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INFORME ESPECIAL
CIELO RASO
Estructuras Métalicas
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INFORME ESPECIAL 122 ESTRUCTURAS METALICAS
CONTENIDO
Edificios con estructura metรกlica La Torre Eiffel Concreto vs acero: a manera de paralelo Construcciรณn metรกlica ACESCO
Estructuras metálicas INTRODUCCIÓN La construcción de grandes naves industriales ha contado siempre en Colombia con la presencia de importantes productores de estructuras metálicas. En alguna época los puentes ferroviarios metálicos se diseñaban y fabricaban en el exterior para ser ensamblados por firmas locales de ingeniería. La estructura para el primer "rascacielos" que se construyó en Colombia (el antiguo edificio del Banco de Bogotá en la carrera 10 con calle 15) también fue metálica y se importó en su totalidad. Con esas salvedades, las estructuras metálicas han sido una alternativa arquitectónica muy poco explorada en nuestro medio, en parte porque la industria siderúrgica no producía los perfiles y elementos necesarios y, además, porque la formación académica de arquitectos e ingenieros privilegió siempre la utilización del concreto y el ladrillo. Hace algunos años empezaron a aparecer nuevas estructuras metálicas importadas desde países vecinos para construir edificios de vivienda y oficinas, lo cual hizo resurgir brevemente el interés de los fabricantes locales por construirlas, aunque parece que la crisis de la construcción enfrió un poco ese entusiasmo. Sin embargo, dos grandes empresas procesadoras de lámina delgada están produciendo una serie importante de perfiles y de láminas plegadas, con las cuales se están construyendo edificaciones muy variadas y entrepisos steel deck, todo lo cual constituye una alternativa muy interesante al uso del concreto. El diseño y construcción de los puentes peatonales metálicos de Bogotá acrecentó el interés de los constructores por este material y está impulsando de manera notable la industria metalmecánica. En esta edición de Construdata, que se inicia con un estupendo artículo del ingeniero Harold Muñoz acerca de la estructura metálica por excelencia -la Torre Eiffel-, hacemos una serie de reflexiones sobre estas estructuras, las comparamos contra las de concreto, incluimos algunos buenos ejemplos de estructuras metálicas y describimos también los productos de lámina metálica delgada.
Edificios con estructura metálica La Torre Eiffel Concreto vs acero: a manera de paralelo Construcción metálica ACESCO
LOS PUENTES PEATONALES Ing. Gabriel F. Valencia Clement Gerente TECMO LTDA. Dibujos de Germán Valencia
Breve Reseña Histórica Se ha considerado como primer ejemplo de edificio construido con estructura de acero, la chocolatería que Sauinier construyó en 1872 en Noisel, sur de Marne. Realmente dentro del desarrollo general de la tecnología del acero y de la construcción metálica, 1872 es una fecha relativamente tardía, si se tiene en cuenta que 100 años atrás ya se habían construido los primeros puentes de hierro. Surge entonces la pregunta: ¿Por qué no se inició antes la construcción de edificios metálicos? Son tres las razones que pueden aducirse: Chocolatería Noisel, Marne 1872 Comparada con otras áreas de la técnica artesanal e industrial, la construcción de edificios ha sido siempre conservadora, cabe recordar que el término “habitual“ tiene la misma raíz que «habitar». La propensión histórica de los arquitectos de la época a crear un abismo entre ellos y los ingenieros, un poco como reacción a la aparición de las técnicas de cálculo estructural que vinieron aparejadas con el advenimiento de la era industrial y que empezaron a marcar una diferencia importante en las dos disciplinas, llevando a los arquitectos a refugiarse en el estudio de las «formas históricas», consideradas como fundamento de la arquitectura monumental. El acero se consideró como material útil solo para resistir grandes cargas y en grandes luces. Los grandes edificios de la época, los palacios y las mansiones no parecían lo suficientemente monumentales como para requerir tal tecnología. A partir del edificio de Noisel, comenzaron a aparecer movimientos importantes dentro de los cuales cabría destacar: La escuela de Chicago (1880-1910). El fundador de esta escuela fue William Le Baron Jenney. Uno de los más importantes ejemplos lo constituye el Reliance Building, terminado en 1894. También datan de esta época edificios como el Leiter Building, el Fort Dearborn y el Guaranty Building. Las escuelas Francesa, Belga y Suiza (1890-1930). Con la construcción de obras como la Galería de Orleans y el Pabellón de las Plantas, los arquitectos Fontaine y Rouhault introdujeron la nueva tecnología a Francia. En 1905 se levantó en París el edificio comercial Rue Réaumur bajo la dirección del arquitecto G. Chedanne, que constituyó toda una innovación para su época. Se comenzó a desarrollar la técnica del detallado (diseño de conexiones y otros detalles) de las estructuras metálicas. En la figura 1 se aprecian dos ejemplos de la aplicación de esta ciencia. Mientras que las uniones de los elementos de concreto se realizan en sitio y su construcción depende de los encofrados, en la construcción metálica empernada el diseño previo de las uniones desempeña un papel muy importante. Podrían mencionarse otros movimientos como el Alemán (1910-1930), del cual constituye un ejemplo el edificio de la Shell, en Berlín, 1929, el de los rascacielos en los Estados Unidos (18901940), la construcción reticular (1940-1955) y el sistema de «Curtain Wall» (1945-1960), dentro de los más importantes.
A partir de 1950, el poderoso desarrollo de las posibilidades creadoras y técnicas y una violenta confrontación de tendencias y concepciones opuestas ofrecía una imagen de la arquitectura realmente confusa. De esta búsqueda innovadora se empezó a trabajar en lo que ha dado en llamarse la Arquitectura Metálica, en cuanto el elemento formal, a la vista, franco en su expresión. Un ejemplo de este fenómeno lo constituye la sede administrativa del Dorman Log, Middlesbrough, del arquitecto A. Stirling.
Es evidente que las diversas aproximaciones arquitectónicas desarrollan cada una un vocabulario propio y se alimentan recíprocamente; el contexto puede llevarle a generar algunas expresiones formales diferentes, eventualmente contra-dictorias en apariencia, pero de hecho, la relación entre estructura, forma y función está siempre presente aunque su expresión final varíe. La construcción es, en efecto, un sistema complejo que se inscribe dentro de un contexto cultural. Dentro de este contexto, un edificio se construirá en piedra, con una cubierta inclinada, expresando una morfología clásica, o toda en vidrio con metal a la vista respondiendo a una tecnología contemporánea. Cada material ocupa un lugar bien preciso en el repertorio arquitectónico de acuerdo con sus características y este principio ha quedado claro en los desarrollos más recientes de la arquitectura metálica, partiendo del High Tech hasta llegar a nuestros días
. Edificio Reliance, Chicago 1894.
Edificio Rue-Reaumur, París 1905
Figura 1. Ejemplos de la ciencia del Detallado de Estructuras de Acero.
Características de una estructura metálica para edificios
Una de las etapas importantes en la elaboración del proyecto de un edificio es la de la concepción del esqueleto portante. Se dispone, en efecto, de numerosos materiales y sistemas constructivos, todos con características diferentes entre si. La elaboración de un buen proyecto está condicionada a una adecuada consideración de estas propiedades características, y a su manejo, lo que significa que un proyecto debe de hecho ser concebido en función de los materiales de construcción adoptados. Este principio fundamental se aplica, como a las demás, a las estructuras portantes metálicas. Si bien todos los edificios podrían construirse con estructura metálica, no se conseguirá una solución óptima si, en razón de las exigencias particulares, el proyecto ha sido concebido en función de otro material de construcción.
