El uso del acero en la construcción ha sido una opción clave durante más de un siglo en México y el mundo debido a sus múltiples usos y ventajas. Este material, producto de la aleación de hierro y carbono, en un porcentaje de este último elemento variable entre el 0,008% y 2,11% en masa de su composición gracias a la siderurgia, se ha utilizado en la creación de rascacielos, puentes, naves industriales y muchas otras estructuras, incluso del sector inmobiliario y comercial. Además de sus increíbles aplicaciones, también es importante mencionar los desafíos y limitaciones que conlleva su uso estructural, que los diseñadores y supervisores debemos ser conscientes al trabajar con este material, durante su correcta fabricación, montaje y mantenimiento.
Las estructuras de acero se utilizan en una variedad de situaciones y aplicaciones debido a sus numerosas ventajas; aquí proporcionamos algunas situaciones comunes en las que es apropiado utilizar este tipo de estructuras:
Grandes espacios sin columnas intermedias, como almacenes, naves industriales, estadios y centros de exposiciones; las estructuras de acero son ideales gracias a su capacidad para soportar cargas a largas distancias.
Edificios de gran altura.
Puentes y viaductos para soportar el peso del tráfico, las condiciones climáticas y las cargas dinámicas.
Naves espaciales y cúpulas que se emplean en invernaderos, estadios, atracciones turísticas y otros lugares que requieren un diseño distintivo.
Estructuras temporales y móviles, como ferias comerciales, conciertos al aire libre y carpas de eventos.
Estructuras expuestas y arquitectónicas con diseños llamativos y únicos.
Aplicaciones industriales.
Rehabilitación y remodelación con el objetivo de fortalecer edificios existentes o agregar nuevos elementos estructurales.
A continuación, exploraremos las principales ventajas y desventajas de utilizar sistemas estructurales de acero en la construcción.
Tipos de Estructuras
Tipo 1: Comúnmente designadas marcos rígidos o estructuras continuas, se caracterizan porque los miembros que las componen están unidos entre sí por medio de conexiones rígidas, capaces de reducir a un mínimo las rotaciones relativas entre los extremos de las barras que concurren en cada nudo, de manera que el análisis puede basarse en la suposición de que los ángulos originales entre esos extremos se conservan sin cambio al deformarse la estructura.
Tipo 2: Son las que están formadas por miembros unidos entre sí por medio de conexiones simples, que permiten rotaciones relativas, y que son capaces de transmitir la totalidad de las fuerzas normales y cortantes, así como momentos no mayores del 20 por ciento de los momentos resistentes de diseño de los miembros considerados. En el análisis se ignoran las restricciones a las rotaciones y se considera que pueden girar libremente. La estabilidad de la estructura y su resistencia ante cargas laterales se obtienen por medio de contraventeos laterales, muros de rigidez o algún otro sistema apropiado, o utilizando conexiones rígidas o semirrígidas en partes de ella.
Tipo 3: Están formadas por miembros unidos entre sí por medio de conexiones semirrígidas o parcialmente restringidas, capaces de transmitir momentos, pero con rotaciones no despreciables entre sus extremos
A continuación, se muestran los tipos de estructuras de acero que existen, las cuales pueden ser de cualquiera de los tres tipos de estructuras antes mencionadas.
Estructuras Abovedadas
Estructuras Colgantes
Estructuras Entramadas
Estructuras Geodésicas
Estructuras Laminares
Estructuras Trianguladas
Tipo de Perfiles Estructurales:
No confundamos con el tipo de estructuras antes descritas, el tipo de perfil estructural depende de las propiedades mecánicas de cada sección. Este tipo de secciones ya vienen determinados en los manuales de perfiles de acero estructurales. Es importante mencionar que los perfiles Tipo 4 son los que más sufren de problemas de pandeo, no es recomendable usar este tipo de perfiles en muchos tipos de estructuras, únicamente los tipos 1 y 2 son ideales gracias a su resistencia a la flexocompresión, compresión axial y ductilidad proporcionada al llegar al estado límite de falla. Para vigas y trabes, elementos expuestos a esfuerzos de flexión, es indispensable siempre utilizar perfiles tipo 1 para estructuras dúctiles, inclusive a las que se aplica un factor de comportamiento sísmico Q=2 (Baja ductilidad), para poder contar con un buen comportamiento de rango inelástico.
