industrialised system: light gauge steel framing

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industrialised system: light gauge steel framing
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industrialised system: light gauge steel framing
Autor/es: Imanol Aguirre Peña
Institución: LKS Ingeniería.
Abstract
The last few years we have been working on the analysis of industrialised systems, one of these
being the “light gauge steel framing” system. This system has experienced full development in
Anglo-Saxon and Scandinavian countries as well as Japan due to its improved characteristics
over traditional construction especially in the sense of energy efficiency. Moreover, it offers
excellent benefits in the speed of construction and in competitiveness.
Thanks to technological advances, methods which were used to build small industrialised
buildings are now being adopted for buildings up to 15 storeys. Its application consists in adding
layers of claddings and insulations to a light frame structure, in other words industrialised panels
in two dimensions. Others form three dimensional modules with higher levels of industrialization.
These industrialised systems offer excellent energy efficient properties. In fact, they are
considered to be one of the systems of the future thanks to the properties they exhibit.
The recyclability of steel allows an indefinite use of the material without reducing its properties,
but even more important is the possibility for its re-use. The system is based on large thicknesses
of insulation and is recognised by various organizations such as the BRE (British Research
Establishment) as one of the systems for the future.
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La construcción ha admirado el gran
desarrollo tecnológico de la industria de la
automoción desde que este se industrializó.
Un elemento tan complejo como el automóvil
requiere de un conocimiento muy profundo de
los últimos materiales, técnicas de unión, etc.
El grado de industrialización de ese sector
es muy alto en relación a la construcción,
sin embargo se están dando cada vez pasos
más importantes para el desarrollo de nuevo
sistemas para la edificación.
The building industry has always admired
the great technological advances that the car
industry has taken since its industrialisation.
A complicated object like the car requires an
in depth knowledge of the latest materials,
jointing techniques etc.
The level of
industrialisation in this sector is therefore a
lot greater than that of the building industry;
however there is an ever increasing move
towards the development of new systems for
buildings.
Tratar de industrializar la construcción no
es algo nuevo. De hecho, se han realizado
numerosos intentos durante el siglo XX,
aunque hasta el momento no han conseguido
el éxito esperado. Uno de los causantes de
ese fracaso en el pasado fue la asociación
de los sistemas industrializados con la
baja calidad. Tras la segunda guerra mundial
Europa quedó devastada, existía una
necesidad urgente de proporcionar vivienda
a millones de familias. Fue entonces cuando
los sistemas prefabricados aparecieron
con mayor fuerza. Permitían construir con
rapidez, a bajo coste, pero también redujeron
de una forma notoria la calidad de las
viviendas. Con el tiempo empezaron a surgir
los problemas por lo que algunas personas
continúan asociando prefabricación a baja
calidad.
The attempt to industrialise the building
industry is nothing new. In fact, there have
been numerous attempts during the 20th
century; however up to the current day it has
not been achieved with the success hoped
for. One of the reasons for this failure in the
past was the association of industrialised
systems with poor quality. Following the 2nd
World War, Europe was devastated and there
was an urgent need to provide housing for
millions of families. It was at this moment
that prefabricated systems appeared on
the scene with more vigour. They allowed
fast construction at a low cost but at the
same time the quality of the housing dived
notoriously. With time the problems started
to appear which still couple prefabrication
with low quality.
Afortunadamente las cosas han cambiado
mucho. Por ejemplo, en Reino Unido,
algunos de los sistemas industrializados
destacan por su calidad, y de hecho se han
Fortunately, things have changed a lot.
For example, in the UK, there are some
industrialised systems that stand out for
their quality and in actual fact have become
solutions that are more expensive than
Fig. 1.
Ikastola Txantxiku de
Oñate (LKS ingenieria y
Palmiro SA)
Estructura ligera de acero.
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convertido en soluciones más costosas que
las tradicionales. La industrialización hace
que la construcción sea más eficiente que la
construcción tradicional en muchos aspectos:
El consumo de energía en el proceso de
construcción es menor y se garantiza una
ejecución más controlada lo que significa
mayor calidad. Además, mencionar otras
características como la rapidez de ejecución
y seguridad en obra. En definitiva, es más
eficiente.
Uno de esos sistemas industrializados de
interés se denomina “Estructuras ligeras de
acero”. Se trata de un sistema de paneles
de dos dimensiones con los que se ejecuta
la estructura del edificio. Es un sistema
de construcción en el que las cargas se
trasladan a través de unos paneles formados
traditional methods.
