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Tipos, Componentes, Diseño, Fabricación, Montaje y Aplicaciones en la Construcción Moderna, de las Estructuras Metálicas Principales. Estructuras Metálicas Principales en la Construcción - Función, Elementos, Diseño y Normas en Bogotá y Colombia

Estructuras Metálicas Principales: El Esqueleto Resistente de la Construcción Moderna

Dentro de la clasificación de estructuras metálicas según su función, las "estructuras principales" constituyen el armazón fundamental, el esqueleto que soporta todas las cargas (peso propio, cargas vivas, viento, sismo, etc.) y las transmite de manera segura a los cimientos. Son los elementos esenciales para la estabilidad y resistencia de cualquier edificación o construcción metálica. Comprender los diferentes tipos de estructuras principales, sus componentes, cómo funcionan y sus aplicaciones es crucial para cualquier profesional involucrado en el diseño, fabricación o construcción con acero.

¿Qué Define a una Estructura Metálica Principal?

Las estructuras metálicas principales se caracterizan por:

• Función Primordial: Soportar y transmitir las cargas verticales (peso propio, cargas vivas, nieve) y horizontales (viento, sismo) a los cimientos.
• Componentes Esenciales: Constituidas por elementos estructurales interconectados, diseñados para trabajar en conjunto y resistir las fuerzas aplicadas.
• Material Predominante: Generalmente fabricadas en acero estructural (acero al carbono o acero de alta resistencia y baja aleación - HSLA), aunque también pueden utilizarse otros metales como el aluminio en aplicaciones específicas.
• Diseño Riguroso: Su diseño se basa en principios de ingeniería estructural y en el cumplimiento de normas y códigos de construcción para garantizar la seguridad y estabilidad.
• Conexiones Críticas: Las conexiones entre los elementos estructurales (soldadas, atornilladas o remachadas) son puntos críticos que deben diseñarse y ejecutarse cuidadosamente.

Tipos Comunes de Estructuras Metálicas Principales

Existen diversos sistemas estructurales utilizados como estructuras principales en construcciones metálicas. La elección del sistema depende de factores como:

• La luz a cubrir (distancia entre apoyos).
• La altura de la estructura.
• Las cargas a soportar.
• Los requisitos arquitectónicos.
• Las condiciones del suelo.
• La disponibilidad de materiales.
• El costo.

Los tipos más comunes son:

1. Sistemas Aporticados (Marcos Rígidos)

• Descripción: Consisten en un conjunto de vigas y columnas conectadas rígidamente entre sí, formando pórticos o marcos. La rigidez de las conexiones (generalmente soldadas o con conexiones atornilladas de alta resistencia) permite que el marco resista las cargas laterales (viento, sismo) mediante la flexión de las vigas y columnas.
• Componentes:
  • Columnas: Elementos verticales que soportan las cargas axiales (compresión) y los momentos flectores.
  • Vigas: Elementos horizontales o inclinados que soportan las cargas transversales (flexión) y las transmiten a las columnas.
  • Conexiones Rígidas: Uniones entre vigas y columnas diseñadas para transmitir momentos flectores, fuerzas cortantes y fuerzas axiales.
  • Arriostramientos (en algunos casos): Elementos diagonales o en forma de cruz que se añaden para aumentar la rigidez lateral del marco en una dirección específica.
• Ventajas:
  • Gran versatilidad arquitectónica, ya que no requieren muros de corte ni arriostramientos diagonales en todas las direcciones.
  • Adecuados para edificios de varios pisos.
  • Buen comportamiento sísmico (si se diseñan adecuadamente).
• Desventajas:
  • Las conexiones rígidas pueden ser más complejas y costosas de fabricar que las conexiones simples.
  • Pueden requerir secciones de acero más grandes que otros sistemas para resistir los momentos flectores.
  • Mayor deformabilidad lateral en comparación con sistemas arriostrados.
• Aplicaciones:
  • Edificios de oficinas y comerciales de varios pisos.
  • Edificios industriales con amplios espacios libres.
  • Estacionamientos.
  • Hospitales.
  • Escuelas.

