Una cercha es una estructura compuesta por elementos rectos dispuestos en unidades triangulares para una distribución eficiente de la carga y una mayor estabilidad.
Transmite las cargas mediante fuerzas axiales (tracción y compresión), lo que la hace ideal para grandes luces y cargas pesadas en la arquitectura moderna.
Cuando un proyecto necesita resolver tres claros mayores, la selección de la geometría, los apoyos, la altura de la cercha, las cargas y el sistema de arriostramiento debe hacerse de forma conjunta.
Qué debe definirse antes de dibujar el plano
Sin conocer las cargas, la disposición de pilares, los huecos, el canto realmente admisible... es imposible concretar más: losa postesada, placa alveolar, celosía abarcando dos plantas, vigas metálicas armadas...
Alguien podria darme alguna idea? una planta o varias? Necesitas de 15 a 20 metros libres en todas las plantas o solo en una? Necesitas por ejemplo solo la planta baja totalmente diáfana? Algun apunte de estructuras tendrás no?
La luz la necesitaria en cada planta, y no me convendría para nada tener un gran canto en cada forjado.
Ademas hay que tener en cuenta que es un edificio en rampa.
La elección de una cercha para tres claros mayores debe considerar, como mínimo, los siguientes aspectos:
- La longitud de cada luz entre apoyos.
- La distribución de las cargas.
- La pendiente y la geometría de la cubierta.
- La altura disponible para la cercha.
- La disposición de pilares, pantallas o muros de carga.
- Los huecos y las conexiones con otros bloques.
- Las condiciones del terreno y el nivel sísmico.
- La posibilidad de fabricación, transporte y montaje.
- El coste de los materiales, las conexiones y la mano de obra.
La selección del tipo de celosía adecuado requiere una consideración exhaustiva de las necesidades de luz, la distribución de la carga y las limitaciones presupuestarias.
La cercha como sistema para cubrir grandes claros
Las cerchas son estructuras eficientes formadas por elementos rectos unidos en unidades triangulares.
Se utilizan ampliamente en edificios y puentes para soportar cargas axiales como tracción y compresión.
Su diseño triangular garantiza rigidez, ligereza y gran resistencia a la deformación.
Entre sus ventajas se incluyen la creación de espacios abiertos y sin columnas, la maximización del uso del espacio y la capacidad de soportar fuerzas externas como la nieve y el viento.
Las estructuras de celosía constituyen el núcleo de la ingeniería arquitectónica, logrando una transmisión de carga eficiente y una estabilidad estructural gracias al ingenioso diseño de sus unidades triangulares.
Roof trusses are the unsung heroes of a building’s structural support system.
They bear the weight of the roof, transferring it to the building’s outer walls.
But trusses aren’t just about structural support.
The shape and design of a truss can influence the interior layout of a building.
Moreover, the choice of truss can impact the energy efficiency of a home.
Componentes principales de una cercha
Una cercha está formada por varios componentes fundamentales: los cordones, las barras interiores y las conexiones.
Los cordones son los elementos exteriores de la cercha.
Soportan la mayor parte de la carga y la transfieren a los apoyos.
Las barras interiores, diagonales y en ocasiones verticales, ayudan a distribuir las cargas y proporcionan estabilidad.
Las conexiones o nudos mantienen unida la cercha.
Web Members: The diagonal and sometimes vertical members between the top and bottom chords, which help distribute loads and provide stability.
El análisis de la trayectoria de carga es un aspecto crítico del diseño de cerchas.
Este análisis ayuda a los ingenieros a garantizar que la cercha esté diseñada para distribuir eficazmente las cargas, reduciendo el riesgo de fallo estructural.
In addition to gravity loads, trusses must also be designed to withstand wind and seismic forces.
Wind forces can cause uplift, lateral, or downward pressure on a truss.
Seismic forces, on the other hand, can cause horizontal or vertical movement.
Alternativas estructurales para un edificio de varios niveles
En principio se podría solucionar por pilares, seria mucho mas facil.
Un edificio de viviendas tiene que tener la posibilidad de poner pilares en medio.
Pero eso, además de quitar libertad en la distribución de las viviendas y otros espacios del edifico, me impediria hacer una serie de conexiones con otros bloques que vuelan sobre el terreno.
Lo que gano dejando espacios de 15 metros sin pilares es de coña.
