Estructura de acero

La estructura de acero es una técnica constructiva que utiliza un esqueleto de columnas verticales de acero y vigas horizontales en forma de I , dispuestas en una cuadrícula rectangular para soportar los pisos, el techo y las paredes del edificio, los cuales se fijan a dicha estructura. El desarrollo de esta técnica hizo posible la construcción del rascacielos . ^{[ 1 ]} La estructura de acero desplazó a su predecesora, la estructura de hierro , a principios del siglo XX. ^{[ 2 ]}

El perfil o sección transversal de las columnas de acero laminado tiene forma de la letra " I ". Las dos alas anchas de una columna son más gruesas y anchas que las de una viga para soportar mejor la tensión de compresión en la estructura. También se pueden usar secciones tubulares cuadradas y redondas de acero, a menudo rellenas de hormigón. Las vigas de acero se conectan a las columnas con pernos y fijaciones roscadas, y tradicionalmente se conectaban con remaches . El alma central de la viga en I de acero suele ser más ancha que el alma de una columna para resistir los momentos flectores más elevados que se producen en las vigas.

Se pueden utilizar planchas anchas de acero para cubrir la parte superior de la estructura de acero a modo de encofrado o molde corrugado , debajo de una gruesa capa de hormigón y barras de refuerzo de acero . Otra alternativa popular es un forjado de elementos prefabricados de hormigón con algún tipo de capa de acabado de hormigón. A menudo, en edificios de oficinas, la superficie final del suelo se proporciona mediante algún tipo de sistema de suelo elevado, y el espacio entre la superficie transitable y el forjado estructural se utiliza para cables y conductos de ventilación.

La estructura debe protegerse del fuego, ya que el acero se ablanda a altas temperaturas, lo que puede provocar el derrumbe parcial del edificio. En el caso de las columnas, esto se suele lograr recubriéndolas con algún tipo de material ignífugo, como mampostería, hormigón o placas de yeso laminado. Las vigas pueden revestirse con hormigón, placas de yeso laminado o un recubrimiento aislante para protegerlas del calor del fuego, o bien, protegerse con un techo ignífugo. El amianto fue un material común para la ignifugación de estructuras de acero hasta principios de la década de 1970, antes de que se comprendieran plenamente los riesgos para la salud que conllevan sus fibras.

La “piel” exterior del edificio se ancla a la estructura mediante diversas técnicas constructivas y siguiendo una enorme variedad de estilos arquitectónicos . Se han utilizado ladrillos , piedra , hormigón armado , vidrio arquitectónico , chapa metálica e incluso pintura para cubrir la estructura y proteger el acero de la intemperie. ^{[ 3 ]}

Las estructuras de acero conformadas en frío también se conocen como estructuras de acero ligero (LSF, por sus siglas en inglés).

Las láminas delgadas de acero galvanizado se pueden conformar en frío para formar montantes de acero que se utilizan como material de construcción estructural o no estructural para paredes exteriores y tabiques en proyectos de construcción residenciales, comerciales e industriales (ver imagen). Las dimensiones de la habitación se establecen mediante un riel horizontal anclado al piso y al techo que delimita cada espacio. Los montantes verticales se disponen en los rieles, generalmente con una separación de 410 mm (16 pulgadas) , y se fijan en la parte superior e inferior. 

Los perfiles típicos utilizados en la construcción residencial son el montante en forma de C y el riel en forma de U, además de una variedad de otros perfiles. Los elementos estructurales generalmente se fabrican con un espesor de calibre 12 a 25. Los calibres gruesos, como el 12 y el 14, se utilizan comúnmente cuando las cargas axiales (paralelas a la longitud del elemento) son altas, como en la construcción de carga. Los calibres medianos-gruesos, como el 16 y el 18, se utilizan comúnmente cuando no hay cargas axiales pero sí cargas laterales fuertes (perpendiculares al elemento), como los montantes de paredes exteriores que deben resistir cargas de viento huracanadas en zonas costeras. Los calibres ligeros, como el 25, se utilizan comúnmente donde no hay cargas axiales y las cargas laterales son muy ligeras, como en la construcción de interiores donde los elementos sirven como estructura para tabiques divisorios entre habitaciones. El acabado de la pared se ancla a los dos lados de la brida del montante, cuyo espesor varía de 1 + 1/4 a 3 pulgadas (32 a 76 mm) , y el ancho del alma varía de 1 + 5/8 a 14 pulgadas (41 a 356 mm) . Se retiran secciones rectangulares del alma para facilitar el acceso al cableado eléctrico.  

Las acerías producen chapa de acero galvanizado, la materia prima para la fabricación de perfiles de acero conformados en frío. Posteriormente, la chapa se lamina para obtener los perfiles finales utilizados en la construcción de estructuras. Las chapas se recubren con zinc (galvanizadas) para aumentar su protección contra la oxidación y la corrosión . Las estructuras de acero ofrecen una excelente flexibilidad de diseño gracias a la alta relación resistencia-peso del acero, lo que permite cubrir grandes distancias y resistir cargas de viento y sísmicas.

