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VISIÓN PANORÁMICA DE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO EN MÉXICO PARTE 1

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DESPUÉS DE LOS SISMOS DE 1985 DE LA CIUDAD DE MÉXICO.

En los últimos años, particularmente después de los daños ocasionados por los sismos de 1985 en la Ciudad de México, el uso de la estructura de acero en el medio de la ingeniería ha visto aumentar su importancia en la construcción de edificios cuya arquitectura tiende a lo contemporáneo.

De acuerdo con fuentes confiables y estadísticas recientes, el uso de este tipo de estructura en la industria de la construcción hoy en día asciende al 12 %. Se estima que, en los próximos años, la estructura de acero tendrá mayor participación en la construcción en virtud de que, gracias a la difusión y a la promoción que realiza la industria del acero en México —a través de la Canacero y de AHMSA—, especialmente en las universidades donde se imparten las carreras de ingeniería y arquitectura, se fomenta una cultura permanente del uso del acero y los resultados seguramente serán favorables a corto y mediano plazo.

Los modernos sistemas estructurales para edificios de acero utilizados hoy en día en el mundo son ilimitados. Con la estructura de acero se puede proyectar, diseñar y construir prácticamente lo que sea. En México y en el mundo existen numerosos ejemplos de edificios espectaculares y de características inusuales, como el Estadio Olímpico de Pekín —China—, también conocido como Nido de Pájaro, el Museo Guggenheim de Bilbao —España—, el Burj Khalifa —Dubái—, la Torre Shanghái — China—, la Torre Mayor, la Torre Reforma y el Museo Soumaya —Ciudad de México—, por mencionar algunos ejemplos.

En arquitectura contemporánea, el acero es estructura y, al mismo tiempo, material decorativo. Está íntimamente relacionado con la arquitectura industrial, estimula la imaginación y creatividad del arquitecto, dado que el arquitecto moldea al acero a su conveniencia, lo que dinamiza los espacios. La estructura metálica es un sistema absolutamente industrializado —prefabricado— y sustentable, especialmente conveniente en arquitectura orgánica y vertical, con la que se puede construir lo que sea y, por ende, es el sistema constructivo de excelencia en la actualidad: Calatrava, César Pelli, Jean Nouvel y Norman Foster, por mencionar algunos arquitectos reconocidos mundialmente, han proyectado edificios de acero de vanguardia y tecnología de punta.

Con las estructuras de acero se da forma a las concepciones arquitectónicas y estructurales más sofisticadas, que se integran armoniosamente a su entorno urbano. Las razones de su uso en la arquitectura contemporánea se deben, fundamentalmente, a que permiten salvar claros fuertes, se logran formas audaces, se obtiene una grata apariencia, se reduce considerablemente el tiempo de construcción y la transparencia de la estructura de acero se traduce en un costo razonable.

En los edificios aparentes, la estructura de acero habla por sí misma y forma parte integral del diseño arquitectónico. El uso de
la estructura de acero en México ha demostrado que este sistema tiene excepcionales características que permiten proyectar obras sumamente complejas, lo que, con cualquier otro material, sería difícil de materializar.

La estructura metálica tiene características naturales que concuerdan con los requisitos de la construcción sustentable, al ser un sistema innovador y amigable con el medio ambiente gracias a sus beneficios potenciales de reciclaje. El paradigma de la arquitectura contemporánea es la simplicidad y la complejidad: entre más simple parezca, más compleja resulta.

Así, la estructura de acero posibilita la construcción de rascacielos sustentables — pequeñas ciudades verticales— en metrópolis densamente pobladas como Nueva York, San Francisco, Los Ángeles, Dubái, Hong Kong, Tokio, Bombay, Shanghái o la Ciudad de México, entre otras.

La estructura debe cumplir con la función para la que ha sido destinada con un grado razonable de seguridad, de manera que tenga un comportamiento adecuado de acuerdo con las condiciones normales de servicio u operación que se le han asignado. Además, debe satisfacer otros requisitos, tales como mantener el costo dentro de los limites económicos y satisfacer las especificaciones generales del proyecto. Por lo mismo, se vuelve necesario proponer diversas alternativas estructurales para obtener la solución más económica y viable. El costo de una estructura de acero hace necesaria la optimización de cada una de las etapas de diseño, fabricación y montaje, para lo cual se requiere una supervisión oportuna y profesional.