Me deja muchísima libertad a la hora de diseñar y distribuir las viviendas, permiten un mayor grado de flexibilidad.
Al final he optado por construir unas pantallas de hormigon a modo de muros de carga dispuestos como radios del circulo.
Entre pantalla y pantalla me quedan unos 15 metros libres de pilares.
Creo que es una solucion bastante sencilla y que funciona bien.
La solución mediante pantallas de hormigón dispuestas como radios permite liberar espacios entre apoyos y organizar la estructura alrededor de una geometría circular o radial.
Sin embargo, tiene que haber un equilibrio entre flexibilidad de distribución y coste de la estructura.
La decisión final debe comparar la libertad arquitectónica obtenida con el aumento de material, complejidad de cálculo, fabricación, montaje y mantenimiento.
Posibles sistemas para resolver tres claros
Cercha continua sobre tres claros
Una cercha continua puede prolongarse sobre varios apoyos, formando tres claros sucesivos.
En este sistema, los apoyos intermedios modifican la distribución de esfuerzos y permiten reducir el tamaño de algunos elementos respecto a una única luz equivalente.
La continuidad exige revisar cuidadosamente los nudos, las reacciones, los cambios de signo de los esfuerzos y la estabilidad global.
Tres cerchas independientes
Otra posibilidad consiste en utilizar una cercha independiente para cada claro.
Este planteamiento puede simplificar la fabricación, el transporte y el montaje.
Sin embargo, cada unión entre tramos debe transmitir correctamente las reacciones y los desplazamientos previstos.
Cercha de gran altura
Cuando la altura disponible lo permite, aumentar el canto de la cercha puede reducir los esfuerzos en los cordones y mejorar la rigidez.
La elección del canto realmente admisible es uno de los datos que debe definirse antes de concretar la solución.
En este caso, la limitación arquitectónica de no tener un gran canto en cada forjado puede favorecer una solución integrada en la fachada, en los núcleos o en varias plantas.
Celosía integrada en varias plantas
Una alternativa consiste en disponer una celosía abarcando dos plantas.
También se ha planteado la posibilidad de que las viviendas hiciesen de celosia.
Sin embargo, debería ser una celosia curva.
La integración de la estructura con las viviendas puede proporcionar grandes luces y conexiones con otros bloques, pero requiere coordinar desde el inicio la estructura, la distribución, las instalaciones, los cerramientos y las rutas de evacuación.
Vigas metálicas armadas
Las vigas metálicas armadas pueden ser una alternativa cuando se necesita una geometría más limpia o una altura estructural limitada.
Su elección debe compararse con la de una celosía en función del peso, las deformaciones, las uniones y el coste de fabricación.
Placas alveolares pretensadas
Placas alveolares pretensadas de 50 cm.
La placa alveolar puede ser adecuada cuando se busca una solución de forjado prefabricada, aunque su comportamiento debe coordinarse con los apoyos, los diafragmas y la geometría en rampa.
Tipos de cercha y rangos de luz
Los tipos de cerchas metálicas más utilizados son Pratt, Warren, Howe, Fink, K y Polonceau, en donde cada uno es diseñado para cubrir luces entre 10 y 45 metros según el tipo de carga, el uso de la nave industrial y las condiciones del terreno.
Entre los tipos comunes de cerchas de acero se incluyen Warren, Fink, Howe, Pratt y otros.
| Tipo de cercha | Luz óptima | Comportamiento | Mejor uso |
|---|---|---|---|
| Fink | 8-20 m | Tensión / compresión | Comercio y vivienda |
| Pratt | 15-30 m | Diagonales a tensión y montantes a compresión | Galpones y bodegas |
| Warren | 18-35 m | Cargas distribuidas uniformemente | Naves grandes |
| K | 20-38 m | Diagonales cortas | Naves industriales |
| Howe | 28-45 m | Diagonales a compresión y montantes a tensión | Puentes grúa |
| Polonceau | 15-28 m | Techos inclinados | Cubiertas visibles |
| Baltimore | Mayor a 38 metros | Subdividida | Coliseos y hangares |
Cercha Warren
La cercha tipo Warren se caracteriza por sus triángulos equiláteros, que distribuyen la carga de manera uniforme reduciendo la cantidad de uniones.
