lunes, 10 de mayo de 2010

Sistemas estructurales de Vector Activo (Reticulados)









CERCHAS
Definición: las cerchas son vigas caladas, constituidas por elementos simples llamados barras. El principio fundamental de las cerchas es unir elementos rectos para formar triángulos. Esto permite soportar cargas transversales, entre dos apoyos, usando menor cantidad de material que el usado en una viga, pero con el inconveniente de que los elementos ocupan una altura vertical considerable.
Definición de barra: elementos resistentes lineales, cortos (en relación a la luz que cubren), sólidos y rectos, que componen a las estructuras, los cuales, debido a su reducida sección en relación con su longitud, pueden transmitir solamente esfuerzos en sentido de ésta: tracción y/o compresión.
Las estructuras de barras son los sistemas estructurales que actúan principalmente por la colaboración de sus elementos resistentes. También son denominados sistemas de vector activo, llamado así porque sus fuerzas se descomponen en varias direcciones manteniendo vectorialmente el equilibrio por fuerzas opuestas.
Estos tipos de estructuras resultan indeformables en su conjunto cuando se cumple:
B=2v-3
Siendo b el numero de barras y v el numero de articulaciones del sistema.
Las articulaciones a las que concurren dos o más barras se denominan nudos.
Las piezas comprimidas o extendidas, ensambladas triangularmente, forman una composición estable y completa en si misma que es capaz de recibir cargas asimétricas y variables, transmitiéndolas a los extremos, las piezas dispuestas según una cierta forma y formando en conjunto un sistema con nudos articulados pueden dirigir las fuerzas y transmitir las cargas a grandes distancias sin soportes intermedios, sistemas estructurales activos vectorialmente. Las características de los sistemas estructurales de vector activo es la disposición triangulada de las piezas rectas.
Por su configuración triangulada, las barras dispuestas convenientemente resisten las cargas permanentes del edificio y las accidentales provocadas por el viento y las acciones sísmicas.
Estos arrostramientos en edificios altos tienen por misión resistir los empujes horizontales que actúan sobre el edificio, y transmitir dichos esfuerzos a la cimentación. La variedad de formas que es posible obtener a partir de la asociación de triángulos es prácticamente ilimitada y por lo tanto también es ilimitada la posibilidad formal de este tipo estructural.
Las cerchas se disponen entre los pilares o elementos de apoyo del techado y entre cercha y cercha se coloca la tirantería o envigamiento secundario, que, a su vez, recibe la carga de los elementos de cubierta. En las siguientes figuras (dibujarlas) se detállanos dos tipos fundamentales de cerchas que se construyen; la primera se distingue por la barra central vertical, llamada pendolón, y de aquí su nombre de “cercha con pendolón”; la segunda no tiene pendolón y se llama “cercha polonceau”.
Los puntos A y B son los apoyos de las cerchas y la distancia entre A y B es la luz. Los dos pares de las cerchas constituyen el “cordón superior” y el tensor o los tirantes forman el “cordón inferior”. Los puntos donde se unen varias barras se llaman nudos.
Una cercha cuando está cargada trabaja como viga; por lo tanto las barras que constituyen el cordón superior trabajan a la compresión, mientras que las del cordón inferior lo hacen a la extensión. Respecto a la forma en que trabajan los demás elementos de una cercha, montantes y diagonales, no es posible decirlo así a priori se requiere un estudio especial para determinarlo; indicaremos que al efecto de la realización de estos cálculos se supone que las barras están articuladas en los nudos, por lo que los esfuerzos que podrán recibir solo serán de compresión o de extensión. Esto determina que las dimensiones de las barras sean bajas, lo cual hace económica la estructura. Las barras del cordón superior además de los esfuerzos de compresión que deben soportar, están sometidos a la flexión que les provoca el envigado secundario que va entre cercha y cercha y que en ellas se apoyan. Para cerchas comunes y en los casos generales, la distancia entrenudos esta normalmente comprendida entre 1.80 m y 2.50 m.