Una estructura puede concebirse como un sistema: un conjunto de componentes que se combinan de forma ordenada para cumplir con una función dada. De hecho, toda estructura no es sino parte de un sistema más complejo, como puede ser un edificio o un complejo industrial. En un edificio, por ejemplo, pueden distinguirse varios subsistemas además del estructural, como son las instalaciones eléctricas, hidrosanitarias, de voz y datos o el aire acondicionado.

La función de una estructura es muy precisa y puede ser salvar un claro —como en el caso de los puentes vehiculares—, encerrar un espacio —como sucede en los distintos tipos de edificios urbanos—, o contener un empuje de agua o de tierra —como en los muros de retención y contención en tanques o silos—.

La estructura de acero se construye en dos partes diferentes: en un taller de fabricación especializado y en campo o sitio de la obra. Cuando los elementos estructurales se ensamblan en su posición definitiva, se dice que la estructura ha sido montada en sitio. Si la estructura se fabrica en un lugar distinto al de su posición definitiva, se dice que ha sido manufacturada en taller —prefabricación—.

Con el montaje en campo se economiza el tiempo de construcción si la estructura de acero es prefabricada a manera de mecano y se lleva un estricto control de calidad de las soldaduras y una supervisión oportuna.

El proyectista debe tomar en cuenta estas dos etapas de construcción para lograr una economía razonable en su diseño.

El segundo proceso constructivo obliga a una secuencia programada de actividades dado que, para iniciar cada etapa, es necesario esperar a que se haya concluido la anterior. Por ejemplo, no se pueden montar las columnas en su posición final hasta que no quede perfectamente verificada la posición de las anclas y esté terminada la cimentación, así como tampoco se puede proceder al vaciado y colado de los sistemas de piso compuestos acero/concreto de un nivel hasta que no se hayan colocado las vigas interiores o secundarias a separaciones convenientes que complementan la estructura horizontal, la lámina de acero acanalada o cimbra perdida, los pernos conectores de cortante y la malla electrosoldada.

Además, a menudo es necesario construir obras falsas de apuntalamiento temporal en lo que el concreto, después de su vaciado en estado fresco, alcanza la resistencia esperada.

En un edificio de acero, el esqueleto o sistema estructural está formado por dos estructuras, una vertical y otra horizontal, que se ligan en dos planos perpendiculares. La estructura horizontal está constituida por las columnas, los sistemas de contraventeo y los muros de rigidez de concreto reforzado —generalmente el núcleo central del edificio—.

La estructura horizontal la forman las trabes, vigas secundarias, armadura y contraventeos horizontales. Ambas estructuras se unen mediante diversas conexiones, que son los puntos medulares de las estructuras metálicas. Los sistemas de piso compuestos acero/concreto crean las superficies horizontales donde se realizarán las actividades propias del edificio, y los muros no estructurales permiten delimitar los espacios útiles o áreas rentables del edificio.

Otra aspectos fundamentales del diseño de una estructura de acero que debe tomar en cuenta el proyectista en la etapa de la concepción o estructuración del edifico son las vibraciones y los desplazamientos laterales, que deben controlarse a límites tolerables.

Nuevos materiales

Como consecuencia de los graves daños ocasionados por varios sismos fuertes alrededor del mundo, la industria del acero ha innovado mediante la producción de aceros estructurales que resultan muy convenientes en zonas sísmicas. Uno de los aceros que tiene propiedades favorables de soldabilidad, ductilidad y resistencia es el ASTM A992, que tiene un esfuerzo de fluencia Fy = 3,515 kg/cm2 y un esfuerzo de ruptura Fu = 4,570 kg/cm2.

Este acero ya se produce en México. No obstante, a pesar de que la industria del acero ha incrementado la gama de perfiles estructurales laminados, a la fecha se siguen utilizando profusamente columnas fabricadas con cuatro placas soldadas y vigas de tres placas, en vez de perfiles laminados IR o H.

Si el especialista en estructuras desconoce las dimensiones comerciales de la placa para dar sus correctas dimensiones a estas secciones armadas, puede tener un desperdicio

importante de acero. Esta práctica de construcción tradicional requiere más mano de obra, tiempo de fabricación y control de calidad; por lo tanto, se recomienda ampliamente utilizar secciones abiertas IR para vigas y H para columnas que facilitan las conexiones estructurales

trabe–columna. Otros materiales novedosos en el mercado nacional son las láminas de acero acanaladas para sistemas de piso de grandes claros fabricadas por Tata Steel, que eliminan las vigas secundarias y paneles prefabricados para fachadas y cubiertas ligeras tipo Ternium.