Ventajas del Uso del Acero en la Construcción
Alta Resistencia y Durabilidad
El acero es conocido por su alta resistencia a los esfuerzos de flexión, lo que lo convierte en un material extremadamente fuerte capaz de soportar cargas pesadas. Esta característica permite construir estructuras de gran altura y con grandes claros (espacios sin columnas intermedias). Además, el acero tiene una excelente durabilidad, lo que lo hace adecuado para resistir condiciones climáticas extremas.
Ligereza Relativa
A pesar de su fortaleza, el acero es relativamente ligero en comparación con otros materiales como el concreto. Esta propiedad facilita su manejo, transporte e instalación, lo que puede reducir los tiempos de construcción y los costos asociados.
Flexibilidad y Adaptabilidad
El acero es muy flexible en su diseño. Permite una gran versatilidad arquitectónica, ya que se puede moldear en diversas formas, lo que favorece la innovación y la creatividad en el diseño de edificaciones. También es posible modificar o expandir estructuras de acero con relativa facilidad, lo que permite adaptarse a nuevas necesidades a lo largo del tiempo.
Velocidad de Construcción
Los sistemas de acero suelen fabricarse en taller y luego ensamblarse en el sitio de construcción, lo que acelera el proceso de construcción del proyecto. Esta prefabricación puede reducir el tiempo de obra significativamente, especialmente en proyectos de gran escala.
Reutilización y Reciclaje
El acero es 100% reciclable, lo que lo convierte en un material más sostenible en comparación con otros materiales de construcción. Las estructuras de acero pueden desmontarse y reutilizarse en nuevas construcciones, lo que contribuye a la reducción de residuos y al uso eficiente de los recursos.
Resistencia al Fuego
Aunque el acero es un buen conductor de calor, generalmente, se le puede aplicar un tratamiento ignífugo para mejorar su resistencia al fuego. En comparación con otros materiales, como la madera, el acero ofrece una mayor resistencia a las altas temperaturas, lo que aumenta la seguridad de las edificaciones.
Desventajas del Uso del Acero en la Construcción
Corrosión
Una de las principales desventajas del acero es su susceptibilidad a la corrosión, especialmente cuando se expone a condiciones húmedas o a ambientes salinos, como en zonas costeras. Esto puede afectar la integridad estructural con el tiempo si no se realizan mantenimientos adecuados o si no se aplica un tratamiento anticorrosivo.
Costo Inicial Alto
El acero suele ser más caro que otros materiales de construcción, como el concreto o la madera, especialmente en su fase de adquisición y fabricación. Aunque sus ventajas en términos de durabilidad y tiempo de construcción pueden justificar la inversión inicial, el costo sigue siendo un factor importante a considerar.
Requiere Mantenimiento
Aunque el acero es resistente, debido a la posibilidad de corrosión y desgaste por el tiempo, los sistemas estructurales de acero requieren un mantenimiento constante. Este mantenimiento incluye la inspección periódica de recubrimientos protectores, lo que genera costos adicionales durante la vida útil de la construcción.
Conductividad Térmica
El acero es un buen conductor de calor y frío, lo que puede afectar la eficiencia energética de los edificios si no se toman las precauciones adecuadas. Para contrarrestar esta desventaja, se deben incorporar sistemas de aislamiento térmico, lo que puede aumentar los costos de construcción.
Influencia en el Estilo Arquitectónico
Aunque el acero ofrece una gran flexibilidad de diseño, su apariencia industrial y técnica puede no ser adecuada para todos los estilos arquitectónicos. Algunas construcciones pueden requerir un acabado estético adicional para mejorar su integración con el entorno.
Necesidad de Mano de Obra Especializada
La construcción con acero requiere de profesionales altamente capacitados, tanto en el diseño estructural como en la ejecución. Esto puede generar una mayor inversión en mano de obra calificada y aumentar los costos de los proyectos.
Responsabilidades del Proyectista y Supervisor Estructural
Seguridad: Una estructura no sólo debe soportar con seguridad las cargas impuestas sino soportarlas en forma tal que las deflexiones y vibraciones no sean excesivas y alarmen a los ocupantes o causen grietas. Es nuestra responsabilidad revisar los cálculos correspondientes para asegurar estos factores, además de vigilar un correcto montaje.
Costo: El proyectista siempre debe tener en cuenta la posibilidad de abatir los costos de la construcción sin sacrificar la resistencia, la comunicación es la clave, la evaluación de distintas opciones hasta llegar a la mejor en relación calidad/precio es nuestro deber en conjunto con el proyectista.
