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NOTIACESCO Edicin N 6 Agosto de 2010

DISEO Y CONSTRUCCIN CONMIEMBROS FORMADOS EN FRO PARA

ESTRUCTURAS LIVIANAS:Una nueva visin de su comportamientoa partir del Reglamento NSR-10.

Derechos Reservados

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Ms all de que una norma o reglamento de cons-truccin je una serie de lineamientos a seguir en losproyectos, es necesario que esta sea una herramientafacilitadora en la actividad diaria del ingeniero. Debebrindar un enfoque al profesional sobre aspectos im-portantes sobre los cules debe dirigir su atencin,siendo estos la clave de un diseo ptimo, permitien-do obtener el mximo de los materiales.

La nueva norma de construccin para Colombia(NSR-10) recopila los ltimos avances en materia deinvestigacin sobre materiales y comportamientoestructural. En su ttulo F.4 abre las puertas al diseocon perles de acero formados en fro. Este ttulo noes solo un compendio de ecuaciones y metodologa

que arroja los nmeros que se utilizarn en nuestrosdiseos sino que adems es un documento tcnicoque permite al profesional entender la razn funda-mental de los procedimientos incluidos. Uno de losaspectos ms interesantes de este documento es quealgunas secciones son ampliadas con comentariostcnicos que refuerzan el punto bajo consideracin.

Es particularmente llamativo la inclusin de los captu-los F.4.7 y F.4.8, sobre tableros metlicos para trabajo

en seccin compuesta y sistemas de entramados enacero, respectivamente, lo que marca una diferenciaradical con respecto a versiones anteriores de la nor-ma. De manera general el ttulo F.4 permite el diseocon miembros de acero formado en fro, y brinda alconstructor y especicador las herramientas para exi-gir los requerimientos mnimos que este tipo de ele-mentos estructurales deben cumplir.

Una norma de construccin es un documen-

to con el que se pretende alcanzar un balance

entre economa y seguridad, donde el disea-

dor, constructor, usuario nal de la edicacin

y todos los involucrados en la materializacinde una estructura saquen el mximo bene-

cio. El reglamento NSR-10, la prxima Norma

de construccin exigible para nuestro pas,

resume las especicaciones mnimas en el

diseo y construccin basada en las ltimas

investigaciones sobre el comportamiento de

materiales y ser obligatorio a partir de Di-ciembre de 2010. Este artculo hace nfasis

en el ttulo F.4, el cual recopila la informacin

concerniente a miembros estructurales de

acero formado en fro e introduce lo relacio-

nado al diseo con Tableros de Acero para

trabajo en seccin compuesta y perles para

entramados livianos (sistemas de construc-

cin en seco tipo dry-wall).

DISEO Y CONSTRUCCIN CON MIEMBROSFORMADOS EN FRO PARA ESTRUCTURAS

LIVIANAS: Una nueva visin de su comportamiento apartir del Reglamento NSR-10.

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SECCIN F.4.7: UN NUEVO PROCEDIMIENTOPARA DISEO Y CONSTRUCCIN CONSISTEMAS DE TABLERO PARA TRABAJO

EN SECCIN COMPUESTAEsta seccin del reglamento dene el comportamien-to de un tablero metlico que ha sido formado conuna geometra especial para soportar cargas durantela construccin y que se adhiere a una losa de concre-to para garantizar un trabajo compuesto entre los dosmateriales. La seccin F.4.7 de la NSR-10 resume el pro-cedimiento establecido por el nuevo reglamento parael diseo y construccin de losas con sistemas de ta-blero metlico (Steel Deck) formado en fro para trabajoen seccin compuesta. La seccin transversal tpica delsistema se muestra en la gura 1. A continuacin se tra-tan algunos tpicos interesantes de esta seccin:

Losa de Concreto Refuerzo de Retraccin y Temperatura

h=Espesortotal

variable

Tablero de acero para entrepisosVIGA DE SOPORTE

Figura 1. Seccin transversal de losa o entrepiso en

comportamiento compuesto con un tablero metlico

Longitud del panel 12 mm

Espesor No debe ser menor al 95% del espesorde diseo

Ancho til del panel +20 mm,

-10 mm 2.5 (65 mm)

Flecha y curvatura 6 mm en 3.00 m de longitud

Extremo del panel fuera de escuadra 10 mm por metro de ancho del panel

Tabla 1. Tolerancias de fabricacin del tablero

1. Especificaciones mnimas de fabricacin(NSR-10 seccin F.4.7.2)La tabla 1 resume las tolerancias de fabricacin. Estosvalores permiten obtener un producto con las espe-cicaciones tcnicas mnimas necesarias para garan-tizar un buen comportamiento estructural y evitarinconvenientes en la instalacin por incompatibilidadentre tableros metlicos.

