Los generadores de costos ocultos y los detalles pasados ​​por alto de la fabricación de acero estructural

FIGURA 1. Esta columna compleja de ala ancha con revestimiento de cubierta tiene un arriostramiento extenso, diseñado para resistir explosiones. Todo este trabajo agrega un costo significativo, tanto para la mano de obra en el taller como en el campo. A veces, tal complejidad simplemente no se puede evitar, pero el costo de esa complejidad debe tenerse en cuenta en el trabajo.

Tim Bradshaw se dedica a dar recorridos por las tiendas, especialmente a los ingenieros estructurales. Como vicepresidente de entrega de proyectos en Owen Steel Co., Columbia, SC, Bradshaw ha estado diseñando y fabricando acero estructural durante toda su carrera. Durante más de 25 años, ha trabajado como ingeniero profesional y gerente en la industria. Sabe cuándo el metal encaja bien y cuándo no.

"Tres factores influyen en el costo del acero estructural. El primero es el costo del material, el segundo es el costo de mano de obra del taller y el tercero es el costo de montaje. Una regla empírica de larga data ha sostenido que cada uno representa aproximadamente un tercio del costo total. Eso Es decir, el costo de un trabajo es un tercio de material, un tercio de mano de obra y un tercio de montaje".

Bradshaw hizo esta declaración en marzo de 2022 durante una presentación que dio en Denver en NASCC: The Steel Conference, organizada por el American Institute of Steel Construction (AISC). Agregó que la regla fluctúa con el tiempo con el cambio de materiales y costos de mano de obra. A veces, sin embargo, la regla se desequilibra debido a ciertas elecciones de diseño que hizo el ingeniero de registro (EOR) o factores que el EOR simplemente pasó por alto.

De todos los sectores en la fabricación de metal, la fabricación de acero estructural se destaca. La cadena de suministro de la construcción es menos una cadena y más una red compleja de partes interconectadas. Un fabricante de acero estructural puede ser solo un engranaje en la rueda, fabricando lo que se le da, o puede ser un comunicador activo, mostrando al EOR (y a cualquier otra persona) lo que realmente impulsa los costos y la eficiencia en el piso de producción (consulte las Figuras 1 y 2). Es por eso que Bradshaw, que forma parte de tres comités de AISC, siempre agradece la oportunidad de dar un recorrido por la tienda. De hecho, su presentación de NASCC podría verse como una especie de recorrido virtual por la tienda, durante el cual señaló varios factores que desequilibran la regla general de costos.

Bradshaw señaló una viga simple con conexiones directas. "En este caso, menos peso realmente equivale a menos costo. Es una viga simple, no hay mucho trabajo de taller y no es costosa de instalar en el campo".

Luego señaló una viga enjuta (viga de borde construida a lo largo de la pared exterior de cada piso) con un borde largo en voladizo. Su construcción liviana se ve muy bien aisladamente, pero ese peso liviano también requiere refuerzo de acero. "Acabas de cuadruplicar el peso de la viga debido a todo el acero de refuerzo que necesitas agregar a esa viga para manejar el borde en voladizo. Podría haber sido mejor hacer la viga un poco más pesada o usar una sección tubular para tu enjuta, o para no tener ese largo borde en voladizo".

Luego señaló algunos dibujos de taller que involucran refuerzos y dobladores. Dependiendo del diseño, las columnas más livianas pueden requerir refuerzos y duplicadores más robustos, y soldarlos no es gratis. En su presentación, señaló una columna liviana de W14 × 159 con un doblador de 6 pulgadas y una W14 × 342 con una columna de ½ pulgada. doblador Desde una perspectiva de costo de material puro, W14 × 159 parece el camino a seguir, hasta que vea toda la soldadura que requieren esos dobladores. El de 6 pulgadas. Las placas dobles en W14 × 159 aumentaron el volumen total de soldadura 72 veces. Mucho de esto tiene que ver con la geometría; una soldadura de penetración total es esencialmente un triángulo y su volumen aumenta exponencialmente con su tamaño. Con un mayor volumen de soldadura vienen múltiples pases de soldadura y más costos.

"En este caso, podría ser menos costoso optar por una columna W14 × 342 en lugar de esa columna W14 × 159", dijo, "especialmente si está haciendo conexiones de momento en múltiples niveles provenientes de múltiples direcciones".

Detalles, ingeniería de conexión, fabricación: a veces, los tres se realizan bajo un mismo techo; otras veces son hechos por diferentes firmas. Independientemente, la comunicación abierta es clave (ver Figura 3).

FIGURA 2. Una viga liviana podría requerir refuerzos de alma como este, otro factor que afecta las consideraciones de peso versus costo.