De acuerdo con las conveniencias de la construcción a realizar, técnicas y económicas, pueden adoptarse variantes en las disposiciones de las cerchas.
Las estructuras pueden ser planas (cuando todas sus barras pertenecen al mismo plano) o espacial (cuando las barras que concurren a cualquiera de sus nudos no están contenidas en el mismo plano.
Sistemas Planos Triangulados
Es uno de los sistemas más difundidos debido a que resiste notablemente la acción de las distintas cargas de servicio en relación con su peso propio. Esta ventaja permite su aplicación en espacios de grandes luces.
Estructuras planas trianguladas de cordones paralelos
En esta tipología, según su posición, las barras constitutivas de estos sistemas reciben el nombre de cordón superior, cordón inferior y barras intermedias formando diagonales y montantes. Los más comunes son los denominados Viga PRATT, Viga WOWE, Viga WARREN y Viga en K.
• Viga PRATT: se utiliza para luces medianas y grandes luces (superiores a 100 metros con alturas entre1/5 a 1/8 de su luz). Las diagonales trabajan a tracción y las montantes están comprimidas.
• Viga WOWE: utilizadas para luces medianas, en ella las diagonales trabajan a la compresión y las montantes a tracción.
• Viga WARREN: se usan en luces reducidas, medianas y grandes, presenta la ventaja de poseer una malla menos tupida.
La Warren con montantes, las barras montantes agregadas tienen por finalidad reducir las luces de las barras comprimidas, o reducir la flexión en las barras del cordón inferior.
Tanto las Pratt, Wowe, Warren o K, cuando las luces a salvar pasan cierto valor (ej. 60 metros) es más económico construir el cordón superior en arco.
Las Pratt y Warren pueden también ser dobles o compuestas por subdivisión de las barras constitutivas con la finalidad de disminuir las grandes luces libres entre nudos.
Armaduras Cabreadas
Son sistemas estructurales de barras muy utilizados para realizar techos con pendiente. Según la posición de las barras se pueden clasificar en: Cordón superior (pares), Cordón inferior (tensor) y barras intermedias (diagonales – montantes).
Sistemas Curvos Triangulados
Existen tres tipos de sistemas:
• Sistemas Curvos Triangulados de sectores que van formando superficies de simple curvatura, por ej., sup. Cilíndricas. La combinación de estos sectores pueden cubrir plantas de forma triangular, cuadrada, rectangular, hexagonal, octogonal, etc.
• Sistemas Curvos Triangulados de sectores que van formando superficies doble curvatura total negativa, por ej. Sup. Con forma de paraboloide hiperbólico. Con la combinación de varios sectores se pueden cubrir plantas de forma triangular, cuadrada rectangular, hexagonal, octogonal, etc.
• Sistemas Curvos Triangulados de sectores que van formando superficies de doble curvatura total positiva, por ej. Superficies esféricas. Con estas superficies se pueden cubrir plantas de variadas formas, pero fundamentalmente para cubrir plantas circulares. Las cúpulas geodésicas son unos de los más interesantes tipos de superficies de doble curvatura total positiva.
Otros tipos de cerchas
Las Cerchas para Cobertizos, tienen la apariencia de una “media cercha” común y se utilizan para hacer techados de galpones y cobertizos en general, de dimensiones no muy grandes, aprovechando paredes existentes para utilizarlas de apoyo en un lado.
Las Marquesinas, son techados en voladizo, con un solo apoyo, y se emplean en la protección de pasajes junto a fachadas exteriores o de patios interiores de edificios; en el muro de la fachada debe haber un empotramiento de las barras de las cerchas, principalmente las del cordón superior, que son las que trabajan a la extensión.
El shed, es un techo que por su disposición permite obtener una buena iluminación en el local que está cubriendo, sin dejar penetrar directamente los rayos solares.
