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LA SOLUCIÓN A UNA NECESIDAD: LAS CERCHAS EN LA INGENIERÍA

28 de Marzo de 2016 | Autor: Rafael González Walls (@RafaElParedes_2) Leído: 5059 veces

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Este ensayo se realizó gracias al apoyo de la Librería de Ingeniería Estructural de la Universidad de California, Berkeley, comentada al final del archivo. El propósito de este, es su publicación y apoyo a la página: “www.Prontubeam.com”, que semanalmente nos apoya con artículos relacionados con la ingeniería civil. De antemano, espero les sea de su agrado.

 Las cerchas o armaduras son muy importantes y esenciales para un ingeniero civil y específicamente para la ingeniería estructural debido a que su utilización y empleo en los diferentes tipos de estructuras y formas geométricas, es necesario mayoritariamente por el enorme apoyo y soporte que dan a la estabilidad geométrica global de una estructura, claro, si se emplea correctamente. La comprensión de la distribución de los miembros de una estructura o cercha y su función, es esencial para un entendimiento profundo de los sistemas que  se pueden ramificar de este tipo de estructura: “cercha o armadura” (Véase en la siguiente figura 1).

 http://3.bp.blogspot.com/-EWfTf6bbpoc/To9-od2RVzI/AAAAAAAAAyM/mC9TuQsnYxw/s1600/DSCN5651.JPG

Figura 1 Ejemplo de una cercha o armadura

Citando a R.C. Hibbeler: “Una armadura es una estructura compuesta de elementos delgados, unidos en sus extremos. Los elementos que se usan comúnmente en la construcción consisten en puntales de madera, barras de metal, ángulos o canales. Las conexiones en la juntas suelen formarse al empernar o soldar los extremos de los elementos a una placa común, llamada placa de empalme o simplemente pasando un perno o un pasador de gran tamaño a través de cada uno de los elementos estructurales. La armaduras planas se ubican en un solo plano y a menudo se emplean como soporte (apoyo) de techos y puentes”, creo que es crucial el conocer este tipo de estructuras, porque podrían ser de gran utilidad y funcionalidad para diferentes soluciones en el entorno de nuestra profesión, y en concreto para la ingeniería estructural. De alguna manera cuando nosotros observamos, en mi caso, este tipo de estructuras creemos que son un poco más fácil de comprender y emplear en las grandes obras de la ingeniería; pero resulta ser que el cuidado y empleo de cada elemento en una cercha es muy importante y esencial para que exista un soporte seguro y que de alguna manera sea funcional para la utilización que le dará la sociedad (Véase en la siguiente figura 2).

http://webdelprofesor.ula.ve/nucleotrujillo/americab/03-estructurasArticuladas/3-18-3.jpg

Figura 2 Interacción de Fuerzas Axiales

El principal empleo de este tipo de estructura en la ingeniería estructural se da en los puentes, en diferentes tipos de diseño y empleo o distribución de elementos. Entre las más comunes cerchas se encuentran las Pratt, Howe, Warren, Parker, Baltimore, Warren subdividida, K, por mencionar algunas (Véase en la siguiente figura 3). En estas es muy importante como ya se comentó, el observar la función que tienen, en cuanto al tipo de fuerza que contiene cada elemento; estos elementos pueden estar a tensión o compresión, dependiendo la distribución de las cargas que se emplean a la armadura, será la forma en que se distribuyan las fuerzas en comprensión o tensión en los elementos.

http://image.slidesharecdn.com/10-131202081341-phpapp01/95/presentation-based-on-truss-and-frame-8-638.jpg?cb=1385972060

Figura 3 Algunos tipos de cerchas o armaduras

Un ejemplo empleado por el profesor Godden es el siguiente: “Imaginemos una cerca en voladizo, voladizo significa que se encuentra empotrada de un extremo (Véase en la siguiente figura 4); en esta se aplica una fuerza cortante hacia arriba en el punto extremo inferior derecho, se observara que los elementos de la parte superior se doblaran por el tipo de fuerza que tienen, en este caso estarán comprimiéndose, mientras que los diagonales se encontraran en tensión (Véase en la siguiente figura 5). Ahora imaginemos que esta fuerza se aplica en el punto extremo superior derecho, se observara que los elementos de la parte inferior se doblaran, así como los que se encuentran en diagonal (Véase en la siguiente figura 6)”. Desde un muestreo físico de lo que esto representa, es muy interesante y fascinante el poder observar los ejemplos que muestra el profesor e identificar la compresión y tensión que muestran los elementos de una cercha cuando se presentan la compresión y tensión de un elemento. Por un lado, un elemento en tensión, se estirara y tratara de alargarse, mientras que un elemento en compresión, se acortara y tratara de encogerse; sin duda alguna este pequeño ejemplo es clave y muy crucial para poder entender el comportamiento que presenta una cercha.

