La cercha espacial es una estructura ligera y rígida de estilo geométrico. El marco de rótula suele tener un espaciado multidireccional y está compuesto por varillas de tensión y de presión. La estructura se encuentra sometida a tensiones tridimensionales. Independientemente del tipo de cercha, puede soportar cargas en todas las direcciones y contribuye a la resistencia sísmica de edificios de gran envergadura.
Descripción general de la estructura espacial y del sistema de armadura tradicional
La estructura de armazón espacial es una estructura espacial altamente indeterminada con gran rigidez espacial, buena integridad, fuerte resistencia a los terremotos y la capacidad de soportar los efectos adversos del asentamiento irregular de la cimentación. La estructura de armazón espacial es ligera, utiliza menos acero y tiene una amplia gama de aplicaciones. Es adecuada tanto para luces pequeñas y medianas como para casas de grandes luces, así como para diversas formas planas de edificios, como rectángulos, círculos, sectores y polígonos. Es adecuada para edificios con grandes retículas de columnas, de modo que la estructura tenga un espacio utilizable lo suficientemente grande, lo cual es conveniente para la asignación del espacio según diferentes requisitos funcionales.
Con estas características, la estructura de armazón espacial es ampliamente utilizada en varios tipos de edificios. En el ámbito de los edificios públicos, se puede ver en gimnasios, clubes, salas de exposiciones, teatros, salas de espera de estaciones, etc. Los edificios industriales, almacenes, hangares, fábricas, etc., a menudo utilizan estructuras de armazón espacial como soportes.
El método de conexión de varillas de la malla es articulado, mientras que las varillas de la cercha espacial solo lo son en el alma y sus extremos. En el modelo, aunque los cordones están desconectados en los nodos, están conectados rígidamente, lo que significa que son continuos, una característica muy similar a la situación real en la construcción.
Una cercha es una estructura geométricamente invariante que consiste en un marco triangular compuesto por varillas rectas. La unión entre las varillas se denomina nodo. Según el eje de las varillas que componen la cercha y la distribución de las fuerzas externas, la cercha se puede dividir en una cercha plana y una cercha espacial. Las estructuras espaciales, como las cerchas de techo o los puentes, se componen de una serie de cerchas planas paralelas. Si están sometidas principalmente a cargas planas, se pueden simplificar a cerchas planas para su cálculo.
Las cerchas convencionales son estructuras rígidas compuestas por unidades triangulares geométricamente invariantes. Las varillas se someten principalmente a tensión y presión axial, y su eficiencia estructural es muy alta. Las estructuras de celosía se adaptan bien a los voladizos y tramos de las estructuras espaciales. Las celosías espaciales son un tipo de estructura diferente de las celosías planas. Sus secciones transversales se componen de almas y almas para formar formas geométricas específicas, como triángulos y rectángulos. La principal diferencia entre una celosía espacial y una malla radica en que la primera tiene direcciones primarias y secundarias claras, mientras que la segunda no las tiene, o bien estas no lo son.
Por lo tanto, si bien existen diferencias significativas en el diseño y la construcción de una estructura de celosía espacial,Tanto las estructuras de celosía como las de rejilla presentan formas geométricas y métodos de conexión de varillas específicos, lo cual constituye una de sus similitudes. Además, ambas enfatizan la estabilidad y la capacidad portante de la estructura, garantizando su seguridad y fiabilidad mediante formas geométricas y métodos de conexión razonables.
Cabe destacar que, independientemente de si se trata de una cercha espacial o de una rejilla, la selección de materiales y la tecnología de construcción deben considerarse en la práctica para garantizar la estabilidad y durabilidad de la estructura. Al mismo tiempo, estas formas estructurales desempeñan un papel cada vez más importante en el diseño arquitectónico moderno. No solo proporcionan una capacidad portante eficiente, sino que también satisfacen las necesidades de la arquitectura moderna en cuanto a estética y flexibilidad espacial.
Disposición estructural: marcos 3D y 2D
Las rejillas y las carcasas de rejilla se denominan colectivamente estructuras de entramado espacial. Esta estructura de entramado espacial es una estructura espacial en la que múltiples varillas están conectadas por nodos de acuerdo con una cierta figura geométrica regular. Puede aprovechar al máximo las ventajas del espacio tridimensional y la trayectoria de transmisión de fuerza es más simple, lo que es particularmente adecuado para edificios de grandes luces. La estructura compuesta por rejillas planas de doble capa o multicapa se denomina estructura de entramado espacial (rejilla), y la estructura compuesta por rejillas curvas de una o dos capas se denomina carcasa de rejilla.
