La estructura de acero es una técnica de construcción con un " marco de esqueleto " de columnas de acero verticales y vigas en I horizontales , construidas en una cuadrícula rectangular para soportar los pisos, el techo y las paredes de un edificio que están todos unidos a la estructura. El desarrollo de esta técnica hizo posible la construcción del rascacielos . [1] La estructura de acero ha reemplazado a su predecesora, la estructura de hierro , a principios del siglo XX. [2]
El "perfil" de acero laminado o sección transversal de las columnas de acero toma la forma de la letra "Ɪ". Las dos alas anchas de una columna son más gruesas y anchas que las alas de una viga , para soportar mejor la tensión de compresión en la estructura. También se pueden utilizar secciones tubulares de acero cuadradas y redondas, a menudo rellenas de hormigón. Las vigas de acero se conectan a las columnas con pernos y sujetadores roscados, e históricamente se conectaban mediante 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 de flexión más altos que se producen en las vigas.
Se pueden utilizar láminas anchas de cubierta de acero para cubrir la parte superior de la estructura de acero a modo de "molde" o molde corrugado, debajo de una capa gruesa de hormigón y barras de refuerzo de acero . Otra alternativa popular es un suelo de unidades de hormigón prefabricado con algún tipo de revestimiento de hormigón. A menudo, en los edificios de oficinas, la superficie final del suelo se proporciona mediante algún tipo de sistema de suelo elevado y el espacio vacío entre la superficie para caminar y el suelo estructural se utiliza para cables y conductos de tratamiento de aire.
El armazón debe protegerse del fuego porque el acero se ablanda a altas temperaturas y esto puede provocar el derrumbe parcial del edificio. En el caso de las columnas, esto se hace generalmente revistiéndolas con algún tipo de estructura resistente al fuego, como mampostería, hormigón o placas de yeso. Las vigas pueden revestirse con hormigón, placas de yeso o rociarse con un revestimiento para aislarlas del calor del fuego o pueden protegerse con una construcción de techo resistente al fuego. El amianto fue un material popular para la protección contra incendios de las estructuras de acero hasta principios de la década de 1970, antes de que se comprendieran plenamente los riesgos para la salud de las fibras de amianto.
La "piel" exterior del edificio se fija 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 y simplemente pintura para cubrir la estructura y proteger el acero de las inclemencias del tiempo. [3]
Los marcos de acero conformados en frío también se conocen como marcos de acero livianos (LSF).
Las láminas delgadas de acero galvanizado se pueden moldear en frío para formar montantes de acero que se pueden usar como material de construcción estructural o no estructural para paredes externas y divisorias en proyectos de construcción residencial, comercial e industrial (en la imagen). La dimensión de la habitación se establece con un riel horizontal que se ancla al piso y al techo para delinear cada habitación. Los montantes verticales se colocan en los rieles, generalmente espaciados a 16 pulgadas (410 mm) de distancia, 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, y una variedad de otros perfiles. Los elementos de estructura generalmente se producen en un espesor de calibre 12 a 25. Los calibres pesados, como el calibre 12 y 14, se utilizan comúnmente cuando las cargas axiales (paralelas a la longitud del elemento) son altas, como en la construcción portante. Los calibres medianos a pesados, como el calibre 16 y 18, se utilizan comúnmente cuando no hay cargas axiales pero sí cargas laterales pesadas (perpendiculares al elemento), como los montantes de paredes exteriores que necesitan resistir cargas de viento con fuerza de huracán a lo largo de las costas. Los calibres livianos, como el calibre 25, se utilizan comúnmente donde no hay cargas axiales y cargas laterales muy livianas, como en la construcción interior donde los elementos sirven como estructura para muros divisorios entre habitaciones. El acabado de la pared está anclado a los dos lados de la brida del montante, que varía de 1+1 ⁄ 4 a 3 pulgadas (32 a 76 mm) de espesor, y el ancho de la banda varía de 1+De 5 ⁄ 8 a 14 pulgadas (41 a 356 mm). Se quitan secciones rectangulares de la banda para proporcionar acceso al cableado eléctrico.
Las acerías producen chapa de acero galvanizada, el material base para la fabricación de perfiles de acero conformados en frío. A continuación, la chapa de acero se lamina para formar los perfiles finales que se utilizan para la estructura. Las chapas se recubren con zinc (galvanizan) para aumentar la protección contra la oxidación y la corrosión . La estructura de acero proporciona una excelente flexibilidad de diseño debido a la alta relación resistencia-peso del acero, que le permite abarcar grandes distancias y también resistir cargas de viento y terremotos.
Las paredes con estructura de acero se pueden diseñar 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 lo largo del sistema de paredes entre el ambiente exterior y el espacio acondicionado interior. Se puede proteger contra los puentes térmicos instalando una capa de aislamiento fijada externamente a lo largo de la estructura de acero, lo que normalmente se conoce como "ruptura térmica".
El espacio entre montantes es normalmente de 16 pulgadas de centro a centro para las paredes exteriores e interiores de las viviendas, según los requisitos de carga diseñados. En las oficinas, el espacio es de 24 pulgadas (610 mm) de centro a centro para todas las paredes, excepto para los huecos de ascensor y escalera.
Los marcos formados en caliente, también conocidos como marcos de acero laminado en caliente , están diseñados a partir de acero que se somete a un proceso de fabricación complejo conocido como laminado en caliente. Durante este procedimiento, los elementos de acero se calientan a temperaturas superiores a la temperatura de recristalización del acero (1700 ˚F). Este proceso sirve para refinar la estructura del grano del acero y alinear su red cristalina. Luego 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 espesor sustancial de viga y sus dimensiones mayores, 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 más grandes, ya que muestran una deformación mínima cuando se someten a cargas importantes.
Si bien es cierto que los elementos de acero laminado en caliente suelen tener un costo inicial por componente más alto en comparación con el acero laminado en frío, su rentabilidad se hace cada vez más evidente cuando se utilizan en la construcción de estructuras de mayor tamaño. Esto se debe al hecho de que los marcos de acero laminado en caliente requieren menos componentes para cubrir distancias equivalentes, lo que genera ventajas económicas en proyectos de mayor envergadura.
El uso de acero en lugar de hierro para fines estructurales fue inicialmente lento. El primer edificio con estructura de hierro, Ditherington Flax Mill , se había construido en 1797, pero no fue hasta el desarrollo del proceso Bessemer en 1855 que la producción de acero se hizo lo suficientemente eficiente como para que el acero fuera un material ampliamente utilizado. Los aceros baratos, que tenían altas resistencias a la tracción y la compresión y buena ductilidad, estaban disponibles aproximadamente desde 1870, 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 esa fecha, la calidad de los aceros que se producían se había vuelto razonablemente consistente. [5]
El edificio Home Insurance , terminado en 1885, fue el primero en utilizar una estructura de armazón de esqueleto, eliminando por completo la función de soporte de carga de su revestimiento de mampostería. En este caso, las columnas de hierro están simplemente empotradas en las paredes y su capacidad de carga parece ser secundaria a la capacidad de la mampostería, en particular para las cargas de viento. En los Estados Unidos, el primer edificio con estructura de acero fue el edificio Rand McNally en Chicago, construido 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]
