El acero conformado en frío en edificios de alta densidad y uso combinado en lugares urbanos se enfrenta al desafío de una creciente demanda

Materiales:

Alcanzando lo más alto con marcos de acero conformados en frío para estructuras de podio

Los diseñadores de edificios a menudo se enfrentan al desafío de una creciente demanda de edificios de alta densidad y uso combinado en lugares urbanos. El escenario más común es una estructura base, comúnmente conocida como el podio. La estructura base generalmente se usa para estacionamiento o espacio comercial, con una estructura superior que es de otro uso, como apartamentos, dormitorios, residencias para personas mayores, hoteles u otros espacios privados. Esta estructura superior se presta bien para sistemas de paredes y pisos enmarcados individualmente.

Con esta mayor densidad, viene la necesidad de proporcionar un sistema de armazón seguro y no combustible que también sea fuerte para lograr la altura total deseada del edificio. La combinación de materiales no combustibles, como el acero conformado en frío con el hormigón y el acero laminado en caliente, permite obtener alturas de construcción más altas para estas estructuras a un precio económico. Los límites de altura del edificio también afectan la selección del material de construcción, el tratamiento de la seguridad contra incendios, las consideraciones de sonido, la planificación del espacio de la unidad arquitectónica y la salida. El acero conformado en frío proporciona una solución ideal para todos estos desafíos de diseño.

¿Qué tan alto puede ir el acero conformado en frío?

El Código Internacional de Construcción (IBC, por sus siglas en inglés) requiere que las estructuras superior e inferior se separen por razones de incendio y otras razones de seguridad. Hay tres secciones en el Capítulo Cinco de IBC 2015 relacionadas con los diseños de podios que describen las alturas de edificios permitidas y los límites de la historia y son fundamentales de entender al diseñar estructuras superiores de acero conformadas en frío sobre un podio de hormigón para maximizar los beneficios de la construcción de acero no combustible.

La primera disposición, la Sección 510.2, permite que una estructura superior de cualquier tipo de construcción se construya sobre un podio inferior donde las dos estructuras se tratan como estructuras separadas y distintas. Esto permite una determinación separada y distinta de cada una de las áreas según la limitación de área permitida, la continuidad de los cortafuegos, el tipo de construcción y el número de historias. Esta disposición solo se aplica cuando se cumplen cuatro criterios:

1. Un conjunto horizontal separa las partes del edificio con una clasificación mínima de resistencia al fuego de tres horas;
2. El edificio de abajo es de construcción Tipo IA y está protegido en todas partes con rociadores;
3. Los ejes, escaleras, rampas y recintos de escaleras mecánicas que penetran en el conjunto horizontal tienen una clasificación de resistencia al fuego de dos horas; y,
4. No se supera la altura máxima del edificio por encima del nivel.

Comenzando con el último punto, los tipos de construcción Tipo IA, IB, IIA y IIB requieren materiales no combustibles dentro de un ensamble con clasificación de incendio, excepto para IIB que no tiene una clasificación de incendio mínima para el material no combustible. Sin embargo, con cada aumento en la protección contra incendios, se permite que el edificio sea más alto y tenga un mayor número de historias. Por ejemplo, la clasificación de ocupación residencial varía desde cinco pisos hasta historias ilimitadas y alturas desde 75 pies hasta alturas ilimitadas para materiales no combustibles en estos tipos de construcción. Esto se logra al proporcionar un sistema de protección contra incendios para los muros de apoyo que cumple con una clasificación por hora entre una y tres horas.

El rango más común para materiales de construcción no combustibles de mediana altura es de cinco a doce pisos y de 85 a 180 pies. Estas alturas están asociadas principalmente con el Tipo IIA y el IB, que requieren ensamblajes ignífugos de una hora y dos horas, respectivamente. Por ejemplo, al usar la ocupación residencial y el armazón de acero conformado en frío sobre la parte superior del espacio comercial, se podrían obtener las máximas historias de pisos y aún estar por debajo de las limitaciones generales de altura del edificio cuando se combina con un podio de varios pisos. La Figura 1 muestra un ejemplo de un podio de hormigón para uso minorista debajo de una estructura superior residencial con marco de acero conformado en frío de varios pisos.

