Las estructuras de acero utilizadas para edificios pueden adoptar distintas configuraciones según las cargas que deben soportar, la altura de la edificación, la distribución arquitectónica y las condiciones del terreno.
En algunos proyectos se priorizan los espacios interiores abiertos. En otros, se necesita mayor rigidez para controlar los desplazamientos producidos por el viento o los movimientos sísmicos. Por ello, no existe un único sistema adecuado para todas las edificaciones.
Los sistemas más empleados incluyen pórticos resistentes a momento, pórticos arriostrados, cerchas, estructuras reticuladas y soluciones mixtas de acero y concreto.
¿Cuáles son los principales tipos de estructuras de acero para edificios?
Las estructuras de acero pueden clasificarse de acuerdo con la forma en que sus elementos reciben y transmiten las cargas verticales y laterales.
| Tipo de estructura | Característica principal | Aplicaciones habituales |
|---|---|---|
| Pórticos resistentes a momento | Las vigas y columnas se unen mediante conexiones rígidas | Oficinas, comercios y edificios con espacios abiertos |
| Pórticos arriostrados concéntricamente | Incorporan diagonales que se unen en puntos comunes | Edificios industriales, almacenes y edificaciones de varios niveles |
| Pórticos arriostrados excéntricamente | Las diagonales se conectan dejando un segmento especial en la viga | Edificios que necesitan combinar rigidez y capacidad de deformación |
| Cerchas o armaduras | Utilizan barras organizadas en formas triangulares | Cubiertas, hangares, fábricas y auditorios |
| Estructuras reticuladas espaciales | Forman una red tridimensional de elementos | Terminales, centros comerciales y cubiertas de grandes dimensiones |
| Sistemas mixtos de acero y concreto | Combinan perfiles metálicos con losas, columnas o núcleos de concreto | Edificios comerciales, residenciales y de gran altura |
| Sistemas modulares de acero | Se fabrican por módulos que posteriormente se ensamblan | Oficinas temporales, campamentos, centros educativos y ampliaciones |
Los pórticos resistentes a momento permiten mantener las fachadas y ambientes interiores libres de diagonales. La estabilidad lateral depende principalmente de la rigidez de las uniones entre vigas y columnas.
Los pórticos arriostrados utilizan diagonales para controlar los movimientos laterales. Estas diagonales pueden disponerse en forma de X, V, V invertida o mediante otras configuraciones definidas por el cálculo estructural.
Las cerchas permiten salvar grandes luces utilizando una cantidad de material relativamente eficiente. Sus elementos trabajan principalmente bajo esfuerzos de tracción y compresión.
Las estructuras reticuladas espaciales distribuyen las cargas en varias direcciones. Son frecuentes en cubiertas amplias donde se busca reducir la cantidad de apoyos interiores.
Los sistemas mixtos aprovechan las características del acero y del concreto. Un ejemplo es una estructura con vigas y columnas de acero, losas colaborantes y un núcleo central de concreto.
Tip: Una estructura modular describe principalmente una forma de fabricación y montaje. El módulo también debe contar con un sistema resistente, como pórticos, arriostramientos o paneles estructurales.
Los pórticos resistentes a momento y los pórticos arriostrados se encuentran entre los sistemas más utilizados para proporcionar resistencia lateral en edificios de acero. Las soluciones mixtas también pueden emplearse cuando el proyecto necesita aumentar su rigidez o integrar núcleos y losas de concreto.
¿Cómo resisten las cargas los pórticos y sistemas arriostrados?
Una estructura debe soportar tanto las cargas verticales como las acciones horizontales.
Las cargas verticales incluyen el peso propio de la estructura, los cerramientos, las instalaciones, los acabados, el mobiliario y la ocupación del edificio.
Las cargas laterales pueden originarse por movimientos sísmicos, viento u otras acciones que producen desplazamientos horizontales.
El sistema estructural debe crear una trayectoria continua para que todas estas cargas lleguen de manera segura hasta la cimentación.
Pórticos resistentes a momento
En este sistema, las vigas y columnas están conectadas de forma que las uniones puedan transmitir momentos y fuerzas cortantes.
Al no necesitar diagonales en todos los paños, ofrecen ventajas arquitectónicas:
- Mayor libertad para ubicar puertas y ventanas.
- Espacios interiores más abiertos.