Industrialisation
makes the construction more efficient
than traditional construction in many
senses: Lower energy consumption in the
construction process and a guarantee of
control on site which means an overall greater
quality. Furthermore, other characteristics
like the speed of construction and on site
security should also be mentioned. In short:
more efficient.
One of these interesting industrialised
systems is the “light steel structures” system.
It consists of a system of two dimensional
panels which is used as the structure of the
building. It is a construction system in which
the loads are transferred through panels
which are made up of vertical galvanized
steel profiles (usually C shaped profiles at
Fig. 2.
Ikastola Txantxiku de
Oñate (LKS ingenieria y
Palmiro SA)
Edificio terminado. .
Fig. 3.
Ikastola Txantxiku de
Oñate (LKS ingenieria y
Palmiro SA)
Edificio terminado.
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por montantes de acero galvanizado
(habitualmente perfiles conformados en C a
distancias de entre 45 y 60cm y coronados
por una U superior e inferior). Los forjados se
resuelven forma análoga sólo que colocados
horizontalmente. Una vez colocados los
paneles en su posición se procede a cerrar
el edificio. Es decir, se reviste esa estructura
con materiales que proporcionarán al
edificio las prestaciones necesarias. Hacia
el interior se reviste con paneles de cartónyeso, entre los montantes se colocan el
aislamiento necesario y en el exterior
paneles hidrófugos acompañados en algunos
casos con láminas impermeabilizantes.
45-60cm centres and capped with U shaped
tube above and below) The floor plates are
resolved in a similar way only horizontally.
Once all the panels are placed in position the
building is then clothed. In other words, the
structure is clad with materials that provide
the building with the necessary thermal
performance. The inner face is finished with
plasterboard panels, with the necessary
insulation between vertical profiles and
closed on the outside with waterproof
panels along with a damp proof membrane
when needed. Once the performance of the
building is resolved with these layers, the
exterior cladding is carried out according to
Fig. 4.
Edificio residencial de
10 plantas en Milwaukee
(Estados Unidos de
América)
Fig. 5.
Edificio residencial en
Madison (Estados Unidos
de América) .
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Una vez resueltas las prestaciones del
edificio se reviste exteriormente, según el
diseño arquitectónico, con los materiales
convenientes.
Nuestra experiencia nos dice que se trata
de un sistema que cuenta cada vez con
mayor presencia en países donde existe
una especial sensibilización respecto al
medioambiente. Es cierto que no es el
sistema mayoritario y que pasará aún mucho
tiempo hasta que puedan desplazar a los
sistemas tradicionales. Sin embargo se prevé
que la industrialización en la construcción
sea más habitual en los años venideros por
las mejoras que ofrece en múltiples facetas.
Desde el punto de vista energético tienen un
comportamiento interesante, lo cual es vital
dada la situación en la que nos encontramos.
El calentamiento global es un hecho y cada
vez hay menos dudas de que el ser humano
esté provocando su aceleración, por lo
tanto debemos actuar con responsabilidad
y estudiar la forma de resolverlo antes
de llevar a este mundo hasta el borde del
precipicio. Como sabemos, uno de los gases
causantes de ese calentamiento es el CO2
que emitimos cuando generamos nuestro
gasto de energía. Por lo tanto, cuanta menos
energía consumamos mejor será para
nuestro planeta. Pero no sólo es importante
la energía que consumimos en calefacción e
instalaciones, también lo es la que gastamos
en el proceso de construcción. Es decir,
hay otros parámetros que debemos tener
en cuenta. Existen algunos estudios, sobre
todo británicos, que realizan un ejercicio de
comparación entre sistemas con el objeto
de obtener conclusiones claras. Los datos
que se facilitarán a continuación provienen
de estudios realizados por el BRE (British
Research Establishment), la Universidad
de Nottingham, el SCI (Steel Construction
Institute) y un consorcio de empresas y
organizaciones entre las que se encuentran
Ruukki, Corus, Cticm, CSM, CTICM, SBI, 3L
Fosta. Vamos a ver resumidamente lo más
relevante:
• Materiales y recursos: La construcción
es en sí misma, significa consumo de
recursos. Lo que debemos tener en cuenta
es qué sucede con esos recursos que
ENERGY EFFICIENT BUILDINGS
the architectural image required using the
appropriate materials.
Our experience shows that it is a system
that is increasingly more prolific in countries
that have a certain environmental sensibility.
