TEMA 11. Estructuras industrializadas ligeras

ia
11.
INDUSTRIALIZED ARCHITECTURE
Tema 11: Estructuras industrializadas ligeras
procesos de industrialización aplicados a la construcción
ia
TEMA 11
Estructuras industrializadas ligeras
ESTRUCTURAS INDUSTRIALIZADAS LIGERAS
11.0. CONCEPTOS
Las estructuras edificatorias artificiales más arcaicas fueron ligeras. Inicialmente simples cubiertos al abrigo de árboles y
posteriormente cabañas de ramas, hierba y hojas. El carácter nómada de los pueblos que las utilizaban no posibilitaba la
utilización de construcciones pesadas. Actualmente la construcción ligera y el nomadismo siguen vinculados
independientemente de las culturas y los grados de desarrollo y conocimiento de los pueblos o grupos sociales que practican
este último.
La construcción pesada, sustituta de las primitivas cuevas, fue posible cuando la agricultura y el pastoreo permitieron
localizaciones permanentes y ha contribuido en gran medida al desarrollo de los pueblos al proporcionar espacios adecuados
para las actividades innovadoras de cada momento.
Las estructuras ligeras han experimentado notables desarrollos; pero en el campo arquitectónico no pueden competir
económicamente con las pesadas, utilizadoras de materiales y tecnologías más abundantes y de utilización más simple
11.1
ESTRUCTURAS INDUSTRIALIZADAS DE MADERA
11.1.0 Conceptos sobre la construcción de estructuras de madera (ver 9.3.0)
Las estructuras ligeras de madera proporcionan ventajas en la manipulación de los elementos y en la eficiencia de la utilización
del material. Se pueden desechar las partes dañadas del tronco original sin merma sustancial y sin la necesidad de labores
complementarias como las que exige la fabricación de elementos compuestos, (madera laminada).
Permite grados diversos de industrialización: completa, de edificios formados por células habitables equipadas, de edificios
construidos con paneles equipados, de edificios construidos con paneles sin equipar, con sistemas de entramado montado “in
situ”.
La utilización de técnicas constructivas con diferentes grados de industrialización basadas en los mismos materiales y elementos
auxiliares permite un elevado grado de hibridación y aporta flexibilidad en la utilización y modificación de estructuras
industrializadas de madera.
11.1.1 Exigencias
Las exigencias específicas para las estructuras ligeras de madera son las siguientes:
• Control del proyecto y de la ejecución en todos los puntos susceptibles de experimentar grados de humedad críticos por
fallos de redes hidráulicas o como consecuencia de condensaciones.
• Seguimiento estricto del plan de mantenimiento de los revestimientos específicos en exterior e interior.
La utilización actual de estructuras ligeras de madera está vinculada a la obtención de ventajas competitivas derivadas de los
siguientes factores:
• Fabricación en países con abundancia de madera adecuada, industria transformadora y mano de obra barata.
• Aprovechamiento de las ventajas socioeconómicas que puede producir la utilización de materiales renovables que
exigen poco consumo energético de transformación.
• Reducción de las necesidades de cimentación debido al reducido peso estructural y la amplia distribución de las cargas.
1
Tema 11: Estructuras industrializadas ligeras
11.1.2 Tipologías estructurales
ia
Los sistemas estructurales ligeros presentan grandes ventajas para la realización de de edificios de poca altura constituidos por
espacios con dimensiones pequeñas o moderadas debido a sus ventajas en el acondicionamiento ambiental, especialmente en el
climático.
En este tipo de edificios son especialmente eficientes las estructuras formadas por paneles con entramado ligero de madera,
desarrollados como evolución de los tradicionales sistemas Platform frame norteamericanos.
11.1.3 Tipos edificatorios:
11.1.3.1. Residencial
Resulta relativamente frecuente en los países del norte de Europa, grandes productores de madera, cuyo clima favorece la
utilización construcción industrializada y en EEUU. Es habitual en edificación unifamiliar.
Cuando se utilizan estructuras de paredes resistentes formadas por paneles con entramado de madera la estructura no resulta
habitualmente aparente y los espacios son consecuentemente más abstractos, sin presencia explicita de elementos constructivos
diferentes a los que interaccionan directamente con el usuario.