- Fachadas con menos interferencias.
- Facilidad para modificar algunas distribuciones no estructurales.
- Integración con oficinas, comercios y estacionamientos.
Sin embargo, las conexiones requieren un diseño, fabricación e inspección rigurosos. También debe verificarse que los desplazamientos del edificio se mantengan dentro de los límites permitidos.
Pórticos arriostrados concéntricamente
En este sistema, las diagonales se conectan de manera que sus ejes coincidan aproximadamente en un punto común.
Los arriostramientos proporcionan rigidez y transmiten las fuerzas laterales principalmente mediante esfuerzos axiales de tracción y compresión.
Entre sus características se encuentran:
- Mayor control de los desplazamientos laterales.
- Uso eficiente del acero en determinados proyectos.
- Configuración apropiada para edificaciones industriales.
- Posibilidad de utilizar diagonales en X, V o V invertida.
- Necesidad de coordinar los arriostres con puertas, ventanas y circulaciones.
Pórticos arriostrados excéntricamente
En los sistemas excéntricos, la diagonal no se conecta directamente en el mismo punto de unión entre la viga y la columna. Se deja una sección denominada enlace o segmento de disipación.
Esta configuración busca combinar la rigidez de un pórtico arriostrado con una mayor capacidad de deformación ante acciones sísmicas.
| Aspecto | Pórtico resistente a momento | Pórtico arriostrado |
|---|---|---|
| Resistencia lateral | Mediante las conexiones entre vigas y columnas | Principalmente mediante diagonales |
| Rigidez | Puede presentar mayores desplazamientos | Generalmente ofrece mayor rigidez |
| Libertad arquitectónica | Alta | Puede verse limitada por los arriostres |
| Complejidad principal | Diseño y ejecución de las conexiones | Diseño de diagonales, placas y uniones |
| Uso habitual | Oficinas, comercios y estacionamientos | Industrias, almacenes y edificios de varios niveles |
| Coordinación necesaria | Fachadas, vigas y uniones | Puertas, ventanas, pasillos e instalaciones |
Tip: Los arriostramientos deben definirse desde las primeras etapas del proyecto. Añadirlos después del diseño arquitectónico puede bloquear accesos, ventanas, recorridos de instalaciones o áreas de circulación.
En los pórticos resistentes a momento, las uniones rígidas permiten resistir acciones horizontales sin depender de diagonales. En los sistemas arriostrados, una parte importante de la rigidez y de las fuerzas laterales se concentra en los arriostres y sus conexiones.
¿Qué tipo de estructura de acero se utiliza según el edificio?
El sistema adecuado depende del uso de la edificación, las luces que deben cubrirse, el número de niveles y la necesidad de mantener espacios interiores libres.
| Tipo de edificio | Sistemas que pueden utilizarse | Necesidad principal |
|---|---|---|
| Naves industriales | Pórticos, cerchas y arriostramientos | Grandes luces y rapidez de montaje |
| Almacenes | Pórticos arriostrados y cerchas | Espacios libres para almacenamiento |
| Oficinas | Pórticos resistentes a momento o sistemas mixtos | Flexibilidad interior y control de vibraciones |
| Centros comerciales | Pórticos, cerchas y estructuras reticuladas | Grandes áreas abiertas |
| Estacionamientos | Pórticos resistentes a momento o arriostrados | Circulación sin obstáculos |
| Edificios residenciales | Pórticos, sistemas mixtos y núcleos rígidos | Compatibilidad con divisiones e instalaciones |
| Auditorios y coliseos | Cerchas y estructuras espaciales | Cubrir grandes luces sin columnas intermedias |
| Edificios de gran altura | Sistemas mixtos, núcleos rígidos y pórticos arriostrados | Resistencia al viento y acciones sísmicas |
| Plantas industriales | Pórticos, cerchas y estructuras especiales | Soporte de equipos, tuberías y puentes grúa |
| Construcciones modulares | Marcos ligeros o pórticos modulares | Fabricación repetitiva y montaje rápido |
Naves industriales y almacenes
En este tipo de edificaciones se utilizan con frecuencia pórticos de una planta, cerchas y elementos arriostrados.
El sistema debe adaptarse a factores como:
- Luz libre entre columnas.
- Altura requerida.
- Existencia de puentes grúa.
- Peso de los equipos.
- Sobrecargas de cubierta.