Desde la perspectiva de las características geométricas, todas las varillas y líneas de nodos de la cercha bidimensional (cercha plana) están en el mismo plano, formando una estructura de rejilla plana, como la cercha de correas del tejado de una casa o la cercha transversal de carga de un puente; Mientras que las varillas y nodos de la cercha tridimensional (cercha espacial) superan la limitación de un solo plano, se escalonan y conectan en el espacio tridimensional para formar una estructura de rejilla tridimensional con altura, anchura y profundidad, como la cubierta de rejilla de un gimnasio o la estructura de una torre de transmisión.
Las estructuras espaciales de gran envergadura generalmente se componen de varios componentes, y sus diferentes componentes pueden influir entre sí, por lo que el análisis de sensibilidad permite evaluar la importancia relativa de los diferentes factores y optimizar así el diseño. Mediante la investigación de parámetros, los diseñadores no solo pueden identificar los factores que desempeñan un papel vital en el rendimiento estructural, sino también mejorar el rendimiento general de la estructura mediante el ajuste de estos parámetros. Por ejemplo, modificar las condiciones de apoyo en algunos puntos clave o ajustar las dimensiones de la sección transversal de algunos componentes puede mejorar significativamente la estabilidad y la capacidad portante de la estructura. Además, los diseñadores pueden explorar en profundidad las ventajas y desventajas de diversos esquemas de diseño mediante la investigación paramétrica a gran escala y determinar el esquema más económico y seguro para evitar complejidades innecesarias y desperdicio de material en el diseño. El análisis de sensibilidad ayuda a los diseñadores a mejorar la eficiencia del diseño, a la vez que reduce los riesgos del proyecto y garantiza que el diseño estructural alcance el equilibrio óptimo.
En cuanto a las características de fuerza, las cerchas bidimensionales solo necesitan soportar cargas que actúan en sus propios planos, como peso muerto vertical, fuerzas horizontales en el plano, etc. Las fuerzas internas de las varillas son solo tensión o presión axial en el plano, y no hay fuerza fuera del plano; las cerchas tridimensionales deben gestionar cargas en tres direcciones del espacio (ejes x, y, z), incluyendo cargas verticales, cargas horizontales de viento, empujes laterales, etc. Las fuerzas internas de las varillas deben equilibrar las fuerzas externas multidireccionales, que se manifiestan como fuerzas axiales espaciales.
Tanto la estructura espacial como la armadura tridimensional (armazón espacial) son estructuras espaciales, pero presentan diferencias significativas en su composición geométrica, las características de sus nodos, el comportamiento de las fuerzas y los escenarios aplicables. Es necesario distinguirlas desde la esencia de la estructura: desde la perspectiva de la composición geométrica, la estructura espacial es una estructura reticular de dos o más capas, formada por numerosas barras entrelazadas en el espacio según una regla específica (como un tetraedro vertical, un tetraedro oblicuo, una pirámide triangular, etc.). Las barras son generalmente unidades cortas y uniformes, y la forma general es una "cáscara tridimensional similar a una cuadrícula", mientras que la armadura espacial suele estar compuesta por varios grupos de barras principales conectadas por nodos para formar una o varias estructuras tridimensionales. Las barras son relativamente largas, y la forma geométrica se centra más en la "combinación espacial de componentes lineales", como una estructura tridimensional compuesta por armaduras planas cruzadas.
Componentes detallados de estructuras de armazón espacial y estructuras de celosía espacial
El primer tipo de estructura de bastidor espacial
está compuesto por un sistema de armadura plana.
- Rejilla ortogonal bidireccional: Esta rejilla está compuesta por dos conjuntos de sistemas de celosías planas. Los ejes de proyección de las celosías sobre el plano forman un ángulo de 90° entre sí y son paralelos o perpendiculares al límite. La rejilla formada puede ser rectangular o cuadrada.
- Rejilla oblicua ortogonal bidireccional: Se obtiene rotando la rejilla ortogonal bidireccional 45° sobre el plano horizontal. El ángulo de intersección también es de 90°, pero cada cercha no es paralela al eje del edificio, sino que forma un ángulo de intersección de 45°, por lo que se convierte en una rejilla oblicua ortogonal bidireccional.
- Rejilla de tres vías: Presenta mayor rigidez que una rejilla de dos vías y es adecuada para estructuras de gran luz. Su plano es adecuado para triángulos, trapecios y hexágonos regulares, y también puede utilizarse en planos circulares.