Los edificios con estos tipos estructurales resultan flexibles y versátiles a pesar de ser que las paredes son resistentes debido a la
facilidad de modificación sin afectación esencial a los cimientos.
Estas estructuras no permiten espacios amplios, pero la organización espacial puede ser modificada con suma facilidad mediante
herramientas domésticas y con habilidades y conocimientos simples
11.1.3.2. Otras tipologías
Aunque existen multitud de edificios con usos diversos, su número no es significativo en orden establecer características
específicas. En general utilizan los sistemas descritos para las tipologías edificatorias comentadas anteriormente. Entre los tipos
de edificios construidos con estructuras encontramos: oficinas, edificios administrativos, clínicas, guarderías y escuelas infantiles,
residencias y hoteles.
11.1.4 Sistemas constructivos
Las estructuras ligeras de madera se caracterizan por el carácter estructural de todos los elementos delimitadores de espacios. En
general se organizan en superficies, normalmente planas, vinculadas entre ellas de forma que actúen alternativamente como
elementos de arriostramiento.
11.1.4.1. Retículas rígidas
La utilización de uniones rígidas permite la construcción de estructuras reticulares con plantas bidireccionales que conjugan la
atensionalidad espacial con una reducción de las flechas. Es posible así mismo configurar estructuras a partir de mallas
triangulares. En estos casos la confección del plano se realiza con placas rectangulares, por lo que la luz entre miembros no debe
ser excesiva.
11.1.4.2. Paneles
Los sistemas basados en la utilización de paredes resistentes formadas por paneles con subestructura derivan de los sistemas
estructurales ligeros tradicionales.
La industrialización de dichos sistemas dio lugar a paneles con la altura de una planta formados por el entramado de una pared:
solera, montantes y carrera superior y hoja exterior de madera aglomerada o laminada. La pared incluía los elementos necesarios
para configurar los huecos correspondientes.
Estas estructuras, inicialmente ensambladas mediante uniones clavadas se fabrican actualmente mediante chapas dentadas o
grapas.
El montaje de paneles verticales y horizontales es muy rápido: de un día a dos por vivienda.
La distancia entre los centros de producción y los lugares de montaje y las características de las vías de comunicación tiene una
gran influencia en el rendimiento final.
2
Tema 11: Estructuras industrializadas ligeras
ia
En España la producción de este tipo de estructuras es muy reducida debido a que la baja repercusión del costo del transporte en
el costo total permite la importación desde centros de producción europeos consolidados.
Uno de los problemas que presenta este tipo de construcciones es la sensibilidad al ataque de insectos, especialmente termitas.
La protección del material exige tratamientos iniciales con productos tóxicos y mantenimiento periódico.
11.1.5 Componentes:
11.1.5.1. Cimientos
Los cimientos de las estructuras ligeras de madera se realizan “in situ” y los enlaces se realizan mediante barras o chapas que
permitan fijar la geometría del edificio, pero que no tienen misión resistente principal. La transmisión de cargas se efectúa
directamente por los durmientes inferiores de las paredes a través de cuñas o bandas de neopreno que garanticen el mayor grado
de transmisión y de forma que no acceda humedad capilar hasta la madera.
El anclaje de paneles debe realizarse interponiendo entre la base de hormigón y la solera del panel nudillos o cuñas que integren
algún material impermeable.
11.1.5.2. Paredes
Desde los primeros ejemplos de la industrialización las paredes de entramado han evolucionado hacia la simplificación en las
conexiones, la mejora de su comportamiento ambiental y la capacidad de integración con otros subsistemas, (carpintería,
instalaciones, etc.). La variedad geométrica produce una ligera pérdida de rendimiento, pero muy inferior a la existente en los
primeros tiempos. Mediante sistemas CAD-CAM robotizados se podría llegar a eliminar la disminución de rendimientos.
La utilización de paredes resistentes produce un abaratamiento considerable de la estructura por no exigir elementos lineales
flexionados. Todos los elementos, verticales y horizontales están constituidos por paneles superficiales.
Una gran ventaja de los edificios con paredes estructurales es la rigidez e hiperestaticidad, que permite alcanzar una gran
estabilidad de todos los elementos constructivos, (siempre dependiente de las características y de la organización de las
conexiones entre elementos).