Consiste en una serie de elementos diagonales alternados que distribuyen uniformemente las fuerzas entre tensión y compresión, garantizando eficiencia estructural y atractivo estético.
La luz típica de la cercha Warren oscila entre 10 y 40 metros.
La luz óptima de la cercha Warren es de 18 a 35 metros.
No es ideal en cargas puntuales o concentradas.
Es menos apta para naves con equipos suspendidos.
Cercha Pratt
La cercha tipo Pratt es el diseño estándar en naves industriales con luces medias, ya que sus diagonales largas trabajan a tensión, evitando el pandeo y permitiendo perfiles más livianos.
Las diagonales trabajan en tensión y los montantes en compresión.
La luz óptima es de 15 a 30 metros.
Es ideal para galpones, bodegas, talleres, centros de distribución, coliseos pequeños o medianos.
Su fabricación es más rápida por procesos repetitivos, y más económica.
Ofrece una gran relación costo-beneficio.
Los montajes son más rápidos por la repetitividad de los nudos.
Permite secciones más pequeñas en diagonales.
Cercha Howe
La cercha Howe es un diseño estructural clásico caracterizado por elementos diagonales que se inclinan hacia afuera desde el centro, a diferencia de la cercha Pratt.
La cercha Howe está reconocida por su fuerte y robusto diseño.
Sus diagonales trabajan en compresión y sus montantes en tensión.
La luz óptima es de 28 a 45 metros.
Es ideal para puentes grúa, centros logísticos pesados, naves con equipos suspendidos.
Ofrece un excelente comportamiento con cargas variables y excéntricas.
Se necesitan perfiles más robustos por sus diagonales en compresión.
Su proceso de fabricación es más lento.
Cercha K
La cercha K recibe su nombre de sus singulares miembros diagonales en forma de "K", capaces de lograr un excelente equilibrio entre compresión y tracción.
La luz óptima es de 20 a 38 metros.
Sus diagonales cortas ofrecen mejor estabilidad.
La cercha K se ha vuelto muy popular dado que reduce significativamente las flechas y los riesgos de pandeo.
Ofrece menos consumo de acero que las tipo Pratt.
Proporciona mejor comportamiento en rigidez vertical.
Es excelente para cargas semivariables y contra el viento.
Su fabricación es más compleja debido a la mayor cantidad de nudos.
Se necesita un taller con alto grado de precisión.
Cercha Fink
La cercha Fink es una solución estructural económicamente eficiente, ampliamente utilizada en edificios residenciales y comerciales ligeros.
Presenta miembros internos subdivididos y una disposición en forma de "W", lo que optimiza la distribución del peso, reduce el consumo de acero y proporciona una gran capacidad de soporte.
La luz óptima es de 8 a 20 metros.
Es muy económica en el uso de acero y su fabricación.
Es ideal en cubiertas inclinadas.
En las cubiertas residenciales, la cercha Fink suele ser la opción más barata.
La cercha Fink se utiliza típicamente en edificios con pendientes de techo de 4:12 a 12:12, con una luz de entre 5 y 9 metros, ampliable hasta 15 metros.
Si bien su luz máxima está limitada por la deflexión, la cercha Fink puede soportar cargas moderadas mediante variantes compuestas.
Cercha Polonceau
La tipo Polonceau es ideal en techos inclinados y en estructuras donde la estética es muy relevante.
La luz óptima es de 15 a 28 metros.
Es excelente para techos inclinados visibles.
Ofrece una estética arquitectónica superior a otros tipos.
Presenta una menor cantidad de diagonales largas.
No es eficiente en cargas uniformes.
No es ideal en cargas suspendidas o excéntricas.
Cercha Baltimore
La cercha tipo Baltimore se utiliza cuando se tienen luces superiores a 38 metros.
Es ideal para coliseos, grandes claros, terminales de pasajeros y hangares.
Sus subdivisiones internas evitan el pandeo en diagonales muy largas.
Ofrece una óptima respuesta para luces extremas mayores a 38 metros.
Presenta muy alta rigidez por sus refuerzos inferiores y superiores.
Es muy versátil en luces sin columnas medias.
Su fabricación es más compleja por el número de nudos y subdivisiones.
Los montajes son más lentos por maniobras y personal técnico.
