Haremos una presentación detallada del sistema constructivo con viguetas Steel Joist que incluye; Historia del sistema constructivo, descripción de los elementos que lo conforman y consideraciones de interés como: materiales, cargas de diseño, Joist en sección sencilla y compuesta.

 La información contenida en este capítulo está especialmente orientada a atender las preguntas principales que arquitectos e ingenieros se puedan plantear respecto de la conveniencia de uso de este sistema constructivo.

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En este artículo veremos los siguientes temas

1. Historia de los Steel joist

2. Marco teórico

3. Definiciones y materiales de los Steel Joist

3.1 Componentes de un Steel Joist

3.2 Materiales

3.3 Accesorios

Según se informa en el sitio web del Steel Joist institute (SJI), “La primera aplicación conocida de construcción con Steel Joist fue el Edificio del Banco del Estado de Nueva York, construido en 1855 en la calle Williams y Exchange Place, en la ciudad de Nueva York. El arquitecto James Renwick desarrolló un tipo de Joist de entrepiso compuesto por dos platinas de hierro forjado de 1/16 pulgadas como alma con planchas superiores e inferiores de 4×1/8 pulgadas remachadas, para así formar el primer Joist. Este edificio fue demolido en 1903“.

Desde fines del siglo XIX y hasta 1920 se patentaron diversos diseños de Joist, todos de alma llena como los del edificio de la reserva Federal de los Estados Unidos en la ciudad de Nueva York, construido en 1928. Años después surgieron los primeros Steel Joist de alma abierta, estaban conformados por dos barras redondas en el cordón superior y dos barras para el cordón inferior, conectadas por una barra doblada que conformaba el alma. El conjunto se ensamblaba con soldadura al arco en los puntos de encuentro conformando una cercha tipo Warren.

Buscando estandarizar los métodos de diseño y detalles de construcción fue creado El Steel Joist Institute (SJI) en 1928 con el propósito de normalizar y promover regulaciones apropiadas al correcto uso de los Steel Joist. La Especificación Estándar de Steel Joist y sus primeras tablas de carga y resistencia se aprobaron en 1929. El primer catálogo del SJI (Steel Joist Institute) se publicó en enero de 1932 bajo el título de “Steel Joist Construction – A Handbook for Architects and Engineers on the Uses and Properties of Steel Joists”.

En la década de 1950 se introdujo la soldadura de acero semi-automática con gas de protección y un electrodo de alambre continuo delgado lo que, sumado a la ausencia de escoria, mejoró el acceso y la penetración de la soldadura en los Steel Joist de Alma Abierta.

En 1986, se introdujeron al catálogo del SJI, las viguetas de la serie K, que son las más ampliamente utilizadas en Colombia para la construcción de entrepisos, las principales razones para su desarrollo fueron, entre otras: aumentar la capacidad de carga logrando así especificar viguetas más económicas, eliminar sistemas de viguetas muy pesados especialmente en grandes luces.

En el año 2007 se introducen por primera vez las especificaciones y tablas de los Steel Joist para sección compuesta, Steel Joist serie CJ, “CJ-Series Composite Steel Joist 2nd edition” y en donde se detallan entre otras, tablas de carga y diseño de Steel Joist y tablas para arriostramientos, surge esta publicación en respuesta a la creciente necesidad de tener una especificación de diseño estándar para todas las empresas estadounidenses que producen Steel Joist para trabajo en sección compuesta.

En Colombia se inicia la implementación y desarrollo técnico de los Steel Joist en el año 2010 a través de los esfuerzos conjuntos de las compañías EspacioLeve Ingeniería Ltda y Almasa S.A., quienes trazaron los primeros esbozos para nuestro país de los manuales publicados por el SJI, a la luz de la normativa vigente y las especificaciones contenidas en el Manual de Construcciones Sismo Resistentes NSR-10.