Edificio de la Shell, Berlin 1929.
Elaboración de un proyecto en función del material constitutivo Para que el proyecto de un edificio de acero se elabore con la mejor utilización de las características de este material, debe basarse en las propiedades del esqueleto metálico. La obra negra, los elementos de cerramiento y los acabados, así como el diseño de las instalaciones, deben adaptarse a la estructura. Este planteamiento se aclara analizando las alternativas que se presentan en los siguientes diagramas: a) Estructura de concreto reforzado, con columnas redondas de diámetro variable entre 0.40 y 0.80 m, espaciadas 8.40 m en las dos direcciones (Fig. 2), columnas exteriores retrocedidas de la fachada, circulación vertical y ductería en cajones de concreto, instalaciones horizontales pasantes a través de las viguetas de piso, fachada con paneles aligerados fijados rígidamente a las placas. b) Reemplazo de la estructura portante por un esqueleto metálico (Fig. 3), se mantienen los detalles de la alternativa a). En comparación con aquella, esta no presenta ventaja alguna diferente a la reducción de la sección de las columnas, lo que es particularmente ventajoso en las habitaciones pequeñas. Los puntos fijos en concreto se han conservado. Este proyecto no excluye la posibilidad de una solución en acero, pero no está adaptado a este material. c) Transformación a una solución puramente metálica, (Fig. 4): columnas exteriores próximas entre si, con dimensiones variables de 0.16 x 0.16 m hasta 0.27 x 0.25 m. La estabilidad lateral se garantiza con contraventeo vertical, 2 transversales y uno longitudinal (líneas a trazos), escaleras, fosos de ascensores, e instalaciones encerradas en muros ligeros resistentes al fuego, disminución del número y la sección de las columnas interiores. La disposición de las vigas y viguetas permite el paso de las instalaciones. Los elementos de fachada se anclan directamente a las columnas exteriores. d) La solución óptima es el edificio metálico, (Fig 5): Las columnas exteriores conforman armaduras de fachada con los elementos de contraventeo (línea a trazos) están a la vista , de modo que el espacio interior es totalmente libre y el sistema estructural resulta óptimo. La circulación vertical es independiente del esqueleto.
Estructura de concreto. Columnas redondas separadas 8.40 m FIGURA 2 ESTRUCTURA DE CONCRETO COLUMNAS REDONDAS SEPERADAS 8:40 m
Reemplazo de la estructura de concreto por una metálica
FIGURA 3 REMPLAZO DE LA ESTRUCTURA DE CONCRETO POR UNA METÁLICA
Transformación a solución puramente metálica FIGURA 4 TRANSFORMACIÓN A SOLUCIÓN PURAMENTE METÁLICA
Edificio totalmente metálico. Las columnas en la fachada están a la vista FIGURA 5 EDIFICIO TOTALMENTE METÁLICO. LAS COLUMNAS EN LA FACHADA ESTÁN A LA VISTA
La estructura portante n El elemento básico: El elemento básico de una estructura de acero lo constituyen los perfiles de acero laminados. Los perfiles tienen paredes delgadas bien dimen-sionadas, por lo que su capacidad portante es elevada a pesar de sus secciones reducidas y de su bajo peso. El número de perfiles laminados es limitado, sin embargo estos pueden combinarse entre si y con placas planas, para formar un sinnúmero de elementos portantes. n El esqueleto metálico: La estructura portante de una construcción metálica se desarrolla a partir del ensamble de barras de acero de volumen reducido. Es un esqueleto cuya única función es la de resistir las cargas y no de encerrar el espacio, pero permitiendo la fijación de los elementos de cerramiento. La concepción del montaje de la estructura está marcadamente influenciada por la posición de las columnas, la cual determina los tipos, la disposición y la distancia entre apoyos, y de estos, las luces de la estructura de piso y la estabilidad del edificio, la que a su vez depende del tipo de contraventeo y su disposición. n La fabricación: Los elementos del esqueleto metálico son prefabricados en taller. La fabricación es industrializada, y normalmente en cadenas continuas de producción, hoy en día con equipos de control numérico programable. Estas cadenas que dan resultados económicos aun para series restringidas de elementos, son muy ventajosas en la construcción metálica. Los elementos de cerramiento Las cualidades de una estructura metálica, no se aprovecharán realmente al máximo en la medida en que no se elijan elementos de cerramiento adecuados: n Normalizados y prefabricados, de modo que la rapidez de instalación signifique tiempos reducidos. n Livianos para reducir el peso total del edificio. n Susceptibles de adaptarse a espacios flexibles y a reformas posteriores de acuerdo con los acabados. n Constructivamente adaptables a las particularidades del esqueleto metálico. n En la medida de lo posible, ligables estructuralmente a la estructura de acero (construcción compuesta) para aumentar la capacidad portante de la misma. n Concebidos para asegurar la protección contra el fuego de la estructura.
Conceptos Fundamentales
El esqueleto metálico, un sistema de barras enlazadas En la historia del arte de edificar, la construcción masiva se desarrolló principalmente en la región mediterránea, mientras que la construcción con carpintería de madera fue siempre la característica de la construcción nórdica, una tradición que se ha visto continuada por la construcción metálica. Sin embargo, este desarrollo ha cobrado un mayor auge en Japón, donde, en razón de problemas sísmicos y climáticos, se han asociado las estructuras metálicas con los materiales constructivos y de acabados ligeros. La carpintería de madera y el esqueleto metálico tienen en común un elemento de base, las barras cuya sección es pequeña en comparación con su longitud, de allí el hecho de que la estructura portante no pueda oficiar como elemento de cerramiento. Estructura portante recubierta o a la vista El diseñador de la estructura metálica está frente a un dilema: al proteger los elementos metálicos que se proveen para cumplir una función específica en la estructura, protección contra el fuego, por ejemplo, no hace que estos elementos pasen desapercibidos? Si bien al interior de los edificios esto no representa ningún problema, no ocurre lo mismo cuando se busca que la
carpintería metálica se exprese libremente en fachada, situación ante la cual muchos arquitectos se verán frustrados al no poder explotar a su gusto la esbeltez y las aristas de los perfiles de acero. Pero en la medida en que el recubrimiento no tenga más que unos pocos centímetros, el perfil no perderá gran parte de su aspecto esbelto.
Detalle de fachada del Hotel de las Artes, Barcelona
Transparencia de la estructura La esbeltez de los elementos portantes de acero confiere una gran elegancia a la estructura, aquí la posibilidad de trabajar grandes luces está ligada a la precisión de las columnas metálicas. El acero permite la transparencia de una marquesina o de una cubierta suspendida, y también la ligereza de una fachada en la cual las columnas portantes se engloban orgánica y armónicamente. Disciplina del proyecto El esqueleto metálico deja ver claramente la transmisión de los esfuerzos y pone en evidencia la concepción estructural del edificio. Las construcciones metálicas tienen unos ensambles lógicos y a la vez simples, ellos comunican su propio lenguaje formal. Su desarrollo, sin embargo, exige del diseñador una disciplina rigurosa, tanto en la concepción de ensamble de la estructura como en el diseño particular de los detalles. En la página 32 se aprecia un detalle de la fachada del Hotel Olímpico de las Artes, de Barcelona.