La normativa establece que para el tablero met-lico existe un espesor mnimo del acero base (sinincluir recubrimientos) admisible para un corres-

pondiente calibre o tipo. Por debajo de estos valo-res el material no debe ser aceptado a menos que,los sucientes ensayos de laboratorio demuestrenel buen comportamiento del nuevo espesor, consus correspondientes capacidades de carga limita-das y establecidas para el menor espesor. No obs-tante se dene que el calibre mnimo de trabajo seael 22 para formacin del tablero y la razn funda-mental ha sido porque la experiencia prctica hademostrado que, para un espesor inferior, no se ga-rantizara la profundidad adecuada de los resaltesde adherencia en la lmina (repujado) sin el previodesgarramiento de la misma. La tabla 2 establecelos espesores mnimos aprobados para cada calibreo tipo.

Tipo o calibreEspesor de diseo Espesor mnimo

mm Pulg. mm Pulg.

22 0.75 0.0295 0.71 0.0280

21 0.84 0.0329 0.79 0.0311

20 0.91 0.0358 0.86 0.034019 1.06 0.0418 1.01 0.0398

18 1.20 0.0474 1.14 0.0449

17 1.37 0.0538 1.30 0.0512

16 1.52 0.0598 1.44 0.0567

Tabla 2. Espesores mnimos del acero base

2. Consideraciones de carga durante laconstruccin (NSR-10 seccin F.4.7.3)Una de las grandes ventajas del sistema de losacon tableros metlicos es que se ahorran costos

en formaletera con respecto a los sistemas tra-dicionales. La lmina acta como una plataformatemporal durante las labores de construccin, a lavez que hace la funcin de formaleta para el con-creto, y debe estar en capacidad de soportar to-das las cargas presentadas durante este proceso.La gura 2 muestra las cargas de diseo mnimasdurante la etapa de construccin.

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Figura 2. Consideraciones de carga durante la construccin

Se debe notar que para el caso de una luz simple elvalor del peso del concreto fresco es aumentado enun 50% para tener un mayor factor de seguridad. Estobrinda seguridad adicional al sistema. Para las condi-ciones donde existe continuidad en la lmina no senecesita hacer este incremento.

3. Anclaje de lminas (NSR-10 seccin F.4.7.4.4)

Debe garantizarse el anclaje de las lminas a losmiembros de soporte por medio de soldadura o su-

jetadores mecnicos, tanto transversal como longi-tudinalmente. A este respecto la NSR-10 en su sec-cin F.4.7.4.4 comenta lo siguiente: Bajo ningunacircunstancia deben dejarse lminas no sujetadas,

siempre debe garantizarse el anclaje de los table-

ros [a su sistema de apoyo y longitudinalmente]. El

objetivo del sujetador en el traslapo longitudinal

es prevenir deexiones diferenciales entre las l-

minas o tableros durante el vaciado del concreto

y por lo tanto evitar la separacin de la junta lon-

gitudinal. Algo muy comn en la construccin delosas es la aglomeracin del personal alrededor dela salida de la manguera de la bomba de concre-to y el apilamiento de concreto durante la fundida,

muy a pesar de que el residente y/o el constructorinsistan en que esto no debe suceder. Una concen-tracin puntual de esfuerzos debido a lo anteriorpodra deformar especcamente ms un tablerocualquiera con respecto a su adyacente y, aunqueno se esperara un colapso, se presentaran fugas deconcreto a lo largo de la abertura y deexiones queiran en detrimento del acabado esttico del siste-

Diagramas de cargay momento fector

Diagramas de cargay defexiones

Diagramas de cargay reacciones en los apoyos

Luzsimple

Luzsimple Luz

simple

Doslucescontinuas

Doslucescontinuas

Doslucescontinuas

Treslucescontinuas

Treslucescontinuas

P

I

W1

W2

E

L

W11

NOTAS

= 2.2kN carga concentrada

= Momento de Inercia (mmVm)= Peso de la losa de concreto + peso del tablero metlico

