Muros portantes de acero

Construcción residencial de varias unidades

Los muros portantes estructurales prefabricados de metal conformado en frío (CFMF) son un sistema de construcción de tendencia y una alternativa económica a los sistemas de acero estructural o de hormigón armado para la construcción de media altura. Los sistemas de muros CFMF son particularmente deseables para apartamentos multifamiliares o condominios de 6 a 12 pisos, viviendas para estudiantes, viviendas para personas mayores y hoteles. Los muros de separación y de demarcación residenciales alineados verticalmente permiten que el CFMF se apile como la construcción de muros de carga con estructura de madera o de unidades de mampostería de hormigón (CMU). Sin embargo, los edificios de muros CFMF tienen menos restricciones de altura que los de madera debido a la mayor resistencia del acero y no requieren tanta mano de obra como los CMU debido a la prefabricación. Además, los sistemas CFMF integran los paneles de pared como sistema estructural en lo que normalmente serían tabiques no estructurales, construidos con palos.

El predominio de los sistemas de paneles de pared CFMF conlleva retos de diseño y construcción. La integración del diseño delegado, la coordinación comercial en un elemento tradicionalmente no estructural y los detalles resistentes al fuego son algunos de los retos de este sistema. Este artículo resume el proceso de diseño del sistema CFMF, las opciones de diseño y especificación, y las consideraciones que pueden pasarse por alto en la planificación inicial y la fijación de precios.

Resumen del sistema

Los sistemas CFMF son más eficientes cuando los paneles de pared se alinean, o se «apilan», desde los cimientos hasta el techo. Las construcciones residenciales de varias unidades suelen integrar espacios de programación para comercios, oficinas, servicios o aparcamientos, normalmente en los niveles más bajos del edificio. En estos casos, los muros de carga de CFMF se construyen en un nivel de podio, normalmente de acero estructural u hormigón reforzado in situ. Ambos sistemas pueden diseñarse para soportar muros de carga discontinuos y para proporcionar una mayor separación de la capacidad de fuego que puede ser necesaria entre diferentes ocupaciones. Desde el inicio de un proyecto, debe haber un diálogo entre el equipo de diseño y el propietario para apilar los muros, e idealmente las aberturas de los muros, para minimizar las transferencias dentro del sistema CFMF.

Paneles de pared CFMF estructurales prefabricados. Cortesía de Bear Construction Co.

Los muros de carga de CFMF pueden tener una separación de entre 10 y 32 pies, dependiendo de la capacidad de la construcción del piso. Para cubrir el espacio entre los muros de carga, las opciones del sistema de suelo incluyen hormigón in situ sobre una cubierta de acero compuesta sin apuntalar, hormigón in situ sobre una cubierta de acero apuntalada de gran longitud, o tablones huecos prefabricados y pretensados. Alternativamente, la construcción del suelo puede consistir en paneles de hormigón o cubierta de acero apoyados en viguetas de suelo CFMF que se extienden entre los muros de carga.

Cada sistema de suelo tiene ventajas y desventajas. Por ejemplo, el hormigón sobre cubierta de acero compuesta sin apuntalar requiere menos trabajo asociado con el apuntalamiento que la cubierta de acero de vano largo apuntalada; sin embargo, la cubierta de acero sin apuntalar suele estar limitada a una longitud de vano de unos 15 pies, mientras que la cubierta de vano largo puede alcanzar hasta 32 pies entre los muros estructurales. Los tablones prefabricados de núcleo hueco pretensado pueden alcanzar luces similares a las de los tableros de acero de vano largo; sin embargo, los tablones pueden requerir un remate estructural para la nivelación del suelo y son un sistema más pesado que resulta en un aumento de la carga sobre los paneles de las paredes, el podio y los cimientos.

Construcción de tableros de acero compuestos sin apuntalar.

Comparado con las opciones de cubierta de acero, las viguetas de suelo CFMF pueden ser atractivas debido a su capacidad de abarcar sin el uso de apuntalamiento; sin embargo, un sistema de viguetas de suelo CFMF es generalmente de 6 a 12 pulgadas más profundo que un sistema de cubierta de acero, dejando menos espacio para la distribución MEP, requiriendo techos más bajos o necesitando alturas más altas de piso a piso. Además, los sistemas de viguetas de suelo CFMF pueden requerir un montaje de techo con clasificación de fuego, mientras que los sistemas de cubierta de acero pueden conseguir normalmente una clasificación de fuego sin protección dentro del hormigón. Las opciones de cubiertas de acero (apuntaladas o sin apuntalar) son atractivas, dada su simplicidad en los detalles y su delgado perfil. Tanto para los sistemas de cubierta como para los de viguetas CFMF, si la luz es paralela a un pasillo central, se requiere un cabecero que se extienda desde el extremo del panel de pared CFMF sobre el pasillo. La cabecera forma parte de la trayectoria de la carga estructural y puede requerir una clasificación de 1 ó 2 horas contra el fuego.

