Cerchas

INTRODUCCIÓN: En nuestro país cada día ha aumentado el uso de cerchas planas o cerchas a dos aguas, ya sea por las exigencias de un determinado diseño, o por los beneficios y ventajas que tiene este sistema estructural. I. DEFINICIÓN DE CERCHA: Una cercha es un sistema estructural que distribuye las cargas a los soportes por una disposición lineal de varios miembros colocados en un solo plano. Estos miembros resisten las fuerzas de comprensión y tensión. Una característica fundamental del sistema estructural de cercha es la flexibilidad de los diseños, ya que permite la ubicación de las paredes internas no portante en un área totalmente libre sin apoyo intermedio, permitiendo remodelaciones futuras sin comprometer la estructura de la edificación. En general, las cerchas están constituidas por miembros formando triángulos o grupos de triángulos, siendo el número de combinaciones posibles casi infinitas. El propósito para cerchas de techo es que sirven de apoyo a cubierta de grandes claros sin utilizar columnas intermedias protegiéndolas contra los elementos naturales o cargas vivas (lluvias, nieve, vientos, sismos, etc.). A la vez que realizan estas funciones deben soportar tanto las techumbres como su propio peso. II. ANALOGÍA CON LA NATURALEZA Existen algunos ejemplos como la estructura del hueso de un buitre. Esta estructura de un hueso se asemeja a la cercha Warren por la cual una fuerza considerable es desarrollada

con una mínima cantidad de material y peso. Otro ejemplo es una forma similar a la cercha King Post, encontrada en la pelvis de algunas aves.

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III. DISTRIBUCIÓN DE CARGAS: Una cercha puede ser descrita como una viga expandida. Las fuerzas internas ocurren en la superficie inferior y superior de la viga.

El peralte y la capacidad de soportar cargas de la viga pueden ser aumentadas. Expandiendo la viga es uno de los medio para obtener mayor resistencia con un pequeño incremento de material. Si los dos miembros separados de una viga expandida se unen con pequeños elementos triangulados y dispuestos de manera vertical y diagonal, se forma una cercha.

IV. DISTRIBUCIÓN DE CARGAS EN UNA CERCHA TÍPICA: Las fuerzas externas aplicadas en una cercha son trasferidas a los soportes por medio de miembros verticales, horizontales y diagonales, por esfuerzos de compresión y tensión. La distribución de carga en cada miembro de la cercha es usualmente diferente.

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V. ANÁLISIS DE LAS ARMADURAS O CERCHAS: Antes de poder diseñar los miembros de una armadura se necesita que la cercha se analice para los diferentes tipos de cargas que pueden presentarse. Una cercha se analiza separadamente para cada una de las diferentes cargas, porque lo más probable es que nunca se presentarán en forma simultánea. Hay varias combinaciones de cargas que lógicamente son aplicadas al mismo tiempo, ejemplo:

Cargas muertas

+ carga completa de lluvia. Cargas muertas + carga completa de viento. Cargas muertas + carga completa de viento + carga de lluvia.

Los esfuerzos en cada miembro se calculan para cada una de las cargas dadas y posteriormente se hacen las combinaciones utilizando el esfuerzo máximo para el diseño de cada miembro. Si el miembro está sujeto a tensión para una combinación y a compresión para la otra, debe ser diseñado para ambos. Las especificaciones AISC (Instituto Americano de Construcciones de Acero), que se utiliza en un gran porcentaje de cerchas de acero en los Estados Unidos, establece que los esfuerzos permisibles pueden aumentarse en un tercio, para esfuerzos causados solamente por la acción del viento o del sismo o en combinaciones con cargas vivas y muertas. VI. DISEÑO DE CERCHAS PARA TECHO: No es posible dar reglas rígidas para el procedimiento a seguir al diseñar una armadura. En general, se sigue un proceso de aproximaciones sucesivas que se van afinando a medida que se aumente la información disponible. Para cumplir un claro dado, a menudo el ingeniero se ve ante el dilema de elegir una cercha o viga de alma llena o caja metálica. La elección probablemente estará basada en consideraciones económicas.