Aunque existían ya en Colombia edificaciones construidas con Steel Joist tal es el caso del edificio erigido en la intersección de la Avenida Suba con Calle 100 en Bogotá, donde hoy opera el centro comercial Iserra 100 construido con entrepisos en Steel Joist desde sus placas de sótano hasta cubierta. La construcción de este edificio se dio entre los años 1995 y 1996. En la isla de San Andrés encontramos también un par de edificaciones de 2 y 3 niveles ubicadas en la carrera 6ta, calle 3ra, que datan de 1975 aproximadamente y en donde se construyeron con Steel Joist tanto entrepisos como cubiertas. Como estos 2 ejemplos hay otros tantos edificios construidos con el sistema en diversos lugares del país, anteriores a 2010.

Actualmente, los Steel Joist y Joist Girder son de uso muy común en Estados Unidos en edificios de todo tipo; residenciales, comerciales, industriales e institucionales. Existen también importantes plantas de producción en México y Canadá, de empresas muy bien desarrolladas tanto técnica como organizacionalmente, que han promovido el uso de Steel Joist, el cual ha crecido notablemente en los últimos años en sus respectivos países. En Suramérica, Venezuela desarrolló el Steel Joist en la década del 2000, aunque hay rastros de construcciones con este tipo de viguetas desde el año 1956, tal es el caso de la cubierta del hotel Humboldt en Caracas. Chile también se destaca en el uso de Steel Joist de la mano de una de las grandes siderúrgicas latinoamericanas, realizando obras de importante magnitud desde el año 2000 aproximadamente.

El Sistema constructivo con Steel Joist está basado en la profunda investigación y mejora continua, que se ha generado a través de la amplia experiencia, de casi 100 años, de los fabricantes y constructores norteamericanos (EEUU, México y Canadá) tanto en sistemas de Steel Joist en sección sencilla como compuesta. Desde 1928 este sistema ha tenido una permanente evolución orientada a conseguir estructuras cada vez más seguras, resistentes y livianas.

 La aparición en Colombia de edificaciones residenciales en zonas urbanas ávidas de maximizar áreas útiles y conseguir ambientes amplios, en crecientes ciudades en donde la carencia de espacio es en muchas ocasiones el factor determinante entre la ejecución o no de un proyecto. Y también, la vertiginosa construcción de proyectos comerciales de grandes superficies, como supermercados, centros de distribución, centros comerciales y bodegas, han generado la necesidad de disminuir el número de columnas en la planta a cubrir, (tanto para sistemas de losas de entrepiso como para cubiertas) lo que ha significado una presión sobre los diseñadores para lograr espacios con columnas cada vez más separadas. Ya no es una solución admisible modular columnas distanciadas 6m, pues desde el punto de vista arquitectónico es muy ineficiente y estructuralmente resulta un peso relativamente elevado por unidad de superficie. Con los sistemas derivados del uso de los Steel Joist, es posible salvar luces tan amplias como 26m en cubiertas y 18m en entrepisos, sin requerir de otros apoyos intermedios.

Los Steel Joist que comercializan en Colombia las diferentes empresas productoras corresponden normalmente a una aproximación a la serie denominada por el Steel Joist Institute como: “K series” sobre la cual no existe aún en nuestro país una tabla completamente homologada con lo previsto por el SJI en la 45th Edition Standard Specifications Load Tables and Weight Tables for Steel Joists and Joist Girders.

En estas tablas, se pueden consultar los resultados, fruto de un meticuloso análisis, de las diversas referencias de Steel Joist aceptadas por el SJI junto con las propiedades físicas y geométricas de cada Joist propuesto para la serie K. los principales cambios entre referencias son: la longitud del Joist, la altura o peralte de cada uno y por supuesto la capacidad de carga.