El sistema de resistencia a la carga lateral (LLRS) para un edificio CFMF puede ser de una variedad de sistemas estructurales. Puede ser beneficioso utilizar las paredes de CFMF como sistema lateral, basándose en láminas o correas de acero de CFMF. En este caso, la transferencia de los momentos de vuelco en los sistemas de muros y la transferencia de las cargas de los muros CFMF a la estructura del podio son consideraciones importantes; en el caso de los primeros, los detalles adicionales pueden restar eficacia al sistema. Alternativamente, los muros alrededor de las escaleras y los ascensores son un lugar oportuno para introducir muros de corte de hormigón armado, muros de corte de CMU o marcos arriostrados de acero para el LLRS. Independientemente del sistema elegido, la secuencia de los oficios es una discusión crítica que se debe tener con los posibles contratistas, ya sea que estén involucrados en las primeras etapas del proyecto en un papel de asistencia de diseño o en la licitación del proyecto.

Diseño y especificación

Tradicionalmente, la construcción de paneles de pared CFMF se ha regido por sistemas que fueron desarrollados por los fabricantes y su Ingeniero Estructural Especializado (SSE). El SSE diseña estos sistemas, que se ajustan a las técnicas de fabricación e instalación preferidas del contratista. Un enfoque alternativo es que el ingeniero estructural del equipo de diseño diseñe un sistema de entramado de montantes personalizado o que delegue el diseño de un sistema personalizado al contratista. El SER diseñando el sistema es el enfoque menos común y no se discute aquí.

Un diseño delegado apropiado, ya sea para un sistema personalizado o propio, requiere que el equipo de diseño identifique la ubicación y extensión de los muros CFMF de carga en los planos. El diseño delegado de un sistema de construcción describe un escenario en el que el SER proporciona un conjunto de criterios de diseño para que el SSE del contratista lo siga para diseñar, fabricar e instalar el sistema de construcción identificado. Además de identificar la ubicación y la extensión de los muros CFMF, es esencial que el equipo de diseño indique otros oficios, tanto estructurales como no estructurales, que interactúan o son parte integral de los muros CFMF.

Una parte crucial de los criterios de diseño delegado es la comunicación de la información sobre la carga de los muros y del suelo al SSE del contratista. Los planos de carga del suelo deben emplearse para mostrar la magnitud y el alcance de las cargas muertas y vivas superpuestas, especialmente las cargas grandes o no uniformes y las cargas de los muros exteriores. También pueden requerirse detalles específicos para indicar la ubicación y la magnitud de las cargas de los muros exteriores o de las cargas puntuales, como las transferencias, las vigas de transferencia de los pasillos y los equipos de la azotea.

El revestimiento de los muros exteriores es frecuentemente un diseño delegado parcial o completo. La intersección de múltiples componentes de diseño delegados puede dar lugar a una mala coordinación durante la construcción. El equipo de diseño necesita documentar claramente los detalles de la base de diseño para la integración de los diversos sistemas como base para la licitación del contratista. Además, una matriz de responsabilidad es una herramienta útil para documentar las funciones del arquitecto de registro (AoR), el SER, el contratista general (GC), los subcontratistas especializados, el fabricante/instalador de CFMF y su SSE, y el fabricante/instalador de la pared exterior y su SSE durante el proceso de revisión de la presentación y la construcción posterior. La matriz puede publicarse con los documentos de construcción para definir la demarcación del diseño para cada ingeniero estructural. El equipo de diseño puede basarse en la matriz durante las revisiones de las presentaciones para indicar la coordinación necesaria con otros oficios.

Independientemente del sistema -propio o personalizado- el SER debe desarrollar un análisis preliminar de los componentes típicos del muro CFMF tanto para establecer la aceptabilidad para la disposición prevista como para proporcionar una base de diseño para la presupuestación y la licitación previas a la construcción. Este esfuerzo valida el enfoque, establece las cargas de diseño para el podio y los cimientos, ayuda a la SER a identificar las opciones o restricciones clave de la disposición, e indica a la SER dónde se requieren detalles especiales, tamaño mínimo o calibre de material. Esto ayudará al SER a desarrollar un diseño delegado más fiable.

Consideraciones sobre el diseño y la construcción

Construcción del podio

La construcción del nivel del podio debe diseñarse con criterios de deflexión elevados para tener en cuenta la sensibilidad de los muros portantes de CFMF revestidos de paneles de yeso (GWB). El desplazamiento acumulado puede provocar el agrietamiento del acabado no estructural si el nivel del podio no es lo suficientemente rígido. La programación temprana debe considerar el aumento de la profundidad de la estructura por debajo del primer piso de los muros portantes de CFMF.