Ubicación de los Ejes Tipos y disposición de las columnas Las cargas verticales de un edificio metálico son transmitidas por las columnas metálicas, y excepcionalmente por algunos muros de concreto (pantallas o muros de corte). Las columnas se colocan, por lo general, en los puntos de intersección de los ejes de la grilla básica; siendo las grillas rectangulares las más empleadas en la construcción metálica, pues a menudo los vanos rectangulares llevan a diseños más económicos que los irregulares, sin que esto implique que no se puedan trabajar grillas oblicuas, radiales, o definitivamente irregulares. Los edificios circulares, por ejemplo, representan una solución económica para la construcción metálica, en razón de la repetitividad de sus componentes. Sección de las columnas Aún revestidas de protección contra el fuego, las columnas tienen una sección mucho más reducida que la de las columnas de concreto. En la figura 6a se puede apreciar la diferencia entre una sección de una columna de concreto para 100 ton., una tubular de acero y más sólida también de acero para igual carga, todas con longitud de pandeo de 3.50 m. En la figura 6b se comparan para 1.000 ton. Columnas exteriores Las columnas exteriores cercanas entre si (como se aprecia en las Fig. 4 y 5), en contacto o dilatadas de la fachada, constituyen uno de los tratamientos particularmente utilizados en la construcción metálica, dado que presenta las ventajas que se enumeran a continuación:
n Columnas de sección reducida con la consiguiente ganancia de área útil. n Puede fijarse la fachada directamente, lo que con lleva a un ahorro de montantes de fachada.
Figura 6. Comparación de columnas de concreto y de acero para resistir cargas iguales. a). Para 100 toneladas. b). Para 1.000 toneladas.
n Los enlaces de los paneles son uniformes en todos los ejes.
Figura 7. Comparación típica de costos de estructura por m2.
Grandes Luces Las estructuras metálicas permiten el empleo de grandes luces, y por ende de columnas muy espaciadas, y a la vez, sin la imposición de tramos cerrados, y por lo tanto con espacios disponibles mayores. En la figura 7 se presenta una curva típica de comparación entre los costos de una estructura de acero y una de concreto en función de la luz. Se observa que el incremento en las luces significa variaciones mucho menores en la estructura de acero, curva a, que en la de concreto, curva b. (ver Refs. 2 y 4). El punto de corte de las dos curvas depende principalmente de las cargas, de la altura de las columnas y del número de pisos, y de las condiciones locales de costo de los materiales y de la mano de obra. Protección contra el fuego Mucho se especula acerca de la necesidad de proteger las estructuras de acero contra el fuego, y realmente, como se explica a continuación, el material presenta ciertas desventajas comparativas con algunos otros materiales. Sin embargo, el grado de protección que se exija debe ser consistente con las especificaciones generales del edificio: escaleras de emergencia, sensores de humo, sistemas de rociado de agua, etc., y así mismo con las exigencias estipuladas para todas las construcciones en la zona, cualquiera que sea el material que se emplee para su estructura.
Aunque los elementos de acero estructural son incombustibles, su resistencia se ve reducida cuando se exponen a temperaturas muy altas. Los aceros, y en particular aquellos con alto contenido de carbono, pueden en realidad incrementar un poco su resistencia al calentarse hasta aprox. 350 °C. Sin embargo, cuando la temperatura aumenta a 600° C, la resistencia comienza a reducirse drásticamente La resistencia al fuego de los elementos de acero puede incrementarse considerablemente si se embeben en concreto (construcción compuesta), como se aprecia en la Fig. 8, o aplicándoles cubiertas protectoras de concreto, de yeso, fibras minerales, pinturas especiales así como algunos otros materiales . El espesor y el material de protección que se elijan depende del tipo de estructura, la probabilidad de que se presente un incendio, de factores económicos y de las regulaciones que establezcan los códigos aplicables . Aunque el concreto no es un material aislante suficientemente bueno, resulta muy efectivo cuando se aplica en espesores entre 3.5 y 5.0 cm., debido a su masa. El agua en el concreto (16 a 20 % cuando está totalmente hidratado) mejora notablemente sus cualidades protectoras contra el fuego. Esto se debe a que se requiere una gran cantidad de calor para hervir el agua contenida en el concreto; sin embargo, durante fuegos muy intensos esta ebullición puede causar agrietamientos y desconchamientos severos en el concreto. Los materiales protectores rociados constan usualmente de fibras minerales o compuestos cementantes. Aunque se usaron por mucho tiempo fibras minerales a base de asbesto, hoy el uso de este material se ha restringido debido a sus efectos nocivos para la salud y se ha sustituido por otras fibras. Los materiales cementantes protectores contra el fuego están compuestos de yeso, perlita, vermiculita, etc. Resulta muy sencillo y económico el empleo de tableros de yeso, que no sólo protegen las vigas y viguetas de entrepiso sino que, además, constituyen en si mismos el acabado (Fig 9). Otros sistemas se basan en el empleo de pinturas entumecentes, las cuales al llegar a cierta temperatura se carbonizan formando una espuma expansiva alrededor de los elementos que los protegen. Igualmente, ha resultado muy eficiente la técnica de situar los miembros que sea factible, por ejemplo en fachada, fuera del edificio, donde no quedan expuestos a fuegos de alta intensidad. Un ejemplo lo constituye el edificio del Hotel de las Artes en Barcelona (página 32). Así mismo, se han protegido estructuras armadas con perfiles tubulares introduciendo en su interior líquidos refrigerantes o simplemente agua.
Figura 8. Secciones típicas de columnas compuestas.
a). Perfil doble T embebido en concreto. b). Perfil doble T con concreto entre las aletas. c). Concreto rellenando una sección tubular que puede ser redonda o rectangular, con o sin hierro de refuerzo. d). Núcleo de acero embebido en concreto con una cubierta exterior también en lámina de acero
Figura 9. Protección contra el fuego con tableros de yeso.
Ventajas de las Estructuras de Acero para Edificios Las ventajas más sobresalientes del empleo de estructuras de acero en la construcción de edificios pueden sintetizarse desde tres ángulos diferentes: En la etapa de proyecto n Las posibilidades que abre al arquitecto son ilimitadas, lo que hace del sistema un medio de expresión muy valioso. n La utilización de grandes luces, lo que permite manejar los espacios con una versatilidad mucho mayor que con otros sistemas. n Las secciones de las columnas son reducidas, aspecto que como el anterior incrementa las alternativas de manejo del espacio interior. n La altura de los entrepisos para una determinada luz es menor que en el caso de placas de concreto. n Los edificios de gran altura pueden diseñarse con estructuras de gran capacidad portante, y lo que es más importante, con una confiabilidad mucho mayor que otros materiales, pues su comportamiento ante las diversas solicitaciones estructurales es más predecible. Es un hecho demostrado que su respuesta a las cargas de origen sísmico o eólico es excelente. n Los sistemas portantes permiten el paso de la ductería y las instalaciones. Esta libertad es muy útil tanto en la etapa de diseño como durante la construcción, pues permite las modificaciones sobre la marcha. n El peso de la estructura es significativamente menor que el de las estructuras de concreto, con el consiguiente ahorro en cimen-taciones. Durante la construcción n Los elementos estructurales se prefabrican en taller mientras en el sitio se adelantan las excavaciones y se construyen pantallas, cimientos, placas de sótano, etc. Esta prefabricación conlleva, además de la reducción en el tiempo de construcción, a trabajar con tolerancias reducidas, con las consiguientes ventajas en la tipificación de los elementos de cerramiento y en los acabados. Por otra parte, la mano de obra requerida en el sitio es muy reducida. n El montaje es prácticamente independiente de las condiciones climáticas, salvo en construcción soldada.