El Uso de Steel Joist en sección compuesta (usando sobre ellos una placa de concreto y vinculándolos mediante conectores de cortante) debe regirse por lo previsto en la edición del SJI CJ-Series Composite Steel Joist 2nd edition de Julio de 2020

Las tablas de carga y diseño de los manuales del SJI, se han desarrollado bajo los métodos ASD y LRFD, éstas entregan para cada combinación de luz y referencia de Steel Joist un par de valores. Los valores ubicados en la parte superior e inferior de la tabla para una luz dada, corresponden respectivamente a la capacidad total de carga en kgf/m y a la sobrecarga en kgf/m que producirá una deformación de 1/360 de la luz. Para luces en la zona sombreada de la tabla se requieren arriostramientos (bridging) especiales. En los Joist para sección Compuesta “CJ Series” se tienen en cuenta, además de lo anterior: alturas de losa de concreto, y resistencia del concreto a utilizarse, proponiendo para todos los casos un arriostramiento, para el cual posee también tablas de diseño. Los invito a consultarlas dando click en los links sobre el nombre de cada manual.

De todas formas, sin menoscabo de las tablas, homologadas o no, cualquier fabricante de Steel Joist en Colombia deberá ceñirse estrictamente en sus diseños, manufactura y montaje a lo expuesto en los dos manuales guía a los que hacemos referencia en los párrafos anteriores y desde luego a lo previsto en el NSR-10.

Como consideración adicional conviene tenerse en cuenta que todos los Steel Joist deben diseñarse como viguetas simplemente apoyadas, con carga uniformemente distribuida sobre el cordón superior. Esta carga somete al cordón superior tanto a flexión como a compresión, por lo que se diseña como una viga-columna (flexo compresión). El diseño también debe considerar, para la estabilidad lateral, una cantidad de apoyos laterales o arriostramientos, diseño regido por las disposiciones de las “Standard Specifications”, los cuales deben cumplir esbelteces mínimas, y fuerzas horizontales equivalentes a un porcentaje de la capacidad en compresión de los elementos del cordón que da apoyo.

En la entrada 7 de este Blog, presentaremos a toda la comunidad de profesionales de la construcción, la 1ra tabla de Steel Joist para Colombia, completamente homologada a la prevista en los manuales del SJI, disponibles tanto para el método LRFD como ASD y en unidades métricas.

Los Steel Joist son viguetas estructurales de alma abierta, simplemente apoyados, los cuales son parte principal en sistemas constructivos de placas de entrepiso (trabajando en sección compuesta) o de cubiertas (trabajando en sección sencilla). Son los miembros estructurales del conjunto que soportan directamente las cargas de la lámina de cubierta o del entrepiso de concreto. Están conformados por elementos de acero laminados en caliente, ángulos y barras redondas principalmente

La figura 1 muestra un Steel Joist estándar y la figura 2 una serie de Joist instalados, simplemente apoyadas sobre una viga de concreto

Un Joist se compone principalmente de los siguientes elementos:

Cordón Superior: Formado por dos ángulos laminados en caliente dispuestos en forma de T, con una separación entre ellos que varía desde 11 mm hasta 32 mm.

Cordón Inferior: Formado por dos ángulos laminados en caliente dispuestos en forma de T invertida, con una separación entre ellos que varía desde 11 mm hasta 32 mm.

Diagonales o Celosía: Formadas mediante barras redondas lisas, laminadas en caliente y posteriormente figuradas en frio de forma continua, con barras de longitudes hasta de 12m, las cuales vinculan el cordón superior con el inferior, ubicándose dentro de estos y conectándose a ellos mediante filetes de soldadura TIG o MIG. Según el manual Edition Standard Specifications del Steel Joist Institute, la separación entre puntas de ondas en la celosía, no debe ser mayor a 1,5h, siendo h la altura total del Steel Joist.

Apoyos: Localizados en ambos extremos del Steel Joist, se usan para conectarlo a sus apoyos, (vigas de concreto, vigas metálicas, muros de mampostería estructural etc.), además permite un manejo adecuado de la altura del apoyo. Normalmente se utilizan para si fabricación, ángulos o platinas.

