Comparación y análisis de estructuras de acero ligeras para viviendas residenciales

Comparación y análisis de estructuras de acero ligeras para viviendas residenciales

Resumen: La edificación residencial con estructura ligera de acero posee propiedades ecológicas, de ahorro energético y protección ambiental, entre otras. En las últimas décadas, ha aumentado el interés por el uso de estructuras de acero conformadas en frío en todos los aspectos de la construcción, y en muchos países desarrollados se han producido avances significativos en este tipo de edificación. Sin embargo, en algunos países en desarrollo, la edificación residencial con estructura ligera de acero es incipiente. En este artículo, presentamos algunas propiedades de la edificación residencial con estructura ligera de acero y el estado actual de la investigación. Con base en ello, analizamos y estudiamos en detalle la edificación residencial con estructura ligera de acero en Norteamérica, Japón y Europa, y presentamos algunas de sus características. Posteriormente, y de acuerdo con las condiciones particulares de China, se presenta el estado de desarrollo y las propiedades de la edificación residencial con estructura ligera de acero, incluyendo algunos conceptos de vivienda tradicionales y la edificación residencial con uso intensivo de acero. Con base en las investigaciones anteriores, se presentan algunas sugerencias y contramedidas. Se considera que esto es importante y útil para promover la industrialización de la vivienda en China.

Palabras clave: estructura de acero ligera; componente; edificio residencial; estructura conformada en frío; multicapa baja

I. INTRODUCCIÓN

Con el desarrollo de la industria de la construcción, la evolución de los sistemas y materiales de construcción se ha convertido en la tendencia actual en el desarrollo de edificios residenciales. En los últimos años, debido a la mejora continua de la calidad de vida de las personas, estas tienen mayores exigencias en cuanto a vivienda, estabilidad, etc., especialmente en viviendas de baja altura. Existe una urgente necesidad de investigación, desarrollo y promoción de un estilo atractivo, un excelente rendimiento estructural, la conveniencia, la rapidez de construcción, la economía y un sistema de construcción residencial razonable para reemplazar la arquitectura existente.

Las viviendas con estructura ligera de acero se basan en elementos de acero económicos como estructura portante, utilizando placas de presión o láminas como envolvente de pared ligera, y pernos de alta resistencia, conectores y materiales de sellado como componentes portantes, como componentes de la envolvente del edificio, como los de las viviendas prefabricadas ensambladas in situ [1]. Como se puede observar, el principal material de construcción para las viviendas con estructura ligera de acero es la quilla de acero ligero galvanizado como componente estructural principal. La principal ventaja de este material es que garantiza buenas propiedades residenciales, además de una vivienda construida con bajo peso propio, un alto grado de prefabricación, rapidez de construcción y menor mano de obra [2,3]. Las viviendas con estructura ligera de acero, en comparación con las viviendas tradicionales, presentan las siguientes ventajas: estructura estable, bajo coste, mayor espacio que las viviendas de hormigón, excelente resistencia a la corrosión del acero galvanizado, durabilidad y larga vida útil. Sin embargo, las viviendas con estructura ligera de acero en China aún se encuentran en fase de desarrollo. Aún existen problemas importantes en el proceso de diseño residencial que requieren mayor estudio. Con este fin, este artículo analiza y compara las viviendas de acero ligero, presenta las características de las viviendas de acero ligero nacionales y extranjeras y ofrece algunas sugerencias razonables.

El artículo se organiza de la siguiente manera. La sección 2 describe las características de las viviendas de acero ligero en el extranjero. La sección 3 describe el desarrollo actual de las características de las viviendas de acero ligero y residencial en China. La conclusión se presenta en la sección final.

II. VIVIENDAS DE ACERO LIGERO EN EL EXTRANJERO

A. Viviendas de acero ligero en Norteamérica. Las viviendas de acero ligero en Norteamérica se fabrican con una estructura de madera ligera. En el mercado residencial norteamericano, representan el 20% de la cuota de mercado [4]. La estructura de las viviendas consiste principalmente en un sistema de quilla de acero en forma de C conformado en frío, generalmente villas de una o dos plantas, construidas en la alta incidencia sísmica de California y otras regiones. La figura 1 muestra algunas viviendas de acero ligero en Norteamérica.