2. Sistemas Arriostrados (Marcos con Arriostramientos)

• Descripción: Similares a los sistemas aporticados, pero con la adición de elementos diagonales (arriostramientos) que proporcionan una mayor rigidez lateral y resistencia a las cargas horizontales. Los arriostramientos trabajan principalmente a tracción y compresión, reduciendo la flexión en las vigas y columnas.
• Componentes:
  • Columnas.
  • Vigas.
  • Arriostramientos: Diagonales, cruces de San Andrés, sistemas en K, sistemas en V invertida, etc.
  • Conexiones: Pueden ser rígidas o articuladas (simples), dependiendo del tipo de arriostramiento.
• Ventajas:
  • Mayor rigidez lateral y resistencia a cargas horizontales que los marcos rígidos.
  • Menores secciones de acero en vigas y columnas en comparación con los marcos rígidos.
  • Menor costo que los marcos rígidos en muchos casos.
• Desventajas:
  • Los arriostramientos pueden interferir con la distribución arquitectónica y las aberturas (puertas, ventanas).
  • Pueden ser menos versátiles arquitectónicamente que los marcos rígidos.
• Aplicaciones:
  • Edificios de gran altura.
  • Naves industriales con puentes grúa.
  • Estructuras expuestas a fuertes vientos o sismos.
  • Edificios donde se requiere una alta rigidez lateral.
• Tipos de arriostramientos
  • Concéntricos: Los ejes de los elementos que concurren en un nudo se intersectan en un mismo punto.
  • Excéntricos: Los ejes de los elementos que concurren en un nudo no se intersectan en un punto. Ofrecen mayor ductilidad.

3. Sistemas de Muros de Corte (Muros Portantes)

• Descripción: Utilizan muros de acero (paneles rigidizados o placas de acero) para resistir las cargas laterales (viento, sismo). Los muros de corte actúan como vigas verticales en voladizo, transmitiendo las fuerzas horizontales a los cimientos.
• Componentes:
  • Muros de Corte: Placas de acero o paneles de acero rigidizados (con perfiles o nervaduras).
  • Columnas (en algunos casos): Pueden utilizarse columnas para soportar las cargas verticales, además de los muros.
  • Vigas (en algunos casos): Pueden utilizarse vigas para conectar los muros de corte y distribuir las cargas.
  • Conexiones: Generalmente soldadas o atornilladas.
• Ventajas:
  • Alta rigidez lateral y resistencia a cargas horizontales.
  • Adecuados para edificios de gran altura.
  • Buen comportamiento sísmico.
• Desventajas:
  • Los muros de corte pueden limitar la flexibilidad arquitectónica y la distribución de espacios.
  • Pueden requerir mayor cantidad de acero que otros sistemas.
  • Mayor peso que otros sistemas.
• Aplicaciones:
  • Edificios de gran altura.
  • Núcleos de ascensores y escaleras.
  • Estructuras que requieren alta resistencia a cargas laterales.

4. Sistemas de Cerchas (Armaduras)

• Descripción: Utilizan cerchas (armaduras), que son estructuras trianguladas compuestas por elementos lineales conectados en sus extremos. Las cerchas trabajan principalmente a tracción y compresión, lo que permite cubrir grandes luces con un peso relativamente bajo.
• Componentes:
  • Cuerda Superior: Elemento superior de la cercha, generalmente a compresión.
  • Cuerda Inferior: Elemento inferior de la cercha, generalmente a tracción.
  • Montantes: Elementos verticales que conectan la cuerda superior e inferior.
  • Diagonales: Elementos inclinados que conectan la cuerda superior e inferior.
  • Nudos: Puntos de conexión entre los elementos de la cercha.
  • Correas: Elementos que se apoyan sobre las cerchas y soportan la cubierta.
• Ventajas:
  • Permiten cubrir grandes luces sin apoyos intermedios.
  • Peso relativamente bajo en comparación con su capacidad de carga.
  • Eficiencia en el uso del material.
  • Facilidad de prefabricación.
• Desventajas:
  • Pueden requerir mayor altura libre que otros sistemas.
  • La geometría triangular puede limitar las opciones arquitectónicas.
  • Las conexiones pueden ser complejas.
• Aplicaciones:
  • Cubiertas de naves industriales, almacenes, estadios, hangares, etc.
  • Puentes.
  • Torres de transmisión.
  • Estructuras espaciales.
• Tipos comunes de cerchas: Pratt, Howe, Warren, Vierendeel (esta última, en realidad, es un tipo de viga, no una cercha).