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Si se usan cerchas, casi siempre se utilizará menor cantidad de material, sin embargo, su costo de fabricación y montaje será probablemente mayor que el requerido para las vigas. El costo total

de las vigas (material, fabricación y montaje) será decididamente menor que el de la cercha, pero a medida que los claros son mayores los costos mas elevados de fabricación y montaje de las cerchas por grandes que sean, serán anulados por el ahorro en material. Con respecto al peralte de las cerchas, debe considerarse que, conforme una cercha se hace mas peraltada los miembros de las cuerdas se irán haciendo menores, al mismo tiempo que las longitudes de los miembros del alma irán aumentando. Esto significa que las relaciones de esbeltez de los miembros del alma son un factor determinante en el peso de la estructura. Es un imposible dar un claro mínimo para las cerchas de acero. Pueden utilizarse para claros tan pequeños como 9.14m a 12.19m, y tan grandes como de 91.44m a 121.92m. En la actualidad no son utilizados para claros menores de 18m. VII. TIPOS DE CERCHAS: Las cerchas pueden ser paralelas o de dos aguas. Desde tiempos pasados, las cerchas de techo a dos aguas han ido probablemente más usadas para las construcciones de claros cortos y las cerchas de cuerdas paralelas para claros mayores. Sin embargo, la tendencia actual, ya sea en claros grandes o pequeños, parece desentenderse de las cerchas de dos aguas y preferir las cuerdas paralelas, debiéndose el cambio a la apariencia deseada y quizás la construcción más económica de las cubiertas. A continuación se muestran los tipos de cerchas: Tipo Pratt: se

obtiene adosando triángulos rectángulos de manera que dos diagonales simétricas se corten por debajo de la viga, siempre en número par.

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Pratt a Dos Aguas:

Tipo Howe: Se obtiene, al igual que la Pratt, adosando triángulos rectángulos, pero esta vez las diagonales simétricas se cortan por encima de la viga.

Howe a Dos Aguas: Sus diagonales trabajan a compresión y sus péndolas a tracción. Con ella se pueden cubrir claros de hasta 30 metros.

Las cerchas a dos aguas Pratt y Howe son el tipo más comunes de cerchas de peralte medio. La pendiente máxima que aquí se presenta, es al igual que las anteriormente mencionadas, es del 2%. Estos tipos de cerchas también pueden usarse para pendientes fuertes pero generalmente no son tan económicas. Tipo Warren sencilla: Se trata de triángulos equiláteros adosados. Da una menor diafanidad pues tiene menos barras que la Pratt para el mismo claro.

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Tipo Warren compuesta: Se obtiene a partir del tipo Warren común pero añadiendo montantes para reducir los claros ya sea el cordón superior, inferior o de ambas de esta manera se pierde la diafanidad que dan las Warren.

Las cerchas Warren y Pratt probablemente han sido las mas usadas para techos planos (pendiente máxima del 2%), pues los componentes de la cubierta pueden colocarse más a satisfacción que en los otros tipos. Estas cerchas pueden ser utilizadas económicamente en techos planos para claros entre 12.19

mts y 38.10 mts, si bien han sido usadas para claros tan grandes como 70 mts. La Warren es generalmente más satisfactoria que la Pratt. Los techos pueden ser completamente planos para claros que no excedan de 9.14 mts a 12.19 mts, pero para claros mayores, se usa la pendiente mencionada con fines de drenaje o escurrimiento. Tipo Fink: Se utiliza para cubrir claros pequeños. Pueden ser divididas en un gran número de triángulos y coincidir casi con cualquier esparcimiento de tirantes. Esta es muy popular para techo de pendientes fuertes.

14 mts

Cuando lleva barras reforzando a los tirantes también se llama compuestas, y es la apropiada para uso hasta de 24 metros.

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Cubre claros máximos económicos de 27.43 o 30.48 m y ha sido utilizado para claros del orden de 36.57 m. Un hecho que la hace más económica es que la mayoría de los miembros están a tensión, mientras que los sujetos a compresión son bastante cortos.

Fink Arqueada

Fink Abanico

Cerchas a Marquesinas: Este tipo de cercha se emplea para cubrir pequeños espacios como pueden ser entradas de edificios, marquesinas, muelles, garajes, etc. Generalmente en voladizo hasta 5 metros.

Tipo Cruz de San Andrés: Se utiliza para arrostramientos horizontales.

Cercha de Armadura tipo Belga: Se caracteriza por tener las tornapuntas perpendiculares a los pares y los tirantes peraltados; es de las mas utilizadas y se pueden cubrir claros de hasta

30 metros.

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Armadura de diente de Sierra sencillo: Son adecuadas para proporcionar luz interior acristalando el faldón más pendiente de la cubierta. Con este tipo de cerchas se pueden salvar claros de hasta 12 metros.

12m

Cercha Vierendeel: es un tipo especial de cercha que obtiene su estabilidad por juntas rígidas en sus miembros. Esta cercha distribuye las cargas de manera similar al marco rígido. Las fuerzas en las cerchas inducen al pandeo así como la compresión y la tensión en los miembros.

Pórticos: Son estructuras trianguladas cuya forma se asemeja a un portal o pórtico. Trabajan a compresión perpendicular al tirante y se pueden cubrir claros de hasta 15 metros.