Conectores de cortante: Se instalan sobre Joist diseñados para trabajar en losas de contrapiso, como sección compuesta y cumplen la función de integrar la placa maciza de concreto (trabajando en la zona de compresión) y el Steel Joist (trabajando en la zona de tensión). Tanto los tipos de conectores de cortante adecuados de acuerdo al tipo de placa a construirse como las consideraciones de diseño para ellos están contenidas en el Titulo F del NSR-10, y sobre las cuales ahondaremos en la entrada 2 de este Blog.

Los materiales básicos utilizados para la fabricación de Steel Joist son: Ángulos laminados en caliente, de Acero ASTM A-572 Grado 50, según norma NTC 1985 Grado 50. Y barras redondas lisas de Acero ASTM A-36, bajo cumplimiento de la norma técnica colombiana NTC 161. Siendo estas referencias de ángulos y barras las más comúnmente comercializadas en Colombia. Elementos accesorios como arriostramientos o conectores de cortante se fabrican regularmente con estos materiales.

El ángulo laminado en caliente tiene excelentes propiedades para la construcción de estructuras conocidas comúnmente como en cerchas. El hecho de obtener su forma mediante el paso por un tren de rodillos a altas temperaturas, permite una sección muy estable y prácticamente libre de esfuerzos residuales. Se obtienen con estos, secciones compactas con propiedades geométricas para el diseño muy superiores a otros perfiles con otras geometrías, por ejemplo, mayores momentos de inercia con pesos unitarios relativamente menores.

Por otra parte, las barras redondas lisas que conforman la celosía de los Steel Joist ofrecen una sección simétrica que permite el paso a través de rodillos de conformación en frio lo que facilita la figuración de esta en ondas continuas, con barras de hasta 12m de longitud. Esta figuración continua permite la industrialización en al armado de las viguetas tipo Steel Joist. La barra ofrece además un mejor comportamiento en general del Steel Joist a la acción del fuego, pues posee masividades más bajas que cualquier otro perfil con otra geometría (incluyendo los ángulos), este tema será ampliado más adelante en nuestro Blog (Entrada 8)

Vale la pena resaltar, en este párrafo, las cualidades del acero como material sustentable, pues la sustentabilidad es un concepto que se ha incorporado crecientemente en la preocupación de la sociedad, de las autoridades y de todos los actores sociales. Según el concepto elaborado por la Comisión Bruntland de Naciones Unidas en el año 1987 se define el desarrollo sostenible como aquel que “satisface las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras de satisfacer las suyas propias.” Involucra tres ámbitos o ejes principales (Social, Medio Ambiente y Economía) y sugiere, de la interacción entre ellos, áreas específicas de preocupación que proponen acciones que aseguren el logro de una sociedad y actividad sustentables.

Vale la pena resaltar, en este párrafo, las cualidades del acero como material sustentable, pues la sustentabilidad es un concepto que se ha incorporado crecientemente en la preocupación de la sociedad, de las autoridades y de todos los actores sociales. Según el concepto elaborado por la Comisión Bruntland de Naciones Unidas en el año 1987 se define el desarrollo sostenible como aquel que “satisface las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras de satisfacer las suyas propias.” Involucra tres ámbitos o ejes principales (Social, Medio Ambiente y Economía) y sugiere, de la interacción entre ellos, áreas específicas de preocupación que proponen acciones que aseguren el logro de una sociedad y actividad sustentables.

Se reconoce que la actividad de la construcción es responsable del uso de aproximadamente el 50% de las materias primas que se extraen en la tierra anualmente, de la demanda de cerca de 45% de la energía anual del planeta y responsable de la emisión anual de aproximadamente el 45% del CO2 equivalente.

