En Construcción.

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Fabricación y Montaje de Estructuras Livianas (Light Gauge Steel): Innovación en la Construcción Colombiana

Las estructuras livianas de acero (Light Gauge Steel, LGS), también conocidas como steel framing, representan una alternativa innovadora y eficiente a los sistemas de construcción tradicionales en Colombia. Este sistema constructivo, cada vez más utilizado en ciudades como Bogotá y en todo el país, ofrece ventajas significativas en términos de rapidez de construcción, sostenibilidad, versatilidad y costo. La capacitación del personal en la fabricación y montaje de estructuras livianas es esencial para garantizar la calidad, seguridad y durabilidad de las edificaciones construidas con este sistema.

Diseño de Estructuras con Perfiles Livianos

El diseño de estructuras con perfiles livianos de acero conformado en frío difiere del diseño de estructuras con perfiles laminados en caliente. La capacitación debe cubrir:

Características de los Perfiles Livianos

• Acero galvanizado: Los perfiles livianos se fabrican con acero galvanizado, lo que les proporciona una alta resistencia a la corrosión.
• Espesores reducidos: Los perfiles livianos tienen espesores que generalmente varían entre 0.8 mm y 3.0 mm.
• Formas diversas: Los perfiles livianos se fabrican en una variedad de formas, siendo las más comunes:
  • Perfiles en C (studs): Utilizados como elementos verticales (columnas) y horizontales (vigas).
  • Perfiles en U (tracks): Utilizados como elementos de borde y para rigidizar los perfiles en C.
  • Perfiles omega: Utilizados como correas para cubiertas y entrepisos.
  • Perfiles angulares: Utilizados como elementos de conexión y refuerzo.
• Perforaciones: Los perfiles livianos pueden tener perforaciones pre-punzonadas para facilitar el paso de instalaciones y la conexión de otros elementos.
• Ligereza: Los perfiles livianos son mucho más ligeros que los perfiles laminados en caliente, lo que facilita su manipulación y transporte.
• Alta relación resistencia/peso: A pesar de su ligereza, los perfiles livianos tienen una alta relación resistencia/peso, lo que los hace adecuados para una amplia variedad de aplicaciones.

Principios de Diseño

• Diseño por elementos finitos: Debido a la delgadez de los perfiles, el diseño se basa en el comportamiento de elementos finitos, considerando fenómenos como el pandeo local y el pandeo torsional.
• Arriostramiento: Es fundamental arriostrar adecuadamente los perfiles livianos para evitar el pandeo y garantizar la estabilidad de la estructura. Se utilizan diafragmas (paneles estructurales), correas, cruces de San Andrés y otros elementos de arriostramiento.
• Conexiones atornilladas: Las conexiones entre perfiles livianos se realizan generalmente con tornillos autoperforantes o autorroscantes.
• Análisis estructural: Se utilizan programas de análisis estructural especializados en el diseño de estructuras de acero liviano (como CFS Designer, StrucSoft Metal Wood Framer, etc.) o módulos específicos dentro de programas más generales (SAP2000, ETABS, etc.).
• Consideraciones de durabilidad: Se deben tomar medidas para proteger los perfiles de la corrosión, especialmente en ambientes agresivos (zonas costeras, ambientes industriales).

Sistemas Constructivos con Perfiles Livianos

• Paneles portantes: Los perfiles verticales (studs) se ensamblan con los perfiles horizontales (tracks) para formar paneles que soportan las cargas verticales y laterales.
• Paneles no portantes: Se utilizan como divisiones interiores o cerramientos.
• Vigas y viguetas: Se utilizan perfiles en C o perfiles compuestos para formar vigas y viguetas para entrepisos y cubiertas.
• Cerchas: Se pueden construir cerchas livianas para cubiertas utilizando perfiles en C, U y angulares.
• Marcos rígidos: Aunque menos comunes que en estructuras de acero pesado, también es posible.

Técnicas de Conexión para Perfiles Livianos

La correcta ejecución de las conexiones es crucial para garantizar la resistencia y estabilidad de las estructuras de acero liviano.