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VIII. SELECCIÓN DEL TIPO DE CERCHA La elección de un tipo particular de cercha depende de detalles entre los que pueden citarse: claro, carga, tipo preferido de cubierta desde el punto de vista arquitectónico, clima, iluminación, aislamiento y ventilación. Declive o inclinación: El declive deseado en una cercha controla en gran parte la selección del tipo de cercha por emplear. Por ejemplo, la cercha Fink es bastante satisfactoria para techos con declive de consideración. Material de la cubierta: el tipo de material utilizado para la cubierta tiene importancia en la selección de la pendiente del techo. Las pendientes pueden obtenerse según las indicaciones de los fabricantes, de los diferentes tipos de recursos para techo,

o de material. Por ejemplo: las cubiertas de composición como el asbesto cemento en donde se pide normalmente una pendiente mínima del 13%. Consideración de fabricación y transporte: las dificultades de fabricación y transporte deben considerarse al seleccionar el tipo de cercha por usar, en cada caso particular. Económicamente es conveniente fabricar en el taller tanto como sea posible de la cercha; si es posible la cercha completa y embarcarla a la obra para su montaje, desde el punto de vista del transporte, el peralte de una cercha es a menudo el factor determinante. Como ejemplo en una construcción particular que el calculista estima que una cercha de 4.57 m de peralte será la más económica, pero la ruta según la cual deben transportarse las cerchas limita las alturas máximas 3.66 m. Por lo tanto la cercha debe limitarse a 3.66m de peralte como máximo. Aunque sea un poco mas pesada la cercha completa debe ser presentada o armada en el taller. Efecto arquitectónico: La idea del arquitecto, como es el efecto estético que se desee, puede ser el factor determinante. Por ejemplo, si piensa en un techo plano su selección se verá reducida a una o dos cerchas.

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Clima: Es un área determinada, puede ser de importancia particular, como son los casos de tener que drenar lluvias, o bien de retención de nieve y hielo. IX. ESTABILIDAD LATERAL Una serie de cerchas pueden ser estabilizadas con: Tensores diagonales

Con

miembros en forma de cerchas: Que provee estabilidad y soporta las cargas entre las cerchas.

Colocando tensores diagonales en plano del techo.

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X. SEPARACIÓN LATERAL Y APOYO DE CERCHA: La separación lateral de cerchas depende de la clase de material para la cubierta, claro de cerchas y condiciones de cimentación. Las distancias usuales de centro a centro varían entre 3.35 y 9.14 m, utilizando separaciones reducidas para claros pequeños y separaciones grandes para claros grandes. Para claros 15.24 a 18.3 m, las distancias entre ejes de 3.36 a 6m son comunes, mientras que las distancias de 4.5 a 7.3m son comunes para claros de 27 a 30.5 m. En el caso de cerchas de gran claro (esto es mayor de 43 ó 45m.) la separación de centro a centro podrá llegar a ser de 15 ó 18.3m. Los tirantes para separaciones tan grandes como las indicadas, son probablemente otro tipo de cerchas que forman junto con los principales, una serie de marcos horizontales. Son estas cerchas las que proporcionan gran parte de arrastramiento lateral necesario. Cuando las condiciones del terreno son deficientes, originando cimentaciones costosas, el encargado de proyectar podrá utilizar separación entre cerchas, mayor que la utilizada en condiciones normales. La cercha común y corriente puede ser apoyada en muros de ladrillo, bloques o concreto o en columnas de acero o de concreto reforzado. En general las cerchas se fijan por sus extremos

a estos muros o columnas con pernos de anclaje. Para permitir la expansión y contracción por temperatura se necesita generalmente que los pernos de anclaje de un extremo estén en un agujero ranurado en la placa de apoyo para dar lugar a los movimientos necesarios. La variación estimada en la longitud de la cercha es igual a: la suma del coeficiente de expansión (dilatación) multiplicado por la variación estimada de temperatura, mas el diámetro del perno de anclaje, más un pequeño margen. Debe considerarse la temperatura durante el montaje ya que aquella puede modificar la colocación del perno de anclaje o la localización11

de la ranura. Si la cercha es montada a mediados del verano, parece lógico que el perno de anclaje este cercano al extremo interior de la ranura ya que la cercha estará dilatada hasta casi tener su mayor longitud prevista. Las cargas muertas y vivas soportadas por una cercha también afectan su longitud. XI. ESTRUCTURA DE CERCHAS DE MADERA: La cercha es una de las formas estructurales en las que las propiedades particulares de la madera pueden aprovecharse con mayor ventaja: los miembros de una cercha están sujetos esencialmente a fuerzas axiales y en algunos casos, a momentos flexionantes, acciones que la madera resiste con eficiencia. Los cuchillos o cerchas de madera se emplean en claros de 4 a 5 metros, aunque pueden llegar a cubrir 20 metros, pero con desventajas sobre los cuchillos