n La obstaculización de otras labores, tales como fundida de placas de piso, acabados, etc., es mínima. n La resistencia del concreto es menos predecible, y solo se puede conocer a los 28 días (o al menos a los 7 días) de haber tomado la muestra, y por lo tanto, de haber construido el elemento estructural. En caso de que no cumpla los requisitos, deberá demolerse la estructura, lo que genera costos adicionales, demoras, en fin, inconvenientes de todo tipo. Por su parte, la resistencia del acero es más confiable, pero en todo caso, si se requiere, se puede determinar esta resistencia antes de fabricar los elementos. n Los procedimientos de construcción se realizan en seco y son limpios. Durante la vida útil n El sistema ofrece gran flexibilidad en el manejo de las divisiones interiores. n Existe la posibilidad de adaptar la estructura portante para darle un uso diferente a aquel para el cual fue diseñada, y por lo tanto una vida útil prolongada n Es posible desmontar y trasladar la estructura si las circunstancias lo sugieren. n La estructura responde mucho mejor a los asentamientos diferenciales, dada la capacidad que poseen las uniones de absorber deformaciones plásticas
.Aspectos ecológicos n La explotación de los agregados para producir el concreto, es cada vez más restringida. Las minas se alejan de los centros urbanos, la vegetación de las zonas explotadas debe recuperarse, en fin, paulatinamente, la sociedad ha ido tomando conciencia de la importancia del respeto y el cuidado de la naturaleza. n La construcción en acero no contamina el ambiente alrededor de la obra. Todas estas características de las estructuras de acero, que son en si mismas grandes ventajas, permiten, como es evidente, lograr una rentabilidad mayor que la alcanzada con otros sistemas. Finalmente, cabe recalcar que con el proceso de apertura económica en que se ha embarcado el país de unos años para acá, la desventaja que tenían los sistemas metálicos contra los de concreto, que consistía en la falta de perfiles adecuados para la construcción de edificios de cierta envergadura, es cosa del pasado, pues en la actualidad hay ya una oferta de este tipo de perfiles, limitada aún, pero están dadas todas las condiciones para adelantar las importaciones que se requieran, además de lo cual la alternativa de fabricar los perfiles con procesos de soldadura continua, aumenta las posibilidades tanto del diseño, como de la implementación de los perfiles.
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Referencias 1. Valencia, G. Pasado y Presente de la Arquitectura Metálica en el Mundo Revista Proa N° 400. 2. Hart, Henn & Sontag. Structure Acíer, Batíments a étage Ed. Commission des Communautés Européennes, Bruselas, 1982.
3. Modern Steel Construction, Revista editada por el Ameritan Institute of Steel Construction, AISC, marzo 1993.
4. Aycardi, L.G., Es Realmente costosa la Estructura de Acero? Revista Proa, N° 400. 5. McCormac, Diseño de Estructuras de Acero, Ed. Alfaomega, México, 1991.
6. Calculation of the Fire Resistance of Centrally Loaded Composite Steel-Concrete Columns Exposed to the Standard Fire, European Convention for Constructional Steelwork, ECCS, 1988.
La Torre Eiffel Ing. Harold Alberto Muñoz M. Consultor Estructural
La historia de la construcción de la denominada Torre de Eiffel se inicia en 1855 cuando Gustave Eiffel obtuvo la patente de su construcción para la exposición universal de 1889 en Paris, conmemorativa del centenario de la Revolución Francesa. Se trataba de un proyecto surgido por el deseo inmenso de ofrecer un monumento majestuoso en correspondencia con el mayor movimiento popular de todos los tiempos. Para entonces, con el fin de conmemorar el centenario de su independencia, los americanos habían levantado el monumento de 170 m de altura en Washington.
Figura 1 – Vista de la Torre Eiffel desde el Trocadero
Eiffel fue el ganador de un concurso entre más de un centenar de participantes, y en el cual uno de los contendores finales proponía una torre en mampostería de piedra, con lo cual se mantenía el uso tradicional de las construcciones de la Antigüedad, la Edad Media y el Renacimiento. Con esta nueva propuesta se rompía esa tradición. El material seleccionado fue el hierro laminado, símbolo de la revolución industrial, tan de boga en ese entonces por los novedosos desarrollos de los ferrocarriles, para los cuales Eiffel había diseñado varios puentes en estructura metálica.
Se proyectó construir la torre a un precio económico y con miras a desmontarla una vez concluida la exposición. Una vez se aprobó el proyecto, la satisfacción de los organizadores se descubre cuando se establece que la Exposición se haría entonces alrededor de la Torre
Figura 2 – Detalle del sistema de cimentación de uno de los apoyos y de la estructura ornamental de los arcos. Se aprecia al frente el busto de Gustave Eiffel, artífice de la obra
Antes de ejecutar la colosal obra, Eiffel había desarrollado un sin número de proyectos, especialmente puentes y estructuras metálicas, en más de 12 países. La construcción de la Torre, en ese entonces vilipendiada, dos veces vendida como chatarra por un hábil estafador y posteriormente denominada la octava maravilla del mundo, tomó un tiempo record de casi dos años, utilizando un modesto número de obreros a un costo final inferior al inicialmente previsto. Se destaca que en ese período hubo una huelga que duró sólo ocho días, gracias a la negociación personal de Eiffel. La base de la Torre es la proyección de un cuadrado de 125 m de lado, en donde se inscriben elegantes arcos que soportan el primer piso. Esta disposición fue sin duda debidamente estudiada, puesto que de ella deriva la estabilidad de la estructura especialmente frente a la acción predominante del viento. Desde el punto de vista arquitectónico, la Torre es en realidad una pirámide no de aristas rectas sino de arcos hiperbólicos, con lo cual se consiguió mejorar el comportamiento ante las fuerzas predominantes del viento. Tal vez ésta fue una inspiración nacida de la observación de las grandes coníferas. Los aspectos arquitectónicos del monumento estuvieron a cargo de Stephen Sauvestre, y los ingenieros compañeros del constructor fueron Ëmile Nouguier y Maurice Koechlin, quien realizó el diseño estructural.
Figura 4 – Panorámica de la imponente majestuosidad de la base de la estructura hasta el primer nivel, ubicado a 57 m del terreno.
Figura 3 – Vista inferior del primer nivel. Dentro del armonioso sistema estructural se destaca a la izquierda el corredor de los ascensores.
Ante la consideración comercial del atractivo turístico que representaba, se proyectaron dos plataformas intermedias y espaciosas y un mirador para en conjunto albergar 10.000 visitantes simultáneamente. El primer piso está situado a 57 m de altura y alberga restaurantes y tiendas que producen más ingresos que el obtenido por taquilla En el segundo piso, a 115 m de altura, se encuentran algunos servicios como correos, imprenta, etc. El tercer piso se halla a 276 m de altura y sobre él existen algunas otras instalaciones para completar una altura total de 320 m, lo cual confirió a la torre por más de 40 años el récord mundial de la edificación con mayor altura.