- Ampliaciones futuras.
- Circulación de vehículos.
- Ubicación de portones industriales.
Oficinas y edificios comerciales
Los pórticos resistentes a momento permiten mantener espacios abiertos y fachadas con menos diagonales. También pueden combinarse con núcleos de concreto o sistemas arriostrados situados alrededor de ascensores y escaleras.
Edificios residenciales
La estructura debe coordinarse con las divisiones interiores, fachadas, balcones e instalaciones sanitarias y eléctricas.
Una modulación deficiente puede producir columnas dentro de habitaciones, vigas de gran altura o dificultades para distribuir las tuberías.
Edificios de gran altura
A medida que aumenta la altura, las fuerzas laterales y los desplazamientos adquieren mayor importancia. Pueden utilizarse pórticos arriostrados, núcleos rígidos, sistemas mixtos y otras configuraciones capaces de aportar resistencia y rigidez.
Edificios con grandes luces
Las cerchas y estructuras espaciales son apropiadas cuando se necesitan cubiertas amplias sin columnas intermedias. Esto ocurre en hangares, terminales, coliseos, centros de convenciones y áreas industriales.
Tip: El tipo de edificio orienta la elección, pero no determina por sí solo el sistema. Dos edificaciones con el mismo uso pueden necesitar soluciones distintas debido al suelo, la altura, la ubicación o la distribución arquitectónica.
¿Qué elementos componen una estructura de acero y cómo se construye?
Una estructura de acero está formada por elementos que deben trabajar como un sistema continuo. El funcionamiento no depende únicamente de las vigas y columnas, sino también de las conexiones, los pisos, los arriostramientos y la cimentación.
Los componentes principales son:
- Columnas: reciben las cargas de los niveles superiores y las transmiten hacia la cimentación.
- Vigas principales: soportan las cargas de los pisos o cubiertas y las llevan hacia las columnas.
- Vigas secundarias: reducen las luces de las losas y transmiten sus cargas a las vigas principales.
- Arriostramientos: aportan estabilidad y resistencia frente a fuerzas laterales.
- Cerchas: cubren grandes luces mediante elementos triangulados.
- Conexiones: unen vigas, columnas, diagonales y otros componentes.
- Placas base: conectan las columnas con los pedestales o cimentaciones.
- Pernos de anclaje: fijan las placas base y transmiten esfuerzos hacia el concreto.
- Losas o sistemas de piso: distribuyen las cargas de ocupación y pueden funcionar como diafragmas.
- Cimentaciones: transfieren las cargas del edificio al terreno.
Las conexiones pueden ejecutarse con pernos, soldadura o una combinación de ambos procedimientos. Su configuración debe corresponder a los esfuerzos que necesitan transmitir.
Una conexión simple puede diseñarse principalmente para transmitir cortante. Una conexión rígida debe ser capaz de transmitir momentos entre las vigas y las columnas.
Proceso general de construcción
- Se desarrollan los planos estructurales y de fabricación.
- Se verifican las dimensiones, perfiles, materiales y conexiones.
- Los componentes se cortan, perforan y ensamblan en taller.
- Se aplican los controles de calidad correspondientes.
- Las piezas se identifican y transportan hasta la obra.
- Se colocan los pernos de anclaje y placas base.
- Se montan las columnas, vigas y arriostramientos.
- Se verifica la alineación, nivelación y verticalidad.
- Se completan las conexiones definitivas.
- Se instalan los pisos, cubiertas y elementos complementarios.
- Se aplican los sistemas de protección requeridos.
- Se realizan las inspecciones finales.
| Elemento que debe controlarse | Verificación principal |
|---|---|
| Perfiles de acero | Sección, calidad, longitud y estado superficial |
| Placas | Espesor, dimensiones y ubicación de perforaciones |
| Pernos | Tipo, diámetro, posición y ajuste |
| Soldaduras | Procedimiento, continuidad y posibles discontinuidades |
| Columnas | Verticalidad, nivel y posición |
| Vigas | Alineamiento, nivelación y apoyo |
| Arriostramientos | Orientación, tensión y conexión |
| Placas base | Contacto, nivelación y anclaje |
| Pintura o protección | Preparación superficial y espesor aplicado |
| Sistema de piso | Unión con vigas y continuidad del diafragma |
Tip: Una estructura correctamente calculada puede presentar problemas si las conexiones se fabrican o montan de manera deficiente. Las uniones forman parte del sistema resistente y deben inspeccionarse durante la ejecución.