mixtos de hierro o de hormigón. La madera apropiada para su construcción varía de calidad según la construcción de la cercha. Para claros pequeños de madera, se utilizan el pino y el abeto de buena calidad, y para claros más grandes madera más resistente. XII. ESTRUCTURAS DE CERCHAS METÁLICAS Las cerchas metálicas generalmente se forman con hierros angulares aunque también se emplean otros perfiles laminados. Las cerchas metálicas pueden ser utilizadas para cubrir los claros de naves industriales, agrícolas y ganaderas, formadas por perfiles laminados en caliente o en frío. Pueden llegar a cubrir claros de hasta 50 metros, sin postes intermedios, adecuando cada anchura según necesidades del cliente. Pintura: toda la estructura metálica lleva 2 manos de pintura sintética esmaltada. Todas las estructuras al ir atornillada son desmontables, recuperables y aprovechables para montaje en una nueva ubicación.

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XIII. DIFERENCIAS ENTRE CERCHAS METÁLICAS Y CERCHAS DE MADERA: 1) Las cerchas metálicas son un elemento de estructura liviana en comparación a las de madera. 2) Las uniones de las cerchas de madera son por medio de clavos, tornillos, pernos, entre otros; y las de las cerchas metálicas por soldaduras con máquinas eléctricas. 3) Las cerchas metálicas con dimensiones menores y éstas resisten cargas mayores que las de madera. XIV. VENTAJAS DE LAS CERCHAS CERCHAS DE MADERA. METÁLICAS SOBRE LAS

1) Las uniones

de las cerchas metálicas (soldadas), son más resistentes que las uniones de las cercas de madera (mecánicas). 2) Con menores dimensiones las cerchas metálicas pueden resistir mayores cargas que las de madera. 3) Con respecto a las dimensiones longitudinales, podemos encontrar cerchas metálicas con la longitud y con el grosor que deseemos, y si no las encontramos se dan hacer, en cambio las de madera no las encontramos con medidas mayores a los 5mts. y si necesitamos medidas mayores a éstas se recurre a hacer empalmes o uniones para alcanzar la longitud deseada; bajando así su resistencia. 4) Las cerchas metálicas son más livianas que las de madera. 5) Las cerchas metálicas por su material componente son más durables que las de madera. 6) Las cerchas de madera requieren de más cuido y protección que las metálicas. 7) Para la instalación de las cerchas, la mano de obra de las de madera es más costosa que la de las cerchas metálicas.

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8) El uso de las cerchas metálicas no perjudica tanto el medio ambiente, como lo hace las de madera. 9) Para la obtención de la madera existen una serie de leyes y normas que impiden el acceso rápido a este material, siendo así el metal más fácil de conseguir. 10) Las cerchas de madera por su material son más atacadas por los elementos naturales o ambientales que a las cerchas metálicas. Ejemplo: Comején, humedad, etc. 11) La madera para que pueda alcanzar su nivel máximo de

resistencia debe de estar muy bien curada, y si falla algo en este proceso pierde resistencia y puede llegar hasta pandearse. XV. VENTAJAS DE LAS CERCHAS DE MADERA SOBRE LAS CERCHAS METÁLICAS: 1) Por ser la madera un material con mucho prestigio de elegancia, las cerchas de madera son más funcionales en el ámbito de lo estético. 2) Con respecto al lujo y a la moda la madera proporciona una apariencia y decoración rústica que logra hacer del espacio un ambiente acogedor. CONCLUSIONES: Hoy en día ya no es un problema el sistema estructural de obras arquitectónicas que requieren de grandes espacios libres de cualquier obstáculo o elementos estructurales como pilares o columnas decorativas que por la misma función de la edificación no son tan funcionales en lo que a circulación se refiere. Por esta razón son tan útiles las cerchas ya sean metálicas o de madera, el detalle está en saber aprovechar al máximo sus capacidades y darle el cuido necesario. Actualmente existe una innumerable lista de diferentes tipos de cerchas, que brindan una serie de opciones que facilita el diseño14

estructural y arquitectónico de cualquier obra que requiera de estas, pero básicamente cada diseño es un caso específico que requiere de un estudio y análisis detallado de cada elemento que compone la cercha, por esta razón por más catálogos de cerchas que encontremos siempre habrán variaciones en cualquier tipo de cercha que escojamos.