La erección de la Torre tuvo un fuerte cuestionamiento por parte de un nutrido grupo de intelectuales y artistas en nombre del arte y de la historia, por considerar que la ciudad de París no debía asociarse con un proyecto que la afeaba y deshonraba e incluso la pondría en ridículo ante América. Eiffel respondió: “¿Cuáles son los motivos de la protesta?¿Acaso las verdaderas condiciones de las fuerzas no están siempre de acuerdo con las secretas condiciones de la armonía?”. Los cálculos me han dictado que las curvas de las cuatro aristas del monumento, arrancando de un enorme y desusado zócalo en su base, ascenderán hasta la cumbre para dar una gran impresión de fuerza y belleza.” La construcción demoró 26 meses y fue concluida el 31 de marzo de 1889 convirtiéndose en un atractivo para los parisienses y sus familias. Fue la estructura más alta durante 41 años hasta la construcción del Edificio Chrysler en Nueva York.
Figura 5 - La armonía, simetría y belleza hacen del monumento una estructura única en donde la arquitectura y la ingeniería están en comunión.
El mayor inconveniente constructivo fue la cimentación, por la condición de aluvión del terreno y su proximidad al río Sena. Este inconveniente ya lo había tenido Eiffel en la construcción de sus puentes. Los cimientos de la Torre debían arrancar 5.00 m por debajo del nivel del Sena por lo que se ideó un sistema de cajas metálicas de 6.00 x 15.00 m, de dos compartimentos: el superior contenía el lastre de concreto y el inferior era el lugar de trabajo de los obreros; pero en él había aire comprimido que impedía la presencia de aguas de infiltración. Mediante dos grandes ductos se inyectaba el aire y por ellos circulaban los obreros y se retiraba el material de la excavación. Cuando concluyó los cimientos, Eiffel sustentó sus cálculos mediante el siguiente raciocinio: observó que ellos podían soportar un esfuerzo de 1.235 kg/cm2, frente al peso de la Torre que generaba una presión de 30 kg/cm2, es decir, habría un factor de seguridad de 40!!!. El peso total de la Torre es de 7.000 toneladas de hierro, cantidad realmente mínima considerando su altura y su extensión, y que sería equivalente al peso de un edificio de tres pisos en la misma área, lo cual indica el rigor de la creación de esta maravilla fundamentado en los rigurosos cálculos llevados a cabo durante los dos años de diseño y fabricación de las 15.000 piezas, ensambladas mediante dos y medio millones de pernos. Para su ejecución, la torre se dividió en 27 paneles para cada uno de los lados, con un total de 5.000 piezas de 1 m2. En el proceso constructivo del primer nivel se advirtió que los extremos de las armaduras provenientes de los apoyos no coincidían por escasos centímetros, por lo que Eiffel recurrió a un procedimiento a partir de una bomba de agua dispuesta en los apoyos, de manera que la presión gradual del agua permitió ajustar los centímetros necesarios para el empalme. A medida que aumentaba la altura se desplazaba una grúa sobre cada una de las cuatro pilastras esquineras, con una fuerza de 3 toneladas y un brazo de 12 metros. Terminado el primer nivel, allí se instaló una grúa de vapor que distribuía el material hacia las cuatro esquinas de la Torre.
Figura 7 - La imponente Torre fue dedicada por el autor a las ciencias puras como reconocimiento al soporte que son de los fundamentos de la ingeniería estructural.
Al concluir la obra, el 31 de marzo de 1889, Eiffel plantó una bandera de Francia en lo más alto de la Torre como expresión de triunfo y orgullo. Las obras concluyeron con 35.000 kg de pintura, que se renueva cada siete años. Inaugurada el 15 de julio de 1889, fue dedicada por su autor a la ciencia pura. La exposición universal de París duró seis meses y durante este tiempo 3’512.000 personas la visitaron. Según se pactó en el contrato, la Torre sería de propiedad de Eiffel por 20 años y luego revertiría a la ciudad de Paris, como efectivamente sucedió.
Figura 6 – La fabricación y ensamblaje de las piezas fue rigurosamente planificada por Eiffel, consiguiendo con ello el cumplimiento de todas las metas propuestas.
Introducción Edificios con estructura metálica Concreto vs acero: a manera de paralelo Construcción metálica ACESCO
Publicado originalmente en el Primer encuentro del Acero en Colombia
Comparación -1
El uso del acero estructural en Colombia se ha visto mitificado por un largo periodo de ostracismo y desconocimiento. El reciente auge, producido por la apertura de mercados motiva que se deba considerar nuevamente el concepto de su utilización. Este documento representa parte de un esfuerzo por mejorar la comprensión del uso de este noble material. Es un instrumento para pensar. Participe en el debate al respecto y ayúdeme sí a perfeccionar el texto. Tengo una presentación PowerPoint que refuerza este texto, que es el esquema de ella. Puede pedírmela El documento se publico hace unos años en la revista Construdata.
CONCRETO vs ACERO : A manera de paralelo. Ingeniero German Urdaneta H Colombia.
Acaso cabe la comparacion ? Hablar de comparar el acero y el concreto como materiales estructurales es plantear una competencia entre dos nobles elementos del arte constructivo. Competencia a la que no hay lugar, dado que las dos materias primas conviven armónicamente en el medio de la construcción. Solamente un fenómeno de índole cultural ha mantenido la diferenciación.
resurgiendo de sus cenizas. Enhorabuena Colombia!!! Sin embargo, no existe una cultura que permita asimilar esta realidad, y nuestros técnicos tienen que convencer a sus clientes de las ventajas que representa el material recién redescubierto. Para ellos, sirva el siguiente paralelo. Para una mejor comprensión, se ha organizado el análisis en el orden en el cual se ha planteado el concepto estructural en el capítulo anterior.
Ya desde los albores del desarrollo de nuestra industria de la construcción, se ha caracterizado la dominancia del concreto sobre el acero. Pero no por la naturaleza del material, sino por un mero fenómeno histórico. La retirada de las poderosas firmas norteamericanas que hasta inicios de la década de los años 50 dominaron el panorama constructivo del pais, se llevó la experiencia de muchos años hacia campos más fertiles, definidos por la necesidad de reconstrucción de los escenarios asolados por la hecatombe de la segunda guerra mundial. Se han requerido Cuarenta años para que un gobierno progresista lance al país a la aventura irreversible de la apertura económica para que, logrado el acceso al comercio internacional del acero, unos cuantos visionarios se hayan lanzado a la aventura de promover la construcción de vivienda en estructura metálica. El auge de este sistema, que permite apreciar que una sola fábrica toma simultáneamente 15 encargos de este tipo de estructura, hace ver un mejor panorama para esta demeritada versión del arte de construir.Tal vez como el ave fénix, el muerto de hace 4 décadas esta Germán Urdaneta H
Versión 2.1- Reimpresión 2009
Comparemos lo no comparable..
