Cercha

Cercha
La cercha es uno de los principales tipos de estructuras empleadas en
ingeniería. Proporciona una solución práctica y económica a muchas situaciones
de ingeniería, especialmente en el diseño de puentes y edificios. Una armadura
consta de barras rectas unidas mediante juntas o nodos. Los elementos de una
cercha se unen sólo en los extremos por medio de pasadores sin fricción para
formar armazón rígida; por lo tanto ningún elemento continúa más allá de un
nodo. Cada cercha se diseña para que soporte las cargas que actúan en su plano y,
en consecuencia, pueden considerarse como una estructura bidimensional.
Todas las cargas deben aplicarse en las uniones y no en los mismos elementos.
Por ello cada cercha es un elemento sometido a fuerzas axiales directas (tracción o
compresión).
Configuración
Una armadura simple se obtiene de adicionar barras a la armadura básica
triangular. Debe observarse que una armadura simple no está necesariamente
formada por triángulos. En una armadura simple el número total de barras es
b=2n-3, donde n en el número total de nodos.
En un sistema estructural conformado por cerchas, se dispone de un sistema
de arriostramiento lateral a fin de contrarrestar el desplazamiento longitudinal de
la edificación debido a las fuerzas transversales.
Una cercha esta formada por los siguientes elementos:
1. Los miembros de arriba cordón superior.
2. Los miembros de abajo cordón inferior.
3. Diagonales.
4. Verticales Montantes o pendolones dependiendo del tipo de esfuerzo.
Tipos de cercha
De acuerdo con la forma de crear la configuración de una cercha, se
clasifican en simples, compuestas y complejas.
Cercha simple:
Una cercha rígida plana puede formarse simple partiendo de tres barras
unidas por nodos en sus extremos formando una triángulo y luego extendiendo dos
nuevas barras por cada nuevo nodo o unión.
Cercha compuesta:
Si dos o más cerchas simples se unen para formar un cuerpo rígido, la
cercha así formada se denomina cercha compuesta. Una cercha simple pude unirse
rígidamente a otra en ciertos nodos por medio de tres vínculos no paralelos ni
concurrentes o por medio de un tipo equivalente de unión.
Diseño de Cerchas
Diseño por Tracción
Ciertos miembros de la cercha esta sometidos a fuerzas axiales de tracción
(por lo general el cordón inferior) y la sección transversal puede tener varias
formas, ya que para cualquier material, el único factor que determina la
resistencia es el área transversal. El diseño por tracción es la manera más
eficiente de usar el acero estructural mediante barras.
El diseño consiste en seleccionar un elemento con área transversal suficiente
para que la carga factorizada P no exceda la resistencia de diseño φ F A .
u
t y req
Diseño por Compresión
Si la carga axial P es aplicada lentamente, el miembro se acorta o se
comprime en la dirección de la carga y al alcanzar un valor dado cesa la
deformación por acortamiento, ocurre entonces una deformación lateral y el
miembro se vuelve inestable limitando así la capacidad por carga axial. Esta
condición indica que el miembro se ha pandeado y la carga correspondiente a esta
situación se llama carga crítica de pandeo. Si el miembro es robusto, se requerirá
una carga mayor para que el miembro se vuelva inestable.
Para miembros sumamente robustos, la falla puede ocurrir por Cedencia
compresiva en vez de por pandeo. La carga bajo la cual ocurre el pandeo es una
función de la esbeltez y para miembros muy esbeltos, esta carga puede ser muy
pequeña. Por ello, la resistencia al pandeo de una columna disminuye con una
longitud creciente.
Galpones
Construcción destinada al depósito de mercaderías o maquinarias.
Generalmente son construcciones grandes y rurales con una sola puerta. Son de
diseño sencillo, prefiriéndose que no tenga apoyos intermedios para facilitar la
circulación.