5. Sistemas Espaciales (Tridimensionales)

• Descripción: Estructuras tridimensionales que trabajan en conjunto para resistir las cargas en todas las direcciones. Pueden ser cúpulas geodésicas, mallas espaciales, estructuras tensadas, etc.
• Componentes: Varían según el tipo de sistema espacial, pero generalmente incluyen:
  • Barras o cables.
  • Nodos de conexión.
  • Membranas (en algunos casos).
• Ventajas:
  • Gran ligereza y eficiencia estructural.
  • Capacidad para cubrir grandes luces sin apoyos intermedios.
  • Versatilidad arquitectónica y estética.
• Desventajas:
  • Pueden ser más complejas de diseñar y analizar que los sistemas tradicionales.
  • Las conexiones suelen ser complejas.
  • Requieren mano de obra especializada para su montaje.
• Aplicaciones:
  • Cubiertas de grandes espacios (estadios, centros de convenciones, aeropuertos).
  • Cúpulas geodésicas.
  • Estructuras tensadas (tensoestructuras).

6. Sistemas Mixtos o Híbridos

• Combinan diferentes sistemas estructurales (por ejemplo, marcos rígidos con arriostramientos, o marcos con muros de corte) para optimizar el comportamiento estructural y adaptarse a los requisitos específicos del proyecto.

Componentes de las Estructuras Metálicas Principales

Las estructuras metálicas principales están compuestas por una variedad de elementos estructurales que trabajan en conjunto para resistir y transmitir las cargas. Los componentes más comunes son:

1. Columnas

• Función: Elementos estructurales verticales diseñados principalmente para soportar cargas axiales de compresión. También pueden resistir momentos flectores (flexión) y fuerzas cortantes.
• Tipos:
  • Columnas de Sección Maciza: Perfiles laminados en caliente (perfiles H, I, circulares, cuadrados, rectangulares).
  • Columnas Compuestas: Formadas por la unión de dos o más perfiles simples (por ejemplo, dos perfiles C unidos para formar una sección en H).
  • Columnas Celosías: Formadas por barras unidas en un patrón triangular (similar a una cercha), que proporcionan una alta relación resistencia-peso. Se utilizan para columnas de gran altura y/o con cargas elevadas.
  • Columnas con sección variable.
• Materiales: Acero al carbono, acero de alta resistencia y baja aleación (HSLA).
• Consideraciones de diseño: Pandeo (esbeltez), resistencia a la compresión, resistencia a la flexión, conexiones.

2. Vigas

• Función: Elementos estructurales horizontales o inclinados diseñados principalmente para soportar cargas transversales (flexión) y transmitirlas a las columnas o muros.
• Tipos:
  • Vigas de Alma Llena: Perfiles laminados en caliente (perfiles I, H) o perfiles armados (formados por placas de acero soldadas o atornilladas).
  • Vigas Celosía (Vierendeel): Vigas con aberturas en el alma, que reducen el peso y permiten el paso de instalaciones.
  • Vigas de Sección Variable: Vigas con una altura que varía a lo largo de su longitud, optimizadas para resistir los momentos flectores variables.
  • Vigas Compuestas: Vigas de acero que trabajan en conjunto con una losa de concreto, aprovechando la resistencia a la compresión del concreto y la resistencia a la tracción del acero.
  • Vigas Castelladas: Vigas con aberturas hexagonales o circulares en el alma, que aumentan su resistencia a la flexión sin aumentar significativamente su peso.
• Materiales: Acero al carbono, acero de alta resistencia y baja aleación (HSLA).
• Consideraciones de Diseño: Resistencia a la flexión, resistencia al corte, deflexión (flecha), pandeo lateral torsional, conexiones.

