El acero - Construdata.com

SISTEMAS
El acero
en la rehabilitación
El uso combinado de materiales nuevos y antiguos estimula la diversidad arquitectónica.
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Construcción Metálica 9
SISTEMAS
L
os antiguos edificios de mampostería sufren deterioros como
consecuencia de los estragos del tiempo y, por tanto, necesitan una consolidación estructural y una rehabilitación funcional. Así mismo, las construcciones de concreto armado también necesitan rehabilitarse según su estado de conservación.
Estos procesos de restauración y consolidación, particularmente
los que tienen que ver con edificios monumentales, requieren una
cuidadosa selección de materiales de construcción en función de
los que hay que consolidar. Por sus cualidades, el acero desempeña un papel importante en esta actividad.
Es preciso hacer una distinción entre los materiales nuevos, aquellos que representan el “remedio”, y los viejos, que representan la
“enfermedad”. Como “remedio” se utilizan materiales tradicionales
como cemento, mortero, hormigón armado y acero; materiales innovadores como morteros especiales, polímeros reforzados con
fibras (FRP), metales especiales (aceros de alta resistencia, acero
inoxidable, etc.), al igual que algunos dispositivos especiales pertenecientes a sistemas avanzados de protección sísmica que utilizan tecnologías de control pasivo.
NUEVOS MATERIALES MIXTOS - Materiales de consolidación
ESTRUCTURAS
DAÑADAS
ACERO
CONCRETO
ACERO
++
HORMIGÓN
++
+
MAMPOSTERÍA
++
+
MADERA
++
MAMPOSTERÍA
MADERA
FRP
+
+
+
+
+
+
+
Las posibilidades para la elección de estos materiales pueden verse en la siguiente tabla, donde se incluyen materiales nuevos (de
consolidación) así como materiales viejos (para consolidar), cuyas
combinaciones dan lugar a nuevos materiales mixtos:
El valor estético de un contraste sinergético entre materiales antiguos y nuevos
La selección de una adecuada combinación representa el objetivo
principal para la consolidación estructural de un edificio. Hay que
destacar que el acero, al ser compatible con los materiales nuevos
referenciados, permite hacer frente a los complejos requisitos que
surgen en los distintos niveles de consolidación de las estructuras
que necesitan rehabilitación. En el caso de los monumentos históricos, las estructuras de acero satisfacen los estrictos requisitos
impuestos en el trabajo de restauración.
Ventajas del acero en la rehabilitación
• Prefabricación. Permite la ejecución de los elementos principales con soldadura en taller, los cuales se hacen a la medida según
las necesidades de transporte y de trabajo de la obra, donde se
pueden conectar fácilmente mediante el uso de pernos.
El uso de uniones atornilladas es una condición previa importante para la “reversibilidad” de la solución
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Una antigua estructura industrial de acero se transforma en un edificio de apartamentos (Paris, rue de l’Ourcq)
• Reversibilidad. Propiedad básica de las estructuras de acero,
puesto que las conexiones atornilladas se pueden utilizar para
realizar construcciones permanentes y también para fabricar
construcciones provisionales.
• Ligereza. Gracias a su alta relación resistencia/peso, la ligereza de los elementos simplifica el transporte y el montaje,
minimizando al mismo tiempo el peligro de aumentar la carga
en las estructuras existentes.
• Dimensiones reducidas de los elementos estructurales.
Consecuencia natural de la alta efectividad estructural del
acero que contribuye a simplificar la sustitución y/o la integración de los elementos estructurales ya existentes con los
nuevos elementos de refuerzo.
• Apariencia estética. Característica esencial, pues el contraste
creado mediante la asociación de los elementos antiguos de la
estructura con los elementos nuevos de acero permite incrementar el valor arquitectónico de los edificios.
• Rapidez de montaje. Siempre es una ventaja, en especial cuando
la intervención de rehabilitación es muy urgente, para evitar una
mayor degradación y para garantizar una protección inmediata.
• Variedad. La gran diversidad de productos de acero en el
mercado permite satisfacer todas las necesidades de diseño y
montaje con un alto grado de flexibilidad.
Condiciones previas de restauración
+ 14.13 m
+ 11.28 m
+ 7.75 m
+ 3.97 m
+ 0.00 m
Sustitución de la vieja estructura interior por una nueva estructura resistente en acero
(“Kannerland” en Luxemburgo)
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Cuando el edificio que se va a consolidar es de interés histórico,
su restauración se convierte en un proceso bastante delicado.
Los criterios en los que debe basarse este trabajo están orientados hacia la conservación de edificios ya existentes, cuya integración con nuevos sistemas constructivos es necesaria para
garantizar la funcionalidad del edificio. Estos nuevos sistemas
deben tener una apariencia moderna, ser distinguibles y reversibles, gracias al empleo de tecnologías y materiales que puedan
ser retirados sin dañar la estructura existente.