En cuanto al Material. CONCRETO
ACERO ESTRUCTURAL
a. Material monolítico, producido con material de cantera Se fabrica a pié de obra. El material es una producto de la obra. b. Mediante moldes adopta la forma que se desee. La obra es muy versatil y se adapta al gusto y al capricho. c. La tipología presenta su propia identidad en color, textura y apariencia. Por lo general,no es necesario impartir acabados adicionales.
a. Material producido industrialmente, bajo explotación industrializada en minas Se obtienen perfiles normalizados El material es un suministro para la obra b. Se conforma un esqueleto o entramado. La forma, para ser eficiente debe ser regular. Las uniones revisten gran importancia. c. Exige acabados, los cuales se logran mediante recubrimientos o con forros de materiales adicionales. se requiere pues un valor agregado importante. d. El control de calidad de la materia prima de efectúa en fábrica o en taller. La certificación de origen satisface los requerimientos de un interventor.
d. El control de calidad se debe hacer en la obra. Depende no solo de la calidad del material, sino de la habilidad de los operarios y otras circunstancias del entorno. Se requieren ensayos para certificar la calidad. e. Es posible prefabricar, aunque esta se considera una técnica especializada. Demanda equipos importantes, debido al peso de las piezas. Las uniones son muy delicadas. f. El material es más ineficiente estructuralmente, al ser más débil por unidad de peso. g. Es casi invulnerable al efecto del medio ambiente ordinario. Solamente lo afectan algunos medios ácidos h. La mano de obra, siendo calificada, es de común obtención.
e. Siempre es prefabricada. El transporte limita el peso y la dimensión de los elementos. Demanda tecnicas especializadas de montaje.El equipo es normal y las uniones se saben hacer.. f. La alta eficiencia estructural hace que las piezas sean muy resistentes con muy bajo peso propio. g. El material es muy susceptible al efecto del medio ambiente. h. La mano de obra resulta especializada. Por lo general debe ser subcontratada.
10000000Sobre la For ma y el Tamaño.100000002 a. La forma debe ser lo más monolítica que sea posible. Resulta una construcción maciza. ,La simulación de la acció estructural es incierta. b. No hay limitación en cuanto a formas y tamaños que se pueden obtener. solamente pone un tope la capacidad tecnólogica. c. La forma intrínseca, o sea la propia de cada pieza, debe corresponder siempre a formas geométricas simples. d. La forma integral es casi siempre la combinación de cuerpos prismáticos. e. Por lo general, la forma induce comportamientos internos de naturaleza compleja (flexión torsión, flexo compresión). f. La calidad del material impone relaciones altas entre las longitudes de las piezas y su sección transversal (entre 1:7 y 1:30) g. Las piezas son más rígidas. h. La cantidad de material que se debe suministrar depende en general de la forma intrínseca. i. Al aumentar la exigencia es común tener que aumentar el tamaño o mejorar la calidad de los materiales.
a. La forma es siempre de armazón o esqueleto. La acción estructural se aproxima a las idealizaciones lineares. b. Las formas y tamaños están limitadas por las facilidades de transporte entre la fábrica y la obra. c. La forma intrínseca corresponde siempre a la de los perfiles disponibles. d. La forma integral es más libre, ya que la combinación de piezas base dá mucha más versatilidad. e. Aunque se puede usar para los estados complejos (usando perfiles) es más fácil obtener los estados simples de tracción y compresión. f. La mejor calidad permite obtener menores relaciones (entre 1:15 y 1:50) entre la longitud y la sección. g. Las piezas son más esbeltas. h. La cantidad de material que se debe suministrar depende primordialmente de la forma integral. i. Al aumentar la exigencia, se puede controlar la respuesta mediante variación en la proporción general (más altura).
Sobre la exigencia estructural LAS CARGAS. a. La naturaleza y magnitud de las cargas vivas son equivalentes para las dos tipologías b. La carga propia puede ir de 1/3 a 1/6 de la carga viva. c. La carga de impacto puede causarle agrietamientos. La carga dinámica obliga a reducir capacidad. d. La reducción de capacidad por esbeltez es moderada. e. La acción sísmica es de cuidado debido a la respuesta rígida f. Los asentamientos diferenciales son perjudiciales. EL MEDIO Y LA VINCULACION a. La idealización geométrica es menos representativa. b. La acción estructural no es aparente ya que la circulación de la carga en la estructura misma no es obvia. c. Los medios de tipo volumétrico o superficial tienden a ser macizos. d. La restricción, al ser monolítica se aproxima más al empotramiento. e. La definición del grado de restricción es más compleja.
b. La carga propia puede ir de 1/6 a 1/20 de la carga viva. c. Recibe igualmente todas las cargas. La carga dinámica puede ocasionar fatiga en las uniones. d. La reducción de capacidad por esbeltez es apreciable. e. Tolera mejor la acción sísmica debido a la respuesta flexible. f. Es menos sensible a los asentamientos diferenciales. a. La idealización geométrica es más ajustada a las lineas estructurales. b. La acción estructural es aparente, ya que la organización formal muestra fácilmente la ruta de circulación de la carga. c. Todos los medios tienden a ser lineales. d. La restricción se aproxima más al apoyo libre debido a la flexibilidad de uniones. e. Es posible controlar más efectivamente el grado de restricción.
LA CAPACIDAD RESISTENCIA a. El límite de la resistencia puede estar entre 200 y 400 kg/cm². b. La conducta en tracción es muy deficiente. Debe usarse acero de refuerzo para mejorarla. c. No influye por separado la resistencia en las uniones. d. Por lo general la estructura no es sensible a la deformación. La necesidad de arriostramiento es menor. e. Una vez que se presentan agrietamientos la situación de falla es inevitable. El retirar la carga no hace desaparecer las grietas. f. La conducta general es más desconocida y su comportamiento es más aleatorio. g. Hay más profesionales familiarizados con el comportamiento y los reglamentos del material. h. Las técnicas de análisis permiten usar la capacidad de fluencia del material. EQUILIBRIO Y ESTABILIDAD a. Las técnicas de análisis son menos ajustadas al comportamiento real. b. Es posible omitir o subestimar cargas debido a la complejidad del modelo estructural. c. El equilibrio y la estabilidad general son asunto de lógica debido a la rigidez y el monolitismo.
a.El límite de resistencia puede estar entre 2000 y 6000 kg/cm². b. La capacidad bruta en todos los estados de tensión es equivalente. Debe controlarse la esbeltez para la compresión. c. La resistencia en las uniones afecta la capacidad general. d. La estructura es sensible a la deformación. Exige altos niveles de arriostramiento. e. La conducta es más elástica. Si se reduce carga, se recuperan las propiedades originales con mayor capacidad. f. Se conoce mejor la conducta y es más controlable su comportamiento. g. El manejo del material es más delicado, pues en el país es materia de especialistas. h. Aún no se sabe utilizar adecuadamente la técnica del diseño plástico o el diseño por estados límite. a. Las técnicas de análisis reflejan mejor la conducta de la estructura. b. Es posible asimilar más las cargas logrando una mejor evaluación del estado de exigencia. c. El equilibrio y la estabilidad son asunto de experiencia debido a la flexibilidad general.
d. Dado su aproximación al empotramiento, el análisis de equilibrio es más complejo. e. El ajuste de estructura en condición de falla es más impredecible. f. Una falla de estabilidad puede llevar al colapso. g. El desequilibrio de un elemento puede implicar colapso general.
d. El análisis estructural es más simple. e. La estructura es más propicia a redistribuír cargas en condición de falla. f. Una falla de estabilidad suele llevar a una deformación permanente del esquema. g. El desequilibrio de un elemento suele implicar redistribución de acciones.