En realidad, este sistema de acero ligero ha alcanzado un gran desarrollo en Norteamérica. Actualmente, se pueden construir edificios residenciales de varias plantas utilizando esta técnica, de cinco a seis capas. Cabe mencionar que la investigación más activa en EE. UU. se centra en las estructuras de acero conformadas en frío. Esto se debe a la expansión de la industria auxiliar, especialmente en el ámbito de las viviendas unifamiliares, y al aumento del coste de la madera. Por lo tanto, las casas con estructura de acero se vuelven cada vez más económicas[5]. Pekoz [6] afirma que en EE. UU. se construyeron unas 500 viviendas con acero de calibre ligero en 1992. Esta cifra aumentó a 15 000 en 1993 y a 75 000 en 1994. Se estima que esta cifra se quintuplicará para 2002. Los principales elementos estructurales para este tipo de construcción son los montantes de pared y las viguetas de forjado de acero conformado en frío. También se utilizan cerchas o vigas de techo de acero de calibre ligero. Actualmente, Estados Unidos ha producido este sistema de quilla para un centenar de empresas. Entre ellas, una empresa famosa es Dietrich, filial de Worthington Industrial Company. Desarrollaron el sistema DBS para la construcción de viviendas de acero ligero de varias plantas [4]. Utilizando la tecnología DBS, se pueden construir estructuras residenciales de acero ligero de varias plantas. Sus paredes utilizan placas de yeso con canal en C en ambas caras y el suelo utiliza una quilla de acero ligero tipo C con placas de fibrocemento de 20 mm de espesor, rellenas con un espaciador aislante de lana de vidrio, que genera un efecto de sonido. En Estados Unidos, las secciones en C conformadas en frío se utilizan comúnmente como elementos de cerchas de techo [7]. En realidad, las primeras formas de correas eran canales con labio simple y secciones en Z. El canal simple ha evolucionado a las Multibeam Marks I, II y III, estas últimas con un labio compuesto. Una tendencia similar se observa en la evolución de las Z en las formas Zeta y Ultrazed, como se muestra en la Fig. 2 [6]. Los elementos conformados en frío se pueden producir en una amplia variedad de perfiles. Los componentes más utilizados son los canales en C y las secciones en Z que se muestran en la Fig. 3 [10]. En Norteamérica, este acero ligero se utiliza en viviendas unifamiliares o adosadas debido a su deficiente aislamiento acústico. Para resistir las cargas laterales de viento y la acción sísmica, el sistema residencial estadounidense de estructura de acero multiligero utiliza dos métodos: muros de corte de acero ligero o estructuras de soporte con estructura de acero transversal. Los muros de corte de acero ligero se instalan generalmente en viviendas con chapa de acero galvanizado de Mongolia de 0,5 mm sobre placas de yeso, y se fijan a los montantes de acero ligero. De forma similar a la formación de tensión cortante en la estructura de revestimiento, entre cada capa hay un componente especial del muro de corte que conecta las plantas superior e inferior y transfiere eficazmente el esfuerzo cortante y la tensión horizontales generados por la fuerza horizontal que actúa sobre los montantes. En zonas sísmicas, para garantizar la seguridad estructural, se utiliza el soporte de la capa con una estructura de acero transversal como resistencia a las fuerzas laterales, formando un sistema arquitectónico híbrido, donde el acero ligero soporta las cargas verticales y el acero convencional las cargas horizontales. Para garantizar el aislamiento de las paredes, además de los montantes rellenos de fibra de vidrio, se aplica una capa de aislamiento sobre el material de la pared exterior. El uso de este método corta eficazmente el puente térmico entre los montantes de la pared y los paneles de la pared.

B. Construcción residencial con chapa de acero en Japón

Como Japón es una zona propensa a terremotos y el acero ligero tiene buenas características de efectos sísmicos, el acero ligero es popular localmente. De acuerdo con sus propias características únicas, Japón construye viviendas de acero ligero, en concreto viviendas de chapa de acero, como se muestra en la Fig. 4 a continuación [8,9]. Esta estructura utiliza un nuevo proceso de construcción, es decir, utiliza una combinación de acero galvanizado conformado en frío sin soldadura, también conocido como acero 2 × 4, que es una nave residencial con una estructura de nervadura de placa. La estructura es una forma arquitectónica de la antigua América del Norte. Los paneles de pared y el suelo se construyen utilizando caja a base de madera. Sin embargo, en las viviendas de chapa de acero, el material de la chapa se reemplaza con acero, cuyo espesor es de aproximadamente 1,0 mm. En dos lados, se fija un panel de yeso ligero. Con este método, se logra el rendimiento general de la estructura, como la estabilidad, la durabilidad, el aislamiento térmico, las propiedades de aislamiento acústico, etc.