Otras configuraciones
La cercha plana es un diseño de cuerdas paralelas específico para cubiertas o forjados planos, con variantes comunes como la cercha plana Warren y la cercha plana Pratt.
La luz típica de la cercha plana oscila entre 20 y 50 metros.
La cercha de tijera es un diseño único con miembros inclinados cruzados que forman techos arqueados o inclinados.
La luz típica de la cercha de tijera oscila entre 10 y 25 metros.
Las cerchas de tijera suit spans of 12 meters or less.
Las cerchas de ático incorporan un espacio dentro de la cubierta.
Estas cerchas son excelentes para añadir espacio habitable o de almacenamiento en la cubierta.
La cercha Double Fink es una mejora compuesta de la cercha Fink.
La luz típica de la cercha Double Fink oscila entre 20 y 40 metros.
La cercha Double Howe es una variante compuesta de la cercha Howe que mejora significativamente su capacidad de carga gracias a un diseño de miembros diagonales de doble capa.
La cercha Double Howe suele tener una luz superior a los 35 metros.
La cercha North Light es una estructura diseñada específicamente para optimizar la iluminación natural en edificios industriales.
La longitud típica de la estructura North Light oscila entre 15 y 30 metros.
La cercha dentada es una extensión de la cercha North Light, diseñada con un perfil de cubierta dentado y repetitivo, específico para edificios industriales de múltiples tramos.
La luz típica de la cercha en diente de sierra oscila entre 20 y 50 metros.
Cómo elegir la cercha para tres claros mayores
Los diseñadores crean cerchas King Post y Queen Post para edificios pequeños y medianos.
Los diseñadores crean cerchas Scissor, Attic, Fink y Mono para estructuras más grandes y complejas.
Los constructores eligen cerchas Hip, Gable y Flat para cumplir requisitos arquitectónicos específicos.
Para una selección rápida puede utilizarse la siguiente guía:
- ≤ 18 metros: Tipo Fink o Polonceau.
- 18 a 28 metros: Tipo Pratt o Warren.
- 25 a 38 metros: Tipo K o Howe.
- ≥ 38 metros: Tipo Baltimore.
Para cubiertas únicamente, pueden considerarse las tipo Warren o Fink.
Para equipos ligeros suspendidos, pueden considerarse las tipo Pratt o K.
Para puentes grúa o equipos pesados, puede considerarse la tipo Howe.
Cuando la prioridad es la estética, puede considerarse la tipo Polonceau.
Entonces para una luz de 24 metros, la cercha K es mucho más eficiente en pesos, rigidez y en el aprovechamiento del acero, mientras que la tipo Pratt es una solución valida cuando se quiere priorizar la simplicidad en el proceso de fabricación, o en cargas completamente uniformes.
Ejemplo de selección para una luz de 24 metros
Suponiendo que se quiere construir una nave industrial de 24m x 40m, podemos optar por las siguientes opciones.
| Opción | Altura | Cordón superior | Cordón inferior | Peso estimado |
|---|---|---|---|---|
| Opción 1 | 2.4 metros (L/10) | 2L 100x100x6 | 2L 100x100x6 | 42 kg/m² |
| Opción 2 | 2.2 metros (L/11) | 2L 90x90x8 | 2L 90x90x6 | 38 kg/m² |
En este ejemplo, para una luz de 24 metros, la cercha K puede ofrecer ventajas de peso, rigidez y aprovechamiento del acero, mientras que la Pratt puede simplificar la fabricación cuando las cargas son uniformes.
Elegir la geometría adecuada puede significar un ahorro real entre el 22 al 35% en acero, menor peso, mejor comportamiento antisísmico según la NEC-SE-DS, mayor rigidez y montajes más rápidos.
Materiales y perfiles
El tipo de perfil dependerá del peso que deba soportar la cercha, el cual tiene directa relación con la solución de la cubierta, así como de la pendiente y la luz entre sus puntos de apoyo.
Por lo general, se recomienda usar perfiles tipo C.
Los perfiles metalcom para cerchas más utilizados son los perfiles tipo C, ya que su geometría con atiesado otorga mayor resistencia y permite fijar con firmeza las cuerdas superiores, la cuerda inferior y las piezas diagonales y montantes que conforman el reticulado.
El perfil metalcom para cerchas se elige según el peso de la cubierta y la luz a cubrir.
