Proyecto básico: Sistemas estructurales y métodos recomendados para la selección de construcciones residenciales de acero ligero

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1 Proyecto básico: Sistemas estructurales y métodos recomendados para la selección de construcciones residenciales de acero ligero Describe los principales sistemas estructurales para construcciones residenciales en acero ligero, a saber: elemental, paneles, modular o volumétrico y construcción híbrida. Proporciona una guía para la elección de sistemas y de relaciones organizacionales recomendables para una ejecución eficiente. Índice 1. Introducción 2 2. El método elemental 2 3. El método de panel 3 4. Métodos tridimensionales (modulares) 6 5. Construcción híbrida 9 6. Elección del sistema 9 7. Opciones de contrato y servicios de consulta 13 Página 1

2 1. Introducción Las estructuras de acero ligero son suministradas por subcontratistas especializados. Estos, pueden suministrar uno o más sistemas de acero ligero; estos son: Construcción elemental con perfiles Sistemas basados en paneles Sistemas modulares o tridimensionales Sistemas híbridos Existen diferentes métodos apropiados de adquisición y de relaciones de organización, según sean los sistemas estructurales, Este documento, presenta los principales sistemas estructurales y proporciona una guía para la selección tanto del sistema estructural como de las relaciones organizacionales apropiadas. 2. El método elemental El acero ligero se compra por perfiles para realizar el montaje y construir una unidad residencial. Esto se puede llamarse construcción con barras ( stick building en inglés), el nombre deriva de la construcción con madera. En la práctica, los elementos de acero se compran al productor y se cortan a la medida. Sin embargo, avances recientes en la técnica de cortadoras rotatorias portátiles, tales como las Scottdale, brindan la alternativa de producir económicamente, los elementos acabados de acero en obra. Una casa típica de 80 a 100 m 2 de superficie construida, se podrá hacer, utilizando 350 a 400 elementos de acero ligero primarios, incluyendo montantes, bandejas, viguetas, vigas y correas. Una casa construida utilizando este método se monta en 3 ó 4 días utilizando un equipo de 2 a 3 personas. La construcción con perfiles, que se ilustra en la Figura 2.1, es el método más sencillo para construir con acero ligero. En Europa, este método, usualmente, se limita a proyectos más pequeños, en los Estados Unidos se han construido, con mucho éxito, proyectos muy grandes. La razón es la disponibilidad de mano de obra de bajo costo. Además, muchos proyectos de varias plantas, utilizan este método para la construcción de las estructuras de cerramiento, haciendo la estructura principal de acero laminado en caliente o de hormigón. Este método es de baja tecnología. Requiere hacer uniones eficientes en obra; son aceptables las tolerancias de construcción tradicional, con ajustes de alineamiento y nivel a medida que avanza la construcción Página 2

3 Figura 2.1 Construcción residencial utilizando el método elemental construcción con perfiles 3. El método de panel Una segunda forma de construcción es prefabricar elementos de acero ligero en paneles y cassettes de varios tamaños y formas utilizando plantillas. Estos se ensamblan secuencialmente para formar la estructura residencial completa. Un panel se refiere generalmente a un elemento de fachada y un cassette a un elemento de forjado o cubierta. Hay varios métodos para ensamblar paneles en base a elementos de acero ligero y los procesos se pueden hacer en o fuera de obra. El proceso de fabricación es preciso, logrando tolerancias de + 0 mm a 2 mm. El diseño de la plantilla es importante y los fabricantes probablemente usen la propia, hecha a medida. En la Figura 3.1 se observa una plantilla típica pequeña. Los elementos de acero dentro del panel pueden sujetarse por soldadura, remachado, atornillado o corrugado. Actualmente, el remachado y el atornillado son los métodos más populares. Los recientes avances en la tecnología de laminado, permiten hacer agujeros para remaches en elementos de acero en el momento del laminado, y asegurar así, una precisión en el proceso de fabricación del panel. Los paneles pueden ser estructurales, diseñados para soportar cargas, o tabiques no estructurales, diseñados para separar los ambientes dentro de una estructura. Página 3