De hecho, las diferentes cartas internacionales de restauración
(Carta de Atenas, Carta de Venecia, entre otras), establecen la incongruencia de intentar la reconstrucción utilizando métodos del
pasado, que por diversos motivos, sobre todo tecnológicos, ya
no pueden aplicarse. Estas cartas, en especial en casos donde la
operación de restauración implica reestructuración con reconstrucción parcial, prescriben la necesidad de utilizar tecnologías y
materiales adecuados con una visión claramente moderna.
El uso del acero para la rehabilitación estructural de edificios antiguos de carácter monumental es acorde con los criterios que recomienda la teoría moderna de la restauración. De hecho, el acero
se utiliza con mucha frecuencia en la restauración de todo tipo de
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monumentos antiguos y edificios históricos, así como en forma de
dispositivos especiales empleados en la protección sísmica.
Áreas de aplicación
Por todo el mundo se encuentran diversos ejemplos de reforma, rehabilitación y ampliación mediante la utilización de estructuras de acero:
• Construcciones industriales que se han convertido en apartamentos y oficinas.
• Edificios históricos vaciados completamente, manteniéndose las fachadas originales y sustituyendo la estructura interior
por una nueva.
• Monumentos históricos a los que se les introducen estructuras autoportantes para lograr una integración adecuada con
valores modernos. Este tipo de aplicación es cada vez más
común en museos y salas de exhibición.
• Cubiertas de iglesias antiguas que se reemplazan con sistemas
de acero compuestos por vigas y losas colaborantes. Otras
importantes edificaciones se han restaurado con elementos
verticales y horizontales que se añaden para buscar armonía
desde el punto de vista tanto estructural como estético con
los elementos preexistentes.
• Barrios enteros de ciudades, como algunas en Italia, se han
restaurado por completo después de sufrir graves daños por
efecto de terremotos. Para ello, se emplearon elementos de
acero para mejorar la resistencia sísmica de los viejos edificios
de mampostería.
• Se han reparado estructuras de hormigón armado a partir de
elementos de acero, luego de presentarse daños o cuando se
necesitaba que fuesen capaces de soportar cargas más elevadas. También se han transformado, cambiando la estructura original, mediante reducción o aumento de la altura de las
plantas, o introduciendo arriostramientos de acero para mejorar el comportamiento antisísmico.
La nueva cubierta de acero de una iglesia (Salerno, Italia)
Estructuras de acero como sistema provisional para mantener en pie una antigua fachada (Montreal, Canadá)
Niveles de consolidación
Cuando se presenta el problema de la consolidación estructural
de un edificio, es posible distinguir diferentes niveles que corresponden con la extensión y la calidad de la intervención, e incluso
con el orden cronológico en que deben sucederse las fases de esta
consolidación. La siguiente clasificación considera cuatro niveles:
apuntalamiento, reparación, refuerzo y reestructuración.
1.Apuntalamiento. Consiste en un conjunto de intervenciones
provisionales que permiten garantizar una seguridad adecuada
durante la fase transitoria, tanto para el público como para la
obra, la cual precede a cualquier operación de consolidación
definitiva. Esta medida se toma con el fin de proteger la obra y
Cubierta provisional para proteger la obra durante las operaciones de restauración
(Atenas, Grecia)
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evitar un derrumbamiento parcial o total cuando los edificios
requieren disposiciones urgentes de seguridad.
Sus principales campos de aplicación son los siguientes:
• Apuntalamiento temporal de fachadas.
• Estructura de acero que sostiene la fachada durante la
demolición de la parte interna del edificio.
• Apuntalamiento temporal de fachadas inmediatamente
después de un terremoto, usando andamios de acero.
• Cubierta temporal como protección atmosférica de una
obra durante la restauración.
Marcos de acero empleados en la reparación de un muro de piedra (Berlín, Alemania)
2.Reparación. Operaciones realizadas en el edificio para rehabilitar su eficiencia estructural anterior a cuando se produjo el
daño. Representa una operación definitiva usada en aquellos
casos en los que los daños no requieren una intervención urgente. Representa una restauración directa de la capacidad estructural, con requisitos de seguridad mínimos, sin introducir
refuerzos adicionales en las estructuras del edificio dañado.
3.Refuerzo. Implica mejorar la capacidad estructural para que el edificio cumpla con los nuevos requisitos funcionales o medioambientales.
Este nivel de consolidación no afecta significativamente el esquema
estructural, pero sí se integran elementos nuevos a los ya existentes
sin alterar ni la distribución de masas ni la rigidez del edificio.
A diferencia de la reparación, el refuerzo puede realizarse aplicando diversos grados de intensidad según sea el estado de
rigidez exigido o la amplitud de los daños previos.