Dimensiones:
Las dimensiones del galpón surgen como respuesta a las necesidades de
espacio/volumen de la nave; ésta quedará completamente definida en función de las
siguientes magnitudes:
a) Ancho o Luz (L): Amplitud necesaria, capaz de cubrir el ancho máximo
presupuestado en el diseño.
b) Altura útil (H): También llamada altura de columna, equivale a la altura
disponible para la instalación de equipos, accesorios al galpón o la altura necesaria
para el paso de vehículos, si fuera necesario.
c) Pendiente (a): Angulo de la vertiente con respecto a la horizontal que pasa por los
extremos de las columnas. Deberá representar la inclinación necesaria que impida el
efecto pleno del viento sobre las vertientes, evacue convenientemente las aguas
lluvias y deslice la nieve acumulada en el techo.
d) Longitud (Z): Extensión, capaz de cubrir la longitud máxima presupuestada en el
diseño.
e) Separación entre Marcos (S): La experiencia en el cálculo de galpones de acero,
recomienda una separación entre marcos que varíe entre cuatro y seis metros.
Clases de esfuerzos:
En el diseño del método se distinguen dos clases de esfuerzos, en función de las
características y naturaleza de la nave:
Acciones Directas:
Se definen como aquellas solicitaciones sobre las cuales un usuario podrá tener
control absoluto de ellas, cuantificando su magnitud o ignorando completamente su
efecto en función de las condiciones geográficas, forma, posición o instalación. Entre
este tipo de cargas es posible de distinguir:
• Acción del viento. • Nieve sobre la estructura. • Variación de la Temperatura. •
Acción del viento
Acciones Indirectas:
Se definen como aquellas solicitaciones sobre las cuales el usuario no tiene un control
de ellas, sino responden a magnitudes debidamente acotadas según las normas
estructurales de diseño, y no a condiciones del entorno de la instalación. Entre este
tipo de cargas, es posible distinguir:
• Peso Propio • Cargas sísmicas • Sobrecargas de cálculo
Edificios industriales
Lo que se conoce con el nombre de Naves Industriales es el lugar conformado
por una estructura metálica donde se instala generalmente algún tipo de fábrica. Se le
otorga este nombre por que el techo del galpón tiene forma de “v”, como una nave.
También se los denomina como edificios industriales.
Las estructuras industriales de un solo nivel tienen como elemento primarios
resistente a las cargas: marcos de un solo claro paralelo marcos de claros múltiples
de un solo nivel, marcos con cabezal a dos aguas o armaduras. La parte de la
estructura consiste en una armadura de pecho y sus columnas de apoyos se designan
como marco. La distancia entre dos marcos sucesivos de un edificio industrial se
llama claro o crujía. Por lo tanto, la longitud del edificio se divide en claro o crujías.
El espacio entre dos filas de columnas se llama vano o claro. Un edificio industrial
puede ser de un solo vano o vanos múltiples. Las dos cuerdas de la armadura del
techo pueden conectarse a las columnas del marco, lo que les proporciona rigidez
lateral. Las armaduras que soportan techos ligeros, por lo regular van espaciadas a
cada 20 o 40 pies.
La superficie externa de los edificios industriales normalmente no soporta
cargas. Las ligeras láminas de metal, acanaladas para proporcionarles la resistencia a
la flexión o revestidas en el interior con material aislante, son muy utilizadas como
recubrimiento.
Los muros de edificios industriales pueden construirse con mampostería,
laminas de metal u otros materiales de superficie. A veces se usan paneles de
concreto pre-colado, lo suficientemente largos para que puedan cubrir un vano
completo. En la actualidad, en Estados Unidos se están utilizando ampliamente
paneles en Sándwich de tres capas con cara de metal formado en frío de calibre
ligero y núcleo de espuma, en edificios comerciales e industriales como envolventes
del mismo. El importante incremento de su uso se debe a su eficiencia estructural,
capacidad de aislamiento térmico y de sonido, capacidad de producción en masa,
transportabilidad, durabilidad y posibilidad de reuso. Los paneles de muro, por lo
regular son de dos pulgadas de espesor, pero tienen altos valores de aislamiento y
propiedades térmicas que exceden la de los métodos tradicionales de construcción
que pueden requerir el doble o incluso hasta 4 veces mas de espesor. Están
disponibles en ancho de 24, 30 y 36 pulg.
Estos edificios generalmente se conforman de dos partes: el área de oficinas y
el área de producción. Siendo en su mayoría de veces el área de oficinas una
construcción de concreto armado y el área de producción de acero estructural, lámina,
madera y mampostería.