4 Figura 3.1 Plantilla típica para fabricar un panel El tamaño de fabricación de paneles es una decisión de diseño. Algunos fabricantes optan por paneles pequeños, manipulables a mano que puedan montarse sin utilizar grúas. Otros fabricantes optan por paneles grandes, que sólo pueden montarse utilizando grúas. Aunque ambos métodos cumplen su función, los paneles más pequeños se limitan esencialmente a edificios de una o dos plantas. El peso del panel varía de acuerdo al tamaño y disposición de la estructura. Un panel pequeño puede pesar tan poco como 50 kg y una "cassette" grande de forjado tanto como 600 kg. Dependiendo del tamaño de los paneles que se utilicen, una casa típica de m 2 consistirá de 28 a 60 paneles. Utilizando una grúa y paneles grandes (de 8 a 10 m de largo por 2,8 m de alto) y dependiendo de variables del lugar, tales como acceso, la estructura para una casa de una sola familia puede montarse en 6 a 8 horas. Para propósitos de planificación, los paneles para una casa familiar pueden transportarse en un camión trailer. Los paneles se ensamblan en obra, la mayor parte utilizando tornillos autorroscantes de varios tipos y tamaños. Como el acero ligero por su naturaleza es delgado, se necesita cuidado en la selección de los tornillos apropiados. Algunos sistemas de paneles utilizan conexiones atornilladas convencionales. La mejora continua en la tecnología CAD-CAM facilita la ingeniería, dibujo y fabricación de paneles. Aunque estos sistemas de producción avanzada permiten diseñar y producir paneles únicos rápidamente, la repetición de paneles aún son un campo en el que se pueden lograr economías en ingeniería, producción y ensamblaje en obra, con ahorros especiales en la coordinación de proyectos y logística. Una solución razonable es diseñar un panel que debería repetirse por lo menos diez veces, y más si fuera posible. Sin embargo, debería reconocerse que muchos proyectos están restringidos en número de unidades, a causa del tamaño en obra, diseño y requisitos de planeamiento. Los paneles se fabrican como paneles 'abiertos' o 'cerrados'. Los paneles abiertos, Figura 3.2, son aquellos, estructurales o de tabiquería no estructural que, son exclusivamente fabricados en acero. Los paneles cerrados, véase la Figura 3.3, son aquellos que han sido mejorados, colocando elementos de adicionales de construcción, como aislamiento, tableros y/o ventanas en el panel estructural. Las instalaciones también pueden colocarse en los paneles. A medida Página 4

5 que se agregan elementos adicionales y los paneles llegan a ser más sofisticados, la conexión de un panel con otro se convierte en una parte crítica del diseño, de la cual depende el éxito o el fracaso del sistema de construcción. Lo que incentiva el uso de un sistema cerrado descansa en la simplicidad de construcción en obra y ahorros de tiempo de construcción. Donde la tecnología del sistema 'cerrado se ha utilizado exitosamente, la entrega de una vivienda completa puede alcanzarse en 3 ó 5 días, exclusivamente en trabajos in situ. La desventaja del uso de sistemas cerrados es que, los elementos pueden ser muy vulnerables a las malas condiciones climáticas, durante la etapa de montaje. En la práctica, cuando se utiliza este sistema, el subcontratista especializado, se convierte en el contratista principal. Figura 3.2 Una estructura de panel, 'abierta' Figura 3.3 Un panel cerrado mejorado con la adición de revestimiento, aislamiento y servicios Página 5