Factibilidad: Otro objetivo es el diseño de estructuras que puedan fabricarse y montarse sin mayores problemas, factibilidad constructiva o constructibilidad, es esencial para no incurrir en precios elevados o mayores problemas en la ejecución de las labores. El proyectista debe conocer lo relativo a los métodos de fabricación y debe adaptar sus diseños a las instalaciones disponibles para que el supervisor en obra pueda llevarlo a cabo con los recursos disponibles.
Estética: Los miembros de una estructura de acero a veces están expuestas al público, sobre todo en el caso de puentes y auditorios. La apariencia puede ser el factor principal al tener que escoger el tipo de estructura. Los elementos expuestos pueden ser muy estéticos cuando se disponen de manera sencilla y tal vez cuando se escogen elementos con líneas curvas, sin embargo, ciertos arreglos pueden ser sumamente desagradables a la vista.
Instalaciones: Los edificios tienen una gran cantidad de instalaciones, conductos, etc. Por lo que deben escogerse elementos estructurales que sean compatibles con los requisitos de forma y tamaño impuestos por tales instalaciones.
Transporte: Los costos de montaje y fabricación de acero son aproximadamente los mismos para miembros ligeros y pesados, las vigas deben entonces espaciarse tanto como sea posible para reducir el número de miembros que tengan que fabricarse y montarse.
Pintura: Los miembros de acero estructural deben pintarse sólo si lo requieren las especificaciones. El acero no debe pintarse si va a estar en contacto con el concreto. Además, los diversos materiales resistentes al fuego usados para proteger a los miembros de acero se adhieren mejor si las superficies no están pintadas.
Deben escogerse secciones que sean fáciles de montar y mantener, por ejemplo, es deseable que los elementos estructurales tengan superficies expuestas, dispuestas de manera que puedan pintarse periódicamente.
Es muy conveniente utilizar la misma sección el mayor número de veces posible. Esta manera de proceder reducirá los costos de detallado como fabricación y montaje.
Para secciones grandes, particularmente las armadas, el diseñador necesita tener información relativa a los problemas de transporte. Esta información incluye las máximas longitudes y alturas qué pueden enviarse por camión o ferrocarril, los claros libres bajo puentes y líneas de transmisión que se encuentran de camino, así como las cargas permisibles sobre puentes que deben cruzarse. Es posible fabricar una armadura de acero para una cubierta en una sola pieza, pero tal vez sea imposible transportarla y montarla en una sola pieza.
El proyectista necesita seleccionar las dimensiones en qué se fabrica los perfiles laminados, los de tamaño poco comunes serán difíciles de conseguir y serán costosos. Las empresas constructoras y los diseñadores reciben constante información de los fabricantes acerca de las dimensiones de perfiles disponibles.
Economía: En ciertos casos puede ser un error suponer que el perfil más ligero es el más barato. Una estructura diseñada según el criterio de la “sección más ligera” consistirá en un gran número de perfiles de formas y tamaños diferentes. Un procedimiento más razonable sería unificar el mayor número de perfiles en cuanto al tamaño y forma, aunque algunos sean de mayor tamaño.
Conclusión
El uso de sistemas estructurales de acero en la construcción ofrece múltiples ventajas, como su alta resistencia, durabilidad, flexibilidad y velocidad de construcción, sin embargo, en términos de costo inicial, mantenimiento y susceptibilidad a la corrosión, se convierte en un tema delicado al no prever ciertas circunstancias relacionadas con el entorno de la obra y financiamiento. Al considerar estos factores, los ingenieros y arquitectos pueden tomar decisiones informadas sobre cuándo y cómo utilizar acero en la construcción, maximizando sus beneficios mientras mitiguen sus desventajas.
Es importante que cada proyecto sea evaluado de manera individual, teniendo en cuenta tanto las necesidades específicas como las características del entorno, para determinar si el acero es el material adecuado.
A continuación, presentamos imágenes de algunos proyectos en los que estamos interviniendo en Supervisión de Obra que involucran elementos estructurales de Acero, como la remodelación de las Oficinas Sierra Nevada, Caseta de Ventas de Litibú Bay Club, o la Nave Industrial Churubusco, entre muchos otros que podrán visualizar a detalle en la sección de Proyectos dentro de nuestra página web.
Si tienes alguna duda o requieres de algún tipo de servicio como desarrollo de proyecto ejecutivo, supervisión o auditoria, relacionado al uso de Acero en tu proyecto, no dudes en contactarnos, el equipo Temocsa se encargará de llevar tu proyecto al éxito.
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