= Carga de construccin 1 kPa= 203,000MPa Mdulo de elasticidad del acero

= Luz libre (mm)

= 1.5 x Peso de losa de concreto + peso del tablero metlico Peso losa de concreto + 1.5kPa + Peso del tablero metlico

Treslucescontinuas

P

P

P

L L

L

L

L

L L

L

L

L

L L

L

L L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

+ M = 0.25PL + 0.125W11L2

+ M = 0.203PL + 0.096W1L2

+ M = 0.20PL + 0.094W1L2

+ M = 0.125(W11

+ W2)L2

+ M = 0.096(W1 + W2)L2

+ M = 0.094(W1 + W2)L2

+ M = 0.125(W1 + W2)L2

+ M = 0.117(W1 + W2)L2

W11 W1

W1

W1

0.0130W1L4

0.0054W1L4

0.0069W1L4

EI

EI

EI

=

=

=

W1

W1

W11

W1

Pext

Pext

Pext PextPint Pint

Pext Pext

Pext

Pext= 0.5(W1 + W2)L

Pext= 0.375(W1 + W2)L

Pext= 0.4(W1 + W2)L

Pint = 1.1(W1 + W2)L

Pext= 1.25(W1 + W2)L

W1

W1

W1

W1

W1

W1

W2

W2

W2

W2

W2

W2

W2

W2

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ma. Es por ello que es fundamental la colocacin deun elemento de anclaje entre lmina y lmina, talcomo un tornillo o remache.

Figura 3. Opciones de anclaje longitudinal entre tablerosde entrepiso

Soldadura fileteE6013 25mm

Extremohembra

Extremohembra

Extremo macho Extremo macho

Tornillo autoperforanteRef. 8-18 x o remache pop

Losa de concretoAcero de retraccin

Malla por temperatura25mm por debajo

del borde de concreto

Distanciadores convarillas soldadas o

amarradas a lamalla de retraccin

tcdd

d

Distanciadoresde concreto

Distanciadoresprefabricados

h

4. Concreto y Refuerzo por retraccin ytemperatura (NSR-10 Seccin F.4.7.5.5)Las especicaciones del concreto para el sistema detablero de entrepiso sern las mismas que se manejanpara el concreto estructural convencional. El ttulo Cde la norma establece todos los parmetros que debecumplir el concreto que ser vaciado sobre la lminametlica. no se requieren condiciones especiales parael concreto que trabaja con el sistema.

El concreto durante su proceso de fraguado gene-ra calor, una reaccin qumica exotrmica. Este calorde hidratacin agrieta el concreto trayendo consigo

posible grietas en el material a no ser por un refuer-zo colocado con el objeto de controlar los esfuerzospresentados por las deformaciones durante el endu-recimiento. La malla electro-soldada tiene la funcinprincipal controlar los efectos por retraccin de fra-guado. Algo interesante es que ensayos realizadossobre el sistema de losa con malla electro-soldadahan mostrado hasta un 10% de capacidad adicional

Figura 4. Sistema de losa con la malla por retracciny separadores

de carga sobre aquellas que no la tienen, un factoradicional de seguridad en el sistema con refuerzopor temperatura.

Por otro lado, con el advenimiento de nuevas tecno-logas en el concreto se permite el uso de bras enlugar de la malla electro-soldada convencional. Estasbras sern utilizadas en cuantas especicadas porel fabricante y brindan al concreto la resistencia su-ciente para soportar los efectos provenientes del fra-guado. No obstante, ni las bras en el concreto, ni lamalla electro-soldada, suministran el rea de refuerzosuciente para considerar continuidad en un sistemade luces mltiples.

