Análisis esencial para ingenieros: sistema estructural de cerchas escalonadas
Desvela los secretos de las cerchas escalonadas y aprende todo para construir estructuras altas y resistentes con 3G Aceros
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Los sistemas estructurales de cerchas son muy frecuentes en estructuras de techos, sin embargo muy pocos conocen sus detalles e importancia, especialmente los estudiantes de ingeniería, arquitectura y aficionados a la construcción civil.
Por ello desde 3G Aceros queremos introducirte al mundo de las cerchas escalonadas y sus conceptos claves para estructuras sólidas.
El techo, su estructura y las cerchas cumplen una función esencial en cualquier edificación, va más allá de proteger de los elementos.
Son claves para la seguridad y comodidad de los ocupantes; un centinela invisible que pocas veces se aprecia hasta que reclama atención. Por ello, el análisis de este sistema estructural de cerchas escalonadas es esencial para los ingenieros.
Sigue leyendo, y conoce la cercha, ese elemento estructural esencial que se usa en los proyectos constructivos que requieren un soporte seguro y sólido para sostener y soportar techos fijos o suspendidos, pisos, cargas internas como servicios y otros sistemas.
Análisis esencial para ingenieros sobre el sistema estructural de cerchas escalonadas: definición
Se trate de un dueño de una casa, estudiante o profesional de la construcción, conocer la importancia de las estructuras y cerchas de los techos para la seguridad y durabilidad de estos sistemas es crucial.
Pero ¿qué es una cercha?; básicamente es un sistema triangulado, compuesto por elementos estructurales interconectados entre sí y en forma recta; también llamada viga de red abierta.
Conceptualmente, las cerchas se pueden definir como estructuras prefabricadas triangulares que se usan para formar la armadura que soportará el techo de una edificación. Estas pueden ser de madera o acero estructural, diseñado para distribuir eficazmente el peso del techo hacia los muros de carga y/o soportes de la estructura.
Como sistema estructural de cerchas escalonadas, son una opción altamente eficaz para techados tradicionales de vigas, ya que en términos de eficiencia, rentabilidad y facilidad de instalación ofrecen muchas ventajas.
| Las cerchas en inglés se conocen como Staggered Truss system, que significa sistemas de vigas escalonadas, y dan forma a una armazón de acero estructural, usualmente en edificaciones de altura considerable. Consta de un conjunto de cerchas del ancho entre dos filas de columnas exteriores y dispuestas siguiendo un patrón escalonado en líneas de columnas adyacentes. |
Las cerchas: garantes de la integridad estructural
La forma triangular del sistema de cerchas escalonadas es determinante para aportar mayor integridad a la estructura. Esta composición asegura mayor estabilidad y capacidad de soporte estructural ante las fuerzas de compresión y tracción. Al contar con elementos de celosía en patrones triangulares, potencia la capacidad de carga con menos material.
Por ello es notable la eficiencia del diseño en las cerchas de las estructuras metálicas, puesto que las cerchas minimizan los residuos, lo que hacen muy rentables para construir techos. Además de su gran resistencia y solidez, ya que la fuerza central de cada elemento, es la tensión axial y/o la compresión.
Análisis esencial del sistema estructural basado en cerchas escalonadas
Pese a la implementación habitual de los sistemas de construcción metálica con cerchas en la industria de la construcción, su aspecto técnico y funcional es poco conocido por personas ajenas a este sector. Son piezas esenciales para cubrir grandes luces, ideales para espacios grandes, por lo cual son las favoritas de los arquitectos e ingenieros.
Generalmente las cerchas se componen de una estructura metálica de columnas y cerchas perimetrales con una versatilidad arquitectónica de impacto, porque puede cubrir hasta 20 x 16 mts sin necesidad de usar columnas entre cada pórtico, una particularidad que permite aprovechar mejor los espacios.
Las cerchas escalonadas son un sistema estructural poco empleado en los países latinoamericanos, pues están indicadas para edificios de altura considerable entre 30 ó 40 pisos en promedio, y en zonas con bajo riesgo sísmico. Por lo cual en nuestros países se construyen sistemas más convencionales.
¿Cómo funcionan las cerchas escalonadas?
Las cerchas escalonadas se apoyan directamente en las columnas, las cuales son responsables de trasladar los esfuerzos o cargas a los cimientos.
El hecho de no tener pilares o columnas intermedias en la construcción maximiza los espacios; en tanto las siguientes cerchas se colocan de forma alternada, por lo tanto cada 2 losas se apoyan en una de ellas.