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Figura 4 Ejemplo de una cercha empotrada

Figura 5 1era Aplicación de un cortante vertical

Figura 6 2da Aplicación de un cortante vertical

Dentro de este tipo de estructuras, la modelación e interacción que se da en un aula de clases, parte de la idea de que los elementos que forman una cercha se encuentran articulados, por lo tanto los grados de libertad que presentan se encuentra a partir de las componentes x y y. De alguna manera en la práctica, específicamente en un puente, los elementos se unen a partir de “pin joints” junta articulada (Véase en la siguiente figura 7), en donde muchas veces las rotaciones son permitidas por el asentamiento que le dan las cargas que se encuentran distribuidas en las cerchas. Comento que son distribuidas, por el motivo de que en un puente existen cargas muertas y cargas vivas que se encuentran interactuando constantemente en estas. En estas conexiones se pueden unir varios elementos, las más comunes presentan cinco, debido a dos elementos que se encuentran horizontales, uno vertical y los faltantes en diagonal.

Figura 7 Ejemplo teórico de un pin-joint

Continuando con la buena información que presenta el profesor Godden, uno de los primeros e importantes tipos de cerchas es la que se presenta en el “Lift Bridge”. Este puente simple se utiliza para introducir muchos aspectos importantes de un puente. Por ejemplo el puente de Sacramento (Véase en la siguiente figura 8), que presenta entre sus características más particulares, unos contrapesos que permiten la elevación de un vano del puente; a lo largo de este, presenta una truss-warren y a lo ancho una K-truss. Estos últimos permiten un soporta para la torsión y endurece los miembros superiores de la cercha, lo que permite una mayor estabilidad. También presenta un tipo de voladizo muy importante en la geometría de sus elementos, que se encuentran verticales y diagonales. En referencia a los soportes transversales, también permiten contraponer a un pandeo lateral de la estructura.

Figura 8 Armadura para un "Lift Bridge" - Sacramento Bridge

El “Simple Supported Bridge” es una cercha que se encuentra asentando simplemente en los apoyos o columnas (Véase en la siguiente figura 9). En este tipo de cerchas, la cortante puede actuar en cualquier dirección con la misma intensidad, lo cual podría generar inestabilidad. Este tipo de puentes, como muy pocos, pueden presentarse tres paneles en el ancho de la escultura y tres paneles en la profundidad de la misma. Dentro de su especificación más importante, se encuentra la deflexión en el punto medio del vano, debido a la carga muerta que presenta el puente y a los tipos de conexiones que se presentan en el mismo; dentro de la interacción de las cargas, se encuentran las de los autos o el mismo ferrocarril, así como las cargas que presentan estos objetos. Por otro lado, algunas veces presentan elementos horizontales en donde su función es rigidizar los elementos verticales que se presentan en la cercha.

Figura 9 Ejemplo de un “Simple Supported Bridge” – Berna Bridge

El “Bascule Truss Bridge” es un tipo de puente en voladizo (Véase en la siguiente figura 10). Estos se comportan como puentes simplemente apoyados, los cuales se levantan en un ángulo de 80°. Tienen una longitud bastante amplia y permiten soportar grandes cargas. Empleados en Europa para el Ferrocarril y el tráfico de automóviles. Como el “Lift Bridge” este presenta un contrapeso para poder levantar la estructura de la cercha. Dichos movimientos se dan a partir de unos motores mecánicos, los cuales algunas veces pueden ser maquinas hidráulicas.

Figura 10 Ejemplo de “Bascule Truss Bridge” – Johnson Street Bascule Bridge

El “Cantilever Bridge” es un puente en voladizo, el cual es muy utilizado para poder abrirse, levantarse y permitir el tráfico fluvial en metrópolis cercanas a ríos o canales (Véase en la siguiente figura 11). En estos se pueden presentar tráfico vial, así como el ferrocarril, por lo cual deben ser dobles horizontalmente. En la parte inferior de su estructura, presentan caparazones cónicos lineales, los cuales hacen rígidos a los elementos en conjunto. El perfil de este tipo de cerchas, se ajusta a las cargas uniformemente distribuidas en voladizo y los momentos que pudieran generar las cargas. Por tal motivo en la representación teórica o de aula, es un poco más fácil el poder interpretar y producir los diagramas que presentan este tipos de vigas o en conjunto, estos puentes.

Figura 11 Ejemplo de un "Canrilever" - Towe Bridge

El “three-pinned Truss Bridge” es un puente muy interesante en particular debido a los apoyos que presentan (Véase en la siguiente figura 12-a). Está basado en tres articulaciones, las cuales se encuentran en los apoyos y en la parte media del vano del puente; Estas de alguna manera no permitirán desplazamientos teóricamente y esto le aportara rigidez a la armadura. Las columnas dentro de este tipo peculiar de cercha, se encuentran en compresión; además de que estan articuladas, se encuentran reforzadas en X transversalmente (Véase en la siguiente figura 12-b).

