Estructuras Metálicas: Ventajas, Desventajas y Diseño

Estructuras Metálicas en la Construcción

Generalidades

Las estructuras metálicas son un sistema constructivo ampliamente utilizado en diversos países. Su uso suele aumentar en relación con el nivel de industrialización de la región. La estructura típica consiste en entramados con nudos articulados, vigas simplemente apoyadas o continuas, y elementos de celosía para arriostrar el conjunto. En casos específicos, se utilizan nudos rígidos, aunque la reducción de material implica un mayor costo unitario y plazos de ejecución más extensos. Las soluciones con nudos rígidos son cada vez más comunes gracias a los avances tecnológicos y al uso de tornillería, a veces combinada con resinas, para las uniones.

Una Mirada Histórica

El uso del hierro en la construcción se remonta a la Antigua Grecia, donde se han encontrado templos con vigas de hierro forjado. En la Edad Media, se empleaban elementos de hierro en las naves laterales de las catedrales. Sin embargo, el hierro comenzó a utilizarse como elemento estructural en el siglo XVIII. En 1706, se fabricaron en Inglaterra las columnas de fundición de hierro para la Cámara de los Comunes en Londres. En 1836, apareció el perfil "doble T", que reemplazó a la madera y revolucionó la industria de la construcción, sentando las bases para la fabricación de piezas en serie. Su diseño previó el uso del vidrio como elemento principal de las fachadas.

Joseph Paxton presentó su diseño para el Crystal Palace, un edificio que evidenció las ventajas plásticas del metal con una estructura ligera que permitía alcanzar grandes luces con una transparencia nunca antes vista. Otra obra emblemática en hierro, que renovó y modificó la arquitectura antes del siglo XX, es la Torre Eiffel (París, Francia). Todas las estructuras metálicas requieren cimentaciones de hormigón, y usualmente se construyen losas y forjados con este material. Actualmente, el acero se asocia a edificios con características singulares, ya sea por su diseño, la magnitud de las luces, la altura o en construcciones deportivas (estadios).

Ventajas de las Estructuras Metálicas

• Tiempos de ejecución reducidos.
• Construcciones en zonas congestionadas con accesos y acopios dificultosos.
• Edificios con posibilidad de crecimiento y cambios de función o cargas.
• Edificios en terrenos deficientes con asientos diferenciales apreciables (se prefieren entramados con nudos articulados).
• Construcciones con grandes espacios libres (locales públicos, salones).

Dónde No Usar Estructuras Metálicas

• Edificaciones con grandes acciones dinámicas.
• Edificios en zonas de atmósfera agresiva (zonas marinas o centros industriales).
• Edificios con alta carga de fuego (almacenes, laboratorios).

Comportamiento Estructural

Estas estructuras deben resistir acciones verticales y horizontales, al igual que las de hormigón. En el caso de estructuras articuladas, común en las metálicas, es necesario rigidizar la estructura mediante triangulaciones (cruces de San Andrés) o pantallas de hormigón armado.

Soluciones

Para rigidizar la estructura, se utiliza la triangulación, reservando las pantallas para núcleos interiores (cajas de escaleras y ascensores). Estos elementos, combinados en diferentes disposiciones, ofrecen diversas posibilidades de diseño.

Normativas

Se permiten dos tipos de estructuras básicas:

1. Estructura tipo TR (totalmente restringida): Se asume que las uniones son rígidas y mantienen los ángulos entre las barras.
2. Estructura tipo PR (parcialmente restringida): Se asume que las uniones no mantienen los ángulos entre las barras.

En entramados simples:

1. Las uniones y barras deben resistir cargas gravitatorias mayoradas como vigas simplemente apoyadas.
2. Las uniones y barras deben resistir cargas laterales mayoradas.

El tipo de estructura debe indicarse en el proyecto. El diseño de las uniones debe ser consistente con el tipo de estructura.

Cargas

Cargas Gravitatorias

Incluyen las cargas vivas o sobrecargas (según el uso de la obra) y el peso propio o carga muerta (peso de los elementos estructurales). w = 1.6 qs + 1.2 pp (N/m²)

Carga de la Nieve

Es crucial en zonas con nevadas intensas. La probabilidad aumenta con la latitud y altitud. Rn = qo x S (KN/m²), donde S es la superficie de acumulación.

En Argentina, según CIRSOC 104:

• Zona I: Nevadas altamente improbables.
• Zona II: Nevadas extraordinarias, normales o frecuentes.

Carga del Viento

El viento, como carga dinámica, genera presión al chocar con la fachada. La presión es máxima cuando actúa perpendicularmente. pv = v²/16 y Pv = pv x C, donde Pv es la presión total, pv la presión dinámica, C el coeficiente de forma y v la velocidad media del viento.

Carga Sísmica

El sismo produce aceleraciones que generan grandes fuerzas. F = M x A, donde F es la fuerza, A la aceleración y M la masa del edificio. En Argentina, rigen las normas INPRES-CIRSOC 103. Vo = C x Wt, donde Vo es el corte basal, C el coeficiente sísmico y Wt el peso total. C = ɣd x Sa / R, donde ɣd es el factor de riesgo, Sa la pseudoaceleración y R el factor de reducción. La fuerza sísmica lateral Fk en el piso k se calcula como: Fk = (Wk x hk / Σ Wi) x Vo.