Arriostramiento de muros y fachadas: sistemas, funciones y criterios de diseño

El arriostramiento de muros y fachadas es una técnica destinada a reforzar y estabilizar una estructura mediante vigas, cables, barras o marcos que conectan sus diferentes partes. Su función adquiere especial importancia durante la construcción, la rehabilitación, la apertura de huecos y la retirada parcial o total de una estructura interior.

Existen diferentes tipos de arriostramiento y la elección del tipo adecuado dependerá de los requerimientos específicos de la estructura y de las condiciones a las que se enfrentará. Las necesidades de la estructura y las condiciones del entorno son vitales para elegir el tipo de arriostramiento que se deberá utilizar en cada edificio concreto.

Qué es el arriostramiento y para qué sirve

Aunque entendemos los arriostramientos como sistemas de carácter secundario en la construcción de estructuras metálicas, su importancia es bastante destacable.

Con el arriostramiento de pared proporcionamos a las estructuras con armazón de acero estabilidad tanto lateral como longitudinal. Los arriostramientos transfieren la tensión de las cargas a través de las paredes de un arriostramiento a otro, y dispersan la carga en cualquier punto dado.

El arriostramiento es una técnica que busca reforzar y estabilizar la estructura de los edificios durante su construcción mediante el uso de vigas o cables que conectan cada parte de la estructura.

En suma, los arriostramientos cumplen una función esencial en la construcción de estructuras metálicas industriales. Su propósito general es proporcionarnos seguridad adicional contra las cargas externas en una autoconstrucción comparable.

Utilizamos los arriostramientos transversales, básicamente, como contramedida para evitar el pandeo lateral y para mejorar el rendimiento de la estructura cuando ésta es sometida al empuje longitudinal del viento u otros elementos internos, como los puentes grúa mientras se desplazan de un punto a otro.

El arriostramiento lateral se refiere a cualquier pieza en un puente que permita que los lados no se doblen. El arriostramiento lateral es el término que usamos para referirnos a cualquier pieza en un puente que ayude a evitar que los lados (cerchas) se tuerzan.

El arriostramiento diagonal es un componente estructural de casi cualquier edificio. Desde los transversales hasta los que sirven como soportes diagonales, los arriostramientos no son siempre iguales.

Arriostramiento de muros y fachadas

Los arriostramientos de muros estructurales son arriostramientos a medida, ya sean de chapa o de madera transversal o de acero. Son arriostramientos hechos a medida, bien sean de acero, madera transversal o chapa.

El arriostramiento de pared destaca por traspasar la tensión de las cargas a través de las paredes, por lo que es capaz de esparcir la carga en cualquier punto.

La estabilización de una fachada puede ser necesaria cuando se retira la estructura que existe detrás de ella, cuando se realizan trabajos de rehabilitación o cuando se ejecutan huecos en un muro existente.

Generalmente necesitamos este tipo de sistemas para la rehabilitación de edificios históricos en los que las fachadas tienen un valor patrimonial o ambiental.

Lo más habitual es el apuntalamiento de la fachada para que no pierda su vertical y quede estabilizada en el momento que se retira la estructura que tiene por detrás.

También es habitual la realización de huecos en fachadas (en las no protegidas, que si no… ) y para eso lo más habitual es la ejecución de un apeo de fachada.

Nos aseguramos que la parte superior del hueco va a funcionar como un cargadero de toda la fachada que tenga por encima. Una vez que el sistema entra en carga, ya podemos retirar el material que está por debajo.

Estabilización exterior de fachadas

El montaje de los estabilizadores de fachada por el exterior es muy básico en esencia. Se trata de una estructura paralela a la estructura que se va a soportar, en la que puntualmente se «cose».

La estructura exterior, con una cimentación previamente calculada para soportar empujes horizontales (y por tanto de vuelco), se coloca en el perímetro a una distancia que permita la realización de los trabajos en la fachada.