El segundo tipo es una estructura de armazón espacial compuesta por pirámides de cuatro esquinas.
Las cuatro cuerdas superiores forman una base cónica cuadrada, y la cima del cono se ubica debajo del baricentro del cuadrado. Cuatro redes se conectan desde los cuatro nodos de las esquinas del cuadrado hasta la cima del cono para formar una pirámide de cuatro esquinas. Al conectar las pirámides de cuatro esquinas según una regla específica, se forma una retícula piramidal de cuatro esquinas.
- Rejilla tetraédrica a la derecha: Las bases de la rejilla tetraédrica son paralelas al eje del edificio. Las bases de las rejillas tetraédricas se conectan para formar el cordón superior de la rejilla, y sus vértices para formar el cordón inferior, que es paralelo al eje del edificio. Los cordones superior e inferior de esta rejilla tienen la misma longitud y están escalonados por medio tramo.
El tercer tipo es una estructura de marco espacial compuesta por pirámides triangulares.
Su unidad básica es una pirámide triangular regular compuesta por tres barras de cuerda y tres barras diagonales, es decir, un tetraedro. La pirámide triangular puede colocarse en posición vertical o invertida.
- Rejilla piramidal triangular: Conecta los vértices de la pirámide triangular de manera que los diagramas planos compuestos por las cuerdas superior e inferior sean todos triángulos equiláteros, lo que se denomina rejilla piramidal triangular.
- Rejilla piramidal triangular de panal: Esta rejilla también se compone de unidades piramidales triangulares, pero su método de conexión consiste en que el cordón superior y el alma se ubican en el mismo plano vertical, y los nodos del cordón superior e inferior están conectados por seis varillas, siendo este tipo de rejilla el que tiene el menor número de varillas en los nodos. Dado que la longitud del cordón superior comprimido es menor que la del cordón inferior comprimido, la fuerza es más razonable y se requiere menos acero. Sin embargo, la forma del cordón superior es hexagonal, lo que dificulta el diseño del panel de techo.
Clasificación de los componentes principales de las estructuras espaciales
- Sistema de barras: Se compone de cordones (cordón superior, cordón inferior) y almas (barras diagonales, barras verticales), generalmente de tubos de acero redondos o cuadrados, conectados mediante nodos para formar unidades triangulares o poligonales. Por ejemplo, el cordón de una cercha plana soporta la fuerza axial derivada del momento flector, y el alma transmite la fuerza cortante; la cercha espacial distribuye la carga a través de un sistema de barras tridimensional, como una cercha ortogonal, una cercha piramidal triangular, etc.
- Estructura de nodos: incluye nodos soldados (como nodos de intersección), nodos atornillados (como nodos de bola con perno) y nodos de pasador. Por ejemplo, el pasillo octogonal del Edificio Nacional de Información Financiera de Pekín utiliza conexiones de pasador y soportes deslizantes para lograr una instalación de gran altitud y alta precisión.
- Sistema de soporte: Se divide en soporte fijo, soporte deslizante unidireccional y soporte deslizante bidireccional, que deben cumplir con los requisitos de transferencia de carga y coordinación de deformaciones. La cercha pretensada del Centro de Convenciones y Exposiciones del Hotel Guangzhou Oriental utiliza un soporte de anclaje tipo manguito, capaz de soportar una fuerza axial de 4500 kN.
Rendimiento estructural y distribución de cargas
Las mallas y cerchas de estructuras de acero presentan diferencias significativas en su rendimiento estructural y distribución de cargas. Las mallas son sistemas de fuerzas tridimensionales. Forman una estructura de malla mediante pirámides triangulares, pirámides cuadrangulares y otras unidades. Las varillas soportan principalmente fuerzas axiales, y las cargas se difunden a través de varillas multidireccionales. Presentan una alta rigidez espacial y estabilidad general. Por ejemplo, las características de fuerza bidireccional de las mallas les permiten dispersar eficazmente las cargas en edificios de gran envergadura (como gimnasios y terminales). Los nodos están conectados mediante bolas atornilladas o bolas soldadas, que pueden realizar la intersección del eje de la varilla en el centro de la bola, evitar momentos flectores y mejorar la rigidez general. Su distribución de cargas es uniforme, adecuada para formas planas complejas (como círculos y hexágonos) y tiene un excelente rendimiento sísmico. Puede adaptarse a las consecuencias de que la cimentación no se hunda cuando ocurren desastres naturales como terremotos.