Ventajas:
1.
Las cargas que soportan pueden ser altas.
2.
Son amplios en su interior y esto los hace que se adapten perfectamente a
procesos industriales pesados.
3.
Son de montaje fácil y rápido ya que sus elementos estructurales principales
son prefabricados.
4.
Los costos de demolición son bajos permitiendo que los cambios en la
instalación resulten económicos.
5.
Por ser del tipo prefabricado sus elementos principales (vigas, techo y
tabiques) pueden ser vendidos en un momento determinado.
Desventajas:
1.
Aunque el acero es un material incombustible cuando se le somete al fuego
directo y continuo, disminuye su resistencia y se deforman los elementos con
probables defectos destructivos. Este riesgo es posible disminuirlo mediante la
instalación de rociadores suspendidos, los cuales se accionan a una temperatura
predeterminada.
2.
Son estructuras susceptibles a la vibración, lo cual trae como consecuencia
una instalación ruidosa.
3.
Su costo de mantenimiento es alto.
Tanto para Galpones como para Edificios Industriales se debe tener en cuenta
lo siguiente:
Carga Permanente: acción cuya variación en el tiempo es despreciable en
relación a sus valores medios o aquella para la cual la variación tiende a un
valor constante.
Sobrecarga de uso: acción variable en el tiempo que se determina
por la función y uso del edificio. Presenta variaciones frecuentes o continuas, no
despreciables en relación a su valor medio.
Sobrecarga de uso:
a) Los techos deben diseñarse considerando una sobrecarga mínima uniformemente
distribuida sobre la proyección horizontal de qk = 100 kgf/m2.
b) Los envigados de cielo con acceso sólo para mantención y las costaneras de techo
deben diseñarse para resistir una carga de 100 kgf en la posición más desfavorable.
c) Se debe realizar un cálculo para una carga concentrada impuesta al
elemento en la posición más desfavorable. A falta de datos adicionales dicha carga
actúa sobre una superficie cuadrada de 0.1 m de lado y tiene un valor igual al de la
sobrecarga de uso uniformemente repartida por m2. Esta carga no debe considerarse
actuando simultáneamente con otras sobrecargas de uso para techos.
Pasarelas de acero
Las pasarelas peatonales son estructuras que se proyectan para proteger tanto a
los peatones como a los conductores. Por lo general están conformadas por dos
semiestructuras: dos escaleras o rampas de acceso a ambos lados de la vía y un
puente peatonal; adicionalmente se incluyen los cerramientos los cuales cumplen
también una función de protección contra los factores climáticos, caídas o
lanzamientos de objetos a la vía.
Podemos considerar diversos materiales para la construcción de pasarelas; pero
por la rapidez en la fabricación y el montaje, sin duda alguna, el acero constituye uno
de los más utilizados logrando demostrar que en sus diversas manifestaciones los
productos de acero contribuyen a resolver problemas cotidianos de seguridad y
confort.
Para las rampas o escaleras son muy útiles los perfiles SIDETUR IPN, UPL
los cuales trabajan como vigas de soporte; asimismo, los perfiles L y las pletinas se
emplean en la elaboración de los escalones. Tanto en las estructuras de las escaleras
y rampas, como en la del puente mismo, los perfiles SIDETUR se utilizan también
como arriostramientos, ya sean diagonales o laterales entre las vigas principales. Es
frecuente ver IPN140 o combinaciones de pares de UPL como las columnas que
soportan las rampas y escaleras.
Las pasarelas de grandes luces requieren de vigas muy altas, que pueden
sustituirse con una estructura en celosía, que a menudo resulta una solución
arquitectónica agradable y funcional.
Celosía: Tipos de estructura formadas por un conjunto de elementos dispuestos en
triangulación múltiple.
Los sistemas estructurales más comunes consiste en una viga en cajón formada
por celosías tipo Warren, con una modulación de unos 9 metros. Cada cordón está
constituido por una sección compuesta por tres piezas: dos laterales de 30 x 40 cm
y una central, que se interrumpe en los nudos, con una sección aproximada de 40
x 35 cm. Aunque sus dimensiones dependerán de la población.