Figura 12 Ejemplo de "Three-pinned Truss" - Navajo Bridge

 

El “Cantilever and suspended Bridge” es un tipo de cercha-puente muy importante, desde mi opinión personal. Un ejemplo muy claro y estupendo es el “Forth Bridge” (Véase en la siguiente figura 13). Este tipo presenta un voladizo de manera equilibrado sobre cada muelle o soporte. Incluye tramos suspendidos, como se presentan en su nombre. En la parte de debajo cercanos al muelle, se encuentran a compresión y en la parte superior se encuentran a tensión; mientras que en la viga en voladizo, se presenta una situación contraria, por la parte superior se encuentra a compresión y en la parte inferior se encuentra en tensión o alargamiento. Sin duda alguna este es un equilibrio muy importante en cuanto al tipo de fuerzas que presentan los elementos principales de este tipo de puentes. Otros soportes se encuentran horizontales para refuerzo del mismo. Presenta de alguna manera marcos y en concreto dos voladizos. Otra forma que subyace a este tipo, es el “Cantilever Balanced” que presenta dos brazos o lados equilibrados; estos se pueden ejemplificar con el mismo “Forth Bridge”.

Figura 13 Ejemplo de "Cantilever and suspended Bridge" - Forth Bridge

 

El “Continous Bridge” es un tipo de estructura y cercha muy simple (Véase en la siguiente figura 14). Este es el que se presenta en la mayoría de los puentes a lo largo del mundo, ya que presentan muy pocos elementos, son fáciles de colocar y por lo mismo presentan un fondo menor. Por tal motivo son mayoría. Presentan un soporte fijo y un soporte deslizante, por lo que presenta reacciones muy grandes. Este tipo de puentes se puede relacionar con el “Simply Supported”, debido que es una viga continua que se encuentra apoyada en columnas, muchas veces acompañadas de concreto armado o pretensado.

 

Figura 14 Ejemplo de "Continous Bridge" - Main River Bridge

El “Brancing for vertical and horizontal shear” Es  una cercha que muchas veces no se presenta en puente, si no en edificios. Por un lado el vertical, se utiliza para voladizos con grande cargas, como los que se construyen en las metrópolis a lo largo del mundo (Véase en la siguiente figura 15). Por otro lado el horizontal, que se presenta como por ejemplo en los edificios: “Transamerica” o “John Hancock”, los cuales presentan soportes X en ambas direcciones; de alguna manera también presentan soportes “K” que se encuentran en un ángulo de 45° (Véase en la siguiente figura 16). Estos presentan una unificación de requisitos arquitectónicos y estructurales, los cuales combinándose, permiten una modelación más rígida y mayoritariamente eficiente. La sobre carga X resiste el movimiento torsional alrededor de sus eje vertical.

Figura 15 Estructuras para el Soporte del  cortante vertical

Figura 16 Estructuras para el Soporte del cortante horizontal

 Por último los “Space Frames” son los marcos que presentan cerchas, los cuales son muy funcionales, como por ejemplo la Torre Eiffel en Paris, la cual es una obra de arte muy importante en todo el mundo (Véase en la siguiente figura 17). Estas son cuidadosamente diseñadas frente al fallo de la estabilidad, debido a su verticalidad. Estos presentan por ejemplo tetraedros que tienen bases firmes los cuales son muy importantes si se extrapolan  a estructuras más amplias.

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Figura 17 Ejemplo de "Space Frames" - Torre Eiffel

En conclusión, creo que este tipo de estructuras es muy importante para la ingeniería estructural debido a su enorme aporte que pueden presentar en diferentes tipo de construcciones; estas pueden presentarse mayoritariamente en los puentes, aunque las edificaciones en vertical no queda de lado debido a la enorme unificación y estabilidad que las fuerzas en tensión y compresión le dan a una estructura. Lo cual, desde un punto de vista estructural, es muy importante e interesante el poder observar el comportamiento de dichas fuerzas y mejor aún, su aplicación en diferentes tipos que se presentaron a largo de este trabajo; en particular me llama la atención las diagonales que se aplican para equilibrar y contrarrestar de alguna manera los esfuerzos y deformaciones que generan las cortantes verticales que se presentan por fuerzas externas, como pueden ser los movimientos generados por los sismos, el viento, entre otros casos, sin duda es muy interesante el poder abundar en este punto en concreto.

 

 

 

 

BIBLIOGRAFIA

Structural Engineering Slide Library (http://nisee.berkeley.edu/godden/godden_d.html)

R.C. HIBBELER, Análisis Estructural, 8va Edición

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