En realidad, este edificio con estructura de chapa de acero combina las ventajas y fortalezas del acero y las nervaduras de placa. Los experimentos realizados por las entidades constructoras demostraron excelentes características de rendimiento, como resistencia sísmica, resistencia al viento y resistencia a la nieve. En 2003, el material de construcción japonés cambió de madera a una fina quilla de acero. Teniendo en cuenta las características arquitectónicas, los códigos de construcción japoneses y las instrucciones especiales para la construcción, se instalaron sistemas automáticos de extinción de incendios y extracción de aire, y la decoración interior reduce la transferencia de calor entre las paredes.

C. Edificios residenciales energéticamente eficientes en Europa

Alemania comenzó a implementar la nueva especificación energética para edificios en 2002 [9]. Su núcleo es la cuantificación del consumo energético. El consumo energético de cada vivienda es necesario para proporcionar cálculos energéticos a las autoridades competentes, como documentos necesarios. Esto tiene un gran impacto en el desarrollo residencial y el mercado de materiales de construcción del país. En los edificios residenciales de bajo consumo, Suecia utiliza energías renovables en la medida de lo posible, incluyendo energía eólica, solar, geotérmica y otras fuentes de energía, e integra estas tecnologías. En resumen, los países europeos se centran más en el estudio de la eficiencia energética y la construcción ecológica. Ahora, los componentes de acero conformados en frío pueden ensamblarse con rapidez y precisión en unidades estructurales completas para su entrega en la obra. En el Reino Unido, la mayoría de los hoteles y moteles en las afueras se construyen de esta manera. La industria de la construcción británica utiliza actualmente más de 300.000 toneladas de productos de acero conformados en frío al año, y esta tasa de consumo está creciendo de forma constante [10].

III. VIVIENDAS DE ACERO LIGERO EN CHINA

A. Estado de desarrollo de las viviendas de acero ligero

Durante mucho tiempo, la construcción de viviendas en China se ha basado principalmente en el hormigón. Este material ya no es adecuado para la construcción ecológica actual, ya que requiere materiales de gran tamaño y un largo periodo de construcción. Dado que China ha sido el mayor productor de acero del mundo desde 1996, como se muestra en la Fig. 5, el gobierno estatal comenzó a fomentar su uso en la ingeniería civil. Con el crecimiento continuo de la industria del procesamiento del acero para la construcción, la construcción de estructuras de acero en China ha experimentado un rápido desarrollo [11]. El desarrollo de la construcción residencial de acero no busca tecnología avanzada ni herramientas especiales, sino una tecnología de vivienda madura, integrada y práctica, como la de los países europeos. En este proceso de integración, la clave reside en la estructura detallada y la convergencia mutua.

Dado que los componentes de acero ligero se producen fácilmente en fábricas con un alto grado de mecanización, alto grado de comercialización y una rápida construcción en obra, no afectan a los residentes cercanos y la construcción civil es muy favorable. El acero ligero es un producto ecológico y sostenible, y sus indicadores económicos integrales no superan a los de las estructuras de hormigón armado. Por lo tanto, la ligereza y el buen rendimiento sísmico de los edificios de acero ligero deben convertirse en la norma en la industria de la construcción. Actualmente, la construcción está experimentando una transformación.

B. Características de la carcasa de acero ligero

El acero ligero es un concepto inicialmente novedoso. Con la mejora de la calidad de vida de las personas, se ha incorporado gradualmente a la vida cotidiana. En importantes ciudades de China, como Pekín, Shanghái y otras, se han establecido edificios residenciales con estructura de acero ligero gracias a la introducción de tecnología norteamericana y japonesa. Actualmente, la mayoría de las viviendas de acero ligero en China pertenecen a la construcción de viviendas ligeras de bajo consumo, que utiliza un sistema de estructura de acero, paredes, suelos y techos ligeros. Utilizando acero soldado de vigas H comunes, una sección pequeña de vigas H laminadas en caliente o acero de sección recta, y combinando el factor de fuerza lateral de las paredes antiperfiladas, se puede construir una estructura multicapa. Esta estructura cumple con nuestro sistema de especificaciones actual y los requisitos sísmicos [9]. En 2011, China emitió e implementó el "Reglamento Técnico de Construcción de Edificios de Acero Conformado en Frío de Bajo Nivel", que integra y promueve el sistema de quilla de acero conformado en frío en Norteamérica. En el proceso de diseño con acero conformado en frío con canal en C y acero en forma de U, los muros de carga constan de columnas, vigas guía superiores e inferiores, soportes, arriostramientos y puntales, paneles de muro y otros componentes estructurales [12], como se muestra en la Fig. 6. A pesar de las disposiciones de las especificaciones pertinentes, esta estructura aún no es muy popular. Si bien la estructura ligera de acero presenta algunas ventajas, como su bajo peso, excelente comportamiento sísmico, corto plazo de construcción, estabilidad estructural y otras características, también presenta algunos problemas que requieren mayor atención, como el alto nivel de ruido y la baja resistencia al fuego. Este corto plazo de construcción del edificio actualmente no es reconocido por la población y su seguridad y fiabilidad no están verificadas.