La Mansarda, proviene de una disposición ideada por el Arq. Mansard que permite el aprovechamiento del espacio en la parte inferior del techado, formando lo que se llama comúnmente la bohardilla; se compone de cuatro superficies planas inclinadas dos a dos con pendientes diferentes ; las superiores tienen pendientes comunes y forman el techo propiamente dicho y las inferiores, casi verticales , constituyen las paredes de la bohardilla.
Los Lucernarios, permiten efectuar la ventilación e iluminación de los locales por medio de aberturas dispuestas en las paredes verticales de zonas centrales del techado que se hacen más elevadas que el resto del techo, las cerchas son del tipo corriente a las que se agregan los elementos necesarios para levantar la cubierta en la forma deseada; las aberturas pueden tener dispositivos de regulación.
CONSTRUCCION DE LAS CERCHAS
Las cerchas se hacen de madera, de hierro o de hormigón armado, a veces también se hacen mixtas, con elementos de hierro y otros de madera.
Las cerchas de madera se hacen de maderas duras de buena calidad y estacionamiento; se suele hacerlas de pio tea, curupay, ñandubay, etc. Las distintas barras se hacen utilizando piezas escuadradas que son ligada mediante ensambles simples, reforzados con burlones, abrazaderas y chapas de hierro.
Las cerchas de hierro son usadas en los casos de tenerse grandes luces o donde se quiera asegurar más efectivamente la incombustibilidad de los materiales de los elementos resistentes. Cuando se trata de grandes luces, más de 20 metros las cerchas de madera resultan caras y convienen la de hierro que además de incombustibles y económicas, resultan de mayor esbeltez en sus líneas.
La construcción, en general, se realiza utilizando perfiles laminados normales, los cuales se colocan de a dos para cada barra; los nudos se resuelven por medio de chapas de hiero a las cuales se unen las barras, un perfil de cada lado; estas chapas se llaman “escudos” ; las uniones se consiguen mediante bulonado, remache o soldadura. Las chapas utilizadas para hacer los nudos son de espesores comprendidos entre 8 y 16 mm., según los casos.
Las uniones con burlones(tornillos con tuercas) o con roblones (remaches) de hierro, requieren diámetros comprendidos entre 12 y 19 mm.
También se hacen cerchas mixtas en las barras comprimidas se realizan en madera y las extendidas, en hierro.
Las cerchas de hormigón armado son de uso restringido ya que además de su peso relativamente grande frente al de cerchas de hierro o de madera, tienen un costo elevado; no obstante, su mayor aplicación esta en aquellas construcciones donde la incombustionabilidad de los materiales sea factor preponderante. Tienen también la ventaja de su menor costo de conservación.
Sistemas de Reticulados Espaciales
Las cerchas pueden usarse para cubrir y soportar cargas distribuidas sobre una superficie. Usando el tetraedro, extensión espacial del triángulo y combinándolos se obtienen las denominadas «estructuras espaciales» o entramados espaciales articulados, usados para soportar techos de grandes luces, como los que se presentan en bodegas, centrales de transporte, auditorios y estaciones de servicio. Los miembros se construyen con elementos tubulares, de sección circular o cuadrada de acero estructural. Las uniones son los elementos más elaborados y en algunos casos se usan esferas

Si un reticular se diseña para su ejecución en un único material, este debe ser apto para asumir trabajos de tracción y compresión indistintamente. También pueden combinarse los materiales, como la madera y el acero, en soluciones en las que el primero trabaja a la compresión y el segundo a la tracción. En este caso, siendo los dos materiales aptos para ambas solicitaciones, esta distribución del trabajo estructural se basa en las posibilidades constructivas que permite el empleo del acero en barras, combinadas con la madera de escuadrías.
Pero la decisión sobre las formas de las secciones de estas piezas tensores o barras esbeltas con exposición al pandeo también está fundada en el diseño constructivo de los nudos, los que en ciertos casos puede constituirse en factor decisorio.
Las barras que llegan a un nudo deben tener sus ejes orientados concéntricamente hacia un mismo punto. Esta es una exigencia para el funcionamiento mecánico de la articulación.