Las cerchas son principalmente sistemas planos o espaciales, compuestos por cordones y almas, que soportan principalmente tensión o presión axial y pertenecen a sistemas de fuerza unidireccionales. El cordón de la cercha plana soporta la fuerza axial derivada del momento flector, el alma transmite la fuerza cortante y la carga se transmite a lo largo del plano de la cercha. La rigidez lateral es baja y necesita depender del sistema de soporte para mejorar la estabilidad. Por ejemplo, la fuerza interna del cordón de la cercha de cordones paralelos aumenta desde ambos extremos hasta el centro del vano, mientras que la fuerza interna del alma es la opuesta; la fuerza interna del cordón de la cercha triangular se distribuye de forma desigual, lo cual es adecuado para escenarios específicos como techos de tejas. El índice de utilización del material de la cercha es alto, especialmente en puentes de gran luz y plantas industriales. La fuerza se puede optimizar mediante una disposición razonable de las almas, pero su rigidez fuera del plano es baja y se requieren soportes para resistir las fuerzas laterales.
Flexibilidad de diseño y potencial estético.
En primer lugar, la estructura de acero
permite reducir el uso de columnas y muros. En comparación con las estructuras de construcción tradicionales, la malla de acero ofrece mayor resistencia y estabilidad, lo que reduce la necesidad de columnas y muros. Las columnas y muros tradicionales ocupan mucho espacio, lo que limita la distribución y el uso de los edificios. La malla de acero permite soportar el edificio con menos columnas y muros, mejorando así la utilización del espacio. Gracias a la reducción de columnas y muros, las diferentes áreas de uso se pueden dividir de forma flexible dentro del edificio, proporcionando así más espacio útil.
En segundo lugar, ofrece una gran envergadura y permite crear espacios interiores espaciosos. La alta resistencia y rigidez de los materiales de las estructuras de acero les permite soportar techos de mayor envergadura. Las estructuras de edificación tradicionales suelen requerir más puntos de apoyo, lo que resulta en la división del espacio interior en módulos más pequeños mediante diferentes componentes de soporte. Con el uso de rejillas de estructura de acero, se puede reducir considerablemente el número de puntos de apoyo, logrando un espacio interior más continuo y sin restricciones locales. Este espacio continuo mejora la ventilación y la iluminación del edificio, además de mejorar la comodidad de las personas.
Además, los componentes de la rejilla de estructura de acero ofrecen cierta flexibilidad y adaptabilidad. En comparación con las estructuras de edificación tradicionales, los componentes de la rejilla de estructura de acero están más estandarizados y serializados, permiten un diseño y una fabricación estandarizados, y se pueden desmontar y volver a montar con flexibilidad. Esta flexibilidad permite ajustar y modificar la rejilla de estructura de acero según sea necesario para adaptarse a diferentes funciones y requisitos de uso. Durante el uso del edificio, si es necesario replanificar y ajustar el espacio interior, la malla de estructura de acero se puede desmontar y volver a montar. Esta adaptabilidad mejora considerablemente la flexibilidad del edificio, permitiéndole adaptarse a diferentes cambios en las necesidades de uso.
Velocidad de construcción e instalación:
La estructura de acero permite la modularización y una rápida construcción del edificio. La malla de estructura de acero presenta buenas condiciones de producción en fábrica y es prefabricada, lo que reduce el tiempo de procesamiento y construcción en obra. Toda la malla se fabrica y ensambla en fábrica y luego se transporta a la obra para su instalación. En comparación con las estructuras tradicionales de ladrillo y hormigón, las mallas de estructura de acero ahorran mucho tiempo de construcción, acelerando así la construcción de los edificios. Además, las mallas de estructura de acero diseñadas y fabricadas con diseño modular se pueden reconstruir y ampliar fácilmente, parcial o totalmente. Este diseño modular facilita la reutilización y la transformación de los edificios, mejorando así su flexibilidad.
Ventajas de la prefabricación y el ensamblaje con pernos de las estructuras de malla espacial.
Los nodos de la malla son piezas clave para la transmisión de fuerzas estructurales. Entre los tipos de nodos más comunes se incluyen los nodos de bolas soldados y los nodos de bolas atornillados. Los nodos de bolas soldados utilizan tecnología de prensado en caliente para fabricar bolas huecas de acero, y las varillas y las bolas de acero se conectan firmemente mediante soldadura. La resistencia de la soldadura puede superar el 95 % de la del material base. Son adecuados para mallas pesadas con grandes luces y fuerzas complejas; los nodos de bolas atornillados utilizan pernos de alta resistencia para conectar las varillas con las bolas atornilladas forjadas. La precisión de instalación se puede controlar con un margen de ± 0,5 mm, lo que facilita la prefabricación en fábrica y el rápido montaje in situ, y es adecuado para proyectos de mallas con luces generales.
