Vigas de celosía

Una forma bastante común de resolver las exigencias estructurales de salvar las grandes luces es mediante el uso de vigas de celosía o cerchas. La ventaja del uso de este tipo de soluciones es que obvia el uso de perfiles estructurales pesados, ocasionalmente no disponibles en el mercado local. En efecto, la disponibilidad de vigas conformadas en frío está limitada a ciertas secciones que varía según la producción local, pero no suele sobrepasar los 400mm de altura. Por otra parte, la disponibilidad de vigas laminadas de secciones mayores depende tanto de la producción local (no en todos los países de la región de producen vigas laminadas) como del oportuno suministro en caso de importaciones.

 

Aún así, hay también buenos argumentos para estructurar sobre la base de vigas de celosías a partir de componentes de menores dimensiones. Entre ellos, aparte del uso y aprovechamiento de perfiles plegados disponibles en el mercado local, hay que mencionar el bajo peso de estas estructuras, su liviandad visual y el hecho de que permiten despejados avances horizontales de ductos e instalaciones.

 

Típicamente, una viga de celosía está conformada por un cordón superior, un cordón inferior y un sistema de barras que las conectan, que pueden instalarse verticales y diagonales, o solamente en diagonal.

 

Existen diferentes formas de conectar los cordones superior e inferior para conformar una viga de celosía, algunas de las cuales tienen nombre propio y se muestran a continuación.

Las soluciones de celosía han sido usadas ampliamente en estructuras industriales, entre otros en forma de marcos bi o tri articulados.

Construcción de galpones industriales simples a partir de marcos triarticulados. La obra no está terminada, como se puede apreciar, puesto que no tiene los arriostramientos.

Sin embargo, a partir de la reinterpretación de estas estructuras simples, también se han desarrollado proyectos de gran interés arquitectónico, como por ejemplo, la Bodega Huanuco - de los arquitectos E. Fam - D. Pinochet - L. Suárez en Chile.

La racionalidad y liviandad de estas estructuras ha sido motivo de muchas investigaciones, tanto en el campo estructural y constructivo, como en el campo del diseño arquitectónico. Entre los muchos ejemplos que se pueden citar (y que, con toda seguridad se pueden enriquecer con mucha información local a la que no tenemos acceso), no podemos dejar de mencionar los desarrollos pensados para escuelas por Ezra Ehrenkrantz para la School Construction Systems Development (Scsd) en la década de los 60 y el sistema Patera, desarrollado por Michael Hopkins en la década de los 80. El sistema Patera fue concebido como un sistema prefabricado de pequeños edificios industriales que se vendían en modulaciones de 12m x 18m y 5m de altura interior, completamente listos para armar. Gracias a un diseño de detalle muy cuidado, se logra estructurar con base en perfiles muy esbeltos y de bajo peso que se complementa con un revestimiento de chapas de acero corrugadas (se usan las mismas chapas en muros y cubierta) que suministran arriostramiento en los planos horizontales de la estructura. El montaje en obra se hacía en pocos días con tres operarios y una pequeña grúa. Lamentablemente sólo queda uno de estos edificios en pie, el que alberga la actual oficina de Hopkins & Partners en Londres: las demás fueron desmanteladas para habilitar desarrollos inmobiliarios.

 

 

Otro caso interesante es la casa Eames, que corresponde a la Casa Case Study House Nº 8 de la mencionada iniciativa de John Entenza del programa de las Case Study Houses realizado en la postguerra en California. La pareja de arquitectos y diseñadores Ray y Charles Eames diseñaron esta casa-estudio para ellos mismos logrando un edificio icónico de la arquitectura moderna en USA que es, hasta hoy, una referencia relevante. La fotografía de la casa en obra, da cuenta de la simplificación extrema del concepto estructural y muestra, en la cubierta, las vigas en celosía que completan la estructura.

Aunque hemos destacado hasta aquí estructuras livianas que parecen destinarse a obras menores o de pequeñas luces, los sistemas de vigas de celosía son posibles de ejecutar en las más diversas escalas. En efecto, de acuerdo a con las recomendaciones de altura de las vigas de celosía en función de la luz que salvan son eficaces entre los 8 y los 75 m de luz, debiendo considerarse una altura de viga aproximada de entre 1/10 – 1/15 de la luz. Si el sistema se concibe como un entramado de vigas (en dos sentidos) se pueden cubrir eficientemente hasta luces de 90m con alturas de vigas entre 1/15 y 1/20 de la luz. (ver– Arquitectura y Acero, Borgheresi, H; Pfenniger, F; Vol 2; pag. 38; ICHA 2001).

