Una cercha es un armazón compuesto de un sistema triangulado de elementos estructurales rectos interconectados, que sirve de base para la construcción de diferentes estructuras y cumple con la función trasladar cargas pesadas o bien, como estructura de transferencia.
Las cerchas son elementos fundamentales en la construcción moderna, especialmente en techos y cubiertas de grandes luces. Una cercha es una estructura compuesta por miembros rectos que forman triángulos, conectados en sus extremos por nodos.
También llamado cuchillo o armadura de cubierta, es una celosía de canto variable y pendiente a una o dos aguas. Al tener sus nudos generalmente articulados y barras de gran esbeltez, la estructura adquiere su rigidez gracias a que las barras se combinan formando triángulos.
Qué es una cercha y para qué sirve
Las cerchas son un elemento del complejo de techumbre de una edificación. La cercha se define como un armazón que permite la descarga del peso, de forma gravitacional, de la cubierta a los puntos de apoyo.
Las cerchas están compuestas por un marco y varios triángulos que conforman pequeñas piezas que van trabajando a tracción y compresión dentro de un diagrama de nudos que determina la pieza adecuada según su comportamiento en el conjunto.
En sí mismo, el triángulo es una armadura que tiene 3 vigas conectadas, sacando provecho de la estabilidad geométrica por definición para transmitir carga y soportar la tracción y compresión aplicadas.
Una cercha de metal se utiliza en construcciones de longitudes gigantescas, como terminales de aeropuertos, perchas de aviones, techos de estadios deportivos, auditorios y otras edificaciones destinadas al entretenimiento.
Las cerchas de metal es una estructura y, dado que sus tiras forman un triángulo, puede salvar una gran luz con muy poco material.
Cómo trabaja una cercha
El principio de resistencia con el que funcionan estas estructuras, se basa en la tensión distribuida a lo largo de las barras donde la carga axial es obvia, ignorando el fenómeno de flexión que puede ocurrir.
El principio de resistencia de la estructura de celosía es que la tensión se distribuye a lo largo de las barras de acero y la tensión axial es obvia, ignorando el fenómeno de flexión que puede ocurrir en las barras de acero.
Las barras de acero que forman una cercha constituyen triángulos que, dispuestos en cascada, forman un plano estable y permiten ahorrar material.
Las cerchas de acero están diseñadas para redistribuir la tensión a lo largo de sus barras, permitiendo que trabajen principalmente con fuerzas axiales que actúan en la dirección del eje longitudinal.
Las cerchas de acero son capaces de redistribuir la tensión a través de barras de acero, esto les permite trabajar con fuerzas axiales que actúan en dirección del eje longitudinal.
A diferencia de otros sistemas estructurales en los que la condición de rigidez se consigue por la construcción de los nudos, en este tipo de estructuras las barras trabajan predominantemente bajo esfuerzos axiles.
On the other hand, the bending and shear stresses are relatively small.
Esto significa que los elementos de una cercha trabajan principalmente sometidos a dos tipos de esfuerzos:
- Tracción: el elemento es estirado por las fuerzas que actúan sobre él.
- Compresión: el elemento es acortado por las fuerzas que recibe.
Cómo se transmiten las cargas
Las conexiones de unión se forman soldando o atornillando los extremos de las barras juntos a una placa común, llamada placa de refuerzo o nodo.
Esto supone que todas las cargas externas que actúan sobre una armadura en las juntas, únicamente trabajan en esta parte de la estructura.
Por otro lado, los miembros individuales, es decir, los que no están conectados a la placa de refuerzo, no están sujetos a momentos de flexión y fuerzas cortantes, sino a fuerzas axiales de compresión o tensión.
La cercha se define como un armazón que permite la descarga del peso, de forma gravitacional, de la cubierta a los puntos de apoyo.
Las correas transmiten las cargas sobre los pares, mientras que los cabios transmiten las cargas a las correas y se disponen paralelos a los pares.
Las tiras se apoyan sobre la cercha y sus repeticiones paralelas sucesivas.
El papel de la triangulación
La rigidez de la cercha no depende únicamente del tamaño de cada barra, sino de la geometría formada por sus elementos.
Las barras se combinan formando triángulos, ya que el triángulo es una armadura que tiene 3 vigas conectadas y aprovecha la estabilidad geométrica por definición para transmitir carga y soportar la tracción y compresión aplicadas.
Las barras de acero que forman una cercha constituyen triángulos que, dispuestos en cascada, forman un plano estable y permiten ahorrar material.