3. Arriostramientos

• Función: Elementos estructurales diagonales que proporcionan rigidez lateral a la estructura y resisten las fuerzas horizontales (viento, sismo). Trabajan principalmente a tracción y compresión.
• Tipos:
  • Diagonales Simples: Barras individuales que trabajan a tracción o compresión.
  • Cruces de San Andrés: Dos diagonales que se cruzan en forma de X.
  • Sistemas en K: Dos diagonales que se unen en un punto en la viga o columna.
  • Sistemas en V Invertida: Dos diagonales que se unen en un punto en la viga.
  • Sistemas Excéntricos: Los arriostramientos se conectan a las vigas o columnas de manera excéntrica, lo que introduce flexión en los elementos y aumenta la ductilidad del sistema (útil en zonas sísmicas).
• Materiales: Acero al carbono, acero de alta resistencia y baja aleación (HSLA), perfiles angulares, perfiles tubulares, barras redondas.
• Consideraciones de diseño: Resistencia a la tracción, resistencia a la compresión (pandeo), conexiones.

4. Cerchas (Armaduras)

Ya descritas anteriormente.

5. Muros de Corte

Ya descritos anteriormente.

6. Conexiones

• Función: Unir los diferentes elementos estructurales (vigas, columnas, arriostramientos) y transmitir las fuerzas entre ellos.
• Tipos:
  • Conexiones Soldadas: Se utiliza la soldadura para unir los elementos. Pueden ser a tope, de filete, de tapón, etc. Son las más comunes en estructuras metálicas.
  • Conexiones Atornilladas: Se utilizan tornillos (pernos) para unir los elementos. Pueden ser con tornillos de alta resistencia o tornillos ordinarios. Son más rápidas de montar que las conexiones soldadas, pero pueden ser más voluminosas.
  • Conexiones Remachadas: Se utilizaban remaches (roblones) en el pasado, pero han sido reemplazadas en gran medida por las conexiones soldadas y atornilladas.
  • Conexiones mixtas (soldadas y atornilladas).
• Clasificación según su Rigidez:
  • Conexiones Rígidas (o de Momento): Transmiten momentos flectores, fuerzas cortantes y fuerzas axiales entre los elementos.
  • Conexiones Articuladas (o Simples): Solo transmiten fuerzas cortantes y axiales. Se suponen que no transmiten momentos flectores (aunque en la realidad siempre hay alguna transmisión de momento).
  • Conexiones Semirrígidas: Tienen un comportamiento intermedio entre las conexiones rígidas y las articuladas. Transmiten una cierta cantidad de momento flector, pero no tanto como una conexión rígida.
• Materiales: Acero (para soldadura y placas de conexión), tornillos de alta resistencia, tornillos ordinarios.
• Consideraciones de Diseño: Resistencia de la conexión (a corte, tracción, aplastamiento, etc.), rigidez de la conexión, ductilidad de la conexión, facilidad de montaje, inspección y mantenimiento.

7. Placas Base

• Función: Elementos de acero que se colocan en la base de las columnas para distribuir las cargas de la columna sobre los cimientos de concreto.
• Componentes:
  • Placa de Acero: Generalmente rectangular.
  • Pernos de Anclaje: Pernos de acero que se embeben en el concreto y se conectan a la placa base para fijar la columna a los cimientos.
  • Mortero de Nivelación (Grout): Se utiliza para rellenar el espacio entre la placa base y el concreto, asegurando un contacto uniforme y una distribución adecuada de las cargas.
• Consideraciones de diseño:Resistencia al aplastamiento de la placa, resistencia a la flexión de la placa, resistencia de los pernos de anclaje, adherencia del mortero de nivelación.

Diseño de Estructuras Metálicas Principales

El diseño de estructuras metálicas principales es un proceso complejo que requiere un conocimiento profundo de la mecánica estructural, las propiedades de los materiales y las normas y códigos de construcción aplicables. El objetivo principal del diseño es garantizar la seguridad, la estabilidad y la funcionalidad de la estructura bajo las cargas previstas durante su vida útil.