5. Conectores de cortante(NSR-10 seccin F.4.7.5.6.3)Es usual que en estructuras de gran altura los efec-tos predominantes de cargas de diseo provengandel viento o sismo: cargas laterales en lugar de lasgravitacionales. Aunque el diseo de una estructurava dirigido generalmente a las cargas verticales, que

incluyen la carga viva de los seres humanos que ledaremos uso a la edicacin, podran estas no serlas dominantes en el diseo debido a la magnitudde las fuerzas laterales. Esto exige que la estructurase comporte como un todo no permitiendo queelementos individuales puedan tener un desplaza-miento relativo con respecto a su sistema de apoyo,que se incurra en un colapso y que las edicacionesse conviertan en trampas mortales para los usua-rios al momento de un fenmeno natural como un

huracn o terremoto. Este amarre necesario entrela losa y la estructura es la razn principal para la uti-lizacin de los conectores de cortante.

Estos conectores de cortanteatraviesan la lmina me-tlica de entrepiso y se jan al sistema de viguetas o vi-gas de apoyo mediante soldadura, generalmente (enel caso de miembros en concreto estos conectores

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deben ir empotrados). Una vez que se hace el vaciadode concreto sobre la lmina quedan embebidos detal manera que sujetan la losa a su sistema de apoyo.

Estos elementos evitan cualquier desplazamiento en-tre la losa y su sistema de soporte con viguetas.

Si se colocan en una cuanta superior a la mnimadada por la ecuacin 1 entonces puede utilizarseteora por Resistencia ltima (Diseo por Coecien-tes de Carga y Resistencia - DCCR) para el clculode la capacidad de carga del sistema con tablero deentrepiso, de lo contrario debe utilizarse teora porEsfuerzos Admisibles (DEA).

Ns

= Fy(A

s A

webs/2 A

bf)/(142.58(f

cE

c)1/2)

Donde:

Ns

= Nmero de pernos conectores de 19 mm (3/4),requerido por metro de ancho

As

= rea de acero del tablero en mm2 por metro deancho

Awebs

= rea de las almas del tablero en mm2 por metro

de anchoAbf

= rea de acero del ala inferior del tablero enmm2 por metro de ancho

Fy

= Esfuerzo de uencia enMPa

Ec = Mdulo de Elasticidad del concreto enMPa

No se permiten losas sin ningn tipo de amarre al sis-tema de apoyo. Siempre deben colocarse los conec-tores de cortante aunque su efecto positivo no seatenido en cuenta en el diseo. Ntese que la ecua-

cin 1 va dirigida a instalar conectores tipo perno de19 mm (3/4) sobre los cuales se ha realizado investi-gacin suciente. Para otro tipo de conector, y su fun-cionamiento, la norma no emite ningn juicio. Debenrealizarse los sucientes ensayos de laboratorio, que

demuestren el buen comportamiento de cualquier

elemento diferente al perno de 19 mm (3/4) que se

quiera colocar como conector de cortante.

SECCIN F.4.8: CONSTRUCCION RPIDA YSEGURA DE ENTRAMADOS CON PERFILESLIVIANOS DE ACERO

Figura 5. Sistemas de entramado de acero. Parales paramuro (arriba) Viguetas para entrepiso (abajo)

Ecuacin 1

Los sistemas livianos en acero se vienen impo-niendo en la construccin mundial por la rapidez ysencillez que representan su armado e instalacin.

Tienen ventajas con respecto a materiales tradicio-nales como ladrillo y concreto debido a que dismi-

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(1) En muchos casos el colapso de muros y elementos de cubierta durante un evento ssmico pueden representar el mayor peligro para los ocupantes de una edificacin.

nuyen la masa dinmica, lo cual es positivo para elcomportamiento ante sismos y, adicionalmente, eleventual colapso de los elementos no sera tan ca-

tastrco como en el caso de paredes construidascon materiales pesados1. La seguridad dependerde la calidad de los materiales y que se cumplan re-quisitos mnimos especicados por la seccin F.4.8del nuevo reglamento de construccin.

1. Requerimientos de espesor del acero base(NSR-10 Seccin F.4.8.2.2)Los miembros estructurales para entramados enfro deben ser fabricados a partir de lminas deacero con espesor base (sin ningn tipo de recubri-miento) tal como es mostrado en la tabla 2. El m-nimo espesor de trabajo para el acero base es de

0.455 mm (calibre 26).