11.1.5.3. Soportes
Tienen carácter excepcional. Utilizan preferentemente escuadría cuadrada o rectangular con lados modulados cada 2,5cm, (aprox.
1’). Se utilizan normalmente elementos enterizos, aunque se pueden utilizar elementos compuestos por tablas de pequeño
calibre.
11.1.5.4. Vigas
Se utilizan de forma habitual escuadrías rectangulares formadas por tablas acopladas, aunque con luces amplias, excepcionales,
se utilizan elementos de madera laminada.
11.1.5.5. Placas de techo
Los espacios generados se cubren con elementos cuyas características dependen de la luz y la capacidad de carga. En luces
reducidas, normalmente entre 3 y 5m, se utilizan placas formadas por tableros aglomerados o laminados y subestructura formada
por piezas rectangulares, que conjugan un canto reducido y caras planas, incluso con acabados diversos. Cuando las luces son
mayores no suele haber plantas superiores por lo que se utilizan armaduras de celosía rectangulares o triangulares ligeras.
11.1.5.6. Escaleras
La escaleras industrializadas ligeras de madera son habituales incluso vinculadas a estructuras que no son de dicho material.
Aunque existe una amplia variedad de tipos, lo más recurrentes y eficientes se basan en la tradicional escalera a la molinera,
formada por dos vigas inclinadas en cuyas caras interiores se insertan las piezas que forman pisas y en su caso tabicas y la
formada por forjado con tablero sobre el que se realiza el peldañeado. Como diferencia espacial cabe indicar que la primera se
conecta por encima de la última pisa mientras que la segunda lo hace por debajo, por lo que la solución de la inserción en las
estructuras horizontales varía sustancialmente.
La colocación de escaleras simultánea con los elementos superficiales horizontales aumenta de forma sustancial la seguridad de
los operarios, hecho que debe constituir una prioridad en la ejecución edificatoria, pero en estructuras de madera es necesario
proteger cuidadosamente los elementos acabados.
3
Tema 11: Estructuras industrializadas ligeras
11.2
ESTRUCTURAS INDUSTRIALIZADAS LIGERAS DE ACERO
ia
11.2.0 Conceptos
Las estructuras ligeras metálicas resultan de la transposición de los conceptos básicos de las estructuras ligeras de madera a
sistemas en los que las piezas de madera son sustituidas por perfiles metálicos ligeros fabricados a partir de chapa plegada. El
desarrollo de la industria transformadora permite mediante procesado complejo informatizado la confección de piezas
especialmente adaptadas a las tensiones previstas, siempre reducidas, y a un montaje simple mediante herramientas manuales.
Estos sistemas han alcanzado un elevado grado de utilización en edificación residencial unifamiliar, especialmente en la
resolución de cubiertas habitables, por mostrar una elevada solidez a la par que una ocupación espacial mínima.
Es muy probable que en tiempos próximos podamos observar el nacimiento de talleres especializados dotados de maquinaria y
sistemas específicos para este tipo de construcción. De momento es más habitual que este tipo de construcción utilice perfiles
tipificados abstractos simples y que la mayor parte de la manipulación se desarrolle en la obra.
A diferencia de las estructuras pesadas de acero en las estructuras ligeras no se necesita una precisión elevada y la unión de
elementos se realiza mediante tornillos autorroscantes, remaches, o cualquier tipo de fijación mecánica rápida.
11.2.1 Exigencias específicas
Al margen de las exigencias generales que afectan al conjunto de los sistemas estructurales, las exigencias específicas que se
imponen a las estructuras ligeras de acero son;
• Rapidez absoluta en las operaciones de montaje.
• Reducción máxima del volumen ocupado por los elementos del sistema, que permiten albergar materiales de
aislamiento en su seno.
• Capacidad de admitir modificaciones estructurales durante su vida útil.
• Capacidad de desmontaje total para su recuperación.
• Protección contra el fuego.
La capacidad de desmontaje y de reciclaje constituye una exigencia novedosa en nuestra sociedad por lo que no es
excesivamente tenida en consideración. No obstante es previsible que el costo de demolición se vea notoriamente incrementado
por la imposición de ecotasas y la aplicación de exigencias notables de recuperación selectiva. En esa situación la estructura de
acero contará con un aumento comparado de rendimiento por su mayor proximidad al emblemático axioma de las 3R: su
flexibilidad le permite ser reutilizada, gran parte de los elementos son ya hoy día recuperados y quizás el acero es el material que
actualmente alcanza un grado superior de reciclaje relativo y absoluto, en volumen y económicamente.