Capacidades de fuego

Como miembros estructurales principales que soportan la carga, se puede requerir que los CFMF alcancen una capacidad de fuego de hasta 2 horas. Una clasificación de 2 horas se logra con una segunda capa de GWB en cada lado de la pared. Se trata de un peso adicional que debe tenerse en cuenta en el diseño de los montantes e indicarse claramente en el lenguaje de la delegación a la SSE. Una consideración adicional para los arquitectos y contratistas es la continuidad de la clasificación – debe continuar alrededor de las jambas de las puertas, cajas eléctricas y elementos similares integrales con la pared estructural CFMF. En la medida de lo posible, el equipo de diseño debe coordinar todas las penetraciones en una pared CFMF para que se produzcan dentro de una porción no estructural de una pared estructural CFMF para simplificar los detalles de la clasificación de resistencia al fuego durante la construcción.

Flexibilidad futura

Aunque el CFMF permite que una pared divisoria típicamente no estructural sirva como elemento estructural primario, no suele permitir la flexibilidad futura. Mientras que esto puede ser aceptable para hoteles y dormitorios, puede ser menos deseable en apartamentos y particularmente en condominios donde los propietarios pueden querer la oportunidad de modificar su unidad o combinar unidades en el futuro. Una protección contra la limitación de la flexibilidad futura es el uso de un sistema de piso de tramo largo en el que las paredes exteriores y del pasillo son las paredes portantes primarias, o sólo las paredes medianeras de la unidad son las paredes portantes primarias, o una combinación de ellas.

Construcción de forjados de acero de vanos largos.

Muros no apilados

Los muros portantes CFMF son un sistema eficiente para programas de uso repetitivo como el residencial. Sin embargo, cuando los programas atípicos migran dentro, debajo o por encima de los muros de carga CFMF, las ineficiencias estorban al sistema. Esto suele darse en forma de acero estructural laminado en caliente dentro de los muros de montantes de acero, un marco de acero estructural independiente o programas similares. Esto da lugar a ineficiencias en el diseño y la fabricación de los muros CFMF y aumenta la complejidad de la secuenciación de la construcción.

Detalles de los rieles superiores

Los rieles superiores dentro de un muro portante CFMF funcionan como un elemento de distribución de la carga donde el sistema del suelo (por ejemplo, la flauta baja de la cubierta de acero o el reborde de una viga CFMF) no se alinea necesariamente con un montante vertical. Los paneles de pared suelen instalarse en la parte superior de cada nivel de piso, por lo que el riel superior debe diseñarse/detallarse para transferir la carga del sistema de piso y de los pisos superiores al montante vertical adyacente. Según la experiencia de los autores, es una falsa economía que el contratista se ahorre costes suponiendo que los instaladores alinearán el sistema de suelo con los montantes individuales.

Secuenciación de la construcción

Pensar en la coordinación de los oficios durante la secuencia de montaje vertical impulsará la eficiencia de la construcción. Los oficios tradicionales, como albañiles, carpinteros, herreros, proveedores de hormigón y trabajadores de la colocación del hormigón, tendrán que ser puestos en escena a medida que se construye cada piso, y tendrán que ser educados sobre la integración de sus sistemas con la construcción de CFMF.

Espárragos estructurales frente a espárragos de partición

Históricamente, el CFMF no forma parte del marco estructural primario del edificio, sirviendo típicamente como una pared exterior de apoyo o una pared de partición. Si bien esto forma parte del intríngulis y la eficiencia del sistema, puede crear confusión en la obra. Es importante documentar claramente el CFMF estructural tanto en los planos estructurales como en los arquitectónicos. Sin embargo, es más importante educar al contratista y a su subcontratista, desde el principio y con frecuencia, que el CFMF estructural no puede ser modificado sin la revisión y el análisis del SSE para el CFMF. Las modificaciones comunes en el campo incluyen las penetraciones a través de los montantes para los sistemas de fontanería y eléctricos y la eliminación temporal de los montantes para la salida de la construcción.

Revestimiento exterior y bordes de losa

El borde exterior de un edificio de muros de carga CFMF puede ser frecuentemente sólo el borde delgado de una losa de hormigón sobre una cubierta de acero. Esto crea una eficiencia estructural pero puede crear dolores de cabeza en la fachada dependiendo del material y del sistema de fijación. Determinar los materiales de la fachada y los sistemas de fijación desde el principio cuando se considera un sistema estructural CFMF es fundamental: los detalles especiales que requieren ciertos sistemas de fachada pueden erosionar rápidamente cualquier eficiencia en el CFMF estructural. El AoR y el SER deben establecer la base de los detalles de diseño para las fijaciones de la fachada y los requisitos del CFMF estructural y no estructural en las fijaciones de la fachada.

Resumen

Los edificios con muros de carga CFMF son cada vez más una opción rentable en el mercado residencial de baja y media altura. Al ser un nuevo enfoque de diseño y construcción, existe una curva de aprendizaje tanto para los diseñadores como para los contratistas. Comprender las oportunidades y los retos del sistema es la clave del éxito del proyecto.■