CONVENIENCIA ESTRUCTURAL ECONOMIA a. El costo del material es el resultado de una serie de insumos disponibles en obra. b. El valor es controlable mediante operaciones de planeación u organización. c. En ocasiones la economía no es determinante, pues en el material se busca el carácter ornamental y aún monumental. d. En el material se entiende mejor la economía. Se obtiene con calidad de diseño.
a. El costo del material es producto de un mercado externo, controlado por la oferta y la demanda. b. El valor es un factor no controlable por medio de planeación u organización. c. Por lo general la econompia es determinante ya que el carácter de las obras es utilitaria. d. A menudo se identifica economía con bajo costo. Por desconocimiento de los recursos, este se obtiene con deterioro en la calidad del producto. e. El material puede resultar prohibitivo en algunas regiones del país.
e. La disponibilidad generalizada de materia prima hace que el material se pueda usar en cualquier parte del país. f. El costo inicial suele ser el único factor del f. A menudo el mantenimiento es costo. determinante en el costo. g. La búsqueda de economía en los cálculos g. La economía en los cálculos puede llevar a suele ser causa de sobrecosto en la obra. fracasos en la obra. h. Un diseño armónico puede producir h. Un diseño lógico puede producir facilmente facilmente un resultado económico. un resultado económico. i. Cuando se integran los dos materiales es posible que se aumente la exigencia debido a las condiciones de soporte de la estructura de acero. FUNCIONALIDAD a. Generalmente, la estructura cumple otras funciones (cerrar, subir) además de la acción estructural. b. No es frecuente la falla funcional. c. Con resistencias normales, se puede usar casi siempre. d. La disponibilidad de material no es limitante.
a. La ejecución de otras funciones es más esporádica. b. Es frecuente la falla funcional. c. El uso depende de la facilidad de producción y transporte. d. La disponibilidad de material limita la posibilidad de uso.
Estética.21 Es un factor subjetivo que depende del concepto del proyecto arquitectónico, de las posibilidades del cliente y del objetivo de la obra. Su valor relativo no admite una comparación generalizada. Si le llamó la atención este texto, lo invito a consultar estos otros, también ubicados en este sitio Web: • Introducción al uso del acero.doc • Alternativa al diseño.doc • Desarrollo histórico del Acero.doc • Usos del acero.doc • Tipologia del acero.doc Además le invito a visitar el sitio www.scribd.com en el cual he puesto algunos otros documentos bajo el seudónimo de licitar.
Y por favor, retroalimĂŠnteme
CONSTRUCCIÓN METÁLICA ACESCO Francisco J. Granados - Ingeniero Civil Fotografías y dibujos: Acesco, Photodisc Las construcciones en acero se hacen cada vez mas frecuentes en nuestro medio. Edificios de varios pisos, bodegas industriales, viviendas y en general todo tipo de estructuras, día a día tienden a involucrar de una u otra manera la construcción metálica. La estructura metálica permite construir y desarrollar proyectos a gran escala muy rápidamente. Para poder aprovechar al máximo las bondades del acero es necesario contar con materiales compatibles, que se conviertan en una solución eficiente, económica y a la vez permitan ir acorde a los tiempos de ejecución de obra de las estructuras metálicas. Los entrepisos son un elemento esencial en el tiempo de ejecución de una obra, ya que inevitablemente se debe involucrar concreto, el cual tiene un tiempo de fraguado considerable. Los entrepisos son un elemento esencial en el tiempo de ejecución de una obra, ya que inevitablemente se debe involucrar concreto, el cual tiene un tiempo de fraguado considerable.
Carrefour Calle 170 - Bogotá. El sistema Metaldeck se desarrolla como un elemento compatible con la estructura metálica, que permite optimizar la fabricación de entrepisos y cubiertas utilizando eficientemente los aspectos positivos tanto del acero como del concreto. Aunque inicialmente se presenta como un sistema para utilizar sobre estructura metálica, con los años se ha demostrado que se puede utilizar sobre casi cualquier tipo de estructura principal, ya sea acero, concreto, mampostería reforzada, etc. Utilizado desde los años 50 en Estados Unidos, el Metaldeck fue introducido en Colombia por la empresa Acerías de Colombia - Acesco S.A. en el año de 1997, después de un riguroso estudio y ensayos de laboratorio que permitieron garantizar el buen funcionamiento del sistema con materiales nacionales y mano de obra local.
Características El sistema Metaldeck consiste en una lámina de acero formada en frío, que debido a su geometría y características presenta una rigidez suficiente para soportar por si misma cargas de construcción. Esto permite utilizar las láminas inicialmente como plataforma de trabajo y como formaleta para el concreto fresco de placas de entrepiso o de cubierta. Posteriormente, el Metaldeck trabaja como refuerzo a flexión positivo de la losa. Para esto la lámina cuenta con una serie de corrugaciones que se encargan de proporcionar un anclaje mecánico entre el acero y el concreto, garantizando el buen funcionamiento del sistema como una placa compuesta. Entre las características más destacadas se pueden nombrar: Tiene una gran funcionalidad, pues se acomoda a múltiples condiciones y aplicaciones. Genera una resistencia estructural con menos peso que otros sistemas debido a que se utilizan los materiales eficientemente. Su instalación se puede realizar en cualquier tipo de clima, eliminando retrasos en obra. Utilizado en otros países por más de 50 años y por más de 5 años en Colombia, presenta un comportamiento satisfactorio, el cual da una garantía de durabilidad del producto. El sistema minimiza casi en su totalidad el desperdicio de material y en general requiere de menor volumen de concreto que otros sistemas de entrepiso El tiempo de ejecución de obra se reduce hasta en un tercio con respecto a otros sistemas
Entrepiso con viguetas intermedias
Tipos y especificaciones En el mundo existen diversas compañías que fabrican láminas para entrepisos. Por lo tanto la diversidad de geometrías es casi tan grande como el número de empresas que las producen. En Colombia el Metaldeck se produce en dos geometrías, y cada una de ellas en cuatro calibres. Las láminas se denominan de acuerdo a la altura de la ondulación de la cresta. Metaldeck 2” y Metaldeck 3” se refieren a láminas de 2” o 5.1 cm de altura y 3” o 7.6 cm de altura respectivamente. La referencia de 2” cuenta con 91cm de ancho útil y la de 3” con 61 cm de ancho útil. Las longitudes varían de acuerdo al proyecto y pueden ir desde 1.50 m hasta 12.0 m siendo esta última longitud limitada básicamente por manejo y transporte del material. Los calibres comerciales son 22, 20, 18 y 16, siendo los dos primeros los más utilizados. El acero utilizado para producir láminas de Metaldeck debe ser un acero calidad estructural con un esfuerzo de fluencia mínimo nominal igual a 2.325 kg/cm² (228Mpa) y debe cumplir la norma ASTM- A 611 grado C. El concreto a utilizar en la fundición de la placa debe estar acorde con la Norma Colombiana de Diseño y Construcción Sismo Resistente. Se debe utilizar un concreto mínimo de 210 kg/cm² (21Mpa) y en lo posible se recomienda no utilizar aditivos o acelerantes de concreto. Si se hace necesario utilizar algún tipo de aditivo, se debe garantizar que éste no contenga sales clorhídricas debido a que la lámina de acero se puede ver gravemente afectada por este componente. El recubrimiento mínimo de la lámina establece que para una placa fabricada con Metaldeck 2” la altura mínima debe ser 10 cm y para el Metaldeck 3” debe ser 12 cm. Existe otro elemento indispensable para la fabricación de cualquier placa de concreto: la malla de acero de refuerzo. En el caso del sistema Metaldeck, este refuerzo se utiliza para controlar la retracción de fraguado del concreto y los esfuerzos por cambios térmicos que se puedan presentar en la placa. El refuerzo consiste en barras de acero o malla electrosoldada, que han demostrado ser eficientes en el control de grietas si se colocan cerca de la superficie del concreto. Por lo tanto se recomienda situar el refuerzo entre 2 cm y 2.5 cm por debajo del nivel de concreto. En ciertas ocasiones la especificación de este refuerzo puede aumentarse y trabajar como refuerzo negativo de la losa. Este caso se presenta normalmente cuando se quiere diseñar una losa con varias luces continuas.