6 4. Métodos tridimensionales (modulares) Un tercer método para utilizar el acero ligero en construcciones residenciales es mediante el ensamblaje de los elementos de acero en fábrica, en unidades tridimensionales. Estas, se denominan comúnmente "módulos" si son múltiplos de las dimensiones de los ambientes; o "módulo de baño" o "módulo de cocina" si se refieren a un baño o a una cocina respectivamente. El "módulo" o los "módulos de cocina/baño" puede fabricarse por un subcontratista especializado o un fabricante, como una unidad estructural sola, según se ilustra en la Figura 4.1, para instalarse por otros; o puede construirse totalmente por el fabricante y enviarse al lugar como una unidad completa, Figura 4.2 y Figura 4.3. Puede decirse que la construcción modular es la forma más avanzada de construcción residencial, al aprovechar la gran ventaja que tiene la producción en fábrica (fuera de obra) Las desventajas percibidas en los módulos de construcción son, limitaciones de diseño, costos de transporte y limitaciones en la capacidad y potencial del mercado local. Figura 4.1 Unidad modular estructural Página 6

7 Figura 4.2 Las tres fotografías muestran el sistema modular Open House. Los módulos se construyen en fábrica y se montan en obra, conjuntamente con los pilares Página 7

8 Figura 4.3 Montaje de un módulo de baño en Beaufort House - Londres Las dimensiones de los módulos, están determinadas por requisitos de diseño arquitectónico, pero generalmente, por limitaciones de transporte. Estas no son sólo las establecidas por las autoridades pertinentes, sino también por las limitaciones naturales del acceso a la obra. A pesar de estas limitaciones, los módulos pueden embarcarse a largas distancias, como se ve en la Figura 4.4, donde los módulos se enviaron desde Polonia al centro de Londres. En una construcción modular, el tiempo de construcción total en obra se reduce al mínimo. La principal responsabilidad, en cuanto a programación del proyecto; envío y culminación, está en manos del fabricante o contratista especializado. Figura 4.4 Los módulos se fabricaron en Polonia y se montaron en Londres Página 8

9 5. Construcción híbrida El cuarto método posible puede combinar dos o tres de los sistemas descritos previamente, en muchos casos, además de los elementos de acero laminado en caliente (u hormigón). Esto se denomina construcción híbrida. En principio, la construcción híbrida utiliza lo mejor de cada método e, incorporando elementos estructurales laminados en caliente (u hormigón) amplía el alcance de la construcción en acero ligero a construcciones más grandes y altas. No son inusuales los proyectos de 6 a 9 plantas y se han construido proyectos por encima de 22 plantas. El proyecto Lingham Court en Londres, Figura 5.1 brinda un ejemplo de un proyecto importante en base a una estructura híbrida. Estas 80 unidades, de uso mixto, utilizan la construcción con paneles para el cuerpo principal de la estructura y módulos grandes para baños y cocinas. Para el núcleo de escaleras y ascensores, se fabricaron elementos tridimensionales de acero laminado en caliente. Las 8 plantas de la parte oval del edificio se han hecho con el sistema de construcción con perfiles, ya que esta parte de la estructura no puede construirse económicamente de ninguna otra manera. Figura 5.1 Lingham Court, Londres 6. Elección del sistema Cuál de los cuatro sistemas es el más adecuado para un proyecto dado? La construcción elemental, en efecto, es la forma de construcción tradicional, pero sustituyendo la madera o ladrillo por la estructura de acero ligero. La construcción elemental es una buena solución, para construcciones residenciales de una y dos plantas. En los EEUU ha sido utilizada exitosamente para construcción a gran escala de viviendas de baja altura, donde la obra se convierte, de facto, en una fábrica. Sin embargo, en general, la construcción Página 9