Algunos fabricantes, especialmente aquellos que cuentan con muchos equipos de punzonado y perforación, están configurados para realizar trabajos con pernos de manera muy eficiente; otros sueldan eficientemente; algunos sobresalen en ambos. Por supuesto, los ingenieros a menudo desarrollan dibujos sin saber qué fabricante realizará el trabajo. "Si no sabe si el fabricante estará configurado para realizar trabajos soldados, atornillados o ambos, intente permitir conexiones atornilladas o soldadas".

Las conexiones de un solo lado funcionan mejor para el montador. "Por supuesto, no puede usar una conexión de un solo lado todo el tiempo, pero use tantas como pueda", dijo. "Hay mucha investigación en el último Manual de construcción de acero [publicado por AISC] no solo sobre pestañas de corte estándar sino también pestañas de corte extendidas. [Usarlas] puede ser de gran ayuda, especialmente si se está conectando a la web columna, o si está recubriendo el alma de una viga que tiene un ala muy ancha. Si puede usar una conexión de lengüeta de cortante extendida, no tiene que preocuparse tanto por rematar la viga".

Agregó que cuando se trata de cargas de diseño, los detalles importan. Cuando se le da un requisito de carga específico, este W12 tiene una carga de conexión mínima de 20 kips; para ese W14, son 24 kips: los ingenieros de conexión verifican cada conexión contra esa carga.

A veces, sin embargo, a los ingenieros de conexión solo se les da una lista tabulada que muestra el número mínimo de un tipo y tamaño de perno específico. "Eso no nos dice mucho desde el punto de vista de la conexión", dijo. "Podemos darle un W16 con cuatro pernos, pero ¿qué significa eso para el corte del bloque? ¿Qué significa eso para el rodamiento de pernos? ¿Qué significa eso para la flexión en la sección neta? Realmente necesitamos información de carga específica de alguna forma ."

"Cuando considere los tamaños de soldadura, considere el tipo de soldadura", dijo Bradshaw. “Le pediríamos que dimensione la soldadura según la demanda de carga real o para cumplir con los requisitos del código. Es fácil seguir un conjunto de planes que digan 'soldadura de penetración total'. Pero, ¿es eso realmente necesario? Si lo es, genial. Estamos felices de hacerlo. Pero no siempre es necesario".

Las soldaduras de penetración completa requieren orificios de acceso a la soldadura, al menos en la mayoría de los casos. "Piense en cómo se verán, y si su arquitecto permitirá que permanezcan abiertos. Además, nunca llene un orificio de acceso a la soldadura con metal de soldadura después de completar la unión. Si tiene un orificio de acceso a la soldadura y necesita llenar prueba con masilla de relleno de carrocería. Si subcontratas la pintura, deja que el pintor lo haga".

La posición de la soldadura también importa. Un fabricante puede colocar una soldadura para facilitar el acceso en el taller, pero no tanto en el campo. Como explicó Bradshaw: "Según los dibujos, ¿está usando una técnica de soldadura hacia abajo? ¿Una soldadura vertical? ¿O es por encima de la cabeza, que es la más difícil de hacer?"

Una vez más, el volumen de la soldadura es importante, y las soldaduras de filete en especial pueden ocupar mucho volumen (consulte la Figura 4). "En algunos casos, un fabricante puede ver los dibujos que solicitan un filete muy grande y preguntar si la soldadura puede ser una soldadura de penetración parcial o incluso total. Dos soldaduras de filete muy grandes en cada lado de la placa en realidad pueden tener más volumen de soldadura que una soldadura de penetración total".

Considere también el tamaño de la soldadura que los soldadores de un taller pueden realizar en una sola pasada con soldadura de alambre. Actualmente, algunos talleres (según el equipo y el diámetro del alambre) pueden realizar una soldadura de un solo paso de hasta 5/16 pulg. tamaño de soldadura. Otros fabricantes colocan ¼ de pulgada a la vez. "De todos modos, cualquier cosa de más de 5/16 de pulgada será una soldadura de dos pasadas", dijo Bradshaw, y agregó que la cantidad de pasadas aumenta exponencialmente con el tamaño de la soldadura. "Una soldadura de 5/8 de pulgada se convierte en seis pasadas, una soldadura de ¾ de pulgada se convierte en 10 pasadas, una soldadura de 7/8 de pulgada se convierte en 15 pasadas y una soldadura de filete de 1 pulgada se convierte en 21 pasadas. Es por eso que preferiría hacer una soldadura de penetración total o parcial en algunos casos".

Agregó que las celdas de soldadura robótica pueden colocar soldaduras muy grandes, pero aún están limitadas por el tamaño del cable. Y sí, la soldadura por arco sumergido (SAW) puede soldar juntas muy grandes en una sola pasada, pero no todas las soldaduras pueden diseñarse para la configuración mecanizada de SAW.

