, malacates), elección del método de montaje más conveniente y una adecuada ejecución del plan general de construcción. Aprovechando que la estructura de acero es absolutamente prefabricada, un montaje bien programado puede llevarse a cabo en un tiempo menor al requerido por otros procedimientos. El control de calidad en el montaje se reduce a la vigilancia de la geometría de la estructura, especialmente en lo relativo a ejes, plomos y juntas.

Supervisión La calidad de una estructura de acero está sujeta a un proceso sofisticado y al cumplimiento estricto de las normas y especificaciones que rigen cada etapa del proceso, por lo que debe existir una comunicación efectiva entre todas las personas que participan en la ejecución de un proyecto.

La calidad y costo de los materiales los establece la industria siderúrgica; la economía de la estructura está en manos del diseñador, quien debe poner en juego todos sus conocimientos sobre el análisis, comportamiento de estructuras, diseño y aprovechamiento óptimo de los materiales; la mano de obra utilizada en la fabricación debe ser altamente calificada y someterse a control estricto de calidad y a vigilancia constante; los planos de taller o de detalle deben ser elaborados con programas de computadora y sistemas de dibujos automatizados con objeto de mejorar la calidad. El control de calidad en la fabricación y el montaje debe mejorarse, exigiendo especial cuidado para que la estructura final no pierda las magníficas propiedades mecánicas intrínsecas del acero, sino que, al contrario, éstas se aprovechen al máximo. La supervisión debe tener mayor participación en los edificios de acero.

Conclusión Hoy en día México se encuentra mejor preparado para desarrollar edificios de acero de arquitectura contemporánea y de características especiales; se han sentado bases firmes de ingeniería estructural y sísmica de vanguardia, por lo que se vislumbra un panorama alentador de las estructuras de acero en los próximos años