La estructura paralela transmite los esfuerzos de la fachada hacia los elementos estabilizadores y, posteriormente, hacia la cimentación. Por esta razón, la comprobación de los empujes horizontales y del vuelco resulta esencial.

Estabilización interior de fachadas

El montaje de este sistema por el interior se realiza cuando tenemos que apuntalar las cuatro, o más fachadas.

Principalmente se confía en la estructura que se va a apuntalar, y se acodala de tal manera que se rigidizan las esquinas.

El verdadero problema de estas estructuras, generalmente de ladrillo macizo o mampostería, es que pueden perder la rigidez de las esquinas en el momento que se retira la estructura interior.

La rigidización de las esquinas permite conservar la geometría de la envolvente mientras se modifican o eliminan los elementos interiores que contribuían a su estabilidad.

Fachadas entre medianeras

Este sistema también se utiliza entre medianeras.

Cuando retiramos un edificio entre medianeras podemos desestabilizar los edificios colindantes.

Para esto tenemos que sustituir los elementos de la estructura del edificio que se va a retirar por otra estructura que haga su misma función estructural.

Si te das cuenta, por ejemplo, cuando te quitan un diente, los dos dientes que están a cada lado van a desplazarse hacia el hueco. Esto funciona de la misma manera.

Por esta razón es importante contar con las estructuras de estabilización de fachada, aunque se trate de medianeras colindantes.

La retirada de un edificio puede alterar el equilibrio de los inmuebles adyacentes, por lo que el sistema provisional debe mantener o sustituir las funciones resistentes que desaparecen durante la intervención.

Elementos y soluciones para estabilizar fachadas

El sistema de estabilización de fachada se realiza con piezas «básicas» como las de un mecano.

En este caso las piezas se definen como celosías Granshor y vigas aligeradas Superslim y/o vigas Megaprop para grandes cargas.

Las celosías Granshor con hasta 2.600kN de capacidad de carga axial por celosía.

Las vigas Superslim tienen una capacidad de carga de trabajo de 150kN.

Arriostramiento de fachadas de ladrillo en estructuras metálicas

Una situación habitual consiste en resolver una nave de estructura metálica cuyo cerramiento es de ladrillo, al menos en su parte inferior.

Otra alternativa es utilizar el cerramiento de ladrillo como muro portante, contar con su colaboración resistente a viento y comprobar que es así.

Quizás te condicione el espesor de ese muro de ladrillo.

En una estructura a dos aguas con viento lateral y muro entre soportes metálicos, los valores de cortante a los que estaba sometido el muro eran bastante pequeños como para que lo comprometieran estructuralmente, es más, ni siquiera alcanzaría para provocarle alguna fisura.

La posibilidad de considerar el cerramiento como parte resistente no debe darse por supuesta: es necesario comprobar su capacidad, su espesor, sus condiciones de apoyo, la conexión con los soportes metálicos y la transferencia efectiva de las acciones de viento.

El problema que se plantea siempre termina siendo de diseño: la parte baja puede resolverse con una solución cerámica o más pesada, mientras que la parte superior puede ser más ligera para que se vea la estructura metálica.

La elección entre ocultar o mostrar los arriostramientos también influye en la solución arquitectónica. A algunas propuestas les interesa que se vean los arriostramientos, mientras que en otras se busca integrarlos en el cerramiento.

Son elementos paralelos, no coincidentes.

Tipos principales de arriostramiento

Hay dos tipos principales de sistemas de arriostramiento horizontal que empleamos en la construcción de estructuras de acero arriostradas de varios pisos. A saber: diafragmas y arriostramientos triangulados discretos.

Existen dos modalidades de sistemas de arriostramiento horizontal que se utilizan en levantamiento de estructuras de acero arriostradas de varios pisos: diafragmas y arriostramientos triangulados discretos.

Arriostramiento concéntrico

Concéntrico implica que los extremos de la riostra están conectados al nodo o unión del marco.

Cuando se busca incrementar la rigidez del edificio y limitar su deriva lateral, se utiliza un arriostramiento concéntrico que une los extremos de la riostra al nodo.