10 elemental imposibilita obtener los beneficios potenciales de ahorro, de tiempo y costo y el control de calidad que se deriva de la prefabricación. Las consideraciones que favorecen el uso de la construcción elemental incluyen: Disponibilidad de subcontratistas especializados idóneos (montaje con tornillos) El proyecto es apropiado para construcción con acero ligero, pero es muy difícil de prefabricar El diseño de proyecto imposibilita la repetición La capacidad de prefabricación no está disponible El tiempo de construcción no es crítico El método de panel de construcción con acero ligero (ya sean paneles abiertos o cerrados) presenta un punto intermedio entre la construcción elemental y las soluciones tridimensionales. El método de panel disminuye el tiempo en obra y permite lograr ahorros de costos. Sin embargo, los ahorros derivados de la repetición, y la fabricación serán bajos y pueden verse disminuidos debido a los costos necesarios para el transporte, ya que la superestructura del proyecto residencial sólo representa el 15% del costo de construcción. Las consideraciones que favorecen el uso de la construcción con panel incluyen: La disponibilidad de subcontratistas especializados calificados Especialistas idóneos que tienen capacidad de entrega a tiempo, dentro de la programación del proyecto El tiempo de proyecto en obra es crítico El proyecto permite una repetición razonable (o mayor) del panel Las consideraciones de diseño arquitectónico no permiten soluciones tridimensionales Los costos de transporte son aceptables y están dentro del costo previsto. La construcción en acero ligero modular o tridimensional permite realizar una construcción más rápida y es debido a esto, que el método permite el logro de importantes ahorros de costos. El éxito de la construcción modular, sin embargo, está basado principalmente en el diseño del proyecto. En los casos en que el diseño permite una repetición significativa, como en proyectos de hoteles, moteles o pensiones de estudiantes, la construcción modular es una consideración obvia y realista. La calidad en la construcción modular depende, en gran medida, de la especificación del cliente. Utilizando las mismas especificaciones del proyecto, un producto hecho en fábrica es más probable, o al menos tiene el potencial, de ser de mayor calidad que el mismo producto construido en obra. La construcción modular tiene dos limitaciones de diseño, ambas se derivan del tamaño grande, en forma de cubo del 'bloque de construcción'. En primera instancia el tamaño del bloque de construcción puede limitar las opciones creativas del diseñador. En segunda instancia, las restricciones del tamaño debidas al transporte, determinan finalmente las dimensiones de los ambientes. Sin embargo, no obstante estas limitaciones, es posible tener varias soluciones buenas de diseño. Página 10

11 Las consideraciones que favorecen la construcción modular incluyen: Disponibilidad de fabricantes adecuados Capacidad de producción disponible y oportuna Diseño arquitectónico apropiado Limitaciones de tiempo críticas en obra Una red de transporte razonable (o mejor si es posible) La construcción híbrida permite al proyectista tener la posibilidad de una mayor flexibilidad en el diseño. El método es adecuado, particularmente, para proyectos complejos de varias plantas pero, igualmente, el método puede utilizarse para proyectos pequeños de una y dos plantas cuando sea pertinente. Dos proyectos ilustran este punto. El primero es el ganador del premio Beaufort House, proyecto para el Peabody Trust, que se ilustra abajo (Figura 6.1), en Londres. Este es un ejemplo de construcción, utilizado en un proyecto urbano de 6 pisos, 76-unidades. En este proyecto, los paneles de acero ligero prefabricado constituyen el sistema de construcción principal. Los paneles, sin embargo, están reforzados con elementos de acero laminado en caliente, en donde existen cargas concentradas. Las estructuras de acero prefabricadas se utilizan en ascensores y cajas de escaleras, y las estructuras de perfiles de acero laminado en caliente, se utilizan en la fachada y el balcón. La solución híbrida se completa con la utilización de unidades de baño estructurales, que es el componente con mayor valor agregado, el cual puede construirse fuera de obra. El segundo proyecto, que se ilustra también abajo (Figura 6.2), es el proyecto Advance Housing desarrollado por Barrett y Terrapin. Este proyecto, aunque sólo se trata de viviendas familiares, utiliza el sistema híbrido en una estructura simple de dos plantas, la cual a primera vista oculta su construcción sofisticada. La estructura utiliza el sistema de paneles cerrados para la parte principal de la estructura pero, incorpora unidades tridimensionales de baños y cocinas. El resultado es una vivienda de alta calidad, hecha en fábrica, adecuada para fabricarse en serie en cualquier lugar apropiado. Los dos proyectos, a pesar de las diferencias de tamaño tienen más cosas en común, que lo que podrían sugerir la comparación de sus tamaños. Página 11