Tornillos Autoperforantes y Autorroscantes

• Características: Estos tornillos tienen una punta especial que les permite perforar el acero y formar su propia rosca, sin necesidad de taladrar previamente.
• Tipos: Existen diferentes tipos de tornillos autoperforantes y autorroscantes, con diferentes cabezas (plana, hexagonal, avellanada), puntas (broca, aguja) y recubrimientos (zincado, galvanizado).
• Selección del tornillo: Se debe seleccionar el tornillo adecuado en función del espesor de los perfiles a conectar, el tipo de conexión y las cargas a resistir.
• Instalación: Se deben utilizar herramientas eléctricas (atornilladores) con control de torque para asegurar una correcta instalación de los tornillos. Se debe evitar el apriete excesivo, que puede dañar la rosca o el perfil.
• Espaciamiento y distancia a los bordes: Se deben respetar los espaciamientos mínimos entre tornillos y las distancias mínimas a los bordes de los perfiles, según lo establecido en las normas y especificaciones técnicas.

Remaches

• Uso: Aunque menos comunes que los tornillos, también se pueden utilizar remaches para conectar perfiles livianos.
• Tipos: Remaches ciegos (pop) y remaches macizos.

Adhesivos Estructurales

• Uso complementario: En algunos casos, se pueden utilizar adhesivos estructurales para complementar la resistencia de las conexiones atornilladas o remachadas.
• Tipos de adhesivos: Adhesivos epóxicos, adhesivos de poliuretano.
• Preparación de la superficie: Es fundamental preparar adecuadamente la superficie de los perfiles antes de aplicar el adhesivo (limpieza, desengrasado).

Otras Técnicas de Conexión

• Clinchado: Unión mecánica de dos o más láminas de metal mediante la deformación localizada de las mismas, sin necesidad de elementos de fijación adicionales.
• Engatillado: Unión de perfiles mediante el doblado y encaje de sus bordes.

Consideraciones de Diseño de Conexiones

• Resistencia: Las conexiones deben ser capaces de resistir las cargas de diseño (tracción, compresión, corte, flexión).
• Ductilidad: Las conexiones deben ser capaces de deformarse sin perder su capacidad de carga, para disipar energía durante un sismo.
• Rigidez: La rigidez de las conexiones debe ser compatible con el comportamiento global de la estructura.
• Corrosión: Se deben utilizar tornillos y remaches con recubrimientos adecuados para protegerlos de la corrosión.
• Compatibilidad galvánica: Evitar el contacto directo entre metales diferentes para prevenir la corrosión galvánica.
• Facilidad de montaje: Las conexiones deben ser fáciles de ejecutar en obra, con herramientas y equipos sencillos.

Aislamiento Térmico y Acústico

Las estructuras livianas de acero, por sí solas, no ofrecen un buen aislamiento térmico ni acústico. Por lo tanto, es fundamental incorporar materiales aislantes en la construcción. La capacitación debe cubrir:

Materiales Aislantes

• Lana mineral (lana de roca, lana de vidrio): Excelente aislamiento térmico y acústico, resistente al fuego. Se instala en el interior de los paneles, entre los perfiles.
• Poliestireno expandido (EPS): Buen aislamiento térmico, ligero y económico. Se puede utilizar en forma de paneles o bloques.
• Poliestireno extruido (XPS): Mayor resistencia a la humedad y a la compresión que el EPS. Se utiliza en zonas con mayor exposición a la humedad (cimientos, cubiertas).
• Espuma de poliuretano: Excelente aislamiento térmico, se aplica en forma de spray o paneles.
• Celulosa proyectada: Material aislante ecológico, fabricado a partir de papel reciclado. Se aplica en forma de spray.
• Láminas reflexivas: Láminas delgadas de aluminio o material reflectante que reducen la transferencia de calor por radiación.

