¿Cómo calcular estructuras de Acero?

 

Ante el inminente crecimiento exponencial de la demanda de edificios de mediana y gran altura en las principales ciudades, las estructuras de acero, han tomado gran relevancia ya que como sistema estructural y sistema constructivo ha sacado gran ventaja frente a otras alternativas, es por ello que los integrantes que componen la cadena de un proyecto en planes de ejecución, han optado por diversificar sus alternativas y han comenzado a adentrarse en el campo de las estructuras de acero.

Las primeras interrogantes que nos surgen cuando queremos migrar nuestro sistema constructivo a uno de acero son, ¿qué consideraciones de diseño debo tomar en cuenta para diseñar una estructura de acero?

 

Del predimensionamiento al diseño final

Parte del trazo de una buena ruta para el correcto diseño de una estructura de acero, va a partir en primera instancia de una buena conceptualización estructural, es muy atinado decir que un buen proyecto de diseño estructural se resuelve desde una buena estructuración del proyecto.

El predimensionamiento será en este caso, un acercamiento a la geometría de la sección final que se empleará para tender las solicitaciones que tenga el proyecto, en esta primera etapa podremos hacer aproximaciones a las dimensiones que más van a influir en tema de espacios como lo son, la obtención del peralte o altura de los elementos. En el caso de las estructuras de acero, la práctica y la experiencia de diversos diseñadores y fabricantes, nos han dejado como legado diversas fórmulas empíricas para un adecuado predimensionamiento, que nos dejan muy cerca de la solución ejecutiva del proyecto.

Para un buen predimensionamiento debemos tener en consideración las siguientes condiciones, claro a salvar y las cargas estimadas sobre los elementos, estas pueden ser de 2 tipos, permanentes o “muertas” y cargas transitorias o  “vivas” y finalmente  tomar en cuenta las condiciones de apoyo.

_{Figura 1}

 

Entre las fórmulas que nos pueden dar un buen acercamiento a la obtención de estas dimensiones tenemos las siguientes;

• Para obtener el peralte en vigas IR, laminadas o formadas por 3 placas se recomienda la siguiente expresión:

• Para armaduras de cuerdas paralelas, el peralte se calcularía con la siguiente expresión;

Considerar también la disposición de las diagonales logrando en lo mayor de lo posible un ángulo de 45°, lo que se lograría con una separación de montantes similar a la longitud del peralte.

• Para estructuras espaciales tipo “tridilosas” o similares, se recomienda lo siguiente;

• Para largueros tipo “joist” el peralte recomendado sería igual a;

• Para largueros tipo polín “C” o “Z”, se obtiene directamente así;

• Para columnas el dimensionado es más complejo, dependiendo de las acciones horizontales a las que estará sometida finalmente, para hacer una concepción congruente, se recomienda respetar las dimensiones de la viga a conectar con la columna, que pertenezca a la misma familia pero de mayor peso, respetando el criterio de columna fuerte viga débil.

 

Revisiones de elementos y uso de los códigos de diseño

Para un buen diseño estructural tenemos que tomar en cuenta los códigos de diseño vigentes, así como su alcance aplicativo, debemos tener en cuenta hasta dónde son aplicables los códigos internacionales y pueden ser buena referencia para casos locales, en la mayoría de los casos las revisiones que tenemos que hacer son congruentes de un código a otro en términos de que los códigos entienden el fenómeno físico que regirá cada condición crítica de diseño, entre las revisiones que no tenemos que pasar desapercibidas podemos mencionar las siguientes:

 

• Revisión de elementos a tensión
  • Flujo plástico en la sección total
  • Fractura en sección neta
  • Fractura en el bloque de cortante
  • Aplastamiento y desgarre
• Revisión de miembros en flexión
  • Fluencia o plastificación
  • Pandeo local de alma y patines
  • Pandeo lateral
• Revisión de elementos en compresión
  • Pandeo general
  • Pandeo local
  • Pandeo por torsión
• Revisión de miembros en flexocompresión
  • Pandeo general
  • Pandeo local de alma y patines
  • Pandeo lateral torsional
  • Plastificación del miembro
  • Falla por corte en el alma
  • Falla por deformación

 

_{Figura 2}

 

_{Figura 3}

 

Definición de conexiones

Finalmente la selección del tipo de conexiones es un aspecto que no podemos dejar en las manos solo del diseñador estructural, tenemos que considerar que la participación del fabricante es elemental, ya que este evaluará con mayor detalle sobre la factibilidad de ejecución de las conexiones propuestas por el diseñador.

Sobre el tipo de conexiones que se pueden emplear, tenemos prácticamente 3 alternativas, uniones soldadas, atornilladas o una mezcla de ambas, el seleccionar un tipo de conexión sobre de otra no significa que una sea mejor que otra en términos de diseño, sino se involucran otros aspectos como, la velocidad de ejecución, la capacidad del taller para fabricarlas con gran precisión y las condiciones que se tendrán a la hora del montaje, estas son condiciones que nos darán la mejor alternativa para seleccionar el tipo de conexión a emplear y finalmente generar el diseño final.