Espesor de diseo Espesor mnimo del acero base

mm pulgadas mm Pulgadas

0.478 0.0188 0.455 0.0179

0.719 0.0283 0.683 0.0269

0.792 0.0312 0.752 0.0296

0.879 0.0346 0.836 0.0329

1.146 0.0451 1.087 0.04281.438 0.0566 1.367 0.0538

1.811 0.0713 1.720 0.0677

2.583 0.1017 2.454 0.0966

3.155 0.1242 2.997 0.1180

Tabla 2. Espesores estndar del acero base para fabricacinde miembros estructurales para entramados de acero

2. Designacin de elementos y geometras(NSR-10 Seccin F.4.8.3)Para mayor facilidad en la descripcin del sistema de

entramado, dibujo de detalles en planos y desarrollode procesos constructivos, se ha dado un cdigo deidenticacin a cada uno de los elementos constitu-tivos del sistema. La gura 6 presenta la designacinutilizada para los miembros estndar en acero.

Ancho del ala

Ancho del ala

Ancho del ala

B"

A"12.7 mm (1/2")

Ancho

del ala

Altura

delalma

Altura del alma

Altura del alma

Altura del alma

Radio Interno de doblez

Paral oVigueta (P)

Canal Gua (G)

Canal en U (U)

Canal Omega (O) ngulo (L)

Longitud de la pestaa

Figura 6. Miembros estructurales estndar constitutivos delos entramados de acero

Los cdigos utilizados para los diferentes elementos son:

P = Miembro de un entramado que puede ser paral o vi-gueta, el cual posee labios o pestaas. Estos elementosson colocados usualmente de manera vertical en los en-tramados de muro o tabique. La separacin entre estoselementos puede oscilar desde los 200 mm a los 600 mm,dependiendo del tipo de tablero de cerramiento que seutilice.

G = Miembro Canal Gua. Estos elementos sirven de so-porte a los parales para el caso de estructuras de aceropara tabiques. Se colocan en la parte superior e inferiordel entramado del muro y se anclan al apoyo sujetandolos extremos de los elementos verticales o parales.

U = Seccin canal. Estos miembros pueden ser utilizadospara rigidizar la estructura del entramado o como ele-mentos de cierre en aberturas.

O = Seccin Omega. Es un elemento auxiliar en algunosentramados, como el caso de los cielos rasos.

L = Seccin en ngulo. Estos miembros sirven como ele-mentos de cierre o remate.

La designacin que ser utilizada en los planos de cons-truccin y diseo estar de acuerdo al siguiente ejemplo:

300P60-1.2= Seccin Paral de 300 mm de altura del alma x 60mm de ancho del alma x 1.2 mm de espesor del acero base(remitirse a la gura 6 para identicacin de las medidas).

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Figura 7. Identicacin de miembros de entramado en acero en un sistema de entrepiso

Figura 8. Identicacin de miembros de entramado en acero en un sistema de muro

Canal gua sujetaa viguetas con tornillos en cadaala (no se requieresi se utiliza rigidizador en el alma)

Rigidizador en el alma, cuandose requiere (colocado en estelado o ajustado entre las alasde la vigueta)

Canal gua (vigueta)

Tablero exterior

Perno de anclajeo expansin Apoyo firme, cuando se requiera,

en el extremo de la vigueta

Vigueta

Tablero

Tornillo encada ala

Canal gua

Paral:Alineado conla vigueta depiso inferior

Dos tornillosen cada paralconectndoloa la viguetainferior

ngulo clip,cuando se requierecolocado adyacentea la vigueta

40mm (1 1/2") (mnimo) Lado horizontal del cabecero L

Canal gua superior

Paral tpico espaciadode manera convencionalsegn diseo

Conexin del canalgua no mostrada

Parales adicionales segn se requiera

Parales

Vano de la abertura o luz simple(puerta o ventana)

Parales para arrugamiento requeridosen puntos de carga con mximode 600mm (24") a centro.

Canal gua en aberturas

Mnimo tornillos #8 cada 300mm (12")

Longitud del lado vertical

40mm (1-1/2") (mnimo)

Eje del paral para arrugamiento sujetoa cargas desde la parte superior

Dintel tipo L

El dintel "L" debe apoyarse totalmentesobre el ancho del paral, como mnimo,en cada extremo.

Mnimo tornillos #8 en cada extremo

Mnimo tornillos #8por cada paral en laparte superior e inferiordel lado del cabecero,como es mostrado

1"Max

300mmacentros(Max)

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