FIGURA 4. Las soldaduras de filete de varias pasadas como estas pueden requerir una gran cantidad de metal de soldadura, lo que aumenta los costos del proyecto.

Los contratistas de fachadas de edificios a menudo son los últimos en involucrarse en un proyecto. Eso puede ser un desafío, como explicó Bradshaw, ya que la coordinación temprana es esencial para decidir cómo se conectará la fachada con las vigas de borde y la losa.

La secuenciación complicada del trabajo también puede generar costos adicionales. Por ejemplo, Bradshaw describió un proyecto que requería que el arriostramiento del ángulo de la fachada se anclara por expansión a la parte inferior de la losa, arriostramiento que no se podía instalar hasta después de verter la losa. "Entonces, en este caso, se erigió el acero, se vertió la losa y alguien tuvo que regresar y colocar los ángulos".

En algunos casos, coordinar las conexiones de la fachada desde el principio, tal vez moviendo la viga o alterando la posición de la losa una fracción de pulgada, puede conducir a una solución simple y elegante desarrollada en la fase de diseño. Es casi seguro que esa solución será menos costosa que tener que revolver los cronogramas de fabricación y montaje durante la fase de construcción.

Bradshaw señaló un dibujo con una conexión de momento donde una viga W40 estaba sostenida por una viga W30. "En este caso, tuvimos que soldar un WT en la parte inferior del W30 para que tuviera la misma profundidad que el W40, para colocar las placas de brida en su lugar.

"Ese es un ejemplo extremo", continuó Bradshaw, "pero piense en el encuadre. Hemos visto un W24 enmarcado en un W12. ¿Cómo se ve esa sección rematada? Tiene que hacer frente a la mitad del W24 para enmarcarlo en un W12. Muchas veces, necesita hacer frente a ese W24 tanto que ahora tiene que reforzarlo o colocar algún tipo de placa extendida en la parte inferior.El resultado final: trate de no enmarcar una sección más profunda en una sección sustancialmente menos profunda.Es fácil de atrapar. ."

En áreas donde múltiples conexiones de momento entran en una columna, como en un marco de momento, "siempre es bueno usar la misma profundidad nominal para las vigas de momento, para que no termine con múltiples capas de refuerzos", dijo Bradshaw. "Si puede mantener sus vigas de momento con la misma profundidad nominal en cualquier lado de la columna, eso reduce la cantidad de trabajo que se requiere para instalar múltiples capas de refuerzos".

La soldadura de filete de refuerzos suele ser sencilla y rentable, pero no siempre es posible si los refuerzos están demasiado juntos. A veces, los soldadores terminan realizando soldaduras de penetración total en lados opuestos. "Se vuelve complicado", dijo Bradshaw, "y aumenta las horas necesarias para fabricar una pieza".

La fabricación estructural no se trata solo de cuántas toneladas de acero puede producir un taller en un tiempo determinado. El trabajo juega un papel muy importante. "Nos gusta medir el costo en términos de cuántas horas hombre por tonelada", dijo Bradshaw.

La automatización puede disminuir esas horas hombre por tonelada, por supuesto, pero también la claridad y la comunicación constante. ¿Los documentos especifican la versión exacta del código? Especificar la "última versión" a veces puede causar confusión, ya que diferentes códigos de diferentes organizaciones tienen diferentes calendarios de publicación.

¿Se especifican los requisitos de tolerancia específicos del proyecto? Si bien las tolerancias de fabricación comunes se especifican en ANSI/AISC 303-16, Código de prácticas estándar para edificios y puentes de acero, es posible que se deban especificar tolerancias adicionales en los documentos de diseño para acomodar el trabajo de otros oficios, como la instalación de fachadas u otros trabajos arquitectónicos. acabados

Dondequiera que se reúnan los fabricantes de estructuras, en NASCC, FABTECH o en cualquier otro lugar, muchas sesiones cubren los avances tecnológicos, pero una buena parte generalmente se enfoca en la comunicación y romper los silos entre todas las partes involucradas en un proyecto de construcción. Eso, dijo Bradshaw, es la razón por la que siempre da la bienvenida a los EOR, detallistas, constructores, ingenieros de conexiones (que emplea Owen Steel), contratistas mecánicos, contratistas de fachadas y cualquier otra persona relacionada con la construcción de edificios para que vengan a visitarnos. La fabricación estructural eficiente requiere la difusión del conocimiento, y durante más de dos décadas, Bradshaw y sus colegas, tanto dentro de Owen Steel como miembros de AISC, están trabajando para hacer precisamente eso.

FIGURA 3. Los ingenieros de conexión de Owen Steel diseñaron internamente esta conexión de extremo de arriostramiento. Ya sea que la ingeniería de conexión se realice internamente o se subcontrate, la comunicación abierta es clave.