Iglesia de la Expo en Hanover: estructura modular de acero con vistas a una posible
reutilización en otro lugar
Desde el punto de vista sísmico, la operación de refuerzo puede
distinguirse en mejora, cuando se realiza en diversos elementos
estructurales afectados por errores de diseño o por una mala
ejecución, y en refuerzo, cuando se realiza para asegurar un mayor grado de seguridad, sobre una parte o sobre toda la estructura, sin modificar en exceso su esquema estático.
Los diferentes niveles de refuerzo pueden realizarse a partir
del uso de los mismos sistemas tecnológicos de consolidación
que se usan para la reparación.
Estructura de H.A. reforzada con riostras excéntricas de acero
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Los sistemas de arriostramiento se suelen utilizar para lograr
un refuerzo sísmico de estructuras de mampostería y de hormigón armado. Entre los sistemas innovadores de arriostramiento se distinguen el uso de riostras excéntricas de acero
(EB), riostras de acero con pandeo limitado (BRB) y paneles
que trabajan a esfuerzo cortante con rigidez limitada.
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4.Reestructuración. Consiste en la modificación parcial o total de la
distribución funcional ya sea de la planta o de las dimensiones, junto
con el cambio de otras características originales del edificio, incluido un cambio profundo en el sistema estructural. También resulta
indicada en el caso de edificios seriamente afectados que requieren
una modificación completa en su sistema estructural y su mejora. Se
desarrolla en cuatro tipos diferentes: vaciado, inserción, ampliación
y aligeramiento.
Rehabilitación de estructuras de mampostería
La capacidad portante de los elementos de mampostería debe
mejorarse si éstos sufren daños como agrietamientos por la acción de esfuerzos exteriores inesperados, como los que ocasiona
un terremoto, o si la estructura entera debe ser reforzada para
resistir las nuevas cargas que se imponen por causa de la reutilización del edificio.
Los pilares de mampostería deteriorados por lo general se reparan
con aros metálicos. La restricción lateral sobre el material produce
un importante aumento de la capacidad portante a cargas verticales.
Si los pilares son cilíndricos, los aros pueden estar formados por platinas verticales de sección rectangular, las cuales se refuerzan con anillos de acero horizontales pretensados con pernos.
Para el caso de los pilares de sección cuadrada o rectangular, se
pueden usar perfiles de sección angular como elementos verticales de esquina conectados de diversas maneras: con tirantes
de tracción internos y chapas de unión, por medio de tirantes de
tracción externos y pasadores con secciones en U o mediante
anillos horizontales.
Un nuevo edificio de acero en la zona industrial arqueológica de Catania (Italia), llamada Le Ciminiere, donde los viejos edificios de mampostería fueron restaurados con
estructuras de acero
Cuando se hace necesario transferir una proporción importante
de la carga vertical total soportada por el muro de mampostería
a una nueva estructura de acero, los nuevos pilares de acero pueden insertarse en cavidades hechas en el muro o, simplemente,
unirlos a la mampostería.
En el caso de existir aberturas, la resistencia faltante ocasionada
por el vano puede compensarse con vigas de acero en la parte
superior o con marcos de acero alrededor del mismo. De manera
similar, los arcos de mampostería pueden reforzarse con estructuras de acero.
Consolidación de estructuras de madera
A menudo es necesario reforzar los elementos de madera (vigas y
forjado) en edificios de mampostería, ya que suelen deteriorarse
debido a la acción de hongos, parásitos y humedad.
El armazón de acero dentro de las paredes de mampostería se hace evidente durante
una operación de demolición en Manchester (Reino Unido)
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Existen dos maneras principales para mejorar la capacidad portante de las vigas, dependiendo de si resulta más conveniente trabajar por debajo o desde arriba de las mismas para insertar elementos adicionales de acero:
1. Añadir refuerzos de acero de diferentes tipos por debajo de
las vigas de madera, desde simples placas hasta perfiles en H
o en U, laminados en caliente, los cuales pueden adaptarse a
cada caso según las características de la estructura que se va
a consolidar.
2. Cuando la forma original de la viga debe mantenerse por su
interés histórico particular, es necesario trabajar desde arriba
de la viga.
Puente Buchfahrt reparado, cerca de Weimar (Alemania)
En todos los casos, la interacción entre la madera y el acero debe
garantizarse usando sistemas de unión apropiados que van desde las uniones atornilladas simples hasta los diferentes tipos de
uniones de clavijas.
Chapa de refuerzo s=8mm
Las estructuras de madera, que sufren daños por el paso del tiempo, pueden repararse añadiendo placas de acero en las uniones o
a lo largo de los elementos. Sin embargo, la mejor solución resulta
ser la sustitución de toda la estructura de madera por una nueva
cubierta hecha con perfiles de acero.