12 Figura 6.1 Beaufort House: Estructura residencial híbrida de 76 unidades, 6 plantas, Londres Figura 6.2 Casas de estructura híbrida de acero ligero por Advance Housing Ltd para Barratt Developments PLC, RU Consideraciones que favorecen la construcción híbrida: Disponibilidad de subcontratistas especializados calificados debe observarse que, la pericia que requiere la construcción híbrida, es probablemente más alta que aquella que se requiere para los métodos de construcción más simple Un proyecto es adecuado para construcción híbrida, por ejemplo, si se puede dividir fácilmente por la concentración de servicios, zonas de valor alto favorecen la construcción con módulos y zonas de menor valor favorecen la construcción con panel Página 12

13 El tiempo de construcción en obra es importante, así se justifica el esfuerzo de prefabricación Los altos costos en diseño pueden fácilmente justificar los ahorros en construcción? Tabla 6.1 resume los métodos más probables de construcción de acero ligero para los diferentes tipos de vivienda. Aunque es una guía razonable, las opciones actuales pueden variar de acuerdo con las oportunidades y requisitos de proyectos específicos. Tabla 6.1 Formas de construcción de vivienda y elección del sistema estructural Sistema estructural Forma de vivienda Elemental Panel Volumétrica Híbrida Auto-construcción Una familia Adosados/fila Apartamentos (1 4 plantas) Apartamentos (4+ plantas) Hoteles, pensiones etc. Optimo posible 7. Opciones de contrato y servicios de consulta Una vez que se selecciona el sistema de construcción, necesitará determinarse las relaciones organizacionales entre los agentes responsables para suministrar el producto residencial. De hecho, es mejor que éstas relaciones se determinen al mismo tiempo que la elección del sistema. Los siguientes comentarios relativos a las opciones o elecciones generales en las relaciones y a las formas de los contratos variarán de acuerdo al país y a los antecedentes del cliente. Algunas de las preguntas importantes a resolverse son: Quién es el contratista principal? Cuál es la relación entre el contratista principal y el principal especialista en acero ligero? Quién suministra los servicios de ingeniería estructural? Cuál es la relación entre el arquitecto del propietario y el especialista en acero ligero? Quién suministra el detalle arquitectónico? Siguen consideraciones y comentarios para cada método. El método elemental: Este presenta la forma organizacional más simple. En este caso el especialista será probablemente, un subcontratista designado o el subcontratista que haya ganado el contrato a través de una licitación o negociación. Es más probable que, los servicios de ingeniería y arquitectura sean suministrados convencionalmente, aunque deberían integrarse al subcontratista de acero ligero. Página 13