Puentes
Un puente es una construcción, por lo general artificial, que permite salvar un
accidente geográfico o cualquier otro obstáculo físico como un río, un cañón, un
valle, un camino, una vía férrea, un cuerpo de agua, o cualquier obstrucción. El
diseño de cada puente varía dependiendo de su función y la naturaleza del terreno
sobre el que el puente es construido.
Su proyecto y su cálculo pertenecen a la ingeniería estructural, siendo
numerosos los tipos de diseños que se han aplicado a lo largo de la historia, influidos
por los materiales disponibles, las técnicas desarrolladas y las consideraciones
económicas, entre otros factores.
Existen cinco tipos principales de puentes: puentes viga, en ménsula, en arco,
colgantes, atirantados. El resto son derivados de estos.
Puentes viga: Es un puente cuyos vanos son soportados por vigas. Este tipo de
puentes deriva directamente del puente tronco. Se construyen con madera, acero u
hormigón (armado, pretensado o postensado).
Se emplean vigas en forma de I, en forma de caja hueca, etcétera. Como su antecesor,
este puente es estructuralmente el más simple de todos los puentes.
Se emplean en vanos cortos e intermedios (con hormigón pretensado). Un uso muy
típico es en las pasarelas peatonales sobre autovías.
Puente en ménsula: Es un puente en el cual una o más vigas principales trabajan
como ménsula o voladizo. Normalmente, las grandes estructuras se construyen por la
técnica de volados sucesivos, mediante ménsulas consecutivas que se proyectan en el
espacio a partir de la ménsula previa. Los pequeños puentes peatonales pueden
construirse con vigas simples, pero los puentes de mayor importancia se construyen
con grandes estructuras reticuladas de acero o vigas tipo cajón de hormigón
postensado, o mediante estructuras colgadas.
Puente de arco: Es un puente con apoyos a los extremos de la luz, entre los cuales se
hace una estructura con forma de arco con la que se transmiten las cargas. El tablero
puede estar apoyado o colgado de esta estructura principal, dando origen a distintos
tipos de puentes.
Los puentes en arco trabajan transfiriendo el peso propio del puente y las
sobrecargas de uso hacia los apoyos mediante la compresión del arco, donde se
transforma en un empuje horizontal y una carga vertical. Normalmente la esbeltez del
arco (relación entre la flecha máxima y la luz) es alta, haciendo que los esfuerzos
horizontales sean mucho mayores que los verticales. Por este motivo son adecuados
en sitios capaces de proporcionar una buena resistencia al empuje horizontal.
Puente colgante: Es un puente sostenido por un arco invertido formado por
numerosos cables de acero, del que se suspende el tablero del puente mediante
tirantes verticales. Desde la antigüedad este tipo de puentes han sido utilizados por la
humanidad para salvar obstáculos. A través de los siglos, con la introducción y
mejora de distintos materiales de construcción, este tipo de puentes son capaces en la
actualidad de soportar el tráfico rodado e incluso líneas de ferrocarril ligeras
Puente atirantado: En términos de ingeniería civil, se denomina puente atirantado a
aquel cuyo tablero está suspendido de uno o varios pilones centrales mediante
obenques. Se distingue de los puentes colgantes porque en éstos los cables principales
se disponen de pila a pila, sosteniendo el tablero mediante cables secundarios
verticales, y porque los puentes colgantes trabajan principalmente a tracción, y los
atirantados tienen partes que trabajan a tracción y otras a compresión. También hay
variantes de estos puentes en que los tirantes van desde el tablero al pilar situado a un
lado, y de ahí al suelo, o bien están unidos a un único pilar.
Sistema estructural
Predominante pueden ser:
o
isostáticos
o
hiperestáticos
Aunque esto nunca será cierto al menos que se quisiera lograr con mucho
empeño, todos los elementos de un puente no podrán ser isostáticos, ya que por
ejemplo un tablero apoyado de un puente está formado por un conjunto altamente
hiperestático de losa de calzada, vigas y diafragmas transversales (separadores),
cuyo análisis estático es complicado de realizar.