Sistemas de Aislamiento

• Aislamiento en el interior de los paneles: Se coloca el material aislante entre los perfiles verticales (studs) de los paneles.
• Aislamiento continuo por el exterior (SATE): Se coloca una capa continua de material aislante por el exterior de la estructura, eliminando los puentes térmicos. Es el sistema más eficiente para mejorar el aislamiento térmico.
• Aislamiento en cubiertas: Se puede colocar el material aislante sobre el forjado de cubierta, bajo la impermeabilización o entre las correas.
• Aislamiento en entrepisos: Se puede colocar material aislante entre las viguetas para mejorar el aislamiento acústico entre pisos.
• Barreras de vapor: En climas fríos o húmedos, se debe instalar una barrera de vapor en el lado caliente del aislamiento para evitar la condensación intersticial.

Consideraciones Acústicas

• Puentes acústicos: Evitar los puentes acústicos, que son puntos donde el sonido se transmite fácilmente a través de la estructura (por ejemplo, a través de los perfiles metálicos).
• Materiales absorbentes: Utilizar materiales absorbentes del sonido (como la lana mineral) para reducir la reverberación en el interior de los espacios.
• Sistemas de doble placa: Utilizar sistemas de doble placa de yeso-cartón con una capa de material aislante en el medio para mejorar el aislamiento acústico de paredes y entrepisos.
• Sellado de juntas: Sellar todas las juntas y aberturas para evitar la transmisión del sonido.

Normativa Colombiana

• NSR-10: Establece requisitos mínimos de aislamiento térmico para las edificaciones en función de la zona climática.
• RETIE: Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas, que incluye algunos aspectos relacionados con el aislamiento térmico y acústico.
• RITE: Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios, que establece requisitos para el aislamiento térmico de las instalaciones.
• Resolución 0549 de 2015: Por la cual se reglamenta el literal m) del artículo 4o y el artículo 16 de la Ley 1673 de 2013 y se dictan otras disposiciones, que hace referencia al Reglamento Colombiano de Construcción Sostenible.

Aplicaciones en Edificación y Construcción Modular

El sistema de steel framing tiene diversas aplicaciones.

Edificación Residencial

• Viviendas unifamiliares: Casas de uno o dos pisos.
• Viviendas multifamiliares: Edificios de apartamentos de baja y mediana altura.
• Ventajas:
  • Rapidez de construcción.
  • Menor peso de la estructura, lo que reduce los costos de cimentación.
  • Flexibilidad en el diseño.
  • Buen comportamiento sísmico.
  • Sostenibilidad (material reciclable).

Edificación Comercial e Institucional

• Oficinas.
• Locales comerciales.
• Escuelas y colegios.
• Hospitales y clínicas (en algunos casos).
• Hoteles.

Construcción Modular

• Módulos prefabricados: Se fabrican módulos tridimensionales en una fábrica y luego se transportan y ensamblan en el sitio de construcción.
• Ventajas:
  • Mayor control de calidad.
  • Reducción de los tiempos de construcción.
  • Menor impacto ambiental en el sitio de construcción.
  • Ideal para proyectos repetitivos (viviendas en serie, hoteles, escuelas).
• Aplicaciones:
  • Viviendas.
  • Oficinas.
  • Aulas escolares.
  • Campamentos.
  • Baños.

Otras Aplicaciones

• Ampliaciones y remodelaciones de edificaciones existentes.
• Cerramientos y divisiones interiores.
• Fachadas livianas.
• Cubiertas livianas.
• Estructuras temporales (stands de ferias, escenarios).

Normativa y Estándares para Estructuras de Acero Liviano

Es fundamental que la capacitación, incluya el manejo de las normativas.

Normativa Colombiana

• NSR-10 (Norma Sismo Resistente Colombiana): El Título F (Estructuras Metálicas) incluye un capítulo (F.2) dedicado a las estructuras de acero liviano conformado en frío. Establece requisitos para el diseño, la fabricación y el montaje de estas estructuras.
• NTC (Normas Técnicas Colombianas): Existen varias NTC relacionadas con el acero galvanizado, los perfiles livianos, los tornillos y otros materiales utilizados en este sistema constructivo.