Con los arriostramientos concéntricos podemos aumentar la rigidez de la estructura y reducir la deriva lateral.

A la hora de aplicar este arriostramiento deberemos tener en cuenta la capacidad del portal para soportar las fuerzas transversales.

Arriostramiento excéntrico

El arriostramiento excéntrico consiste en riostras diagonales ubicadas en el plano del marco donde uno o ambos extremos de la riostra no se unen en los puntos finales de otros miembros del marco.

Cuando se aplican riostras diagonales en el lugar del marco donde los extremos de estas no hacen contacto con otras partes de dicho marco estaremos hablando de un arriostramiento excéntrico.

También lo llamamos conexión de la riostra Chevron.

La configuración de la riostra de Chevron soporta dos riostras que se enmarcan en una viga desde direcciones opuestas.

Arriostramiento lateral

El arriostramiento lateral ayuda a que los laterales no se doblen en la construcción de puentes.

El arriostramiento lateral es el término que usamos para referirnos a cualquier pieza en un puente que ayude a evitar que los lados (cerchas) se tuerzan.

Arriostramiento temporal

Los refuerzos de instalación temporal consisten en refuerzos laterales y refuerzos diagonales que instalamos durante la construcción con el propósito de sujetar las cerchas en su ubicación adecuada.

Los refuerzos laterales y diagonales que se instalan durante el proceso de construcción para sujetar los lados y mantenerlos en su ubicación correcta son conocidos como arriostramiento Truss.

Incluso para los andamios de poca altura es recomendable usar diagonales, ya que este quedará completamente reforzado y se limitará la posibilidad de que la estructura se deforme en caso de soportar excesivo peso.

Arriostramiento vertical y horizontal en edificios

Los marcos estructurales arriostrados o riostras son una forma muy común de construcción, económica de construir y simple de analizar.

El arriostramiento, que proporciona estabilidad y resiste cargas laterales, puede ser de miembros diagonales de acero o de un «núcleo» de concreto.

En un edificio de varios pisos, las vigas y columnas generalmente están dispuestas en un patrón ortogonal tanto en elevación como en planta.

Arriostramiento vertical.

Arriostramiento horizontal.

Como mínimo, se necesitan tres planos verticales de arriostramiento, para proporcionar resistencia en ambas direcciones en planta y para proporcionar resistencia a la torsión alrededor de un eje vertical.

El refuerzo vertical, en forma de miembros diagonales de acero, que proporciona estabilidad en un edificio de varios pisos se muestra en la figura a continuación.

Es preferible ubicar los arriostramientos en o cerca de las extremidades de la estructura, para resistir cualquier efecto de torsión.

Diafragmas y arriostramientos triangulados

Por lo general, el sistema de piso será suficiente para actuar como un diafragma sin necesidad de refuerzos de acero adicionales.

A nivel del techo, es posible que se requieran refuerzos, a menudo conocidos como viga de viento, para llevar las fuerzas horizontales en la parte superior de las columnas, si no hay diafragma.

Los sistemas de pisos que involucran tablas de concreto prefabricado requieren una consideración adecuada para asegurar una transferencia adecuada de fuerzas si van a actuar como un diafragma.

El coeficiente de fricción entre los tablones y la estructura de acero puede ser tan bajo como 0,1 e incluso menor si el acero está pintado.

Esto permitirá que las losas se muevan entre sí y se deslicen sobre la estructura de acero.

La conexión entre losas se puede lograr mediante el refuerzo en la capa superior.

Esto puede ser de malla o se pueden colocar amarres a lo largo de ambos extremos de un juego de tablas para asegurar que todo el piso actúe como un solo diafragma.

Proporcione lazos entre la capa superior sobre los tablones y una capa superior in situ a la estructura de acero, conocida como «franja de borde».

Si las fuerzas del diafragma del plano se transfieren a la estructura de acero a través de un apoyo directo, normalmente la losa puede apoyarse en la cara de una columna, se debe verificar la capacidad de la conexión.