Este tipo de clasificación es cierta si se hacen algún tipo de consideraciones,
como por ejemplo:
- se denomina "puente isostático" a aquel cuyos tableros son estáticamente
independientes uno de otro y, a su vez, independientes, desde el punto de vista de
flexión, de los apoyos que los sostienen.
- se denomina "puente hiperestático" aquel cuyos tableros son dependientes uno de
otro desde el punto de vista estático, pudiendo establecerse o no una dependencia
entre los tableros y sus apoyos.
También según el sistema estructural los puentes se pueden clasificar como:
•
puentes en arco o arqueados (el elemento estructural predominante es
el arco, utilizando como material de construcción el acero y que pueden ser
estáticos o hiperestáticos). Pueden ser de:
o
tablero superior
o
acero con tímpano de celosía
o
arcadas y de hormigón
o
con tímpano abierto o macizo
o
tablero inferior, discurriendo la calzada entre los arcos,
paralelos o no, con diversos tipos de sujeción.
•
puentes colgantes. Constan de un tablero suspendido en el aire por dos
grandes cables, que forman sendas catenarias, apoyadas en unas torres
construidas sobre las pilas. El tablero puede estar unido al cable por medio
de péndolas o de una viga de celosía. Existen diversos puentes colgantes con
luces superiores a 100.
•
puentes de vigas Gerber (tienen tableros isostáticos apoyados sobre
voladizos de tramos isostáticos o hiperestáticos).
Ventajas y desventajas de los puentes y pasarelas metálicos:
Ventajas:
CONSTRUCTIVAS:
• Óptima para encañonados, altas pendientes, donde no permita instalar apoyos
temporales.
• Posibilidad de prefabricar los miembros de una estructura.
• Facilidad para unir diversos miembros por medio de varios tipos de
conectores como son la soldadura, los tornillos y los remaches.
• Rapidez de montaje
• Gran capacidad de laminarse y en gran cantidad de tamaños y formas.
• Resistencia a la fatiga.
AMBIENTALES:
•
•
•
•
No contamina el medio ambiente
No requiere la utilización de los recursos naturales
Se minimizan los residuos que afectan el entorno ecológico.
El acero es 100% reciclable.
ECONÓMICAS:
•
Disminución de cargas muertas entre 40% a 50% reduciendo los costos en
cimentación.
•
Beneficio económico para la región por el plazo reducido de la obra.
•
Menores costos para ampliación de capacidad.
Desventajas:
• COSTOS DE MANTENIMIENTO
La mayor parte de estructuras metálicas son susceptibles a la
corrosión al estar expuestos a agua, aire, agentes externos, cambios
climáticos por lo que requieren de pintado periódico.
• CORROSIÓN
La exposición al medio ambiente sufre la acción de agentes corrosivos
por lo que deben recubrirse siempre con esmaltes primarios
anticorrosivos.
• COSTO DE PROTECCION CONTRA FUEGO
Debido a este aspecto su resistencia se reduce considerablemente
durante incendios.
• FRACTURA FRÁGIL
Puede perder ductilidad bajo ciertas condiciones provocando la falla
frágil en lugares de concentración de esfuerzos. Las cargas producen
fatiga y las bajas temperaturas contribuyen a agravar la situación.
Susceptibilidad al pandeo por ser elementos esbeltos y delgados.
Sistema de pisos de acero
Los pisos son estructuras que permiten multiplicar la superficie útil, para
disponer de más zona de almacenaje, de trabajo, o incluso de oficinas.
Soluciona los problemas de espacio, es adaptable a las necesidades concretas
de cada bodega, gracias al piso de acero, variedad de medidas y resistencia al trabajo.
Los elementos básicos de un entrepiso son las columnas, las vigas, los
atirantados, la barandilla, el piso y la escalera.
Los sistemas de pisos y techos de acero; la lamina de acero puede colocarse
tan pronto como se hayan erigidos las vigas. Cuando la lamina de acero se ha
diseñado he instalado de manera adecuada, también actúa como plataforma de
trabajo o de almacenamiento segura para diferentes oficios.