Sin embargo, la construcción ligera de acero es una tendencia en desarrollo en la arquitectura china y requiere que más investigadores estudien su seguridad, fiabilidad y durabilidad. En resumen, China se encuentra en la fase inicial de la construcción ligera de viviendas con estructura de acero y tiene un largo camino por recorrer. En comparación con los países desarrollados, existen numerosas preguntas y China aún se encuentra en un gran rezago. Necesita mejorarse y perfeccionarse continuamente [13].

C. Recomendaciones y estrategias

Debido a su buen rendimiento, ligereza, alta eficiencia de fabricación, rapidez de construcción y baja intensidad de mano de obra, las viviendas residenciales con estructura de acero ligero se han desarrollado gradualmente en Estados Unidos y Europa durante las últimas tres décadas, creando una tecnología muy madura. Actualmente, muchas empresas nacionales y extranjeras buscan migrar la tecnología de estructuras de acero ligero a China, pero no les parece viable. Las razones son las siguientes:

1) No existe una especificación sistemática del acero ligero.

Aunque el reglamento técnico para estructuras de acero conformadas en frío se promulgó en 2011, apenas se contempla la fabricación de componentes portantes importantes con un espesor de acero de 2 mm o menos. En el caso de sistemas de soporte de estructuras metálicas de zincado, con un uso generalizado en el extranjero de espesores de pared de 0,8 a 1,6 mm, no existen análisis teóricos ni datos experimentales relevantes, lo que dificulta enormemente el diseño de estructuras de acero ligero en China.

2) La sociedad en su conjunto requiere de un proceso de aceptación de este nuevo sistema de vivienda.

La gente todavía no está familiarizada con este tipo de estructura y aún no comprende bien su seguridad, estabilidad, comodidad, etc.

3) El costo del proyecto es alto.

Dado que la tecnología aún se encuentra en sus primeras etapas, la falta de mano de obra cualificada y la necesidad de componentes ligeros de acero importados aumentan el precio de la vivienda. Para solucionar estos problemas, se recomiendan las siguientes estrategias:

1) Para mejorar las especificaciones del acero ligero, la construcción de varios proyectos piloto reduce las brechas tecnológicas en este aspecto. Se debe apoyar a las grandes empresas que realizan investigaciones en este ámbito.

2) Sobre la base de la construcción de proyectos piloto y la experiencia obtenida, se debe aprovechar la oportunidad para preparar los códigos y normas técnicas correspondientes para las casas con estructura de acero ligera.

3) Una vez promulgada la norma técnica, el sistema tecnológico deberá incorporarse a las escuelas profesionales como contenido de enseñanza.

4) Se incorporan algunas experiencias exitosas de países extranjeros. Se realiza investigación científica para situaciones específicas. Los estados deben implementar políticas para apoyar la investigación de esta técnica, a fin de que las estructuras ligeras de acero se popularicen gradualmente. Con este método, se espera que más personas conozcan esta estructura.

IV. CONCLUSIÓN

En resumen, la construcción de viviendas de acero de baja luminosidad de varias plantas en China tiene buenas perspectivas de desarrollo gracias a su menor consumo de materiales, su baja contaminación, su corto plazo de construcción y su tendencia de desarrollo en la arquitectura nacional. Se convertirá en una nueva realidad para la construcción residencial en China. Con la promulgación de directrices y especificaciones técnicas para la construcción de viviendas de acero, es necesario un mayor desarrollo de las viviendas de acero de baja luminosidad de varias plantas. Mediante la incorporación y mejora de la tecnología de estructuras de acero ligeras en el extranjero, el aumento de la capacidad de producción y el desarrollo de la tecnología del acero, se prevé que las estructuras de acero ligeras se utilizarán y desarrollarán ampliamente en China.