Etapas del Diseño

1. Conceptualización: Se define la forma general de la estructura, el tipo de sistema estructural a utilizar (aporticado, arriostrado, etc.), la ubicación de los apoyos y las principales dimensiones. Se consideran los requisitos arquitectónicos, funcionales y económicos.
2. Análisis Estructural: Se determinan las fuerzas internas (momentos flectores, fuerzas cortantes, fuerzas axiales) y las deformaciones en los elementos estructurales bajo las diferentes combinaciones de carga. Se utilizan métodos de análisis elástico o inelástico, y software de análisis estructural.
   • Cargas:
     • Cargas muertas: Peso propio de la estructura y de los elementos permanentes (revestimientos, instalaciones, etc.).
     • Cargas vivas: Cargas variables debidas al uso de la estructura (personas, muebles, equipos, nieve, etc.).
     • Cargas de viento: Fuerzas debidas a la acción del viento sobre la estructura.
     • Cargas sísmicas: Fuerzas debidas a los movimientos del terreno durante un terremoto.
     • Otras cargas: Cargas de temperatura, cargas de impacto, cargas de construcción, etc.
   • Combinaciones de carga: Se consideran diferentes combinaciones de carga para simular las diferentes situaciones que pueden ocurrir durante la vida útil de la estructura.
   • Métodos de análisis:
     • Análisis elástico lineal: Se supone que el material se comporta elásticamente (la deformación es proporcional a la carga) y que las deformaciones son pequeñas. Es el método más común.
     • Análisis elástico no lineal: Se consideran las no linealidades geométricas (grandes deformaciones) y/o las no linealidades del material (comportamiento plástico).
     • Análisis inelástico: Se considera el comportamiento plástico del material. Se utiliza para estructuras sometidas a cargas extremas (como sismos) o para evaluar la capacidad de carga última de la estructura.
   • Software de análisis: Se utilizan programas de computadora (como SAP2000, ETABS, Robot Structural Analysis, STAAD.Pro, etc.) para realizar el análisis estructural.
3. Dimensionamiento: Se seleccionan las secciones transversales de los elementos estructurales (vigas, columnas, arriostramientos) de manera que sean capaces de resistir las fuerzas internas calculadas en el análisis estructural, con un margen de seguridad adecuado. Se verifican las resistencias a flexión, corte, compresión, tracción, pandeo, etc., según las normas de diseño.
   • Criterios de resistencia: Los elementos estructurales deben ser capaces de resistir las fuerzas internas sin exceder los límites de resistencia del material.
   • Criterios de rigidez: Las deformaciones de la estructura deben ser limitadas para garantizar la funcionalidad y el confort de los usuarios.
   • Criterios de estabilidad: Se debe evitar el pandeo de los elementos comprimidos (columnas, arriostramientos).
4. Diseño de Conexiones: Se diseñan las conexiones entre los elementos estructurales para que sean capaces de transmitir las fuerzas calculadas en el análisis estructural. Se consideran diferentes tipos de conexiones (soldadas, atornilladas) y se verifican sus resistencias.
5. Elaboración de Planos y Especificaciones: Se elaboran planos detallados de la estructura, que incluyen la geometría, las dimensiones de los elementos, las conexiones, los materiales y los procesos de fabricación y montaje. Se redactan especificaciones técnicas que describen los requisitos de calidad de los materiales, la fabricación, el montaje y la inspección.
6. Verificación: Revisar que el diseño cumpla con todos los códigos.
7. Optimización: Buscar la solución mas económica.

Normas y Códigos de Diseño

El diseño de estructuras metálicas principales debe realizarse de acuerdo con las normas y códigos de construcción vigentes en el lugar donde se construirá la estructura. Algunas de las normas más importantes son:

• Estados Unidos:
  • AISC 360: Specification for Structural Steel Buildings (Especificación para Edificios de Acero Estructural), publicada por el American Institute of Steel Construction (AISC).
  • ASCE 7: Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures (Cargas Mínimas de Diseño para Edificios y Otras Estructuras), publicada por la American Society of Civil Engineers (ASCE).
• Europa:
  • Eurocódigo 3 (EN 1993): Design of steel structures (Diseño de estructuras de acero).
  • Eurocódigo 8 (EN 1998): Design of structures for earthquake resistance (Diseño de estructuras para resistencia sísmica).
• Colombia:
  • NSR-10: Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente. Título F - Estructuras Metálicas.
  • NTC (Normas Técnicas Colombianas): Varias NTC relevantes para materiales, soldadura, etc.
• Otros países: Cada país tiene sus propias normas.