Tal alternabilidad de las cerchas permite obtener espacios abiertos y más amplios, favoreciendo anchos de apoyo de losa hasta de 80 mts. Para reforzar un último piso por ejemplo, se pueden colocar pequeñas columnas apoyadas en la losa de la cercha del piso inferior, o bien optar por una cubierta o techo más ligero.
Función de las cargas laterales
Aquí se plantea la siguiente interrogante ¿qué pasa con las cargas laterales que carecen de cerchas?, en este sentido, la estructura funciona en dos direcciones, una longitudinal y otra perpendicular. Longitudinalmente con un empuje de izquierda a derecha la carga lateral (viento, sismo, etc) la resiste los pórticos.
En tanto, la carga de empuje perpendicular (vientos, sismos, etc) también de izquierda a derecha, las cerchas son las encargadas de asumir esta función. Mientras que en el centro de la estructura metálica queda libre de cerchas un espacio (pasillo) que conecta cada espacio.
De haber un empuje lateral, las columnas no reciben ningún momento, ya que son las cerchas quienes absorben los empujes a través de las diagonales y montantes de todas ellas.
Esto permite prescindir de arriostramientos adicionales en columnas o estructura en general, puesto que el sistema aporticado de vigas rígidas conectadas a las columnas asumen el trabajo de resistencia lateral.
Las losas en un sistema estructural basado en cerchas
Cuando en una construcción se plantean superficies arquitectónicas grandes para aprovechar los espacios, por lo general en el diseño de losas se busca reducir las cargas vivas. Esto se permite porque la estructura de acero es más ligera y permite delegar estas cargas a otros factores sin necesidad de dividir los espacios.
El armado de las losas se realizan en la dirección más corta, en razón de que las cerchas se disponen verticalmente, aunque también se pueden armar con subpaneles para una disposición de losas con apoyo en 4 direcciones; aunque lo común es colocar losas entre 15 y 15cm de espesor.
Las losas pueden realizarse con un sistema de vaciado en sitio o prefabricado con placas metálicas de contacto soldadas para que funcionen como diafragma, como un sólo elemento, cuerpo o viga, con el objetivo de asegurar una mejor transmisión de cargas del nivel superior al inferior (de arriba hacia abajo).
Función de las columnas en un sistema de cerchas escalonadas
Cuando en una estructura metálica se tienen cargas gravitacionales, se trabaja en función del sistemas de cerchas, cada una de ellas tiene una losa arriba y otra debajo (superior e inferior); estas losas tendrán una carga específica que será distribuida hacia la cercha.
De tal forma, que las cargas harán que todos los elementos estructurales por la acción de la estática, trabajen a tracción o compresión. Sin embargo, el trabajo diagonal de los extremos de cada cercha será mucho mayor a las diagonales del centro. Por lo que se puede omitir de estas diagonales centrales, dado que el cortante del tramo de viga será casi nulo.
Es decir, que a medida que más se acercan a las columnas el trabajo de las cerchas será mayor, para luego transferir las cargas verticales recibidas hacia las columnas. Hay que establecer igualmente, que no se presentará ningún desplazamiento o flexión de columnas gracias al efecto del formato de diafragma existente en las losas que transfieren las cargas laterales a las cerchas.
Las cerchas: aplicaciones concretas
Las cerchas escalonadas u otros formatos se usan ampliamente en gran parte de edificaciones de grandes luces o que requieren largos tramos, como en terminales aéreas, perchas de aviones, estadios techados, auditorios, entre otros. También se ocupan en el transporte de cargas pesadas y, eventualmente, como estructuras de transferencia.
Asimismo, en edificios industriales de un sólo piso, se construyen cerchas para cumplir 2 objetivos básicos a saber:
En este sentido, dentro de los principales objetivos que cumplen las cerchas en general, se pueden mencionar, los siguientes que van más allá de un aspecto puramente técnico: |
Distribuir el peso
Las cerchas escalonadas se encargan de recibir y transferir el peso por las cubiertas, incluyendo los materiales, el aislamiento u otra carga extra, como nieve o equipos, para luego llevar dicho peso a los muros de carga o soportes.
El diseño triangular de las cerchas es altamente eficaz para dispersar el peso, al tiempo de evitar el exceso de tensión en un solo punto de la estructura del techo.
Soportar la estructura
Otro de los objetivos de las cerchas es brindar una base fuerte y estable para los techos, y evitar el hundimiento y posible colapso por el peso. Al servir de apoyo y estabilidad, las cerchas son la mejor garantía para que el tejado se mantenga intacto y seguro por tiempo prolongado.