Generalmente, la capacidad está limitada por el aplastamiento local de la tabla.

Cuando no se pueda confiar en la acción del diafragma desde el piso, se recomienda un sistema horizontal de refuerzos de acero triangulados.

Normalmente, los sistemas de arriostramiento horizontal se extienden entre los «soportes», que son las ubicaciones del arriostramiento vertical.

Portales y transferencia de cargas

Se conoce como portal al marco que comprende entre un par de cerchas, el cual también tiene la función de transportar las reacciones de una cercha, un lado, de refuerzo lateral a los postes finales de las cerchas y, por consiguiente, a los cimientos.

El portal suele ser un marco oscilante que se extiende entre un par de cerchas, cuyo propósito también es transferir las reacciones de una cercha de refuerzo lateral a los postes finales de las cerchas y, por lo tanto, a los cimientos.

El portal es útil para proporcionar estabilidad lateral y longitudinal a las estructuras que tienen un armazón de acero.

La capacidad del portal para soportar las fuerzas transversales debe comprobarse junto con la configuración de las riostras y las uniones.

Geometría de las diagonales

Siempre que sea posible, se recomiendan elementos de arriostramiento inclinados aproximadamente a 45 °.

Esto proporciona un sistema eficiente con fuerzas de miembro relativamente modestas en comparación con otras disposiciones, y significa que los detalles de conexión donde el arriostramiento se encuentra con las uniones de viga / columna son compactos.

Los sistemas de arriostramiento estrechos con miembros internos muy inclinados aumentarán la sensibilidad al balanceo de la estructura.

La geometría de la triangulación debe coordinarse con la posición de las vigas, columnas, huecos, cerramientos y elementos arquitectónicos de la fachada.

Imperfecciones y estabilidad global

Las imperfecciones globales pueden tenerse en cuenta modelando el marco estructural fuera de la plomada o mediante una serie de fuerzas horizontales equivalentes aplicadas a un marco modelado verticalmente.

En un marco estructural arriostrado con conexiones nominalmente clavadas, no se necesita ningún margen en el análisis global para las imperfecciones locales en los miembros porque no influyen en el comportamiento global y se tienen en cuenta al verificar las resistencias de los miembros de acuerdo con el Estándar de diseño.

El efecto de las imperfecciones del marco se permite mediante una imperfección de balanceo inicial.

La imperfección básica que se permite es una falta de verticalidad Φ0 de 1/200.

Esta tolerancia es mayor que las tolerancias normalmente especificadas porque permite tanto los valores reales que exceden los límites especificados como los efectos residuales como la falta de ajuste.

Las imperfecciones de balanceo vertical pueden ser reemplazadas por sistemas de fuerzas horizontales equivalentes, introducidas para cada columna.

Es mucho más fácil usar fuerzas horizontales equivalentes que introducir la imperfección geométrica en el modelo.

Las fuerzas horizontales equivalentes tienen el valor de diseño de φ N Ed en la parte superior e inferior de cada columna, donde N Ed es la fuerza en cada columna; las fuerzas en cada extremo están en direcciones opuestas.

Al diseñar el marco, y específicamente las fuerzas en el sistema de arriostramiento, es mucho más fácil considerar la fuerza neta equivalente en cada nivel del piso.

El sistema de arriostramiento debe soportar las cargas aplicadas externamente, junto con las fuerzas horizontales equivalentes.

En ambas situaciones de diseño, el sistema de arriostramiento se verifica localmente, considerando los pisos arriba y abajo, para la combinación de la fuerza debida a cargas externas junto con las fuerzas debidas a cualquiera de las imperfecciones anteriores.

Las fuerzas horizontales equivalentes modeladas para tener en cuenta el balanceo del marco no se incluyen en ninguna de estas combinaciones.

Es una práctica normal controlar estas fuerzas sin cizallas de vigas coexistentes.