Estándares Internacionales

• AISI S100 (North American Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members): Es la especificación más utilizada a nivel mundial para el diseño de estructuras de acero liviano.
• AISI S200 (North American Standard for Cold-Formed Steel Framing - General Provisions): Establece requisitos generales para el diseño y la instalación de sistemas de steel framing.
• AISI S240 (North American Standard for Cold-Formed Steel Structural Framing): Establece requisitos para el diseño de elementos estructurales de acero liviano.
• ASTM (American Society for Testing and Materials): Varias normas ASTM son relevantes para los materiales utilizados en estructuras de acero liviano (acero galvanizado, tornillos, etc.).
• Eurocódigo 3 (EN 1993): Parte 1-3: Reglas adicionales para elementos y chapas conformadas en frío.

Software de Diseño para Perfiles Livianos

Existen programas de software especializados que facilitan el diseño y cálculo de estructuras de acero liviano. La capacitación debe incluir:

Características de los Programas

• Modelado de la estructura: Permiten crear un modelo tridimensional de la estructura, definiendo la geometría de los perfiles, las conexiones y los arriostramientos.
• Cálculo de cargas: Permiten definir las cargas que actuarán sobre la estructura (muertas, vivas, de viento, sísmicas).
• Análisis estructural: Realizan un análisis estructural de la estructura, considerando las características de los perfiles livianos (pandeo local, pandeo torsional, etc.).
• Diseño de elementos: Permiten diseñar los perfiles y las conexiones, verificando que cumplen con los requisitos de resistencia y estabilidad establecidos en las normas.
• Generación de planos: Algunos programas permiten generar automáticamente planos constructivos a partir del modelo.
• Listas de materiales: Permiten obtener listas de materiales detalladas, con las cantidades de perfiles, tornillos y otros elementos necesarios.
• Integración con BIM: Algunos programas se integran con software BIM (como Revit o Tekla Structures) para facilitar el intercambio de información.
• Verificación normativa: Deben permitir seleccionar la normativa de diseño a aplicar (NSR-10, AISI, etc.).

Programas de Software

• CFS Designer: Software especializado en el diseño de estructuras de acero liviano, desarrollado por RSG Software. Es uno de los programas más utilizados en la industria.
• StrucSoft Metal Wood Framer: Software para el diseño de estructuras de acero liviano y madera, que se integra con Revit.
• FRAMECAD Structure: Software para el diseño y fabricación de estructuras de acero liviano, que se integra con el sistema FRAMECAD.
• Mitek Structure: Permite el diseño de steel framing.
• Módulos o extensiones dentro de programas de análisis estructural general: SAP2000, ETABS, Robot Structural Analysis, entre otros, pueden tener módulos o extensiones para el diseño de acero liviano.

Cálculo de Cargas y Resistencia

La capacitación debe enseñar los principios del cálculo estructural aplicado a las estructuras livianas.

Cargas

• Cargas muertas: Peso propio de los perfiles, paneles, revestimientos, instalaciones, etc.
• Cargas vivas: Cargas variables debidas al uso de la edificación (personas, muebles, equipos, etc.).
• Cargas de viento: Fuerzas ejercidas por el viento sobre la estructura. Se deben calcular según la NSR-10, teniendo en cuenta la velocidad del viento, la ubicación geográfica, la altura de la edificación y la forma de la estructura.
• Cargas sísmicas: Fuerzas inerciales generadas por el movimiento del suelo durante un sismo. Se deben calcular según la NSR-10, teniendo en cuenta la zona de amenaza sísmica, el tipo de suelo, el sistema estructural y el grupo de uso de la edificación.
• Otras cargas: Cargas de nieve (en zonas donde aplique), cargas de granizo, cargas de temperatura, etc.