Tirantes M12
Perfil C formado en frío
Tirantes M12
Tirantes M12
Chapa soldada
Elementos de acero utilizados en la consolidación de estructuras de madera
Rehabilitación de estructuras
de hormigón armado
El aumento de la capacidad resistente de los pilares de hormigón
armado puede obtenerse si se añade, en una o dos direcciones,
un par de perfiles de acero laminado en caliente, unidos entre sí
con tirantes adecuados. El uso de perfiles en U, angulares y platinas hace posible obtener un perímetro de protección continuo
en el que el efecto pretensor se obtiene con el uso de pernos.
El refuerzo y la reparación de uniones viga/columna de hormigón armado se realiza habitualmente por medio de angulares y
chapas colocadas alrededor de las piezas de hormigón armado.
Las estructuras de acero suelen soldarse y a veces pegarse a la
superficie de hormigón. El tamaño de los elementos adicionales
depende del valor de las solicitaciones debidas al momento flector
y al esfuerzo cortante.
Detalle de la nueva cubierta de acero del Palacio Ducal de Génova (Italia)
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El aumento del valor del momento máximo admisible de las vigas
de hormigón armado se obtiene con la conexión con chapas o
perfiles de acero, mediante pernos o barras y colas de unión. El
mismo sistema puede usarse para reforzar entrepisos de hormigón
armado y bloques de arcilla.
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Los entrepisos de hormigón y los bloques de ladrillo pueden reforzarse siguiendo los siguientes pasos:
• Reforzando la parte inferior de las vigas de hormigón con chapas de acero, sin romper las bovedillas.
• Reforzando las vigas de hormigón con perfiles de acero.
• Insertando perfiles en H en los espacios situados entre las
vigas de hormigón en aberturas adecuadas.
• Reforzando con vigas en U colocadas debajo de cada viga
de hormigón.
Rehabilitación de estructuras
de hierro y acero
La capacidad portante de las estructuras antiguas construidas
con estos metales debe ser tenida en cuenta en relación con las
normas vigentes en el momento de su construcción original, aunque con una comprobación a fondo puede ser posible justificar
un ligero aumento de las tensiones permitidas especificadas.
Consolidación de pilares de hormigón armado mediante elementos de acero
Es posible llevar a cabo diversas técnicas para reforzar las vigas
de acero existentes:
• Soldar chapas o perfiles en las alas superior e inferior.
• Soldar a las alas perfiles en U o en H.
• Soldar chapas entre las alas superior e inferior para formar un
perfil en cajón.
• Trabajar desde arriba colocando una losa de hormigón armado y unirla a las vigas inferiores con los conectores adecuados
(angulares, perfiles en T, barras, espigas, etc.) soldados en el
ala superior para desarrollar una acción mixta (se habla entonces de sección mixta).
En todos los casos, si se van a utilizar tornillos de unión, es
necesario tener en cuenta la pérdida de sección resistente del
elemento original en el momento del taladrado, ya que esta situación temporal podría ser crítica. Si se usa la soldadura como
alternativa, la especificación de la técnica implementada debe
ser compatible con el material existente.
Las propiedades de soldadura del material desempeñan un papel
fundamental en la rehabilitación de estructuras de hierro y acero
existentes. En muchos casos, la documentación histórica se ha
perdido o es insuficiente, pero es bien sabido que los materiales
metálicos del siglo XIX no eran buenos para ésta.
Para la soldadura, las reglas básicas que hay que tener en cuenta son:
• El hierro fundido no se puede soldar.
Riostras de acero para mejora sísmica de estructuras de hormigón armado
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• El hierro forjado puede soldarse, siempre que se sigan las recomendaciones adecuadas.
• Los aceros blandos pueden soldarse en condiciones apropiadas, mediante el uso de electrodos que sean compatibles
(normalmente electrodos de bajo hidrógeno).
El uso de acero para reforzar estructuras modernas de este mismo material es el caso más simple. De hecho, es muy fácil añadir
elementos adicionales en la estructura existente a partir de las
mismas técnicas de unión.
La nueva Sala de Exhibiciones en Colonia (Alemania) resultante de la restauración
de una antigua acería
La unión de piezas de acero antiguas y nuevas exige precauciones especiales. En muchos casos la soldadura no es posible
por la composición del material antiguo y se aconseja la unión
con tornillos.
Adaptación del texto “El acero en la rehabilitación” por ArcelorMittal.
Fotos: ArcelorMittal. Fotógrafos: Marc Detiffe, asbl Atomium: Marie-Françoise Plissart, Luc Tourlous, Philippe Ruault, Menn Bodson, Joaquim Cortés, José Luis Municio, Ana Müll,
Estudio Lamela, Francisco Pablos Laso.
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INGENEX
EMPRESA DE INGENIERÍA
DISEÑO CÁLCULO Y CONSTRUCCIÓN
DE ESTRUCTURAS METÁLICAS.
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ESTRUCTURALES.
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