Gracias a esta configuración, una cercha puede salvar grandes luces utilizando relativamente poco material en comparación con una solución maciza de comportamiento similar.
Partes de una cercha
Las cerchas son estructuras que soportan una gran cantidad de fuerzas axiales, por lo que conocer sus componentes es de suma importancia para llevar a cabo su construcción de la forma correcta.
Cuerda superior, par o pierna
Par o cuerda superior: piezas inclinadas que forman en conjunto las aguas de la armadura.
Pierna o Cordón superior: Es la diagonal que culmina en la cumbrera, que además define la pendiente de la cercha.
En la construcción tradicional de una cercha de madera es fácil observar la naturaleza de los esfuerzos axiles. Del mismo modo, cada par apoya sobre su tornapunta, provocando que trabaje a compresión.
Tirante o cuerda inferior
Tirante o cuerda inferior: se encarga de soportar y transferir las cargas de los apoyos y une el extremo inferior de los pares o cuerdas superiores para que no se separen.
Tirante o cordón inferior: Es la pieza horizontal que cierra el triángulo del perímetro de la cercha y que descansa en los puntos de apoyo.
Sin embargo, el cordón inferior libera el modo de pandeo en el plano horizontal en toda su longitud, por lo que encontramos un punto débil en el tamaño de la cercha articulada en este elemento.
Pendolón
Pendolón: elemento vertical que une la cumbrera con el tirante, evitando que se pandee.
Pendolón: Pieza central que nace en el tirante y termina en la cumbrera o quilla.
El pendolón se sitúa entre los dos pares que lo comprimen.
Diagonales o tornapuntas
Diagonales o tornapuntas: se trata de piezas inclinadas dispuestas para unir la cuerda superior con el tirante.
Diagonales: Son piezas que unen de forma diagonal el tirante y la pierna.
Cada par apoya sobre su tornapunta, provocando que trabaje a compresión.
Montantes
Montante: une un punto del par con la cuerda interior.
Montante: Son piezas que unen de forma vertical el tirante y la pierna.
Uniones o nodos
Uniones o nodos: son los puntos hechos de placa de acero donde se unen todos los elementos mencionados con anterioridad.
Las uniones pueden ser articuladas o rígidas.
Las conexiones de unión se forman soldando o atornillando los extremos de las barras juntos a una placa común, llamada placa de refuerzo o nodo.
Cabios y correas
Cabios: elementos paralelos a los pares que transmiten las cargas a las correas.
Correas: componentes perpendiculares a los pares que transmiten las cargas sobre estos mismos.
Esfuerzos internos en una cercha de madera
En la construcción tradicional de una cercha de madera es fácil observar la naturaleza de los esfuerzos axiles.
El pendolón se sitúa entre los dos pares que lo comprimen.
Del mismo modo, cada par apoya sobre su tornapunta, provocando que trabaje a compresión.
On the other hand, the pendulum and brace work under tension, which allows these pieces to be made of iron or steel.
La configuración concreta de cada barra depende de la geometría, de la posición de los apoyos y de las cargas que recibe la cubierta.
Tipos de cerchas según el reticulado
El diseño de una cercha está determinado por su función, dicho de otro modo, esta clase de elemento constructivo de sujeción horizontal tiene una cantidad ilimitada de tipos que responden a necesidades específicas.
En el mercado encontrarás distintos tipos de cerchas, las cuales se pueden clasificar de acuerdo a distintos criterios, como: su reticulado, la forma y uso de las cerchas o su conformación.
Cercha tipo Pratt
Diseñada por Thomas Pratt en 1844, son estructuras con miembros diagonales en tensión para soportar las cargas de gravedad; se utilizan comúnmente en edificios de gran envergadura cuyas estructuras oscilan entre los 20 y 100 metros, de igual modo, se ocupan en construcciones donde predominan las cargas de levantamiento, como en el caso de los colgadores de aviones.
Diseñadas por Thomas y Celeb Pratt en 1886 considera un reticulado en que las diagonales se someten a tracción y las verticales a compresión.
La disposición de las diagonales y los montantes permite que las fuerzas se distribuyan dentro del reticulado de acuerdo con la dirección de las cargas.
Cercha tipo Howe
Se considera un reticulado interior en que las diagonales trabajan a compresión y las verticales a tracción.
Su comportamiento es opuesto al descrito para la disposición interior tipo Pratt en cuanto a la función predominante de diagonales y elementos verticales.