La segunda disposición, la Sección 510.4, no se usa tan a menudo como 510.2, pero ofrece una oportunidad similar para apilar edificios y obtener la capacidad de agregar un piso adicional. Específicamente, para los edificios con estacionamiento debajo (ocupación S-2) y cualquier ocupación de grupo residencial arriba, esta sección permite un podio de construcción Tipo I pero solo requiere una separación de incendio de dos horas que se puede reducir aún más a una separación de una hora si rociadores por tabla 508.4. Suponiendo un nivel de estacionamiento que cumpla con la construcción Tipo I (ya sea IA o IB), la altura límite se basaría en el ensamblaje de estructura de acero conformado en frío que se encuentra arriba. Usando el tipo de construcción que limita más la altura, se permite que un edificio tenga 75 pies con rociadores, lo que podría ser de siete pisos solo con esta disposición. La Figura 2 muestra esta disposición en la que una superestructura de acero conformada en frío se coloca sobre una estructura de estacionamiento debajo.

La tercera disposición, Sección 510.6, rige los edificios del Grupo R-1 y R-2 de construcción Tipo II-A. Presenta una rara oportunidad para un edificio Tipo II-A de nueve pisos y 100 pies de altura cuando hay al menos una separación de líneas de lote de 50 pies. Esta disposición no requiere una separación del nivel de podio, pero sí requiere un primer sistema de piso elevado con clasificación de fuego de 1½ horas. El estacionamiento subterráneo aún requeriría una separación de incendio de tres horas. Este diseño probablemente sería más rentable cuando el edificio no necesita una plataforma de estacionamiento y un amplio espacio en el lote en el que se está construyendo.

Consideraciones sísmicas y de carga de viento

La mayoría de los edificios del podio están diseñados para cargas sísmicas utilizando el Procedimiento de análisis de dos etapas descrito en la Sección 12.2.3.2 de ASCE 7-10, Cargas de diseño mínimas para edificios y otras estructuras. El procedimiento de análisis de dos etapas reconoce las características de rendimiento únicas de una superestructura ligera y flexible sobre una base rígida que es diez veces más rígida que la superestructura. Este procedimiento de análisis trata las porciones superior e inferior de la estructura como dos estructuras distintas, con el corte de la base de la superestructura aplicada a la base en un segundo análisis. La naturaleza liviana del acero conformado en frío proporciona un beneficio directo para el diseño sísmico (menos masa) pero también ofrece un beneficio significativo, ya que la rigidez inherente del acero conformado en frío facilita el cumplimiento del requisito ASCE 7-10 de que el período fundamental de toda la estructura no debe ser mayor que 1.1 veces el período de la estructura superior solo.

Para la carga del viento, el marco de acero conformado en frío es el marco principal del edificio y, por lo tanto, el sistema primario de resistencia a la fuerza del viento (MWFRS). En este caso, AISI S240, el estándar norteamericano para marcos estructurales de acero conformado en frío, permite el diseño de estos elementos como MWFRS (www.aisistandards.org). La Sección B1.1 permite la reducción de la carga en vivo de la estructura junto con una verificación de la carga combinada de MWFRS y la carga axial. Por separado, hay una verificación de flexión para componentes y carga de revestimiento sin el efecto de carga axial. Esto ayuda a aclarar el uso del elemento de estructura como el marco principal del edificio y como un componente. Esta es una verificación única y necesaria para el acero conformado en frío, ya que a menudo recibe componentes exteriores conectados directamente a él, a diferencia de otros tipos de estructuras que proporcionan un marco de esqueleto con un marco de relleno donde el revestimiento se une únicamente al marco de relleno.

Para el sistema de resistencia de fuerza lateral, los conjuntos de ejes construidos con CFS podrían ser la mejor opción. Los conjuntos de ejes generalmente se colocan en el área central central de un edificio y son inherentemente fuertes debido a los requisitos de construcción y clasificación contra incendios. Sin embargo, solo ellos pueden no ser capaces de proporcionar la resistencia a la torsión debido a sus dimensiones y ubicación dentro de la huella del edificio. Cuando este es el caso, se pueden usar muros de corte de acero conformado en frío para complementar o incluso proporcionar la resistencia de fuerza lateral completa. Si los muros de corte son muros sin apoyo, las fuerzas sísmicas pueden ser significativamente mayores que las cargas de gravedad. Aquí es donde el acero formado en frío se califica únicamente. Como es relativamente delgado, muchos miembros se pueden anidar juntos, superponerse o incluso construirse para formar un conjunto eficiente para resistir las cargas. La Figura 3 muestra un ejemplo de la superposición creativa de tirantes laterales de acero formados en frío delgado. En esta situación, el diseño requería más elementos de resistencia lateral de lo que estaba disponible en ubicaciones de paredes abiertas, por lo que se empleó un método de superposición. Esto se puede lograr con acero conformado en frío. Como se ve en la Figura 4, las conexiones al podio pueden abarcar desde anclajes postinstalados hasta placas de inserción soldadas.