Resistir las cargas
Gracias al diseño de las cerchas, son capaces de resistir diversas fuerzas externas ejercidas sobre el techo, como vientos, nieve y cargas sísmicas. La disposición triangular de la cercha es eficaz para distribuir tales fuerzas, lo que disminuye el riesgo de que las cubiertas resulten dañadas.
Generar vanos que optimizan los espacios
Por otra parte, las cerchas tienen la capacidad de abarcar grandes distancias sin tener que colocar columnas de base o muros de carga bajo los techos o losas. Esta posibilidad de grandes luces o espacios favorece la distribución de interiores, ganando espacios más abiertos y amplios, ofreciendo mayor flexibilidad de diseño a arquitectos y propietarios.
Personalizar estilos
Por último, las cerchas escalonadas ofrecen mayor versatilidad, puesto que se pueden personalizar para adaptarse a distintos formatos o estilos de cubiertas, como pueden ser de techos de 2 ó 4 aguas, entre otros. Tal flexibilidad permite a arquitectos, ingenieros y constructores crear diseños personalizados, o adaptarlos a la visión o expectativa arquitectónica del edificio o del cliente/usuario.
Sistema estructural basado en cerchas: conoce algunos de sus tipos
Ya está claro el papel de las cerchas o cerchas de armadura en una construcción, especialmente en una edificación de grandes luces y altura, especialmente formada por una estructura metálica; son elementos de tensión y compresión indispensables en este tipo de edificios.
Las cerchas actúan bajo cargas de gravedad, donde el cordón superior e inferior de cada cercha provee la necesaria resistencia a la compresión y tensión a la flexión, mientras que el arriostramiento soporta las fuerzas de corte. Las cerchas son elementos estructurales muy versátiles, lo que permite diseñar y crear gran variedad de formas.
Cada cercha puede variar en su geometría general y sus elementos individuales; por ello a continuación y a los fines de ilustrar algunos conceptos claves para estructuras sólidas. Porque existen varios tipos y su elección dependerá del diseño y necesidades arquitectónicas y de la ingeniería o de particulares.
Las cerchas como elementos clave para estructuras sólidas: Tabla resumen
Veamos algunos de los tipos de cerchas más comunes propuestos por 3G aceros, un distribuidor de acero estructural que lidera el mercado mexicano, a cuyos fines a continuación dejamos una tabla con algunos de datos claves sobre los tipos para que elijas con mayor seguridad y confianza la cercha perfecta para tu proyecto estructural:
Explorando los tipos de cerchas | |
|---|---|
| Cercha escalonada. | Se llama así debido a su origen en inglés: Staggered Truss system, que quiere decir sistema de vigas escalonadas, de allí su nombre. Sin embargo es una cercha triangular de uso frecuente por su capacidad para cubrir grandes espacios y alturas, se compone de 2 pares y 1 tirante que ofrece gran estabilidad y resistencia. |
| Cercha King/Post. | Este formato de cercha tiene un poste vertical central con puntales inclinados y extendidos a cada lado hasta el vértice. Es un diseño simple y clásico de la arquitectura antigua, usualmente se pueden observar en cubiertas pequeñas y edificios históricos. |
| Cercha de postes reina. | Es una cercha similar a la cercha de poste rey, formado por 2 postes verticales a cada extremo del vertical central, la diferencia es el soporte y estabilidad añadida. Un diseño que ofrece luces o vanos más grandes que la cercha de poste real. |
| Cercha Fink. | Se trata de una celosía con un diseño popular por su eficacia; se construye formando una W con piezas diagonales/verticales. Es ligera, sencilla de elaborar y altamente indicada para diversas luces de cubierta. |
| Cercha de techo y talón elevado. | Tiene un diseño con un talón elevado aproximado a los cordones superiores, lo que permite generar espacios adicionales que incrementa el aislamiento, como los áticos por ejemplo, lo que además optimiza la eficiencia energética. |
| Cercha de tijera. | Este diseño consta de 2 cordones inclinados cruzados creando una X única. Ideal para dar más altura a los techos de las estancias, y generar un mayor atractivo visual al interior además de espacioso. |
| Cercha de 4 aguas. | Se implementan en cubiertas o techos a 4 aguas, de allí el nombre; un diseño donde todos sus lados descienden hacia las paredes. Proveen un soporte estable a toda la estructura de la cubierta al tiempo de favorecer el drenaje de la lluvia. |