Complejidad del emplazamiento y requisitos de instalación:
La malla se suele montar a gran altura. El proceso es sencillo y no requiere grandes equipos de elevación. La clave para la construcción de la instalación de la malla reside en la instalación del marco de arranque. Una vez finalizada la instalación del marco de arranque, se lleva a cabo la instalación del voladizo piramidal cuadrangular pequeño a gran altura, basándose en el marco de arranque, para completar la construcción de la malla.
Costo, eficiencia del material y valor a largo plazo
En la ingeniería moderna de estructuras de acero, las estructuras de armazón y cercha espacial no solo destacan por su rendimiento estructural, sino que también presentan importantes ventajas en cuanto a control de costos, eficiencia de materiales y valor a largo plazo. Ambas tienen características propias, pero reflejan el objetivo fundamental de "alto rendimiento, bajo consumo energético y sostenibilidad" en la arquitectura moderna.
En primer lugar, desde la perspectiva del aprovechamiento de los materiales, tanto la estructura como la cercha espacial utilizan componentes de acero estandarizados para lograr una eficiente capacidad de carga mediante una disposición geométrica razonable. La estructura reticular forma una malla tridimensional con puntos regulares, las varillas son cortas y densas, la trayectoria mecánica está dispersa, la rigidez es alta y la cantidad de acero está adecuadamente controlada. La cercha espacial, por otro lado, forma un sistema tridimensional con varios grupos de varillas primarias y secundarias. La disposición de las varillas permite una fuerza clara. En las mismas condiciones de luz, se puede lograr una mayor capacidad de carga con menos componentes. Ambas pueden lograr el máximo rendimiento estructural con la menor cantidad de acero, ahorrando recursos y reduciendo el costo inicial del material.
En segundo lugar, en cuanto a la construcción y el mantenimiento, las ventajas de estas dos estructuras espaciales son evidentes. Gracias al alto grado de prefabricación y estandarización en fábrica, tanto las estructuras como las cerchas espaciales se pueden fabricar con precisión en plantas de procesamiento, requiriendo únicamente un montaje eficiente en obra. Esto reduce considerablemente el trabajo en húmedo y el tiempo de construcción, mejora la eficiencia de la construcción y reduce los costos adicionales causados por las condiciones climáticas o los retrasos manuales. Además, los componentes de la estructura de acero son fáciles de reemplazar y mantener. Incluso si presentan daños parciales, no se requieren demoliciones ni reconstrucciones a gran escala, lo que reduce significativamente la inversión en mantenimiento y el tiempo de inactividad durante el uso.
En términos de vida útil estructural y adaptabilidad ambiental, tanto las estructuras como las cerchas espaciales presentan una excelente durabilidad. La mayoría de los materiales de acero modernos han sido sometidos a un tratamiento anticorrosivo profesional y presentan excelentes propiedades antioxidantes, antihumedad y resistentes al calor. Pueden resistir la erosión natural, como el viento, la lluvia, la luz solar y las altas temperaturas, durante un largo período de tiempo, manteniendo la estabilidad y seguridad estructural. Especialmente en grandes luces y espacios abiertos, ambas formas estructurales pueden adaptarse de forma flexible a los complejos requisitos funcionales del edificio y lograr un alto grado de unidad entre estructura y espacio.
Además, estos dos tipos de estructuras tienen un alto valor residual al final de su vida útil. Ya sea una estructura espacial con nodos densos o una cercha espacial con varillas primarias y secundarias transparentes, sus componentes pueden reciclarse o fundirse y rehacerse como acero de alta calidad tras el desmontaje, lo que no solo ahorra recursos, sino que también reduce la carga de los residuos de construcción en el medio ambiente, haciendo realidad el concepto de "edificio sostenible".
Conclusión
Las estructuras de rejilla y cerchas de acero han transformado por completo las limitaciones de espacio de los edificios tradicionales gracias a su excelente rendimiento estructural y flexibilidad de diseño. Al reducir los componentes de soporte internos, se libera mayor libertad espacial; la construcción modular mejora significativamente la eficiencia de la construcción y, al mismo tiempo, ofrece una excelente sostenibilidad y se alinea con la tendencia de desarrollo de edificios sostenibles.
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