Resistencia de los Perfiles Livianos

• Pandeo local: Debido a la delgadez de las paredes de los perfiles, estos son susceptibles al pandeo local, que es un tipo de inestabilidad que ocurre en las alas o el alma del perfil.
• Pandeo torsional: Los perfiles abiertos (como los perfiles en C) son susceptibles al pandeo torsional, que es un tipo de inestabilidad que combina la flexión y la torsión.
• Pandeo flexo-torsional: Combinación de pandeo por flexión y torsión.
• Resistencia a la flexión: La resistencia a la flexión de los perfiles livianos se ve afectada por el pandeo local y el pandeo lateral-torsional.
• Resistencia al corte: La resistencia al corte de los perfiles livianos se ve afectada por el pandeo del alma.
• Resistencia a la compresión: La resistencia a la compresión de los perfiles livianos se ve afectada por el pandeo local, el pandeo global y el pandeo torsional.
• Método de diseño: La NSR-10 y la AISI S100 utilizan el método de diseño por factores de carga y resistencia (LRFD) para el diseño de estructuras de acero liviano.

Resistencia de las Conexiones

• Tornillos: La resistencia de las conexiones atornilladas se determina en función de la resistencia al corte del tornillo, la resistencia al aplastamiento del material base y la resistencia al desgarramiento del material base.
• Remaches: La resistencia de las conexiones remachadas se determina en función de la resistencia al corte del remache y la resistencia al aplastamiento del material base.
• Soldaduras: Aunque menos comunes en estructuras livianas, si se utilizan soldaduras, se deben diseñar según la AWS D1.3 (Structural Welding Code - Sheet Steel).

Protección Contra el Fuego

El acero, aunque no es combustible, pierde resistencia a altas temperaturas. La capacitación debe cubrir:

Comportamiento del Acero ante el Fuego

• Pérdida de resistencia: El acero pierde resistencia y rigidez a medida que aumenta la temperatura.
• Dilatación térmica: El acero se dilata al aumentar la temperatura, lo que puede generar esfuerzos adicionales en la estructura.

Sistemas de Protección Contra el Fuego

• Revestimientos intumescentes: Pinturas que se expanden al exponerse al calor, formando una capa aislante que protege el acero.
• Placas de yeso-cartón: Las placas de yeso-cartón (resistentes al fuego) proporcionan una barrera contra el fuego y retrasan el aumento de temperatura del acero.
• Morteros ignífugos: Morteros especiales que se aplican sobre los perfiles de acero para protegerlos del fuego.
• Lana mineral: La lana mineral, además de ser un buen aislante térmico y acústico, es resistente al fuego y puede utilizarse para proteger los perfiles de acero.
• Encapsulamiento en concreto: Aunque menos común en estructuras livianas, en algunos casos se puede encapsular los perfiles en concreto para protegerlos del fuego.

Requisitos de Resistencia al Fuego

• NSR-10: La NSR-10 establece requisitos de resistencia al fuego para las edificaciones en función de su uso, altura y ocupación.
• Tiempo de resistencia al fuego: El tiempo de resistencia al fuego es el tiempo durante el cual un elemento estructural o un sistema de protección contra el fuego puede mantener su función estructural o de compartimentación durante un incendio. Se expresa en minutos (por ejemplo, 60 minutos, 90 minutos, 120 minutos).
• Ensayos de resistencia al fuego: Los materiales y sistemas de protección contra el fuego deben ser ensayados en laboratorios acreditados para determinar su tiempo de resistencia al fuego.

Montaje Rápido y Eficiente

Una de las principales ventajas de las estructuras livianas de acero es la rapidez y eficiencia de su montaje. La capacitación debe enfatizar:

Planificación del Montaje

• Secuencia de montaje: Definir la secuencia de montaje de los paneles, vigas, cerchas y otros elementos de la estructura.
• Logística de materiales: Planificar la recepción, almacenamiento y distribución de los materiales en el sitio de construcción.
• Equipos y herramientas: Seleccionar los equipos y herramientas adecuados para el montaje (atornilladores eléctricos, niveles, plomadas, tijeras para metal, etc.).
• Personal: Asignar el personal necesario para cada tarea, teniendo en cuenta sus habilidades y experiencia.
• Seguridad: Elaborar un plan de seguridad para el montaje, identificando los riesgos y estableciendo las medidas de prevención.