| Cercha abuhardillada. | Se le conoce también como cerchas de habitación, ofrece una estructura que permite crear espacios habitables o utilizables dentro de la propia cercha, ideales para transformar y ampliar las buhardillas como ambientes habitables. |
| Cercha mono truss. | Esta se forma por un sólo cordón extendido hacia toda la cubierta, indicadas para cubiertas o techos asimétricos o diseños especiales. |
| Cercha Gambrel. | Esta tiene un diseño único similar al formato del techo de un granero. De hecho, su uso se destina a este tipo de establecimientos, así como en almacenes y ciertas estructuras residenciales. |
| Cerchas a 2 aguas. | Tienen un diseño triangular simple, recomendable para formar cubiertas a 2 aguas. Posee 2 elementos inclinados y unidos en la cúspide y una viga de unión horizontal en la parte inferior. |
| Cercha Pratt. | Esta estructura se usa por lo general en edificios de gran altura (entre 20 a 100mts). Están indicadas donde predominan cargas de gravedad y de levantamiento, como es el caso concreto de edificios abiertos como las perchas de aviones. |
| Cercha Warren. | Las piezas diagonales se colocan opcionalmente en tensión/compresión. Posee miembros de la red de compresión/tensión de la misma longitud. Se recomiendan en edificaciones grandes (entre 20 a 100mts; y se usa también para la cercha horizontal de vigas de pórtico/grúa. |
| Cercha de luz del norte. | Su uso es para tramos cortos en entornos industriales, como talleres. Optimiza la iluminación natural a través del acristalamiento en la pendiente empinada que por lo general se dispone al norte/noreste a fin de optimizar la luz solar; también ofrece amplios espacios libres de columnas. |
| Cercha diente de sierra. | Es una variación de la anterior y se utiliza en edificaciones con varias bahías o entradas. Usualmente se incluye una cercha de la cara vertical a lo largo de la perpendicular del plano de dicha cercha. |
Ventajas sólidas de estas estructuras metálicas
Las cerchas escalonadas o cualquiera de sus tipos ofrecen abundantes ventajas; pero la más atractiva es su facilidad para instalarlas en todo tipo de cubiertas, ya que también son muy adaptables. Al ser prefabricadas y listas para instalar, se evita el trabajo en obra. Estas no son los únicos beneficios, a continuación dejamos algunas de las más relevantes:
Para cumplir con esta eficiente función, los miembros o elementos que conforman la armadura de la cercha se conectan por medio de uniones tipo pasador, lo que se traduce en una inexistencia de fuerzas internas de corte y momento. |
Conclusiones
Las cerchas como elementos estructurales, no son nuevos, se han implementado y evolucionado a lo largo de la historia de la humanidad desde hace aproximadamente 2000 años; en sus inicios y durante muchos años sólo eran de madera, hasta la era industrial cuando surgieron otros materiales alternos, más resistentes y duraderos como el acero.
Desde épocas remotas, su uso se destina básicamente como sistemas estructurales para techos de edificios de grandes luces, así como en puentes, torres, grúas, pasarelas y otras.
Su popularidad se debe a que las cerchas ofrecen una alta capacidad de carga y secciones transversales que las hacen más eficientes.
La impresionante capacidad de las cerchas para soportar esfuerzos, además del acero de alta capacidad portante, es gracias a sus conexiones basadas en pasadores que se encargan de transferir las fuerzas axialmente que conlleva a escasos momentos flectores y fuerzas cortantes en los miembros.
Sistemas altamente eficientes
Cada elemento o miembro de la cercha es más eficiente para conducir cargas axiales, debido a que las tensiones se distribuyen de manera uniforme, en vez de cargas transversales concentradas.
Este maridaje permite que los sistemas de truss o cerchas escalonadas sean más eficientes que las opciones de un solo miembro, como el concreto pretensado por ejemplo.
En definitiva se puede concluir afirmando, que las cerchas escalonadas u en otros formatos referidos en este post, que se hayan convertido en las grandes aliadas de los arquitectos, ingenieros y constructores en general para diseñar y crear proyectos constructivos con grandes y abiertos espacios.
También se evidenció en nuestro tema sobre el análisis esencial para ingenieros en un sistema estructural de cerchas escalonadas, que el uso de las cerchas requieren menos costo en materiales y mano de obra; lo que permite construir de forma económica. En conclusión, las cerchas actualmente son una opción invaluable y eficaz para diseñar y construir más con menos.
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