Desgraciadamente las mermas en el aprovechamiento de la capacidad inherente al acero están en la defectuosa y limitada
definición de los sistemas, consecuente con la falta de desarrollo de herramientas informáticas y el reducido valor dado por la
sociedad al diseño y la proyección constructivas de los edificios, hechos que no es probable que varíen de forma inminente.
11.2.2 Tipologías estructurales ligeras de acero
El precursor de las estructuras ligeras de acero fue Jean Prouvé, que desarrolló sistemas estructurales propios con un elevado
grado de eficiencia mecánica. Desgraciadamente, aunque alcanzó un elevado grado de reconocimiento, en su momento los aires
industrializadotes no soplaron a su favor, sino en el de la prefabricación pesada de hormigón armado, por lo que sus desarrollos
se centraron en edificaciones especiales.
Quizás ese carácter experimental que nunca pudo abandonar Prouvé le permitió alcanzar el elevado grado de eficiencia mecánica
comentado; pero no alcanzó para permitir el desarrollo de procesos industriales mecanizados de lato rendimiento, ya que
siempre se trató de una producción con un elevado grado de artesanía. Consecuentemente en la medida que el coste de la mano
de obra fue ascendiendo el desastre económico fue irremediable y desgraciadamente el futuro de los sistemas resulto truncado.
4
Tema 11: Estructuras industrializadas ligeras
ia
A diferencia de los sistemas estructurales caracterizados por sus grandes luces y de pisos en los que los elementos horizontales y
verticales resultan alternativamente preeminentes, las estructuras ligeras se caracterizan por un elevado grado de sinergia
destinado a mantener el cuerpo estructural en un grado de expresión mínimo, muy distante de intrascendente si atendemos a
obras como las de Prouvé, en las que incluso la subestructura del cerramiento coincide con la estructura principal del edificio.
Aunque Prouvé sea el padre de la construcción ligera de acero, la evolución no ha seguido los caminos comenzados por él sino
como ya se ha comentado los resultantes de la transposición de las estructuras ligeras de madera. No obstante nos parece
interesante señalar que no es el único camino y es importante reseñar otros caminos que pueden llevar a interesantes desarrollos
futuros ya que es uno de los campos con más posibilidades de innovación tecnológica.
11.2.3. Tipos edificatorios:
11.2.3.1. Docente
La edificación docente raramente supera las tres plantas, cuenta con unas luces muy homogéneas y organización ortogonal por
lo que puede ser objeto sencillo de construcciones con sistemas estructurales ligeros basados en paredes resistentes.
El sistema de pórticos H de Prouvé podría ser utilizado con elevada eficiencia.
11.2.3.2. Residenciales y terciarios
La edificación residencial resultas siempre más sencilla que la docente por la menor dimensión de sus luces y alturas, que
permiten mayor arriostramiento y reducción de sección en los elementos estructurales.
Los sistemas basados en la construcción con paneles resistentes de madera es perfectamente transponible, pero también son
utilizables los sistemas V invertida y H de Prouvé, que permiten montajes sin elementos auxiliares de apeo.
Un sistema interesante ensayado por Prouvé es la utilización de bloques estructurales ligeros correspondientes a baños, aseos y
armarios como soportes y elementos de arriostramiento principales de sistemas formados por vigas, forjados y cerramientos
estructurales ligeros.
11.2.3.3. Oficinas
El sistema de pórticos H de Prouvé se muestra especialmente indicado para oficinas.
Los edificios de pisos pueden utilizar simultánea o alternativamente elementos estructurales lineales, superficiales y espaciales. El
grado de eficiencia estructural de cada edificio depende de una correcta combinación de estos componentes para responder a
sus exigencias específicas.
En algunas obras de N. Foster, R. Piano y otros arquitectos más modernos es posible observar reminiscencias de las estructuras de
Jean Prouvé.