Diseño En el mercado colombiano existen manuales tanto técnicos como de instalación que explican completamente todos los pasos necesarios para el correcto diseño y fabricación de este tipo de entrepisos. Siendo un tema extenso este escrito se limita a explicar los aspectos más importantes del diseño. El primer paso para el diseño de una placa de entrepiso es el estudio de los planos estructurales, en los cuales se pueden establecer las condiciones críticas para el diseño de la placa como son la luz máxima y las cargas que debe soportar el sistema. Teniendo estos datos, se realiza un prediseño de la placa y se establece si es necesario colocar apoyos intermedios temporales o definitivos, de acuerdo a las necesidades y preferencias del proyecto.
Una vez definida la geometría del proyecto y las cargas a soportar, se procede a diseñar la placa teniendo en cuenta dos condiciones básicas: El Metaldeck debe funcionar como formaleta para la fundición del concreto. Se debe garantizar que la lámina tenga una resistencia suficiente para soportar su peso propio, el peso del concreto fresco y las cargas adicionales que por construcción se presenten en la placa. Así mismo se debe asegurar un adecuado control de las deflexiones máximas de la lámina. Una vez fraguado el concreto sobre la lámina, los dos elementos comienzan a funcionar como un sistema compuesto que debe estar en capacidad de resistir las cargas vivas y muertas que se quieran colocar sobre la placa o descolgada de la misma. Igualmente se debe controlar la deflexión máxima de la placa. Para cumplir con la primera condición, se debe revisar que la deflexión de la lámina sea menor que la deflexión admisible. También se debe verificar la lámina para que soporte el peso del concreto y las cargas de construcción. Estas cargas deben ser como mínimo 100 kg/m² de carga distribuida y 300 kg/m2 de ancho de carga concentrada. En este punto se establece si la lámina necesita o no un apoyo o apuntalamiento temporal para construcción.
La segunda condición implica varios chequeos. Al igual que en el punto anterior se debe revisar la deflexión de la placa compuesta. También se debe revisar la tensión en el acero, la compresión en el concreto, el cortante en el acero y la resistencia a adherencia a cortante. En general los tres primeros chequeos no son extraños al diseñador, pero el último es poco conocido y de mucha importancia en este tipo de sistemas. La capacidad de adherencia a cortante es la capacidad del sistema para evitar un deslizamiento entre la lámina de acero y el concreto. Esta resistencia se da principalmente por los resaltes y hendiduras que generan un anclaje mecánico entre el acero y el concreto. Siendo un elemento de vital importancia, desafortunadamente no existe un método analítico para cuantificarlo. Es necesario por lo tanto realizar ensayos experimentales que proporcionen una serie de constantes con las que se puede realizar el diseño. Estas constantes son únicas para cada geometría y deben ser proporcionadas por el fabricante de la lámina
.Anclajes y accesorios Existen dos clases de anclaje en el Metaldeck: el anclaje lámina a lámina y el anclaje de las láminas a la estructura principal. Para el primero, la lámina cuenta con un doblez para encajar una lámina a la otra, generando un traslapo lateral. Adicionalmente, por norma internacional este traslapo debe ir unido cada 91cm. El anclaje se puede realizar con tornillo auto perforante referencia 10-16x5/8 o con remache pop. La segunda clase de anclaje (lámina - estructura) depende del tipo de estructura que se tenga. En general si se trata de concreto, se prefiere que la lámina quede embebida en las vigas con lo que se evita otro tipo de anclaje. Cuando se presenta estructura metálica normalmente se utilizan conectores de cortante. Como accesorios para las láminas de Metaldeck se encuentran las tapas, cuya función principal es cerrar las crestas que se presentan por el ondulado de la lámina y por donde se puede escapar gran cantidad de concreto. También se encuentran los distanciadores de la malla electrosoldada, encargados de mantener la malla alejada de la lámina y a la altura que el diseñador considere adecuada. Una vez colocadas las láminas, ancladas lateralmente y aseguradas a la estructura, se coloca la malla de refuerzo teniendo en cuenta la altura a la que debe quedar sobre la lámina. Finalmente se vierte el concreto y se vibra de la misma manera que en una placa convencional. El afinado y curado del concreto no difiere de ninguna manera a lo que se trabaja comúnmente
Proceso constructivo A continuación se enumeran los pasos necesarios antes de iniciar la instalación de Metaldeck. Transporte: se debe realizar en un vehículo carpado con plataforma rígida para evitar que el material se moje y que pueda sufrir alabeos o deflexiones permanentes en las láminas. Descargue y manejo: siendo un material liviano, se puede realizar de manera mecánica o manual, siguiendo las normas de seguridad recomendadas por el fabricante. Almacenamiento: es necesario garantizar que el sitio donde se almacena el material no tenga humedad, sea plano y esté cerca al lugar de instalación. También es necesario cubrir las láminas para evitar que se mojen. Corte de láminas en obra: si se requiere el corte de alguna lámina se puede utilizar pulidora, acetileno o soldadura. Para la instalación del Metaldeck se debe verificar si el diseño exige apoyos temporales y, en caso de ser necesarios, se debe chequear la existencia de los mismos pues es un factor crítico en el funcionamiento de las láminas como formaleta. Teniendo la estructura de apoyo y los apoyos temporales listos se procede a colocar las láminas de acuerdo al despiece de material proporcionado por el diseñador. La dirección de instalación depende de la geometría del proyecto, pero en general se debe iniciar donde se tenga una geometría regular y dejar las irregularidades para el final.
Costos El valor de una placa de Metaldeck varía de un proyecto a otro, dependiendo de las condiciones específicas del mismo. Se deben considerar diferentes variables como el nivel de cargas que va a soportar la placa, la necesidad de apuntalamientos temporales, la necesidad de viguetas intermedias y en general la geometría del proyecto encargada de determinar la mayoría de estas variables. El costo de los materiales para la construcción de una placa con Metaldeck puede estar alrededor de $34.000 pesos por metro cuadrado mas IVA. Adicionalmente, es importante analizar el costo de formaletas y rendimiento de obra con respecto a otros sistemas, pues es un ahorro importante que no se ve reflejado en los costos directos de la placa