Para una barra que empuja hacia el nudo, bastaría el contacto a tope para concretar su acción, pero se requiere sujetarla ante variaciones de su comportamiento. El problema más importante lo plantean las barras que tiran del nudo.
Los materiales utilizados ofrecen posibilidades distintas. El acero cuenta con la técnica de la soldadura que incuestionablemente simplifica el problema en relación con el roblonado o remachado. Con la soldadura, se resuelven todos los enlaces de las piezas, ya sean traccionados o comprimidos. El nudo puede ser resuelto con una pieza intermediaria chapa de unión, pañuelo a la que llegan adosadas las barras por ambas caras, de modo de mantener la simetría con respecto al plano de la estructura.
El aluminio se presentan como alternativa a la utilización del acero para trabajos a la tracción, ya que tienen una resistencia igual a la de este tipo de solicitación, con la ventaja de tener un peso mucho menor la tercera parte.
Las aleaciones de aluminio y tratamientos especiales permiten obtener productos como el duraluminio, que cuenta con estas características, aunque en 3 veces más deformable que el acero.los enlaces se resuelven por soldadura de gas, de punto, de tipo costura, tornillos, broches, etc.
En madera, pueden distinguirse reticulares con barras resueltas casi exclusivamente con tirantes de una sola sección y las de secciones compuestas.
En estos casos el problema de enlace, principalmente el de las barras traccionadas, requiere elementos adicionales, el que proporcionan planchuelas metálicas que se aseguran abulonándolas.
El hormigón armado, por sus características y propiedades emergentes de su monolitismo, no es un material indicado para resolver reticulares. En este material no tiene sentido resolver barras traccionadas, en todo caso se conciben como tensores de acero revestidos de hormigón. Además, las uniones, por las propiedades elásticas del material y por las preponderantes dimensiones que toman, aunque sean mínimas, ya no pueden ser consideradas como articulaciones: el nudo es básicamente rígido. Esto es lo que llevo al Ing. Vierendeel a concebir la viga que lleva su nombre: los nudos acusan un diseño acentuado por su rigidez, y las diagonales desaparecen al ser innecesarias, puesto que los cuadrados, rectángulos, o trapecios, con sus nudos rígidos, son figuras indeformables. Al ser rígidos los nudos, las distintas barras se transmiten efectos de flexión, por lo que resultan sometidas a un trabajo compuesto: flexo – tracción o flexo – compresión.
Con la técnica del pre moldeado se han plantado algunas soluciones en las que las barras traccionadas han sido resueltas como tensores en acero, algo similar a la combinación entre madera y acero.
LAS CERCHAS DE PUENTES
La cercha es una de las formas estructurales más ampliamente usada en la construcción de puentes de luces pequeñas y medianas. Normalmente la disposición de los puentes de cercha es como se muestra en la figura 5.. Se colocan dos cerchas paralelas que se arriostran entre sí; la transmisión de las cargas de los vehículos se hace en dos tipos: de tablero inferior (la forma más común) y de tablero superior, según el gálibo sobre el cauce lo permita. En estos puentes además de las cerchas paralelas se usa un conjunto de vigas transversales que trasladan las cargas de peso propio y de los vehículos a los nudos inferiores de la cercha. Para alimentar las vigas transversales se usan también vigas longitudinales sobre las cuales se apoya directamente la placa de concreto reforzado que sirve de tablero al puente
Los miembros de la cercha se unen mediante platinas, soldadas o pernadas. En las cerchas de madera las uniones se hacen con pernos y o puntillas.
Los sistemas de vector activo tienen grandes ventajas como sistema estructural vertical para edificios de gran altura. Compuestos de forma conveniente pueden combinar las funciones estructurales de agrupación lineal de las cargas, de transmisión directa de estas, y de estabilidad lateral contra el viento.
Los sistemas estructurales de vector activo, a causa de sus ilimitadas posibilidades de expansión en las tres dimensiones con elementos normalizados y con un mínimo de obstrucción del espacio constituyen la forma estructural conveniente para las dinámicas ciudades del futuro.

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