11.2.3.4. Edificios comerciales y de exposición
La estructura tipo Tabouret de Jean Prouvé resulta especialmente interesante por las posibilidades espaciales y la adecuación a las
grandes necesidades de espacio requerido para las redes ambientales y de servicio.
N. Foster desarrolló un sistema “de paraguas” utilizado en la Renault de Swindon, que aunque vistoso, puede calificarse como
parodia de eficiencia al tener que recurrir a un conjunto artificioso de arcos y cables.
11.2.4. Sistemas y Tipos estructurales
11.2.4.1. Paredes de carga paralelas
11.2.4.2. Bloques y fachadas de carga
11.2.4.3. Pórticos V
11.2.4.4. Pórticos H
11.2.4.5. Sistema Tabouret
11.2.4.6. Estructuras espaciales ligeras
11.2.4.7. Estructuras de concha, (shell)
11.2.4.8. Cajas autoportantes
Se utilizan elementos espaciales tridimensionales. Una vez unidos las paredes de los elementos actúan como muros de carga.
5
Tema 11: Estructuras industrializadas ligeras
ia
El cambio de orientación de los elementos en plantas sucesivas permite un mayor grado de arriostramiento; pero dificulta la
comunicación vertical y la distribución de las redes de servicios. La pérdida de eficiencia estructural producida por la redundancia
de los elementos estructurales y su difícil optimización pueden resultar compensada en ciertos casos por la reducción de las
tareas en obra.
11.2.5 componentes
En relación con la organización estructural, las funciones mecánicas y la propia configuración geométrica distinguimos tres
subsistemas:
• Subsistemas de transmisión horizontal para cargas gravitatorias.
• Subsistema de transmisión vertical de cargas gravitatorias.
• Subsistema de arriostramiento.
11.2.5.1. Subsistema de transmisión horizontal
Recibe las cargas gravitatorias y las transporta hasta el subsistema de transmisión vertical. Está formado por elementos
superficiales y lineales horizontales. A continuación se detallan los tipos más habituales y sus componentes.
11.2.5.1.1. Sistemas con forjados sin vigas
La construcción industrializada ligera prescinde de las vigas y en general de los elementos flexionados a excepción de los
forjados. Con luces grandes se tiende a utilizar forjados formados por elementos de celosía ligera o sistemas espaciales
bidireccionales.
11.2.5.1.2. Sistemas con forjados sobre vigas
Prouvé utiliza vigas principales interiores en soluciones con pórticos diafragmáticos tipo V y H para liberar el espacio interior de la
rigidez de las paredes. Normalmente utiliza vigas armadas, de menor peso con características peculiares especialmente
ingeniosas.
11.2.5.2. Subsistema de transmisión vertical de cargas
La transmisión vertical directa de cargas se produce fundamentalmente a través de las paredes y ocasionalmente mediante
soportes y núcleos verticales. Entre ellos sólo los se realizan con elementos estructurales diferentes del acero.
Los montantes de las paredes resistentes y los soportes de acero se construyen a partir de chapa plegada de acero, cuya
geometría es modificada mediante embutición y mecanizado simple.
Cuando el sistema horizontal utiliza sistemas espaciales los soportes deben contar con capiteles cuya misión es evitar el
punzonamiento de la placa por el soporte.
11.2.5.2.1. Paredes de carga paralelas
11.2.5.2.2. Bloques y fachadas de carga
11.2.5.2.3. Pórticos V
11.2.5.2.4. Pórticos H
11.2.5.2.5. Sistema Tabouret
11.2.5.2.6. Estructuras espaciales ligeras
11.2.5.2.7. Estructuras de concha, (shell)
11.2.5.2.8. Cajas autoportantes
La transmisión vertical de cargas se puede producir a través de las paredes de los elementos modulares o a través de estructuras
complementarias.
En el primer caso el carácter tipificado de los elementos obliga a que la capacidad resistente de las paredes de los elementos
permita su apilamiento. Esta resistencia adicional no implica sobredimensionamiento de la estructura de los módulos en edificios
de pocas plantas, (consultar características específicas), por no sobrepasarse normalmente las exigencias mecánicas de los
procesos de fabricación, transporte y montaje.
6
Tema 11: Estructuras industrializadas ligeras
ia
Cuando los elementos pueden ser colocados en posiciones no coincidentes se debe comprobar la resistencia de las estructuras
de los módulos en los puntos en que se producen acumulaciones de cargas verticales. En estos casos la mayor diversidad de
propuestas aumenta la complejidad de los sistemas de comunicación y de servicios del edificio.
