Una cercha es un elemento estructural fundamental, constituido por barras de materiales como madera o acero, que se interconectan a través de articulaciones flexibles, dando lugar a formaciones triangulares que establecen un entramado resistente. Estas formaciones tienen un propósito crucial en la ingeniería civil, ya que se encargan de distribuir las cargas y proporcionar soporte en una variedad de contextos, incluyendo techados, puentes y otras estructuras.
Las conexiones que unen estas barras se crean mediante soldadura o fijación con tornillos en puntos comunes conocidos como “nodos” o “placas de refuerzo”. En estos nodos, las fuerzas externas se aplican y las cerchas tienen la capacidad de redistribuir la tensión a lo largo de las barras mediante fuerzas axiales que actúan en la dirección del eje longitudinal. Esto significa que las barras dentro de la cercha pueden soportar tanto fuerzas de tracción como de compresión, mientras que las fuerzas de flexión se consideran insignificantes.
La resistencia de las cerchas o armaduras radica en su configuración triangular y en la distribución de las cargas de manera axial en todo el sistema. Además, su característica de ser estructuras livianas añade a su atractivo. Estas estructuras se pueden encontrar en proyectos de longitudes gigantescas, como terminales de aeropuertos, hangares para aeronaves, puentes, techos de estadios deportivos, auditorios y otras edificaciones destinadas al entretenimiento. Su capacidad para soportar cargas considerables y su eficiencia las convierten en elementos esenciales en la ingeniería civil.
Tipos de Cerchas
Existen varios tipos de cerchas ampliamente reconocidas y utilizadas en la ingeniería civil. Entre estas destacan las cerchas Pratt, Howe, Warren, Parker, Baltimore y K. Cada una de ellas presenta características particulares que las hacen adecuadas para diversas aplicaciones en la construcción y el diseño de estructuras:
- Cerchas Pratt: se caracterizan por tener barras diagonales inclinadas hacia los extremos y barras verticales rectas, lo que las convierte en una elección óptima para la construcción de puentes y techos.
- Cerchas Howe: están conformadas por elementos verticales y diagonales que se inclinan hacia el centro. Estas cerchas son especialmente adecuadas para soportar cargas pesadas y se utilizan en la cubierta de edificios.
- Cerchas Warren: están compuestas por barras longitudinales que se conectan solo a través de barras transversales en ángulo, formando triángulos equiláteros a lo largo de toda su longitud. Estas armaduras son ideales para luces de longitud media en la construcción de puentes y techos. Existe una variante de las cerchas de Warren que incorpora barras verticales en los triángulos para estabilizar los miembros horizontales contra el pandeo, especialmente cuando las barras horizontales superiores serían demasiado largas y propensas al pandeo.
- Cerchas Parker: son una variante de las cerchas Pratt, con la particularidad de contar con una barra superior con forma poligonal.
- Cerchas Baltimore: son consideradas una subclase de las cerchas Pratt y cuentan con refuerzos adicionales en la sección inferior de la celosía para evitar el pandeo en las barras a compresión y controlar la deformación. Se utilizan principalmente en la construcción de puentes ferroviarios, siendo reconocidas por su diseño simple pero altamente robusto.
- Cerchas K: obtienen su nombre debido a que su estructura forma la letra “K” gracias a la orientación de los montantes verticales y las dos diagonales oblicuas en cada panel. Estas son una derivación de las armaduras Parker, que a su vez se originaron a partir de las Pratt. La idea principal detrás de las cerchas K es dividir los montantes verticales en segmentos más pequeños para reducir el riesgo de pandeo, especialmente en los montantes que trabajan a compresión. A pesar de su efectividad, estas no ganaron una gran popularidad debido a su mayor complejidad en comparación con otros diseños.
Sin embargo, se pueden encontrar una amplia variedad de variaciones en el diseño de las cerchas, algunas de las cuales pueden demostrar una mayor eficiencia que otras. A pesar de estas diferencias, todas estas variantes comparten el principio mecánico fundamental en cuanto a su funcionamiento.