14 El método de panel: este sistema será de cualquier forma más complejo que el método elemental y será significativamente más complejo si el especialista emplea un sistema de diseño hecho a medida. Dependiendo del sistema, el especialista puede suministrar la ingeniería de la superestructura y estar involucrado materialmente en el detallado del sistema. En este caso, las áreas de responsabilidad y alcance de suministros de productos y servicios necesitan determinarse meticulosamente. El arquitecto del propietario suministrará el diseño principal para el edificio pero, las limitaciones del sistema de panel empleado, influirán en su planeamiento y detalle. El ingeniero del propietario del edificio suministrará los servicios de ingeniería. El control y la definición de las interfases del trabajo son críticas. El método volumétrico o modular: En este método el fabricante del módulo puede, en la práctica, llegar a ser el contratista principal. Los servicios de ingeniería del edificio probablemente sean tomados por el fabricante del módulo. El arquitecto del propietario del edificio necesitará trabajar de cerca con el fabricante, esto, en el mejor de los casos, resultará en una adecuada colaboración en el peor, será un forcejeo continuo. El método híbrido: Este método presenta potencialmente las más complejas relaciones contractuales. En este método, el especialista en acero ligero, probablemente, no tenga todos los recursos para suministrar todos los elementos híbridos y el especialista podrá tomar o no la responsabilidad de suministrar todos los componentes híbridos. Se da el caso también que los servicios de ingeniería estructurales son contractualmente complejos, con el especialista suministrando algunos o todos los servicios de ingeniería. La definición de interfase y la coordinación del edificio son críticas y deberían ser la responsabilidad del contratista principal. En resumen, el alcance de los servicios suministrados por un subcontratista especializado en acero ligero variará de acuerdo a las habilidades del especialista y a las demandas del mercado. Los servicios del especialista usualmente incluirán: Fabricación, y su diseño y detalle El suministro de acero como lo requiera cualquiera de los cuatro sistemas Montaje de la estructura de acero ligero Los servicios opcionales incluyen: Un programa de diseño completo de la ingeniería estructural (superestructura) Suministro de elementos de acero con valor agregado, por ejemplo tabiquerías, balcones, escaleras, ascensores, Suministro de elementos relativos al sistema tales como, aislamiento, tableros, sistemas de fachada etc. Otros servicios de diseño relativos al comportamiento del sistema de acero ligero, por ejemplo detalle y análisis de los sistemas acústicos, térmicos y contra incendio, etc. necesitarán también ser coordinados, frecuentemente por el contratista especializado. Los procesos y métodos de selección de estructuras en acero ligero están evolucionando y los contratistas especializados en acero ligero están respondiendo a las demandas del mercado. Tabla 7.1 sugiere los métodos de adquisición que son más adecuados para los diferentes sistemas de construcción. Página 14

15 Tabla 7.1 Disposición contractual y selección de estructura en acero ligero Tipos de construcción Disposición contractual Responsabilidad del subcontratista Elemental Panel Volumétric o (modular) Híbrida (sistema mixto) Lidera el desarrollador (diseño, construcción y financiación) Lidera el contratista (diseño y contrato de construcción) Diseño total de sistemas completos como lo establecen los arquitectos del proyecto Coordinación de diseño por subcontratista especializado Diseño e instalación de los componentes especializados por el subcontratista Instalación sólo de componentes especializados por el subcontratista Suministro sólo de componentes especializados Contratos convencionales (licitación-construcción) Instalación del constructor Subcontratista seleccionado (diseño e instalación) probablemente posible difícilmente La tabla anterior es sólo una guía la experiencia demuestra que casi cualquier arreglo contractual es posible, si existe buena voluntad de las partes involucradas. Sin embargo, se pueden deducir tres puntos a partir de la tabla: Cuanto más complejo el método seleccionado, es menos probable que una licitación sea exitosa, en este caso es mejor una negociación. Se obtendrán oportunidades óptimas de adquisición, seleccionando con anticipación el método y el especialista en el proceso de diseño. A fin de lograr la mayor ventaja de los métodos innovadores de construcción y adquisición, los acuerdos genuinos de asociación entre el propietario, el contratista principal y el especialista, permiten un mejor resultado. Página 15

16 Registro de Calidad TÍTULO DEL RECURSO Proyecto básico: Sistemas estructurales y métodos recomendados para la selección de Referencias(s) DOCUMENTO ORIGINAL Nombre Compañía Fecha Creado por J Baker SCI Contenido técnico revisado por G W Owens SCI Contenido editorial revisado por Contenido técnico respaldado por los siguientes socios de STEEL: 1. Reino Unido G W Owens SCI 18/04/06 2. Francia A Bureau CTICM 18/04/06 3. Suecia B Uppfeldt SBI 11/04/06 4. Alemania C Müller RWTH 18/04/06 5. España J Chica Labein 18/04/06 Recurso aprobado por el Coordinador técnico G W Owens SCI 20/7/06 DOCUMENTO TRADUCIDO Traducción realizada y revisada por: eteams International Ltd. 29/06/06 Recurso de traducción aprobado por: J Chica Labein 19/07/06 Página 16