El papel de las estructuras de acero en la construcción resistente a desastres

Por qué las estructuras de acero sobresalen en la resistencia a desastres

Alta relación resistencia-peso que permite una respuesta rápida y predecible bajo cargas extremas

La relación resistencia-peso del acero desempeña un papel fundamental en la capacidad de los edificios para resistir desastres. Las estructuras de acero pueden soportar fuertes fuerzas laterales, como las que ocurren durante los terremotos, sin sobrecargar innecesariamente las cimentaciones. Cuando el suelo se sacude, los materiales más ligeros transfieren menos fuerza a través del edificio, y, aun así, toda la estructura permanece cohesionada. ¿Qué hace que el acero sea tan eficaz en este aspecto? Sus moléculas están dispuestas de forma bastante uniforme en todo su volumen, lo que permite a los ingenieros predecir con precisión cómo reaccionará bajo esfuerzo. Esta fiabilidad contribuye al buen comportamiento de las estructuras ante temblores, vientos intensos u otros peligros que amenazan la seguridad y la estabilidad de los proyectos de construcción en todo el mundo.

Ductilidad y disipación de energía: cómo se deforma el acero de forma segura durante eventos sísmicos

La ductilidad del acero significa que puede deformarse de forma controlada durante los terremotos sin romperse repentinamente, lo que le otorga una ventaja significativa en materia de seguridad frente a materiales de construcción frágiles. Cuando se somete a sacudidas, las estructuras de acero experimentan lo que los ingenieros denominan ciclos de histéresis, en los que se flexionan y luego recuperan su forma original varias veces, transformando la peligrosa energía sísmica en calor inofensivo en lugar de permitir que destruya el edificio. Estudios sobre daños reales causados por terremotos indican que los edificios construidos con acero requieren aproximadamente un 60 % menos de reparaciones tras los sismos que aquellos construidos con hormigón, según investigaciones publicadas en revistas especializadas en ingeniería sísmica. Debido a que el acero puede soportar este tipo de flexiones repetidas sin colapsar, muchos arquitectos e ingenieros lo prefieren al diseñar edificios en zonas propensas a terremotos frecuentes o intensos.

Rendimiento de las estructuras de acero en el diseño antisísmico

Sistemas resistentes a momentos frente a sistemas de arriostramiento bajo escenarios combinados de carga sísmica

Los edificios de acero ayudan a reducir los daños causados por los terremotos principalmente mediante dos tipos de sistemas que resisten fuerzas laterales: estructuras resistentes a momentos (MRF, por sus siglas en inglés) y estructuras arriostradas concéntricamente (CBF, por sus siglas en inglés). En las MRF, las vigas se conectan firmemente a las columnas para poder flexionarse de forma controlada durante el movimiento sísmico. Estos sistemas funcionan bien en edificios de altura media, donde los arquitectos requieren flexibilidad espacial, ya que presentan menos soportes visibles. Las CBF adoptan un enfoque distinto al incorporar barras diagonales de acero en el entramado. Esto las hace extremadamente rígidas frente al movimiento lateral, razón por la cual muchos edificios ubicados en zonas propensas a sismos intensos prefieren este método. Algunos ingenieros combinan ambos sistemas para ofrecer una protección adicional durante movimientos complejos del terreno provenientes de múltiples direcciones. Esta redundancia adicional brinda tranquilidad a los propietarios de los edificios, al saber que sus estructuras pueden soportar mejor tensiones inesperadas que los diseños basados en un solo sistema.

Los marcos resistentes a momentos (MRF) ofrecen un 25 % más de ductilidad, pero requieren una detallación rigurosa de las conexiones conforme a la norma AISC 341-22. Los marcos arriostrados concéntricamente (CBF) reducen la deriva entre pisos hasta en un 40 %, aunque la ubicación de los arriostramientos puede restringir la planificación de los espacios en planta (FEMA P-2098, 2023).

Innovaciones: conexiones autorrecentrantes y amortiguadores de acero para reducir la deriva residual

Reducir la deriva residual es muy importante cuando los edificios deben volver a ocuparse tras la ocurrencia de desastres. Las conexiones de acero diseñadas para autorrecentrarse funcionan excelentemente en este contexto. Estos sistemas utilizan bien tendones postesados o aleaciones especiales con memoria de forma para devolver las estructuras a su alineación original una vez que han cedido bajo tensión. Las pruebas demuestran que estos métodos pueden reducir el desplazamiento residual en aproximadamente un 60 % a un 80 %, según una investigación publicada el año pasado en el ASCE Journal of Structural Engineering. Junto con estas innovaciones, diversos tipos de amortiguadores de acero también resultan útiles. Los arriostramientos restringidos frente a pandeo (BRB, por sus siglas en inglés) y otros dispositivos que disipan energía mediante fluencia por cortante absorben las sacudidas durante los terremotos, manteniendo al mismo tiempo la integridad estructural. Tomemos como ejemplo la reciente obra de refuerzo sísmico realizada en Osaka. Allí, los ingenieros instalaron BRB que mantuvieron el movimiento de la edificación dentro de límites seguros durante las simulaciones de ensayo. ¿Cuáles fueron los resultados? La deriva máxima se mantuvo únicamente en un 1,8 % y el desplazamiento residual descendió hasta solo un 0,2 %. Un rendimiento de este tipo marca una gran diferencia para las comunidades que intentan recuperarse de desastres sin sobrepasar sus presupuestos.