It’s true that it’s not the most common
construction system and it will take some
time before it could substitute the traditional
systems.
However, it’s predicted that
industrialisation in the building industry will
be more common in future years due to the
multifaceted improvements that it offers.
From the energy point of view, industrialised
systems have an interesting performance
behaviour which proves to be of vital
importance considering the current situation
that we find ourselves in. Global warming
is a fact and there are less and less doubts
to whether the acceleration is due to human
provocation, therefore we have a duty to act
responsibly and study the ways to resolve
the problem before pushing the world to the
edge of the precipice. As we all know, one
of the main gases that causes this warming
is CO2 which we emit generating our energy.
For that reason the less energy we consume
the better for our planet. However, it is not
only the energy that we consume in heating
and services but also what we consume in
the construction process. In other words,
there are other parameters to take into
account. There are studies, mainly British,
which have carried out comparisons between
different systems in order to obtain clear
conclusions. The following data comes from
investigations carried out by the BRE (British
Research Establishment), the University
of Nottingham, the SCI (Steel Construction
Institute) and a consortium of companies and
organisations such as Ruukki, Corus, Cticm,
CSM, CTICM, SBI, 3L Fosta. We are going to
see a résumé of the most important points:
• Materials and resources: Construction in
itself means the consumption of resources.
What we need to take into account is what
happens with these resources that we use.
In principle, the more material we use in a
building, more the impact that we generate.
For that reason it would be desirable that
our buildings were as light as possible. The
most common materials used in traditional
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utilizamos. En principio, cuanto más material
aportemos a una edificación, mayor impacto
generamos. Por lo tanto sería deseable que
nuestras edificaciones fuesen lo más ligeras
posibles. Los materiales más habituales
en una construcción tradicional son los
productos cerámicos, productos de cantera,
cemento, hormigón y yeso. Si colocamos dos
edificios completos y semejantes sobre una
balanza, uno con estructura tradicional y otro
con estructura ligera, podremos observar
que la diferencia de peso entre ambos es
aproximadamente del 30%, lo que no es nada
despreciable. En el caso de que eliminásemos
los revestimientos del edificio y nos
quedásemos únicamente con la estructura
la diferencia se incrementaría, pasando a
ser de un 50% en edificios multifamiliares,
y la diferencia es aún mayor en edificios de
pequeña altura. Pero la influencia de la masa
no es lo único importante, hay que tener
en cuenta otros factores relacionados que
veremos en los siguientes puntos.
• Residuos: No debemos olvidar que en
toda construcción se generan residuos.
Desde hace no tanto tiempo se ha empezado
a contemplar este concepto en los proyectos
de edificación. De forma análoga al apartado
anterior, la construcción tradicional genera
una mayor cantidad de residuos provenientes
de los materiales que más intervienen en su
construcción. Cuanto más industrializado
sea un sistema, menor cantidad de residuos
construction are ceramic products, quarry
products, cement, concrete and plaster. If
we place two complete and similar buildings
on scales, one with a traditional structure
and the other with a lightweight structure
we would be able to observe that the
difference in weight is approximately 30%,
which is considerable. If we then remove
the claddings of the building and leave only
the structure the difference increases to 50%
in the case of multiple family housing and
even more for singular smaller buildings.
However the mass of the building is not the
only important issue, other related factors
need to be taken into account, which we shall
see in the following sections.
• Waste: We must not forget that all
building construction generates waste. This
is a fairly new concept to be contemplated
in building projects. Similar to the previous
section, traditional building methods
generate more waste from the materials that
are most commonly used in its construction.
The more the system is industrialised, less is
the quantity of waste generated. According
to various studies that were carried out by
the BRE comparing different constructive
systems in various situations, it has been
certified that the buildings constructed
with lightweight steel structures generate
13% less waste. Steel almost generates
zero waste, especially if the system is
completely industrialised. However, steel
Fig. 6.
Edificio residencial en
Canada.
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se generará. Según diversas comparaciones
realizadas por el BRE entre edificios con
diferentes sistemas constructivos en varias
implantaciones, se ha certificado que los
edificios construidos con estructuras ligeras
de acero generan en torno a un 13% menos
de residuos. El acero prácticamente no
produce residuos, sobre todo si el sistema
está completamente industrializado. Pero el
acero tiene una propiedad muy interesante, y
es que se recicla sin perder sus propiedades
físicas de forma que puede volver a ser
utilizado para la misma función para la que
fue creado. No sucede lo mismo con otros
has a very interesting property which is that
it can be recycled without losing its physical
properties meaning that it can be used again
for the same function as it was created for.