Las paredes con estructura de acero pueden diseñarse para ofrecer excelentes propiedades térmicas y acústicas. Una de las consideraciones específicas al construir con acero conformado en frío es que pueden producirse puentes térmicos a través del sistema de pared entre el ambiente exterior y el espacio interior climatizado. Estos puentes térmicos pueden evitarse instalando una capa de aislamiento externo a lo largo de la estructura de acero, conocida como "rotura de puente térmico".

La separación entre montantes suele ser de 16 pulgadas (40,6 cm) entre centros para las paredes exteriores e interiores de las viviendas, según los requisitos de carga del diseño. En oficinas, la separación es de 24 pulgadas (610 mm) entre centros para todas las paredes, excepto para los huecos de ascensores y escaleras. 

Los marcos conformados en caliente, también conocidos como marcos de acero laminado en caliente , se fabrican a partir de acero que se somete a un complejo proceso de fabricación denominado laminado en caliente. Durante este proceso, los elementos de acero se calientan a temperaturas superiores a la temperatura de recristalización del acero ( 1700 °F o 930 °C ). Este proceso refina la estructura granular del acero y alinea su red cristalina. Posteriormente, se pasa a través de rodillos de precisión para lograr los perfiles de marco deseados. ^{[ 4 ]}  

La característica distintiva de los marcos conformados en caliente es su considerable espesor de viga y mayores dimensiones, lo que los hace más robustos en comparación con sus contrapartes laminadas en frío. Esta resistencia inherente los hace particularmente adecuados para su aplicación en estructuras de mayor tamaño, ya que presentan una deformación mínima al ser sometidos a cargas considerables.

Si bien es cierto que los perfiles de acero laminado en caliente suelen tener un costo inicial por componente mayor que los de acero laminado en frío, su rentabilidad se hace cada vez más evidente al utilizarse en la construcción de estructuras de mayor tamaño. Esto se debe a que las estructuras de acero laminado en caliente requieren menos componentes para cubrir distancias equivalentes, lo que genera ventajas económicas en proyectos de mayor envergadura.

El uso del acero en lugar del hierro para fines estructurales fue inicialmente lento. El primer edificio con estructura de hierro, la fábrica de lino de Ditherington , se construyó en 1797, pero no fue hasta el desarrollo del proceso Bessemer en 1855 que la producción de acero se volvió lo suficientemente eficiente como para que se convirtiera en un material de uso generalizado. Desde aproximadamente 1870, se disponía de aceros baratos con alta resistencia a la tracción y a la compresión, y buena ductilidad, pero el hierro forjado y fundido continuó satisfaciendo la mayor parte de la demanda de productos de construcción a base de hierro, debido principalmente a los problemas de producción de acero a partir de minerales alcalinos. Estos problemas, causados ​​principalmente por la presencia de fósforo, fueron resueltos por Sidney Gilchrist Thomas en 1879.

No fue hasta 1880 que comenzó una era de construcción basada en acero dulce confiable. Para entonces, la calidad de los aceros producidos se había vuelto razonablemente uniforme. ^{[ 5 ]}

El edificio Home Insurance , terminado en 1885, fue el primero en utilizar una estructura de esqueleto, eliminando por completo la función portante de su revestimiento de mampostería. En este caso, las columnas de hierro están simplemente empotradas en los muros, y su capacidad de carga parece ser secundaria a la de la mampostería, especialmente ante cargas de viento. En Estados Unidos, el primer edificio con estructura de acero fue el Rand McNally Building en Chicago, erigido en 1890.

El Royal Insurance Building de Liverpool , diseñado por James Francis Doyle en 1895 (construido entre 1896 y 1903), fue el primero en utilizar una estructura de acero en el Reino Unido. ^{[ 6 ]}

• Estructura arriostrada con restricción de pandeo (BRBF)
• Muro cortina (arquitectura)
• Edificios prefabricados
• Edificio de acero
• Acero estructural
• Robustez estructural
• Estructura de tejido tensado

• Bussell, Michael (15 de abril de 2008). «Uso del hierro y el acero en la construcción». Estructuras y construcción en la conservación de edificios históricos (PDF) . Oxford, Reino Unido: Blackwell Publishing Ltd. doi : 10.1002/9780470691816.ch10 . ISBN 978-0-470-69181-6.

• Desarrollo histórico del hierro y el acero en la construcción
• "Ya están aquí: edificios totalmente de acero". Popular Science Monthly , noviembre de 1928, pág.  33.
• Sitio web de la Asociación de la Industria de Estructuras de Acero
• Sitio web de Steel Framing Alliance
• Información de la Asociación Británica de Estructuras Metálicas / SCI