Normatividad para diseño de estructuras de acero

La normatividad para diseño y construcción de estructuras que se aplica en México tiene como objetivo garantizar un comportamiento satisfactorio de las edificaciones y, de esta manera evitar —en el caso de sismos de gran magnitud— daños económicos elevados y, especialmente, pérdidas de vidas humanas.

Los reglamentos de construcción actualizados en México toman en cuenta diversos aspectos referentes a las experiencias al conocimiento derivados de los sismos ocurridos en el mundo y en el país, así como los estudios e investigaciones que se realizana partir de ellos.

En México se cuenta actualmente con una normatividad completa para el diseño y construcción de estructuras de acero: especificaciones IMCA, normas técnicas complementarias para diseño y construcción de estructuras metálicas del Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal y especificaciones AISC–2005 —diseño dual: diseño por factores de carga y resistencia y diseño por resistencia permisible—.

Las últimas normas de la Comisión Federal de Electricidad —CFE— para evaluar las acciones accidentales de viento y sismo son muy completas, pero conducen a resultados que requieren mucho conocimiento y experiencia geotécnica por parte del usuario.

Criterios de análisis y diseño estructural: filosofías de diseño

Los primeros estudios sobre el comportamiento y diseño de miembros de acero estructural se basaron en la teoría del comportamiento elástico de los materiales. Por ejemplo, la ley de Hooke, que establece que el acero tiene un comportamiento elástico, y que los esfuerzos se relacionan directamente con las deformaciones unitarias, ha sido la base fundamental del diseño elástico o del diseño por esfuerzos permisibles.

La teoría elástica constituyó el principal método de diseño desde el inicio del siglo pasado hasta la década de 1990. A partir de la publicación de las especificaciones AISC–LRFD/86 se comenzó a dar una rápida transición al diseño por factores de carga y resistencia por tratarse de un método más racional y más realista que el tradicional.

Después de muchos años de experiencia práctica y pruebas de laboratorio, ahora se conoce mejor el comportamiento del acero estructural y se va dejando en el pasado el método de diseño basado en esfuerzos permisibles, ya que no permite predecir el comportamiento real de la estructura en el umbral de la falla.

En el diseño por esfuerzos permisibles o de trabajo, las secciones transversales de los elementos estructurales se diseñan suponiendo una variación lineal en la relación esfuerzo–deformación, lo que asegura que, bajo las cargas de servicio o de trabajo, los esfuerzos en el material no exceden los esfuerzos permisibles de trabajo. Las solicitaciones que actúan en los miembros estructurales son nominales o de trabajo —cargas no factorizadas—.

A partir de la aparición, por primera vez, de la fluencia en una sección crítica de un miembro estructural, el comportamiento del acero deja de ser elástico y, si las cargas aumentan en otras secciones críticas, aparecerán las articulaciones plásticas, lo que se manifiesta en un incremento notable de las deformaciones plásticas y en el desarrollo de la ductilidad hasta llegar al punto en el que el acero es incapaz de resistir más carga y se presenta la falla de la estructura.

El diseño por resistencia última es un método de dimensionamiento basado en el estado de ruptura o falla del material. El planteamiento analítico se hace con base en que el acero trabaja a su esfuerzo de ruptura. En este método, las cargas se incrementan multiplicándolas por un factor de carga mayor que la unidad.

El Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal —2004— obliga a tomar en cuenta, en el diseño estructural de cualquier tipo de estructura, la revisión de dos estados límites: de falla y de servicio.

Un estado límite de falla es aquel que se refiere al agotamiento de la capacidad resistente de un elemento estructural o de alguna parte de la estructura, incluyendo la cimentación, o cuando ocurren daños irreversibles que afecten de manera significativa a la capacidad resistente de la estructura.

Uno de los objetivos del reglamento es el de tener una seguridad adecuada contra la aparición de cualquier estado límite de falla. A su vez, el estado límite de servicio corresponde a la aparición de daños que requieren reparación, o a la presencia de desplazamientos laterales o vibraciones que interfieran con el funcionamiento correcto de una edificación.

Se permiten procedimientos alternativos que proporcionen, a juicio del gobierno del Distrito Federal, niveles de seguridad no menores que los que se obtienen con las Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras Metálicas —2004—. Debe revisarse que se cumple la condición para los estados límite de falla correspondientes a todas las condiciones de carga de interés y que se satisfacen también los estados límite de servicio propios del problema en estudio.