Cercha tipo Warren
Este tipo de cerchas se conforman de barras diagonales de la misma longitud posicionadas alternativamente en tensión y compresión.
Se ven mucho en tipologías cubiertas y son fáciles de identificar porque sus elementos diagonales forman triángulos equiláteros cuando se unen con la barra superior e inferior.
Entre sus variantes se encuentra la subdividida, la doble y la cuadrilátera.
Cercha tipo Fink o W
Construida con barras subdiagonales que tienen como función reducir la longitud de las barras de compresión, las cerchas de este tipo disminuyen el peso del acero en la estructura, debido a que las barras se subdividen en elementos más cortos.
En la cercha tipo Fink o W el reticulado se distribuye en diagonales a fin de reducir la compresión en las piezas.
Su uso principal se encuentra en la construcción de techos para casas medianas.
Tipos de cerchas según su forma y uso
Cercha reticulada o tipo A
Es una de las más comunes y sirve para conformar techos a dos aguas, pero de igual forma se adapta a otras formas de la techumbre, como el faldón y lucarnas.
Posee un reticulado interior que mezcla el diseño Pratt y Howe; acá el pendolón cumple una función primordial en la descarga del peso.
Se trabaja por lo general en pendientes superiores al 30%.
Cercha Mediterránea
La cercha mediterránea queda confinada dentro de un cajón que conforman los muros, y que tiene la particularidad de presentar (por lo general) bajas pendientes, las que oscilan entre el 10% y 25%.
Su particular forma hace que la descarga del peso obligue a que la cuerda inferior aumente su sección, funcionando casi como una viga simplemente apoyada.
Cercha habitable o mansarda
Se trata de una cercha que incorpora un reticulado interno, el cual crea un espacio habitable abierto y funcional.
Suele tener una pendiente superior al 45% y su altura comprende la suma total del espacio habitable, más el reticulado de coronación.
Cercha de Luz del Norte
Estas cercha metálicas se usan en tramos cortos de edificios industriales tipo taller.
Su principal característica radica en permitir una mayor entrada de luz natural a través de cristales en la pendiente más empinada que está direccionada al norte.
Es común emplazar en la porción más inclinada, otra cercha de forma perpendicular al plano para tener grandes espacios libres de columnas.
Cercha de Diente de Sierra
Estamos hablando de otro tipo de cercha que aprovecha la luz solar, usada principalmente en edificios de gran superficie con una sola altura o varias bahías, tal es el caso de las naves industriales o fábricas.
Sus superficies más empinadas están acristaladas y orientadas en sentido contrario a la posición del ecuador, para cubrir a los trabajadores de la exposición directa al sol.
Tipos de cerchas según su conformación
Cercha simple
Su forma es de triángulo y su cálculo está basado en la estática gráfica y en el equilibrio de sus nudos.
Cercha compuesta
Estructura con determinación estática, la cual se puede diseñar a partir de una o dos cerchas simples.
Cercha compleja
Se cuenta dentro de la categoría de hiperestáticas, y se caracteriza por no excluir a los modelos anteriores y por incluir al resto de geometrías.
Se compone por uniones fijas.
Materiales para fabricar cerchas
Como cualquier celosía, las cerchas pueden construirse con diferentes materiales: acero, madera, aluminio… o una combinación de varios en la que se aproveche las propiedades de cada uno.
Las cerchas de acero galvanizado son una excelente solución para cualquier tipo de cercha que se diseñe.
Estas tienen la particularidad de soportar cualquier tipo de cubierta que se especifique en el proyecto.
Cerchas metálicas
Una cercha de metal se utiliza en construcciones de longitudes gigantescas, como terminales de aeropuertos, perchas de aviones, techos de estadios deportivos, auditorios y otras edificaciones destinadas al entretenimiento.
Las cerchas metálicas pueden fabricarse con acero, acero inoxidable, acero galvanizado o perfiles de acero empleados de acuerdo con las necesidades de cada proyecto.
Para las cerchas Galvatec sólo se utilizan perfiles C.
Los tipos de cerchas representados en los ejemplos anteriores, son todos aplicables a perfiles Galvatec VH.
Las cerchas Galvatec son livianas y se adaptan a cualquier diseño y necesidad de carga en ellas, además de representar solo 1/4 del peso de una cercha de madera.
Lo anterior se traduce en menor tiempo de fabricación y mejor manipulación de sus elementos, lo que implica finalmente un ahorro en los costos de una obra.
Cerchas de madera
El proceso constructivo de una cercha de madera sigue los mismos principios que una elaborada con piezas de metal.