Las láminas de acero livianas, son fuerte y pueden cubrir claros de hasta 20
pie o más. Las celdas de las lamina pueden utilizarse conveniente para alojar
conductos, tubos y alumbrados, como el acero probable para esta función es
galvanizado y se queda expuesto por abajo puede dejarse tal como viene de fabrica o
pintarse, según se desee.
Ventajas
•
•
•
Circulación de uso rudo
Instalación rápida y sencilla
100% desarmable
Losacero
Losacero 15” es una lámina corrugada de acero galvanizado estructural, que
funciona como un encofrado colaborante, creada para conjugar las propiedades
del concreto y la resistencia del acero, con un perfil que posee nervios de alta
resistencia diseñados para lograr una total adherencia (acero/concreto) y un
consumo económico de concreto. Es producida a partir de acero laminado en frío,
previamente galvanizado mediante un proceso continuo de inmersión en caliente.
Las láminas corrugadas LOSACERO actúan como un encofrado estructural
de acero cumpliendo un doble propósito:
1. Sustituye al encofrado tradicional de madera. Durante la etapa de la
construcción, ella forma una plataforma de trabajo estable y segura, eliminando el
engorroso apuntalamiento, ocupando poco espacio en obra e instalándose de
manera muy rápida, conservando la superficie de trabajo ordenada y permitiendo
el avance de la obra.
2. Actúa como el acero de refuerzo positivo. Una vez fraguado el concreto, la
lámina actúa conjuntamente con el concreto para resistir sobrecargas, debido a
que las muescas que presenta, garantizan la adherencia entre ambos materiales.
Como resultado tenemos un sistema de construcción de placas para
estructuras metálicas económico y muy eficiente.
A partir de la introducción en Venezuela de encofrados metálicos y de gran
variedad de perfiles de acero, la industria de la construcción presenció el auge de
las estructuras metálicas, que se aprovechaban las características del acero para
lograr diseños modernos, y construcciones livianas y eficientes.
ESPECIFICACIONES TECNICAS:
Losacero está formado por láminas de acero estructural, de acuerdo a la
norma ASTM A-611 ó A-466 con un espesor nominal mínimo de 0.70mm
(calibre #22), y galvanizadas según la norma ASTM-525. Adicionalmente
se le han troquelado unas muescas en alto y bajorrelieve que le confieren
adherencia mecánica entre el acero y el concreto.
CUADRO COMPARATIVO DE ELEMENTOS:
ITEM
2
ELEMENTO / SISTEMA
ALTO
(mm)
LARGO
(M)
ANCHO
(M)
AREA
PESO x M2
UTIL (M)
LOSACERO (CALIBRE No. 22 - 0,07 mm)
38
4,10
0,76
3,12
LOSACERO (CALIBRE No. 20 - 0,09 mm)
38
4,10
0,76
3,12
7,45
PESO
TOTAL (kg)
23,28
0,00
LOSACERO (CALIBRE No. 22), CONCRETO
120
4,10
0,76
3,12
220,00
687,32
Usos:
Puede ser utilizada en la construcción o ampliación de edificaciones siguientes:
•Centros Comerciales
•Oficinas
•
Galpones industriales
•Estacionamientos
•Viviendas
Ventajas:
•El galvanizado de la lámina 183 gr/m2 (G-60), le garantiza una larga
vida útil en cualquier condición ambiental.
•Elimina el uso de puntales, reduciendo costos de instalación.
•Logra placas más livianas (10 a 12 cm de altura), reduciendo peso en vigas
y columnas.
•No es necesario colocar cabillas de refuerzo, ya que el diseño de la lámina
y el concreto se integran en la placa, permitiendo al acero aportar sus
cualidades estructurales.
•Se instala de forma rápida y limpia.
Desventajas:
•
Cuando se combina con el vaciado de la losa de concreto, su peso x
metro cuadrado es alto, pudiendo llegar hasta 300 kg /m2.
•
Su acabado inferior no es acorde para viviendas. Requiere plafón.
REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFESA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DE LA FUERZA ARMADA
(UNEFA)
NUCLEO PORTUGUESA EXTENCION TURÉN
Estudiantes
Yeiro Hincapie
Froiver Mendoza
Jesús Castillo
Carrera: Ing. Civil.
Turén/Julio/2011