FRRn FC Σ S

Los valores de las acciones, sus combinaciones y los factores de carga —segundo miembro de la expresión: acciones de diseño— se fijan en el título VI del reglamento —“De la seguridad estructural de las construcciones”—, mientras que en las NTC–2004 se estipulan los valores de factores de reducción de resistencia y los procedimientos para evaluar las resistencias nominales de los elementos más comunes en estructuras metálicas —primer miembro de la expresión anterior: resistencias de diseño—.

Los valores de los parámetros que aseguran un comportamiento adecuado desde el punto de vista de servicio, como pueden ser flechas máximas o períodos de vibración, deben escogerse teniendo en cuenta el uso que se le dará a la estructura. Los estados límites se revisan utilizando las cargas de servicio o de trabajo que corresponden a cada uno de ellos.

Sistemas estructurales

La elección del sistema estructural es, sin duda, uno de los factores más importantes en la etapa de la concepción de la estructura y la que más afecta el costo de la misma.

La elección del sistema estructural implica, a su vez, la selección del material de construcción. En esta etapa, el proyectista debe tener en cuenta las características de la mano de obra y el equipo disponible, así como el procedimiento y las técnicas de construcción modernas adecuadas a cada caso particular.

Actualmente, los sistemas estructurales tradicionales se reemplazan por nuevas concepciones estructurales: “tejidos estructurales horizontales y verticales”.

Estructuración

En la etapa de la estructuración del edificio de acero, el ingeniero debe aplicar muchos de los fundamentos y principios generales de la ingeniería estructural y sísmica, en los que se basa el entendimiento y la comprensión respecto al comportamiento del acero y de los sistemas estructurales.

Se debe de aplicar, también, la experiencia de la ingeniería estructural práctica, cuyo uso inteligente podría facilitar la solución a los problemas comunes de diseño, pero cuyo uso inapropiado puede conducir a diseños inadecuados, caros o, aún peor, a fallas estructurales catastróficas.

En esta etapa, el ingeniero proyectista debe hacer varias consideraciones básicas con respecto al tipo de estructura propuesta, entre las que se encuentran la elección del material de construcción y el sistema estructural más conveniente de acuerdo con las características del diseño arquitectónico y del lugar en que se construirá el edificio.

A lo largo del siglo pasado, la elección del material en las grandes ciudades del mundo, localizadas en zonas preponderantemente sísmicas, fue con frecuencia el acero estructural.

Después de elegir una estructuración, se idealiza el modelo matemático tridimensional de la estructura para estudiar los efectos de las solicitaciones a que puede estar sometida, con el fin de hacer más práctico el análisis, ya que el problema puede ser complejo.

Modelo matemático de la estructura: programas de computadora comerciales para el análisis, diseño estructural y detallado de estructuras de acero

Para hacer el modelo matemático de la estructura se requiere la siguiente información: uso de la estructura, geometría en planta y elevación, cortes, aberturas en diafragmas o sistemas de piso, alturas de entrepisos, condiciones de apoyos de columnas, sistema estructural propuesto, tipos de conexiones trabe columnas.

Hoy en día se dispone de una gran cantidad de programas para analizar, diseñar y detallar las estructuras de acero más complejas, con los que se satisfacen las condiciones e hipótesis estructurales.

Sin embargo, su utilización implica poseer amplios conocimientos de las especificaciones de diseño. Es importante señalar que lo programas comerciales de computadora internacionales se basan en especificaciones AISC y tienen asignados factores por defecto que, de no ser corregidos, arrojarán resultados erróneos e ilógicos en el diseño.

Los objetivos del diseño estructural consisten, fundamentalmente, en garantizar el funcionamiento correcto de la estructura durante su vida útil, lograr una economía razonable, obtener una seguridad estructural adecuada y satisfacer los requisitos de grata apariencia y estética de la edificación.

El proceso de diseño de un sistema inicia con la formulación de los objetivos que se pretende alcanzar y de las restricciones que deben tenerse en cuenta por el proyecto arquitectónico impuesto. Para lograr los objetivos del diseño estructural, el ingeniero dotará de las siguientes propiedades a la estructura propuesta, que son las que definen su respuesta ante sismos fuertes:

• Estabilidad: debe garantizarse la estabilidad de conjunto de la estructura completa y la estabilidad local de cada uno de los elementos constitutivos. La inestabilidad es una condición en la que basta una pequeña alteración para llevar a la estructura al derrumbe.

• Resistencia: la estructura debe tener resistencia suficiente para soportar la combinación de efectos ocasionados por cargas verticales y accidentales —sismo, principalmente—.