Consideraciones de conexión y detalle

A diferencia de otros materiales de construcción, el armazón de acero conformado en frío es único en su relación resistencia / peso y conexión a otros aceros y hormigón a través de los métodos de construcción comerciales tradicionales, lo que le permite casarse bien con otros oficios, herramientas y técnicas ya empleadas en aplicaciones comerciales. El armazón de acero conformado en frío es dimensional y geométricamente estable, lo que puede ser una consideración importante al evaluar la longevidad y durabilidad de un edificio de mediana altura.

A menudo, es el detalle y la concentración de la carga en una única conexión aislada lo que crea el mayor desafío para el diseñador. Es fácil lograr una carga uniforme espaciada uniformemente, y muchos materiales pueden manejar este escenario de carga. A diferencia de algunas alternativas, el acero formado en frío también puede resolver cargas concentradas en elementos de resistencia singulares o estrechamente agrupados cuando se detallan adecuadamente. Como se discutió en CFSEI Tech Note G200-15, Persiga las cargas: Consideraciones de la ruta de carga para la construcción de marco de luz de acero conformado en frío, el objetivo de cada sistema de marcos es proporcionar una ruta de carga directa y concisa.

Otro desafío es el diseño de la gravedad que se enmarca alrededor de aberturas apiladas, como puertas y ventanas. La carga desde un solo piso puede ser manejada por el encabezado sobre la abertura. Sin embargo, en las paredes enmarcadas, es la jamba la que transfiere las fuerzas verticalmente de piso a piso. Las jambas pueden acumular fuerzas bastante grandes en edificios más altos cuando las aberturas se alinean. Con el armazón de acero formado en frío, hay muchas maneras de mantener el armazón concentrado en un área que es relativamente estrecha en la pared sin acumulación dimensional que ocurra con otros materiales. Esto permite más espacio para electricidad, plomería y otros elementos necesarios que ocupan la cavidad de la pared. La Figura 5 muestra un ejemplo de montantes y pistas anidadas para formar una condición de jamba compacta. Una vez que la carga de la jamba alcanza el nivel del podio, se puede transferir a través de una placa base u otro conjunto para transferir la fuerza al podio de manera eficiente. Si el podio es hormigón, entonces una placa de inserción es una forma común de transferir la fuerza al hormigón. Del mismo modo, con vigas y columnas de acero laminado en caliente, se puede emplear una placa y soldarla en su lugar para una conexión de acero a acero. La Figura 6 muestra una parte superior de la pared anidada, llamada miembro de distribución de carga, con una placa de acero en el interior para endurecer los elementos.

Diseñando con acero

Al especificar un material de construcción, el ingeniero debe estar preparado para educar al cliente sobre los atributos positivos de los materiales recomendados. El armazón de acero conformado en frío ofrece muchos beneficios para los equipos de construcción y los propietarios de edificios.

Un beneficio esencial del acero conformado en frío es su flexibilidad, que brinda a los arquitectos la oportunidad de ser creativos en sus diseños. El acero conformado en frío puede ser curvado y ofrece muchas opciones para la planificación del espacio interior.

El acero también es un material sostenible. Es el único material de construcción reconocido por LEED que tiene un valor mínimo predeterminado de 25 por ciento de contenido reciclado y es 100 por ciento reciclable. El acero se recolecta rutinariamente en cantidades agregadas de los sitios de construcción y demolición y se recicla en nuevos productos de acero.

El acero es un material resistente también. La resiliencia es la medida de la capacidad de un edificio para cumplir su propósito previsto con mínimas interrupciones. El armazón de acero conformado en frío cumple con estos requisitos de un material de construcción resistente: seguridad frente a un peligro natural; seguridad en un evento hecho por el hombre; eficiencia energética; reducción de los impactos ambientales a lo largo de la vida del edificio; durabilidad que resulta en una larga vida útil con un mantenimiento mínimo y resistencia al deterioro, rendimiento predecible, capacidad de servicio, capacidad de reparación y adaptabilidad.

El armazón de acero conformado en frío tiene un historial comprobado de proporcionar beneficios rentables a lo largo de todo el ciclo de construcción debido a menores tasas de seguro, ciclos de proyecto más cortos, previsibilidad y precisión de los componentes y eficiencia del diseño.

Conclusión

El armazón de acero conformado en frío tiene los atributos de resistencia y no combustible para respaldar la creciente necesidad de una construcción urbana más densa caracterizada por la construcción de podios. El acero conformado en frío permite edificios altos, elementos de alta capacidad, conexiones eficientes entre la base y las superestructuras, y una construcción duradera y de calidad.

Agradecimientos a la revista “Estructura”, marzo 2019.