Resiliencia de las estructuras de acero frente a eventos de vientos intensos y tifones

Comportamiento dinámico de edificios esbeltos de acero sometidos a vientos ciclónicos: evidencia procedente de estudios de caso en Japón y en la costa del Golfo de Estados Unidos

Los edificios de acero suelen resistir mejor los ciclones porque pueden flexionarse dinámicamente mientras absorben energía de forma predecible. Cuando se enfrentan a vientos extremadamente fuertes, estas estructuras esbeltas, de hecho, oscilan de manera controlada en lugar de colapsar súbitamente. Transforman toda la fuerza del viento en vibraciones que el edificio puede gestionar de forma segura. La evidencia procedente de zonas afectadas por tifones en Japón y de la costa del Golfo de Estados Unidos respalda bastante bien esta afirmación. Los ingenieros de esas regiones han observado una y otra vez que, cuando están bien construidos, los entramados de acero permanecen intactos incluso cuando los vientos superan las 150 millas por hora, lo que equivale aproximadamente a la categoría 4 de huracanes. Existen varias razones por las que el acero resiste tan bien estas fuerzas, comenzando con...

• Flexibilidad de materiales , posibilitado por la alta relación resistencia-peso del acero, permite un movimiento lateral seguro sin pérdida de estabilidad
• Disipación de energía a nivel de estructura , donde las uniones y los elementos transforman las fuerzas del viento en oscilaciones amortiguadas
• Adaptabilidad aerodinámica , con perfiles esbeltos y revestimientos optimizados que minimizan la resistencia al viento y previenen el colapso progresivo

Décadas de evidencia de campo muestran tasas de supervivencia superiores al 90 % para edificios de acero conformes con el código en zonas ciclónicas, lo que valida al acero como referencia normativa para infraestructuras resistentes al viento.

Abordar la vulnerabilidad al fuego en sistemas de estructuras de acero

Aunque el acero destaca por su resistencia sísmica y ante el viento, sus propiedades mecánicas se degradan por encima de los 550 °C (1022 °F), temperatura a la que puede perder hasta la mitad de su capacidad portante. El diseño moderno resistente al fuego mitiga este problema mediante estrategias pasivas y activas integradas:

• Protección pasiva contra incendios (PPI) , como los recubrimientos intumescentes, que se expanden formando capas aislantes de carbón al calentarse, ralentizando así el aumento de temperatura en los elementos estructurales
• Sistemas activos , incluidas las alarmas de humo de detección temprana y los rociadores de supresión, limitan la propagación de las llamas durante las etapas iniciales
• Compartimentación , mediante muros, suelos y barreras de cavidad resistentes al fuego, contienen los incendios y preservan la continuidad estructural

En conjunto, estas medidas prolongan el tiempo hasta el fallo crítico: las vigas de acero protegidas resisten habitualmente la exposición estándar al fuego durante 60–120 minutos, frente a 15 minutos en tramos sin protección. Aunque ningún material estructural es ignífugo, la compatibilidad del acero con una ingeniería contra incendios sólida y alineada con los códigos transforma una vulnerabilidad térmica en un riesgo gestionado de forma fiable.

Preguntas frecuentes

¿Por qué se prefiere el acero en el diseño de edificios resistentes a terremotos?

El acero se prefiere debido a su alta ductilidad y su capacidad para disipar energía, lo que le permite deformarse de forma segura durante los terremotos sin colapsar. Esta propiedad, combinada con su respuesta predecible bajo tensión, hace que las estructuras de acero sean resilientes en condiciones sísmicas.

¿Cómo contribuye el acero a la resistencia al viento y a los tifones?

Las estructuras de acero pueden flexionarse dinámicamente, convirtiendo las fuerzas del viento en vibraciones controlables, lo que les permite mantenerse intactas durante eventos de viento intenso, como tifones y huracanes. Su adaptabilidad aerodinámica y su flexibilidad contribuyen a una resistencia al viento mínima y evitan el colapso.

¿Qué medidas se adoptan para proteger las estructuras de acero contra incendios?

Para proteger las estructuras de acero contra incendios, los arquitectos aplican protección pasiva contra incendios, como recubrimientos intumescentes, e implementan sistemas activos, como alarmas de humo y rociadores. La compartimentación también ayuda a contener los incendios, garantizando que las estructuras de acero permanezcan intactas durante más tiempo ante la exposición al fuego.