 Esto nos hace responsables, como actores del sector construcción, de hacer nuestros mejores esfuerzos para mejorar estos índices. Para ello el acero, como material, tiene importantes atributos que ofrecer en materia de sustentabilidad, a saber: Es indefinidamente reciclable, posee un alto porcentaje de reciclado: en las industrias siderúrgicas (hasta el 90%), alta tasa de recuperación: puede recuperarse en construcciones antiguas hasta en un 95%, Reutilización: una vez fabricado un perfil especifico, su uso puede ser modificado fácilmente. Alta relación Masa – Resistencia 

Arriostramientos (Bridging): Los arriostramientos laterales tienen la función de brindar estabilidad y rigidez a los Joist, reduciendo las deflexiones del sistema una vez entra en uso y reduciendo notoriamente los efectos de la vibración en sistemas de entrepiso, pues los arriostramientos han de ir en sentido perpendicular a los Steel Joist, vinculando uno con otros hasta conectar todo el sistema con las vigas de concreto en ambos costados. Se forman usando ángulos laminados en caliente.

Existen dos tipos de arriostramiento: horizontal y diagonal, como se muestra en las figuras 5 y 6

a) Arriostramiento Horizontal: Consiste en ángulos laminados en caliente que unen los Joist en forma horizontal para estabilizarlas. La esbeltez L / r de la riostra no debe ser mayor a 300, donde L es la aferencia entre Joist y r es el menor radio de giro del perfil de la riostra. Estas riostras se conectan normalmente soldadas a los Steel Joist.

b) Arriostramiento Diagonal: Se realiza con ángulos laminados en caliente que unen los Joist diagonalmente para estabilizarlas, y cumplen con una esbeltez L / r no mayor a 200, dónde L es la distancia entre los puntos de unión y r es el menor radio de giro del elemento. Las conexiones de las riostras diagonales a los cordones de los Joist se hacen regularmente mediante pernos, o usando una unión mixta (soldadura – perno).

Hasta acá la primera entrega de la entrada No. 1 de nuestro Blog, Viguetas Steel Joist, todo lo que debe saber, por ahora, temas aparentemente triviales, pero que nos irán introduciendo de a pocos al mundo de los Steel Joist, de las soluciones constructivas que con este se desarrollan, nos llevarán a conocer cuestiones mas intrincadas como su aplicación en varios proyectos alrededor del mundo, los retos técnicos que se presentaron en estos a la hora del cálculo y montaje de Joist, y las soluciones que profesionales de la construcción han adoptado para hacer de este sistema una verdadera solución constructiva.

Los invitamos a revisar lo expuesto en este artículo, a complementar aquellos puntos en donde consideren puede profundizarse, por supuesto a realizar las consultas que puedan haber surgido.

 También pueden compartir fotografías del uso de los Steel Joist en sus países a nuestro correo electrónico info@espacioleve.com, junto con la descripción del proyecto, las publicaremos en nuestra próxima entrada.

Próximos temas: Entrada 1, 2/2 entrega. Steel Joist en acción. La sección compuesta (entrepisos) y la sección sencilla (cubiertas).

Esperamos sinceramente, que esta serie de Blogs acerca de soluciones constructivas con sistemas de entrepisos y cubiertas con Steel Joist, en cada una de sus entradas, sea un valioso aporte para todos los profesionales vinculados con el diseño y ejecución de estructuras y obras civiles en general. Confío, además, en la favorable acogida entre arquitectos, ingenieros y constructores, y en general de todos quienes, en forma directa o indirecta, día a día especifican o utilizan este y otros sistemas de entrepisos y cubiertas.

De antemano mi agradecimiento a cualquier observación, recomendación o comentario que sirva para mejorar el producto Steel Joist y sus variadas aplicaciones.

Pie de foto: Ing. Jhair Eduardo Prieto – Gerente Técnico Espacioleve  |  Ing. Lizeth Avila – Gerente Comercial Espacioleve  | Ing. Jairo Uribe Escamilla: Ingeniero Civil / Doctor of Philosophy Especialidad en Estructuras, Mecánica Estructural y Suelos