Ventajas de las Cerchas:
- Alta resistencia y estabilidad: Las cerchas están diseñadas para distribuir eficazmente las cargas a lo largo de sus miembros. Su estructura triangular proporciona una resistencia inherente a la compresión y a la tensión, lo que las hace excepcionalmente resistentes y estables. Esto las convierte en una opción ideal para soportar cargas pesadas en una variedad de aplicaciones.
- Peso ligero: A pesar de su alta resistencia, las cerchas son sorprendentemente livianas en comparación con otras estructuras, como las vigas macizas. Esta característica las hace ideales para proyectos donde se busca minimizar el peso muerto de la estructura, como puentes y techos de edificios.
- Flexibilidad en el diseño: Las cerchas son altamente adaptables y se pueden diseñar para cumplir con una amplia gama de requisitos estructurales y estéticos. Los ingenieros pueden modificar la geometría de las mismas para satisfacer las necesidades específicas de un proyecto, lo que les permite ser utilizadas en una variedad de aplicaciones.
- Eficiencia en la distribución de cargas: Las cerchas distribuyen las cargas de manera uniforme a lo largo de sus miembros, lo que minimiza la concentración de fuerzas en puntos individuales. Esta característica es especialmente útil en aplicaciones donde se requiere una distribución equitativa de las cargas, como en la construcción de puentes colgantes o techos de gran envergadura.
- Facilidad de montaje: Las cerchas suelen ser prefabricadas en la fábrica y luego ensambladas en el lugar de la construcción. Esto simplifica el proceso de montaje y reduce el tiempo de construcción en comparación con otras estructuras más complejas. La prefabricación también permite un mayor control de calidad.
- Estética atractiva: Las cerchas tienen una apariencia distintiva y a menudo se consideran estéticamente atractivas. Su geometría triangular puede agregar un toque visual interesante a una estructura, y muchas veces se dejan expuestas en el diseño arquitectónico para crear un aspecto único.
- Sostenibilidad: Debido a su peso ligero y eficiencia en la distribución de cargas, estas pueden reducir la cantidad de materiales necesarios para un proyecto de construcción. Esto puede conducir a un menor consumo de recursos naturales y a una menor huella de carbono, lo que las convierte en una opción más sostenible en comparación con algunas estructuras más pesadas.
Partes de las Cerchas
- Cordón superior: Conjunto de elementos inclinados que configuran la parte superior de la estructura, conformando las pendientes del techo o armadura.
- Cuerda inferior: Su función principal es la de soportar y transferir las cargas desde los puntos de apoyo, y conecta el extremo inferior de las cuerdas superiores para evitar su separación.
- Pendolón: Componente vertical que establece la unión entre el par y el tirante, desempeñando un papel crucial en la prevención del pandeo.
- Diagonales: Elementos inclinados dispuestos estratégicamente para conectar la cuerda superior con el tirante, fortaleciendo la estructura.
- Nudos: Puntos críticos de la estructura, generalmente hechos de placas de acero, donde se efectúa la unión de todos los componentes previamente mencionados.
Distribución de Cargas
Para el cálculo de las solicitaciones de una cercha, suponemos que las cargas uniformemente distribuidas se dividen de forma idealizada en los nodos superiores en partes iguales. Cada sistema de cercha distribuye las cargas de forma diferente y es trabajo del ingeniero determinar la mejor opción para el proyecto.
Conclusión
Estas estructuras desempeñan un papel esencial en el campo de la ingeniería estructural, ya que aportan un valor significativo en una amplia gama de proyectos de construcción. Su presencia es particularmente notoria en el diseño y la construcción de puentes, donde su capacidad para distribuir cargas de manera eficiente y proporcionar resistencia es fundamental para garantizar la seguridad y la durabilidad de estas infraestructuras críticas.
Sin embargo, su influencia no se limita a los puentes, ya que las cerchas también se han convertido en una opción valiosa en la construcción de edificios y estructuras verticales. Su habilidad para unificar y estabilizar una estructura, al resistir tanto fuerzas de tensión como de compresión, ha permitido que arquitectos e ingenieros desarrollen diseños creativos y funcionales que van más allá de la mera estética.
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