Efectos de segundo orden

En el análisis de los sistemas de arriostramiento que se requieran para proporcionar estabilidad lateral dentro de la longitud de vigas o miembros de compresión, los efectos de las imperfecciones deben incluirse mediante una imperfección geométrica equivalente de los miembros a frenar, en forma de arco inicial.

δ q es la deflexión en el plano del sistema de arriostramiento debido a q más cualquier carga externa calculada a partir del análisis de primer orden.

Los efectos de la geometría deformada de la estructura, efectos de segundo orden, deben considerarse si las deformaciones aumentan significativamente las fuerzas en la estructura o si las deformaciones modifican significativamente el comportamiento estructural.

El criterio debe aplicarse por separado para cada piso, para cada combinación de acciones consideradas.

Normalmente, esto incluirá cargas verticales y horizontales y EHF, como se muestra en el diagrama.

Cuando los efectos de segundo orden son significativos y deben incluirse, el método más común utilizado es mediante la amplificación de un análisis elástico de primer orden utilizando la geometría inicial de la estructura.

El uso de este método está sujeto a la limitación de que α cr > 3.

Hay disponible una gama de software de análisis de segundo orden.

El uso de cualquier software dará resultados que son hasta cierto punto aproximados, dependiendo del método de solución empleado, los tipos de efectos de segundo orden considerados y los supuestos del modelado.

Generalmente, el software de segundo orden permitirá automáticamente las imperfecciones del marco, por lo que el diseñador no necesitará calcular y aplicar las fuerzas horizontales equivalentes.

Dimensionamiento de los elementos de arriostramiento

Dimensione los miembros de refuerzo.

Se puede dimensionar el miembro de refuerzo más bajo, con la mayor fuerza de diseño, basado en el cortante determinado en el Paso 4.

Determine un amplificador, si es necesario, es decir, si α cr <10.

Si el marco es sensible a efectos de segundo orden, todas las fuerzas laterales deben amplificarse.

En los niveles de empalme, determine la fuerza total que resistirá el arriostramiento localmente, que generalmente será la suma de varias columnas.

La rigidez de cada sistema de arriostramiento debe calcularse aplicando fuerzas horizontales a cada sistema de arriostramiento y calculando la deflexión.

Las fuerzas en los miembros individuales del sistema de arriostramiento deben determinarse para las combinaciones apropiadas de acciones.

La comprobación debe incluir los elementos diagonales, las vigas, los pilares, las uniones, los apoyos y la cimentación que recibe las reacciones.

Cruces de San Andrés y lectura estructural

Es frecuente asociar los arriostramientos con las cruces de San Andrés.

La conexión de nudos y barras está dentro de nosotros como un instrumento natural.

Cuando me lo explicaron de estudiante, me imaginaba el típico castillo de naipes de varias alturas como los que salen en la tele, derrumbándose de arriba a abajo, y yo decía: ¿pero qué tiene que ver eso con unos pórticos empotrados en los apoyos???

Por culpa de este símil me costó entender el concepto de la necesidad de arriostramiento en estructuras metálicas.

Si los pilares están articulados, prefiero la explicación basada en el mecanismo del cuadrilátero articulado, y si son empotrados... pues yo sigo sin ver la analogía, sinceramente.

Más que un castillo de naipes es como las fichas de dominó que ponen unas detrás de otras en fila.

La elección y explicación del sistema resistente debe distinguir entre pilares articulados, pilares empotrados, pórticos rígidos, sistemas triangulados, diafragmas y elementos de cerramiento que colaboran o no colaboran estructuralmente.

Aplicación profesional

Es lógico que los tipos de arriostramientos en obra técnica solo deben ser aplicados por expertos del mundo de la construcción que cuenten con especializaciones en diferentes disciplinas.

La definición del sistema requiere estudiar la estabilidad durante todas las fases de la obra, especialmente cuando se retiran forjados, cubiertas, pilares, vigas o elementos que originalmente aportaban rigidez.

La solución debe coordinar el cálculo estructural, la ejecución, la cimentación, la seguridad en obra, la geometría de la fachada y las condiciones de los edificios colindantes.

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