This does not occur for other products where
recycling consists in re-using them for
ground fill or aggregates.
•Energy: Apart from the mass of a building
there is another vitally important factor to
take into account in order to comprehend
the suitability of a constructive system:
embedded energy. This factor measures
the energy consumed by a material from its
extraction, transformation, transportation up
Fig. 7.
Centro comercial en
Helsinki (Finlandia)
Aplicación del sistema
como cerramiento de
fachada.
Fig. 8.
Edificio de oficinas
(Finlandia)
Aplicación del sistema
como cerramiento de
fachada.
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productos cuyo reciclaje consiste en su
utilización como rellenos o áridos.
• Energía: Además de la mencionada
cantidad de masa aportada en el edificio
existe otro factor vital para entender la
idoneidad de un sistema constructivo: la
energía embebida. Este factor mide la
energía que se ha consumido en un material
desde su extracción, transformación,
transporte, hasta su puesta en obra. Mayor
consumo de energía significa más emisiones
de gases efecto invernadero. El acero
tienen una energía embebida mayor que el
hormigón. Sin embargo el acero se recicla,
lo cual es muy importante puesto que reduce
considerablemente el gasto de energía.
Aún así el consumo de energía del acero
continúa siendo superior al del hormigón,
pero ahora con mucha menor diferencia.
No debemos olvidar lo mencionado en el
apartado “Materiales” donde se apuntaba
que la diferencia de peso entre sistemas
ronda el 30%. Mientras un edificio tradicional
de dos plantas pesa aproximadamente
975kg/m2 un edificio de estructura ligera
ronda los 690 Kg/m2. Lo importante es
conocer cual es el producto de la masa por
la energía consumida por unidad de masa,
lo que nos dará la energía consumida total.
El resultado final nos dice que un edificio
construido con estructura ligera de acero
(5.830MJ/m2). consume menos energía
que uno tradicional (6.510MJ/m2). Hay que
tener en cuenta que se estima que el 11%
del consumo se produce en obra, 40% del
transporte y el 49% de la fabricación de los
productos. Lo cual significa que el consumo
en el transporte es muy importante. Las
estructuras ligeras de acero reducen en un
70% ese consumo. Además, mencionar que
los cerramientos presentan muy buenas
cualidades energéticas pudiendo alcanzar
transmitancia de 0,15 W/m2ºC en función de
la solución adoptada. La energía en la vida útil
del edificio es superior a la consumida en la
elaboración de los materiales constructivos,
por lo tanto es muy importante que el edificio
esté bien aislado.
to the point that it is placed in the building.
The higher the consumption of energy the
higher the greenhouse gas emissions.
Steel has a higher embedded energy than
concrete. However, steel can be recycled,
which is important given that it greatly
reduces the energy consumption. Even so,
the energy consumption of steel continues
to be higher than concrete although there
is less difference. We must not forget the
section on “materials” which showed that
the difference in weight between the two
systems is around 30%. A traditional 2 storey
building weighs approximately 975kg/m2
while a similar building with a light structure
is around 690kg/m2. It is important to know
what the result is of multiplying the mass by
the energy consumed per unit of mass, which
will give us the total energy consumed. The
final result shows that a building constructed
with a light steel structure (5.830MJ/m2)
consumes less energy than one with a
traditional structure (6.510MJ/m2). We have
to take into account that it is estimated that
11% of energy consumption takes place on
site, 40% in transportation and 49% in the
manufacture of the products. This shows
that the consumption of the transport is
very important. Light structures reduce
this consumption by 70%. One should also
mention that the envelope offers very good
energetic qualities being able to reach up to
U-values of 0,15 W/m2ºC depending on the
adopted solution. The energy consumed in
the life of the building is higher than that
consumed in the making of the construction
materials so it is very important that the
building is well insulated.
All told, it is a system that offers interesting
properties: good energy performance, speed,
quality and security. With the energetic
requirements becoming more and stricter,
this type of system will become far more
habitual to us; however they will have to
cross certain barriers such as the cultural.
En definitiva se trata de un sistema que
presenta unas propiedades interesantes:
buen
comportamiento
energético,
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rapidez, calidad y seguridad. A medida
que las exigencias energéticas se vayan
endureciendo sistemas de este tipo serán
más habituales entre nosotros, aunque
tendrán que salvar otras barreras de entrada
como son las culturales.
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