Fabricación y Montaje de Estructuras Metálicas Principales

La fabricación y el montaje de estructuras metálicas principales son procesos que requieren precisión, control de calidad y mano de obra especializada. Se deben seguir rigurosamente los planos y especificaciones del proyecto.

Fabricación

1. Recepción y Almacenamiento de Materiales: Se reciben los perfiles de acero, placas, tornillos y otros materiales, verificando que cumplan con las especificaciones y normas de calidad. Se almacenan adecuadamente para evitar daños y corrosión.
2. Corte: Los perfiles y placas se cortan a las longitudes y formas requeridas, utilizando sierras, cizallas, oxicorte o plasma.
3. Preparación de Bordes: Se preparan los bordes de las piezas a soldar (biselado, limpieza) para asegurar una buena penetración y calidad de la soldadura.
4. Perforado: Se realizan los orificios para los tornillos, utilizando taladros o punzonadoras.
5. Armado: Se ensamblan los diferentes elementos (vigas, columnas, arriostramientos) en subconjuntos, utilizando plantillas y dispositivos de sujeción para garantizar la geometría correcta.
6. Soldadura: Se unen los elementos mediante soldadura, siguiendo los procedimientos de soldadura especificados y utilizando soldadores calificados.
7. Enderezado: Se corrigen las posibles deformaciones causadas por la soldadura.
8. Limpieza y Preparación de Superficies: Se eliminan los residuos de soldadura, óxido y otros contaminantes, y se prepara la superficie para la aplicación de pintura o recubrimientos.
9. Pintura o Protección Anticorrosiva: Se aplica una capa de pintura o recubrimiento anticorrosivo para proteger el acero de la corrosión. El tipo de protección depende del ambiente al que estará expuesta la estructura. Puede ser pintura, galvanizado, metalizado, etc.
10. Inspección y Control de Calidad: Se realizan inspecciones visuales, dimensionales y ensayos no destructivos (END) para verificar la calidad de la fabricación, especialmente de las soldaduras.
11. Marcado e identificación.

Montaje

1. Planificación del Montaje: Se elabora un plan de montaje detallado, que incluye la secuencia de montaje, los equipos de elevación a utilizar (grúas), las medidas de seguridad y los procedimientos de trabajo.
2. Preparación del Terreno: Se prepara el terreno donde se construirá la estructura, asegurando una base firme y nivelada.
3. Replanteo: Se marcan en el terreno las posiciones de las columnas y otros elementos estructurales, de acuerdo con los planos.
4. Colocación de Placas Base: Se colocan las placas base de las columnas sobre los cimientos, nivelándolas y fijándolas con los pernos de anclaje.
5. Izaje y Montaje de Columnas: Se izan las columnas con grúas y se conectan a las placas base. Se utilizan elementos de arriostramiento temporales para asegurar la estabilidad de las columnas durante el montaje.
6. Montaje de Vigas y Arriostramientos: Se izan y se conectan las vigas y los arriostramientos a las columnas, siguiendo la secuencia de montaje planificada.
7. Alineación y Aplome: Se verifica que la estructura esté correctamente alineada y aplomada (vertical).
8. Ajuste y Apriete Final de Conexiones: Se ajustan y se aprietan las conexiones atornilladas al torque especificado.
9. Inspección Final: Se realiza una inspección final de la estructura montada para verificar que cumpla con los planos y especificaciones, y que no haya defectos.
10. Retoques de pintura (si es necesario).

El Futuro de las Estructuras Metálicas Principales

• Aceros de mayor resistencia.
• Diseño por desempeño.
• Fabricación y montaje automatizado.
• Construcción modular.
• Sostenibilidad.
• Estructuras inteligentes.
• Modelado BIM (Building Information Modeling).

Las estructuras metálicas principales, y en particular, las de acero, continuarán siendo esenciales en la construcción, adaptandose a las necesidades, e incorporando innovaciones.