El acero también debe protegerse de acuerdo con las condiciones de exposición. El proyecto puede requerir pintura anticorrosiva, galvanizado, recubrimientos especiales o sistemas de protección contra incendios.
Las cargas, los perfiles, las conexiones, la estabilidad, la fabricación y el montaje deben responder al diseño estructural y a los requisitos aplicables a las estructuras metálicas.
¿Cómo elegir el sistema de acero adecuado para un edificio en Perú?
La elección no debe basarse solamente en el precio por kilogramo de acero. Es necesario evaluar el costo completo del sistema, incluyendo ingeniería, fabricación, transporte, montaje, conexiones, protección, inspección y mantenimiento.
Los principales factores de selección son:
| Factor | Aspectos que deben analizarse |
|---|---|
| Uso del edificio | Ocupación, equipos, almacenamiento y circulación |
| Altura | Número de niveles y desplazamientos esperados |
| Luces estructurales | Distancia necesaria entre columnas |
| Ubicación | Condiciones sísmicas, viento, humedad y exposición |
| Suelo | Capacidad portante y características geotécnicas |
| Arquitectura | Fachadas, ventanas, espacios abiertos y altura libre |
| Cargas especiales | Maquinaria, puentes grúa, tanques o equipos |
| Plazo | Tiempo disponible para fabricación y montaje |
| Transporte | Tamaño y peso máximo de las piezas |
| Mano de obra | Disponibilidad de soldadores, montajistas e inspectores |
| Protección | Requisitos frente a corrosión e incendios |
| Mantenimiento | Acceso para inspecciones y reparaciones futuras |
| Ampliaciones | Posibilidad de incorporar nuevos niveles o áreas |
| Presupuesto | Costo inicial y costo durante la vida útil |
Condiciones sísmicas
La estructura debe diseñarse para resistir las acciones sísmicas correspondientes a su ubicación, uso, suelo y configuración.
No basta con aumentar el tamaño de las vigas o columnas. También deben controlarse la regularidad, los desplazamientos, la ductilidad, las conexiones y la continuidad de la trayectoria de cargas.
Compatibilidad con la arquitectura
Los pórticos resistentes a momento pueden ser adecuados cuando se necesitan fachadas abiertas o ambientes sin diagonales.
Los pórticos arriostrados pueden ofrecer mayor rigidez, pero su ubicación debe coordinarse con accesos, ventanas, pasillos y redes de instalaciones.
Velocidad de construcción
La prefabricación en taller puede reducir actividades en obra. Sin embargo, el beneficio depende de que los planos estén definidos, las cimentaciones sean precisas y las piezas lleguen en la secuencia correcta.
Protección y mantenimiento
En ambientes húmedos, industriales o cercanos al mar, la estrategia de protección contra la corrosión adquiere especial importancia.
También debe evaluarse la resistencia al fuego del edificio, ya que el acero puede necesitar recubrimientos, pinturas intumescentes u otros sistemas de protección.
Tip: La alternativa más económica no siempre es la que utiliza menos acero. Un sistema con perfiles ligeros, pero conexiones complejas, puede aumentar los costos de fabricación, inspección y montaje.
Antes de definir el sistema conviene comprobar:
- Que el estudio de suelos esté disponible.
- Que las cargas del edificio estén identificadas.
- Que arquitectura y estructuras sean compatibles.
- Que las instalaciones no interfieran con vigas o arriostres.
- Que los materiales puedan conseguirse en los plazos previstos.
- Que las piezas puedan transportarse hasta la obra.
- Que exista personal capacitado para fabricar y montar la estructura.
- Que se hayan previsto la corrosión, el fuego y el mantenimiento.
- Que las ampliaciones futuras formen parte del análisis.
- Que las conexiones puedan inspeccionarse correctamente.
En Perú, el diseño y la ejecución deben cumplir el Reglamento Nacional de Edificaciones. La evaluación de un edificio de acero comprende, entre otras disposiciones, la Norma E.020 para las cargas, la E.030 para el diseño sismorresistente y la E.090 para las estructuras metálicas. El sistema definitivo debe quedar establecido en los planos y cálculos desarrollados por los profesionales responsables.