Para la construcción de paredes resistentes se utilizan preferentemente perfiles laminados en frío o realizados mediante chapa
plegada.
La utilización de estructuras complementarias permite evitar el sobredimensionamiento generalizado de la estructura interna de
los módulos, aunque sigue existiendo redundancia estructural. La estabilidad de la estructura complementaria puede depender
del arriostramiento de los elementos modulares o ser independiente de ellos. Esta segunda opción sólo está justificada por la
posibilidad de extraer parcialmente los elementos modulares, propuesta muchas veces planteada que no se ha llevado nunca a
cabo, ya que complica enormemente todo el sistema.
Las estructuras complementarias utilizan perfiles laminados en caliente en los miembros principales y de chapa plegada en los
elementos destinados al enlace con los módulos
11.2.6 Elementos estructurales
11.2.6.1. Soportes
Se utilizan fundamentalmente elementos laminados con secciones C y L. También se utilizan en casos especiales, normalmente
por razones estéticas secciones circulares y secciones cuadradas, rectangulares, en cruz u otras realizadas mediante perfiles de
chapa plegada.
Cuando se necesita una capacidad de carga superior a la resistida por los perfiles comerciales o existen limitaciones
dimensionales se refuerzan los perfiles mediante la unión de varios perfiles atornillados por el alma o las alas.
11.2.6.2. Vigas
Las vigas utilizan preferentemente perfiles I configurados con chapa plegada, cuyo diseño corresponde justamente con el trabajo
de flexión simple. En los bordes del edificio se utilizan muchas veces perfiles C por presentar una cara plana hacia el exterior a la
que unir elementos estructurales, de cerramiento o de otros sistemas edificatorios.
Cuando las cargas recibidas por las vigas son de gran entidad se utilizan vigas configuradas mediante armaduras aligeradas,
caracterizadas por su mayor canto y la presencia de oquedades.
Las características de las uniones entre vigas o entre vigas y soportes permite definir su grado de rigidez y limitar los tipo se
intensidades de los esfuerzos transmitidos.
Los elementos estructurales ligeros de acero permiten el paso a través de su alma de conducciones de los sistemas de servicios.
11.2.6.3. Forjados
11.2.7. Procesos de producción, transporte y montaje
Técnicas: Uniones y juntas, compatibilidad. Materiales.
Criterios de utilización. Patología.
11.3
ESTRUCTURAS INDUSTRIALIZADAS DE PLÁSTICOS REFORZADOS
11.3.0 Conceptos
No constituyen una alternativa comercialmente competitiva; aunque es posible que en tiempos próximos puedan sustituir a las
estructuras ligeras realizadas metálicas en construcciones que deban ser transportadas por vía aérea o estén sometidas a acciones
para las que los elementos metálicos resultan contraindicados, como estaciones de radar o espacios que deban ser permeables a
radiofrecuencias.
7
Tema 11: Estructuras industrializadas ligeras
ia
Periódicamente se presentan por los fabricantes de materiales plásticos edificios realizados con estructuras de de este material,
pero hasta el momento no se han desarrollado sistemas que hayan sobrepasado una fase experimental.
8
Tema 11: Estructuras industrializadas ligeras
ANEXO DE IMÁGENES
Se pueden desechar las partes dañadas del tronco original sin merma sustancial
Uniones rígidas
Paredes resistentes formadas por paneles con subestructura
9
ia
Tema 11: Estructuras industrializadas ligeras
Pórticos H
Pórticos V
10
ia
Tema 11: Estructuras industrializadas ligeras
Estructura de concha
Estructuras espaciales ligeras
11
ia
Tema 11: Estructuras industrializadas ligeras
Sistema Tabouret
Bloques y fachadas de carga
Paredes de carga paralelas
12
ia
Tema 11: Estructuras industrializadas ligeras
Cajas autoportantes
Uniones
Uniones
13
ia
Tema 11: Estructuras industrializadas ligeras
ia
Vigas de plástico, Big Palette, Centro Internacional de Exposiciones y Congresos de Fukushima, Japón, de Kitagawara Architects
14