El diseño en acero equilibra la resistencia al viento y sísmica con el costo

En la construcción moderna, las estructuras de acero han ganado una amplia adopción debido a su resistencia superior, propiedades de ligereza, construcción rápida y flexibilidad de diseño. Sin embargo, la seguridad, la durabilidad y la rentabilidad de los edificios de acero dependen en gran medida del diseño de su sistema de arriostramiento. Estos sistemas sirven como el esqueleto estructural, proporcionando una resistencia crítica contra las cargas de viento, las cargas de nieve, las fuerzas sísmicas y otros impactos externos.

Los sistemas de arriostramiento forman la columna vertebral de las estructuras de acero, y su importancia se demuestra en varios aspectos clave:

• Resistencia a la carga: Resiste eficazmente las fuerzas externas, incluyendo el viento, la nieve y los terremotos, evitando la deformación o el colapso estructural
• Estabilidad estructural: Mejora la estabilidad general al restringir la deformación y aumentar la capacidad de carga
• Transferencia de carga: Distribuye las fuerzas externas de manera uniforme a la cimentación a través del trabajo coordinado con los elementos de entramado primarios
• Optimización de materiales: Un diseño adecuado puede reducir el uso de acero mediante el uso de materiales de alta resistencia y secciones transversales optimizadas
• Adaptabilidad funcional: Se adapta a los requisitos arquitectónicos como la colocación de ventanas y la división del espacio interior

La configuración de arriostramiento contra el viento más común presenta miembros diagonales que forman patrones en X entre las columnas. Este sistema proporciona una excelente estabilidad longitudinal a través de la acción de tensión-compresión.

Ventajas:

• El costo más bajo entre todas las opciones
• Proceso de instalación sencillo
• Resistencia efectiva al viento

Limitaciones:

• Restringe las aberturas de las paredes para puertas/ventanas
• Posibles preocupaciones estéticas

Lo mejor para: Edificios sin requisitos de apertura significativos, como almacenes e instalaciones industriales.

Estos miembros verticales se conectan a las columnas de la pared lateral, transfiriendo las cargas longitudinales directamente a la cimentación, ya sea adyacentes o espaciadas de la estructura principal.

Ventajas:

• Mantiene la flexibilidad de apertura de la pared
• Conserva el espacio vertical

Limitaciones:

• Mayor costo que el arriostramiento en X
• Requiere una capacidad de cimentación robusta
• Pueden aplicarse restricciones de zona sísmica

Lo mejor para: Edificios que requieren numerosas aberturas, como oficinas y salas de exposiciones.

Estos marcos rígidos se extienden entre las columnas principales, con vigas que conectan los miembros verticales para proporcionar resistencia longitudinal.

Ventajas:

• Excelente flexibilidad de apertura
• Fuerte rendimiento sísmico

Limitaciones:

• Las vigas pueden reducir el espacio vertical
• Mayores costos de materiales

Lo mejor para: Estructuras que requieren tanto flexibilidad de apertura como resistencia sísmica.

Estos sistemas especializados transfieren el arriostramiento de la pared lateral o del extremo a las estructuras del techo a través del refuerzo de un solo lado o las conexiones del marco.

Ventajas:

• Mantiene la flexibilidad de apertura
• Conserva el espacio vertical

Limitaciones:

• Mayor costo que el arriostramiento en X
• Aplicabilidad limitada que requiere una evaluación cuidadosa

La capacidad de carga de la cimentación impacta significativamente en las opciones del sistema de arriostramiento. Las columnas de viento requieren especial atención al diseño de la cimentación:

• Las fuerzas del viento crean momentos de rotación en las bases de las columnas
• Se necesitan zapatas de cimentación más grandes para resistir estos momentos
• Los costos de concreto para zapatas expandidas aumentan los gastos generales

Un análisis detallado de la capacidad de la cimentación puede determinar con precisión los requisitos de refuerzo y los costos asociados para las implementaciones de columnas de viento.

La selección óptima del sistema de arriostramiento implica un enfoque analítico estructurado:

1. Análisis de requisitos: Documentar las necesidades funcionales, los requisitos de apertura y las especificaciones sísmicas
2. Desarrollo de opciones: Diseñar múltiples alternativas de arriostramiento factibles
3. Evaluación de costos: Comparar los costos de materiales, instalación y cimentación
4. Evaluación del rendimiento: Evaluar la resistencia al viento/sísmica, la flexibilidad de apertura y el espacio libre
5. Optimización: Equilibrar el costo y el rendimiento utilizando el análisis multicriterio

Se analizó un almacén de acero de una sola planta propuesto de 50 m × 30 m × 8 m en una zona costera con fuertes vientos con requisitos de la Zona Sísmica 7 y múltiples aberturas en las paredes:

La evaluación del rendimiento favoreció las columnas de viento para esta aplicación, equilibrando los requisitos de apertura con el rendimiento sísmico, aunque los marcos de portal siguieron siendo una alternativa con ajustes de altura de las vigas.

Los desarrollos futuros en los sistemas de arriostramiento de acero incluyen:

• Optimización del diseño impulsada por IA
• Materiales avanzados como compuestos de fibra de carbono
• Técnicas de construcción modular
• Enfoques de diseño sostenible

Estas innovaciones prometen un rendimiento mejorado, costos reducidos y perfiles ambientales mejorados para las soluciones de arriostramiento estructural.