Los anchos de alma mayores se destinan a las piezas que reciben más carga, como las cuerdas, mientras que los anchos menores se usan en diagonales y refuerzos, siempre de acuerdo con lo definido por el calculista del proyecto.
Las cerchas de acero se dividen en varios tipos según los requisitos de diseño y los escenarios de aplicación, estando cada tipo optimizado para luces, cargas y estilos arquitectónicos específicos.
Las cerchas de acero tienen una buena reciclabilidad, lo que reduce el impacto ambiental de la construcción.
Las cerchas de madera ofrecen beneficios como sostenibilidad, rentabilidad y facilidad de montaje.
Diseño y cálculo estructural
La cercha adecuada maximiza capacidades y minimiza costos.
El diseño de una cercha es un proceso complejo que requiere un conocimiento profundo de los principios de la ingeniería estructural.
El momento flector en las cerchas es crucial porque representa las fuerzas internas que causan flexión dentro de los elementos estructurales.
En las cerchas, minimizar los momentos flectores es esencial para una distribución eficiente de la carga, ya que están diseñadas principalmente para soportar fuerzas axiales de tracción y compresión.
Unos momentos flectores excesivos pueden provocar inestabilidad estructural, un mayor uso de material o incluso un fallo.
El cálculo estructural de una cercha, incluyendo cargas, pendiente, luz y separación entre apoyos, debe ser realizado por un calculista, considerando la normativa de diseño estructural vigente y las condiciones específicas del proyecto.
La estructura debe verificarse frente a cargas gravitatorias, viento, nieve, equipos suspendidos, acciones sísmicas, cargas asimétricas y efectos derivados de la rampa.
La distribución de pilares, pantallas, apoyos y conexiones debe definirse antes de cerrar la geometría del plano.
Separación entre cerchas
Se debe calcular el tamaño del techo, en función de su largo, y la distancia entre cerchas, nos entregará la cantidad de cerchas que se necesitarán.
La distancia entre cerchas de metalcom depende del tipo de cubierta y de las cargas del proyecto.
En términos generales, esta distancia es cercana a 1,00 m, aunque puede reducirse hasta 0,60 m o extenderse hasta 1,20 m, según lo indique el plano de cálculo.
Esta definición siempre debe ser validada por el calculista del proyecto, en base a la normativa de diseño estructural vigente y a la sobrecarga de uso que deba soportar la techumbre.
Por lo general, las armaduras para techo deben tener una distancia de 1 metro.
Las cerchas pueden estar separadas menos de un metro.
Sin embargo, las cerchas se diseñan según las especificaciones individuales de cada casa.
La distancia entre centros es una medida utilizada habitualmente en diseños arquitectónicos y planos de construcción.
La fórmula es Número de cerchas = (longitud del tejado/1) + 1 suponiendo un metro de distancia entre centros.
Por ejemplo, si se necesitan 12 metros de longitud de tejado y se supone una distancia entre centros de 1 metro, se necesitarán 13 cerchas.
Pendiente y tipo de cubierta
Habitualmente se usa una pendiente entre 30% y 60% de inclinación, aunque es importante conocer el índice pluviométrico de la zona o la eventual carga de nieve.
No se excluyen las cerchas mediterráneas de pendiente inferior a 25%.
Roof tiles look great.
Yet, flat roofs or roofs with a low pitch cannot use them.
Para cubrir una cubierta con tejas, debe tener una pendiente de al menos 15 grados.
No puedes utilizar tejas metálicas en cubiertas planas.
Si se planea utilizar chapa de acero para la cubierta, solo puede utilizarse en una cubierta con una pendiente superior a 9 grados.
Las tejas metálicas con revestimiento mineral o cerámico tienen mayores requisitos.
La cercha debe cumplir las condiciones correspondientes al material de cobertura, al drenaje y a las cargas climáticas.
Fabricación y montaje
Los profesionales fabrican cerchas prefabricadas.
Ofrecen mayor calidad y ahorran costes debido a una menor mano de obra in situ.
También son más fáciles de instalar debido a que requieren menos conexiones en obra.
Si las cerchas tienen un largo plazo de entrega, los ingenieros pueden planificar construirlas in situ.
Esto implica cortar la madera y ensamblar los componentes con conexiones mediante placas de clavos.