La diferencia es que los nodos de las estructuras hechas de madera se realizan con ayuda de placas metálicas y tornillos acordes al ancho de las vigas.
En ocasiones las estructuras de madera resultan más pesadas que las que se elaboran con metal.
Selecciona el tipo correcto madera, para lo cual te recomendamos asesorarte con algún proveedor que te indique los beneficios que puedes obtener de su catálogo.
Realiza los cortes con una sierra de calar, esto les dará mayor precisión y disminuirá los tiempos de construcción.
Cómo calcular la pendiente de una cercha
El cálculo de la pendiente de una techumbre es una variable de diseño que se debe tener en cuenta a la hora de proyectar una cercha, ya que influye directamente en la selección de cada uno de los perfiles que conforman la cercha.
En relación con la pendiente adecuada de un techo, es recomendable la consideración de variables climáticas para poder determinar la adecuada, dado que dependerá de los índices pluviométricos de la zona, la probabilidad de la caída de nieve, etc.
La operación matemática para determinar la pendiente de una cercha nos entregará un valor en porcentaje %, cuya operación explicamos con un sencillo ejemplo:
En definitiva, la pendiente es altura dividido por distancia, multiplicado por 100.
Ejemplo de cálculo
Tenemos una cercha a dos aguas que tiene una luz entre apoyos de 10,0 mts y su altura a la cumbrera es de 1,80 mt.
Tenemos dos triángulos rectángulos de lado A 5,0 mt y lado B 1,8 mt
El cálculo de la pendiente será:
La pendiente de esa cercha es 36%.
| Dato | Valor |
|---|---|
| Luz entre apoyos | 10,0 mts |
| Distancia horizontal de cada triángulo | 5,0 mt |
| Altura a la cumbrera | 1,80 mt |
| Pendiente | 36% |
La pendiente calculada influye directamente en la geometría de la cercha, en la longitud de sus piezas y en la selección de los perfiles que conforman la estructura.
Cómo hacer una cercha metálica
Uno de los tipos de cerchas de acero inoxidable más frecuentes que se utilizan en construcciones particulares, como graneros, bodegas o explanadas medianas, es la que está hecha con perfiles PTR de acero, a continuación te describimos su proceso constructivo:
1. Cortar los perfiles
Corta dos perfiles PTR del largo que requerirá tu cercha, estos serán la cuerda superior e inferior, pero también necesitarás segmentos de perfil PTR a manera de montantes y, finalmente, segmentos del mismo material que serán las tornapuntas.
Las longitudes, así como el número de montantes y tornapuntas, estarán sujetos a las cargas axiales que deba resistir tu cercha.
2. Colocar y soldar los montantes
Coloca en una superficie amplia y plana las dos cuerdas de tu cercha, suelda en cada extremo un montante para darle estabilidad, después suelda los demás montantes a la distancia que requieran tus cargas axiales.
3. Instalar las tornapuntas
Una vez que estén todos los montantes soldados, tendrás una estructura rectangular con diversos cuadrantes, en cada uno de ellos suelda transversalmente los tornapuntas.
Estos últimos deben ir colocados de forma alterna, es decir, en el primer cuadrante suelda el tornapuntas empezando de la esquina superior izquierda hacia la esquina inferior derecha, en el siguiente cuadrante suelda este elemento empezando por la esquina inferior izquierda hacia la esquina superior derecha y así sucesivamente.
4. Reforzar los nodos
Corta placas de acero y suéldalas en los puntos donde se intersectan las cuerdas, los montantes y las tornapuntas para reforzar la cercha.
Alcance y seguridad del proceso constructivo
En los pasos anteriores te presentamos el proceso constructivo de cerchas de acero para vanos no mayores a 9 metros, que están pensadas para resistir vientos exteriores.
Sin embargo, te recomendamos consultar a personal capacitado que te asesore en el cálculo de las cargas axiales de este tipo de estructura y te brinde la información necesaria para saber si es la adecuada para tu proyecto o, de no ser así, te dé una mejor opción.
El análisis estructural de una cercha es crucial para garantizar su estabilidad y seguridad.
Las longitudes, así como el número de montantes y tornapuntas, estarán sujetos a las cargas axiales que deba resistir tu cercha.
La selección de la geometría, el material, los perfiles, las uniones y los refuerzos debe responder a las cargas que recibirá la estructura y a las condiciones del proyecto.
La fabricación y el montaje de una cercha deben realizarse con criterios de cálculo estructural y con la supervisión de personal capacitado.