 

REFERENCIAS

1. Libro, “Diseño Básico de Estructuras de Acero”, 2019, Gerdau Corsa.

Para garantizar la seguridad estructural de cualquier estructura se deben cumplir todos los estados límite de falla establecidos en las especificaciones de diseño estructural en acero tales como el AISC, las NTC de la Ciudad de México y el código ASCE. Además del estado límite de falla es importante que se cumpla también el estado límite de servicio el cual tiene más en consideración en las condiciones funcionales del edificio.

Los diferentes tipos y calidades de acero ayudan a que los miembros que constituyen una edificación no lleguen a tener fallas como fluencia, pandeo, rupturas, etc., para el estado límite de servicio es indistinta la calidad del acero, en este caso la rigidez de los materiales es la que aporta a contrarrestar los desplazamientos ocasionados por cargas gravitacionales en el caso de trabes y vigas y los desplazamientos laterales producto de las cargas accidentales en el caso de las columnas.

 

El comportamiento de una estructura dependerá de los criterios de estructuración que se tengan. Una estructura totalmente contraventeada siempre resultará más económica que una estructura que depende totalmente de los marcos para resistir las fuerzas laterales producidas por cargas accidentales, en el caso de los marcos rígidos además deberemos cumplir con el criterio de columna fuerte y trabe débil, el cual consiste en que los elementos verticales denominados columnas permanezcan en pie durante el proceso de falla de los sistemas permitiendo así un mayor factor de seguridad en las edificaciones.

Para poder establecer un criterio de estructuración contraventeada se deberá estudiar el proyecto arquitectónico y siempre que se pueda se determinará en que posición deberán incluirse dichos dispositivos. En los edificios de tipo industrial es complicado colocar dichos elementos en los ejes interiores ya que con ello se entorpecen los flujos de operación que dependen del destino propio de la edificación. Por eso, las columnas serán las responsables de garantizar que la edificación permanezca dentro de los límites de servicio establecidos en las especificaciones de diseño estructural.

 

Existen diversas secciones estructurales que pueden ocuparse como columnas, tales el caso de los perfiles OR los cuales tienen gran ventaja sobre otras secciones ya que la rigidez que aportan en ambos sentidos de trabajo es igual o muy similar, pero, para garantizar que las estructuras funcionen de acuerdo con un modelo ideal de estructuración con este tipo de secciones deberán desarrollarse conexiones que en la mayoría de los casos encarecen su fabricación cuando es necesario colocar diafragmas por el interior de ellas. Debido a lo anterior, los perfiles IR tiene ventaja por la sencillez con la que se convierten en estructuras, agregándole valor al desarrollo de conexiones debido a que son secciones abiertas y se puede dar continuidad sobretodo en conexiones de trabes con columnas que son rígidas, sin embargo, se encuentran limitadas para poder cumplir con estado límite de servicio debido a su baja rigidez en su sentido débil de trabajo siendo las secciones H las que más convienen para desarrollarse como columnas.

Con los avances tecnológicos en los procesos de los talleres que se dedican a la fabricación de estructuras se han estudiado diversas maneras de cómo hacer productivos sus procesos y uno de los que últimamente se desarrollan es el colocar dos perfiles IR termo fusionados con soldadura para generar secciones IR que son más económicas pero que se acerquen a las secciones huecas siendo una gran ventaja el duplicar sus propiedades geométricas en su sentido débil, este sistema se ha implementado en varios proyectos en los talleres de ESJ, empresa fabricante de componentes estructurales que se convierten sobretodo en edificios industriales. Con este sistema se logran beneficios no únicamente en cumplir con el estado límite de servicio, sin no que también se logra bajar el peso general de las estructuras optimizando los volúmenes de acero necesarios para cumplir con el estado límite de falla.

 

El comportamiento de este tipo de columnas no está definido propiamente en ningún capítulo del AISC, aunque podrán ocuparse las revisiones de las secciones huecas de tipo OR ya que al unirlas entre sí adoptan una especie de cajón con patines no atiesados en alguna parte de la sección las cuales deberán tratarse como lo establecen las de tipo IR. Esto se ha definido en varios proyectos estructurales dentro de la república mexicana, ESJ ha fabricado y suministrado la mayoría de estos proyectos, las fotografías presentadas son de los talleres de ESJ ubicados en Chihuahua, Chihuahua y Juventino Rosas Guanajuato.

Las ventajas obtenidas por el desarrollo de este tipo de secciones se resumen en lo siguiente:

• Menor costo en secciones de columnas debido al menor costo comparado con otras soluciones a pesar de su mayor peso.

• Procesos de fabricación simple, ya que la soldadura es intermitente.

• Mejor comportamiento en relación con el cumplimiento de los estados límite de falla y los estados límite de servicio.

• Menor tiempo de producción comparado con las secciones formadas por placas, esto se traduce en mayor volumen producido en los talleres, lo que ocasiona optimización en todos los demás recursos.