La construcción en obra puede requerir mucho tiempo.
Construcción de una cercha de perfiles galvanizados
Se recomienda seguir la matriz de cortes y el tipo de perfil según el plano de diseño.
Primero trace una plantilla sobre una superficie lo más nivelada posible.
Dicha plantilla servirá para tener las medidas exactas de cada pieza que compone la cercha y será la matriz de los cortes a realizar.
Se prosigue a cortar los elementos componentes para luego presentarlos en la plantilla.
Se presentan primero las dos cuerdas superiores, que tienen la inclinación de la caída del agua, y luego se coloca la cuerda inferior de forma horizontal.
Se fijan en los puntos de unión con los refuerzos correspondientes de cumbrera y punto de apoyo.
Las piezas diagonales y verticales que conforman el reticulado de la cercha se fijan al alma de las cuerdas superiores e inferiores.
Es importante utilizar los tornillos adecuados, que deben ser como mínimo un hexagonal #10×5/8” sin golilla en cada nudo de unión de las piezas.
Se debe colocar la cantidad de tornillos que asegure bien la estabilidad de cada elemento, considerando el ancho de perfil.
Se recomienda que los tornillos se separen entre sí al menos 3 veces el diámetro del tornillo.
Finalmente se puede armar el resto de las cerchas que componen la techumbre según la plantilla realizada, siguiendo toda la secuencia de la matriz.
Se recomienda realizar los cortes que optimicen el largo del perfil, con el objeto de minimizar la pérdida de material.
Armaduras estructurales de acero
Errores comunes que encarecen la obra
- Usar una cercha tipo Pratt en lugar del tipo K, ya que se ahorra entre 12 a 18%.
- No considerar las zonas sísmicas en los requerimientos.
- Usar diagonales largas sin subdivisiones.
- Usar acero A36 en lugar de A572 G50 para reducir peso.
- Soldar en obra en lugar de usar conexiones con pernos de alta resistencia.
- Definir la separación entre cerchas sin considerar la cubierta y las cargas.
- Ignorar las cargas puntuales o los equipos suspendidos.
- No revisar el pandeo de los elementos comprimidos.
- No coordinar la estructura con los huecos, las instalaciones y las conexiones entre bloques.
- Elegir una solución únicamente por su menor coste inicial.
Coste, mantenimiento y limitaciones
Las implicaciones económicas del diseño de cerchas son multifacéticas.
El coste inicial del sistema de cerchas, incluidos los materiales, la fabricación y la instalación, es un factor importante.
Además, la elección del diseño de la cercha puede afectar a otros costes del proyecto.
Mediante el uso de componentes prefabricados, las estructuras de celosía reducen significativamente el tiempo de construcción y los costos laborales.
Las estructuras de celosía pueden soportar condiciones extremas, como fuertes vientos y grandes nevadas, lo que mejora significativamente la vida útil de los edificios.
Dado que las cerchas suelen estar expuestas a ambientes externos, pueden verse afectadas por la corrosión.
Las estructuras de celosía presentan una baja adaptabilidad a cargas asimétricas extremas.
El transporte y el montaje in situ de grandes cerchas dependen en gran medida de las condiciones climáticas y de construcción.
Si bien la configuración triangular de las cerchas proporciona una buena resistencia, también puede ocupar más espacio vertical.
Herramientas digitales y evolución del diseño
El campo del diseño y la construcción de cerchas evoluciona continuamente, impulsado por los avances tecnológicos y de ingeniería.
Desde el software de diseño asistido por ordenador hasta las máquinas de corte por control numérico, la tecnología desempeña un papel crucial en la optimización de la geometría y los materiales de las cerchas.
La llegada del software CAD ha revolucionado el diseño de cerchas.
La integración del Building Information Modeling en el diseño y la construcción de cerchas ha mejorado la colaboración entre arquitectos, ingenieros y contratistas.
El software de cálculo estructural ayuda a calcular y analizar las cerchas de cubierta.
Permite a los ingenieros introducir parámetros como cargas, luces y propiedades de los materiales para crear modelos precisos del sistema de cerchas.
Además, los métodos de construcción innovadores, como las cerchas modulares y prefabricadas, están ganando popularidad.
A medida que la tecnología continúe avanzando, también lo hará el campo del diseño y la construcción de cerchas.