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Una aplicación frecuente de estas vigas en estructuras mayores es en puentes y, frecuentemente, en puentes de ferrocarril o vehiculares. Sin embargo, a diferencia de las estructuras menores que se pueden ejecutar en perfiles conformados en frío, en éstos casos, tanto por las luces como por las magnitudes de las cargas, deben usarse perfiles laminados en caliente.

Una de las recomendaciones importantes para el diseño de vigas de celosía es que las cargas o los apoyos de los miembros soportados por la viga deberán, preferentemente, descansar sobre los nudos que se consideran articulados, evitando los apoyos en los tramos intermedios. De esta manera las barras están sometidas exclusivamente a solicitaciones axiales. En caso contrario hay que considerar los efectos simultáneos de momentos flectores y fuerzas axiales.

Otra consideración interesante respecto de las vigas de celosía es que se pueden especializar los elementos que la componen en función de las solicitaciones. Esto permite, entre otras cosas, diferenciar las secciones de los elementos comprimidos –que serán más robustos – de los elementos sometidos a tracción – que serán más esbeltos (dada la eficiencia del trabajo de los perfiles de acero a la tracción al no aparecer los problemas de pandeo). Entre las recomendaciones generales se señala que se debe procurar que las barras sometidas a compresión tengan mayores secciones para evitar el pandeo y que los elementos más largos estén sometidos a tracción.

Esto puede permitir importantes ahorros en el peso de la estructura (y consecuentemente en su costo) pero tiene, además un efecto estético y de diseño que es interesante explorar, como se aprecia en los diagramas siguientes, extraídos de los cursos teóricos del Prof. S. Maino desarrollada para Alacero y disponible en este sitio.

Un aspecto importante a tener en cuenta es el arriostramiento lateral de las vigas de celosía en las formas de pandeo, como se puede apreciar en las figuras siguientes, extraídas del cuaderno técnico Nº 6 del Manual de Diseño de Estructuras de Acero de Sidetur.

Sin perjuicio de lo anterior, es necesario recalcar la importancia de los arriostramientos entre vigas y o cerchas como se expresa en el esquema siguiente,

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Una variante de las vigas de celosía lo constituyen las vigas atirantadas, en que los elementos en tracción son reemplazados por cables. En las imágenes siguientes se muestran algunos ejemplos: a) viga Fink doble; b)Fink múltiple; c) viga Bolmann y d) viga Pratt.

Una variante particular de los sistemas de vigas de celosía lo constituye la viga Vierendeel cuyos cordones superiores e inferiores están conectados sólo por elementos verticales y no cuenta con elementos diagonales. Lo anterior obliga a que esta viga tenga uniones rígidas en todos los nudos, lo que la hace más pesada que una viga de entramados con elementos diagonales. Pese a lo anterior, la viga Vierendeel tiene muchos usos, especialmente porque libera casi completamente el espacio inferior, permitiendo el avance libre de instalaciones y/o circulaciones.

 

Vigas: Pratt (superior) y Viga Vierendeel (inferior)

Una estructura típicamente de entramados corresponde al sistema Steel Joist que en algunos casos ha sido desarrollado como un sistema estandarizado o precalculado. El Steel Joist Institute viene publicando documentos técnicos relacionados con el análisis y el diseño, la fabricación, el transporte y el montaje del sistema de steeljoist desde 1932, lo que se pueden adquirir en el sitio de www.steelJoist.org.

En 2012, Gerdau Aza (Chile) lanzó al mercado su Manual de Diseño Sistema Constructivo JOISTEC, desarrollado por Bascuñán, Maccioni e Ingenieros Asociados (BMing) de los autores Alberto Maccioni y Bárbara Rodríguez, actuando como consultor el ingeniero Rodolfo Vergara del Pozo. Hay mucha información disponible sobre este sistema en el sitio de AlaceroShoe Trident Hombre B6762 Sneaker burdeos verde oliva Diadora S Heritage Man Sweak HZH17Twq, en el que, además se tiene acceso para solicitar el manual de Gerdau Aza-BMing mencionado anteriormente.

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