• Rigidez: la estructura debe tener la rigidez adecuada para que sus deformaciones, bajo la combinación de los efectos producidos por cargas verticales y accidentales, no sean excesivas. La rigidez depende de los siguientes factores: geometría de la estructura, dimensiones generales, secciones transversales de los miembros estructurales, apoyos en la cimentación, soportes laterales en vigas y columnas, contraventeos verticales o muros de rigidez.

• Ductilidad: esta es propiedad fundamental en estructuras sujetas a efectos sísmicos. La estructura debe mantener su capacidad de carga aun cuando esté sometida a grandes deformaciones plásticas, de manera que no falle en forma súbita.

• Amortiguamiento: el amortiguamiento interno en una estructura de acero es conveniente para reducir las ordenadas de las aceleraciones espectrales sísmicas y, consecuentemente, las fuerzas inducidas por sismo. La estructura debe disipar la energía inducida por sismos.

Recomendaciones prácticas del diseño estructural

A juicio del autor, los aspectos fundamentales que deben considerarse para obtener un diseño estructural racional se resumen en los siguientes: identificación de los estados límites de falla y de servicio pertinentes para cada uno de los miembros estructurales, revisión de las vibraciones en las vigas de los sistemas de piso, selección de perfiles laminados convenientes para vigas y columnas —vigas perfiles IR y columnas secciones H—, aprovechamiento óptimo del acero, dotar contraventeo lateral adecuado para evitar cualquier pandeo lateral por flexotorsión, revisión de la filosofía de diseño trabe débil/columna fuerte para garantizar que las articulaciones plásticas se forman en los extremos de la trabe y no en las columnas.

Uno de los aspectos fundamentales del diseño estructural de un edificio de acero es el dimensionamiento de los diversos elementos que la integran.

El dimensionamiento debe garantizar que se cumplan ciertos requisitos implícitos de seguridad y de comportamiento correcto bajo condiciones de servicio. Como en cualquier otro problema de ingeniería, el costo influye de manera importante en la solución final que se adopte. También debe procurarse que la estructura sea estética y que el arquitecto y propietario queden satisfechos.

El requisito fundamental de un elemento estructural es el de contar con una resistencia suficiente. Es natural, entonces, que la primera consideración que se intente satisfacer al proponer determinadas dimensiones sea esta.

Así, se procura primero lograr secciones con resistencia suficiente y después se comprueba la forma en que se cumplen los requisitos de comportamiento bajo condiciones de servicio asociados a la economía. Después de definir las características geométricas de las secciones estructurales de manera que tenga suficiente resistencia, se revisan, por ejemplo, las deformaciones y las vibraciones para comprobar si están dentro de límites tolerables. Por último, una vez establecidas varias alternativas estructurales aceptables, se hacen comparaciones de costos para escoger las más apropiadas.

Dada la cantidad de variables que intervienen, no es posible establecer un conjunto de reglas rígidas para dimensionar la estructura; sin embargo, existen varios principios generales que conviene respetar: fundamentalmente, debe buscarse la sencillez

constructiva y la uniformidad y deben evitarse las discontinuidades abruptas en las dimensiones de los miembros estructurales de acero para evitar variaciones de rigidez.

 

Para lograr la calidad preestablecida en las normas y especificaciones de diseño y construcción de estructuras de acero, es necesario tomar precauciones especiales en los siguiente puntos: cumplimiento estricto de la normatividad vigente en las etapas de diseño estructural y fabricación, adecuada difusión de la información actualizada para el análisis y diseño estructural, preparar permanentemente al personal involucrado en una obra de acero y mejorar la supervisión estructural.

 

En lo referente a la evaluación de las acciones que obran en la estructura es conveniente determinar correctamente las cargas actuantes para evitar diseños escasos.

En la etapa de construcción de un edificio de acero, deben revisarse los siguientes puntos específicos: falta de coincidencia de agujeros para tornillos de alta resistencia, colocación correcta de la malla electrosoldada. A falta de colocación de calzas en la lámina de acero acanalada, la malla queda sin recubrimiento, y consecuentemente el concreto se fisura, cimentación expuesta durante la excavación, debido a que el trazo de la misma se realiza mal en el proyecto global, piezas cortas que generan excentricidades importantes, trazos erróneos de conexiones con placa extrema, tornillos de alta resistencia sin satisfacer las distancias mínimas a los bordes de la placa, etc.

Héctor Soto Rodríguez