Técnicas de Montaje

• Montaje de paneles:
  • Levantar y colocar los paneles en su posición.
  • Asegurar los paneles a la cimentación y a los elementos adyacentes.
  • Utilizar niveles y plomadas para verificar la verticalidad y la alineación de los paneles.
  • Instalar los arriostramientos temporales necesarios.
• Montaje de vigas y viguetas:
  • Izar las vigas y viguetas a su posición utilizando grúas o polipastos.
  • Conectar las vigas y viguetas a los paneles o a otros elementos estructurales.
  • Verificar la nivelación y la alineación de las vigas y viguetas.
• Montaje de cerchas:
  • Ensamblar las cerchas en el suelo (si es posible).
  • Izar las cerchas a su posición utilizando grúas.
  • Conectar las cerchas a los paneles o a otros elementos estructurales.
  • Verificar la alineación y la estabilidad de las cerchas.
• Instalación de arriostramientos: Instalar los arriostramientos definitivos (cruces de San Andrés, diafragmas) a medida que avanza el montaje.
• Conexiones: Ejecutar las conexiones (atornilladas, remachadas) siguiendo las especificaciones técnicas y utilizando las herramientas adecuadas.

Consideraciones Especiales

• Tolerancias: Las estructuras livianas de acero tienen tolerancias más ajustadas que las estructuras de concreto o de acero pesado. Es importante verificar las dimensiones y la alineación de los elementos durante el montaje.
• Manipulación de los perfiles: Los perfiles livianos son más susceptibles a dañarse durante la manipulación y el transporte que los perfiles pesados. Se deben manipular con cuidado para evitar abolladuras, torceduras o deformaciones.
• Condiciones climáticas: El viento puede afectar el montaje de las estructuras livianas, especialmente durante el izaje de paneles y cerchas. Se deben tomar precauciones especiales en días ventosos.
• Coordinación con otros oficios: Es importante coordinar el montaje de la estructura con otros oficios (electricistas, plomeros, instaladores de drywall) para evitar interferencias y retrasos.

Control de Calidad en la Fabricación y Montaje

El control de calidad es esencial para garantizar que la estructura cumpla con los requisitos de diseño y las normas aplicables.

Control de Calidad en la Fabricación

• Inspección de materiales: Verificar que los perfiles, tornillos y otros materiales cumplen con las especificaciones técnicas.
• Control dimensional: Verificar que los perfiles se cortan y conforman a las dimensiones correctas.
• Inspección de soldaduras: Si se utilizan soldaduras (por ejemplo, en la fabricación de cerchas), se deben inspeccionar para verificar su calidad.
• Control de calidad de los paneles: Si se fabrican paneles prefabricados, se deben inspeccionar para verificar su geometría, la correcta instalación de los perfiles y la calidad de las conexiones.

Control de Calidad en el Montaje

• Verificación de la cimentación: Verificar que la cimentación cumple con los planos y especificaciones antes de comenzar el montaje de la estructura.
• Inspección de los elementos: Inspeccionar los elementos estructurales (paneles, vigas, cerchas) antes de su montaje para verificar que no presentan daños o defectos.
• Control de alineación y nivelación: Verificar la alineación y nivelación de los elementos durante el montaje, utilizando niveles, plomadas y otros instrumentos de medición.
• Inspección de conexiones: Verificar que las conexiones se ejecutan correctamente, utilizando los tornillos o remaches adecuados y aplicando el torque correcto.
• Inspección de arriostramientos: Verificar que los arriostramientos se instalan correctamente y cumplen su función.
• Documentación: Registrar todas las inspecciones y pruebas realizadas, así como cualquier no conformidad detectada.

Ventajas y Desventajas del Sistema Constructivo

Consideraciones para la Implementación Exitosa en Colombia

• Capacitación adecuada del personal en diseño, fabricación y montaje.
• Disponibilidad de materiales y proveedores locales.
• Adaptación de la normativa a las particularidades del sistema constructivo.
• Promoción de las ventajas del sistema entre arquitectos, constructores y propietarios.
• Control de calidad riguroso en todas las etapas del proyecto.
• Investigación y desarrollo de nuevas soluciones y aplicaciones.