Estas estructuras operan bajo condiciones de carga tridimensional, lo que les permite soportar cargas desde todas las direcciones. Son particularmente eficaces en edificios sismorresistentes con grandes luces. Existen tres tipos: cerchas planas, cerchas esféricas curvas y cerchas esféricas con cubierta plana. Sus ventajas incluyen su construcción ligera y la posibilidad de adaptarlas a diversas formas. Las cerchas planas tienen todos sus elementos y nodos en un plano, mientras que los elementos y nodos de las cerchas esféricas pueden extenderse a planos tridimensionales.
Cuando los ejes de los elementos de la armadura y las fuerzas externas a las que están sometidos no están en el mismo plano, la estructura formada por varillas rectas conectadas en sus extremos para formar una estructura principalmente resistente a la flexión se denomina estructura de armadura espacial, también conocida como estructura de armadura tridimensional. Generalmente se compone de dos armaduras planas conectadas a cierta distancia.
Las armaduras planas tienen un buen rendimiento de carga en el plano, pero su rigidez es relativamente baja fuera del plano. Para garantizar la integridad de la estructura, se deben instalar diversos soportes. La disposición de la estructura de soporte suele consumir mucho material y debe controlarse mediante la relación de esbeltez, lo que impide que se aproveche al máximo la resistencia del material. Las armaduras espaciales pueden evitar eficazmente estas deficiencias y pueden dividirse en triángulos regulares, triángulos invertidos y rectángulos según la forma de su sección transversal.
Componentes y materiales utilizados en cerchas espaciales
En comparación con las secciones transversales rectangulares, las cerchas espaciales de sección transversal triangular pueden reducir el número de bielas. Cuando el tramo es grande, el cordón superior tiene una gran presión y una gran sección transversal, por lo que el cordón superior se puede dividir en dos para formar una cercha espacial triangular invertida; cuando el tramo es pequeño, el cordón superior tiene una sección transversal pequeña, por lo que es mejor dividir el cordón inferior en dos para formar una cercha espacial triangular regular. Cuando los dos cordones inferiores se intersecan en un punto en el nodo de soporte, se forma una forma de lanzadera con extremos puntiagudos, también conocida como cercha lanzadera.
Las cerchas espaciales tienen las ventajas de una gran rigidez fuera del plano, fácil elevación y uso, y ahorro de acero de soporte. Sin embargo, los cálculos suelen ser engorrosos, los ángulos espaciales de las bielas no suelen ser enteros, la estructura del nodo es compleja, los requisitos de soldadura son altos y la producción es compleja. Independientemente del tipo de cercha, esta puede soportar cargas desde todas las direcciones y es más funcional para edificios con grandes distancias de colapso sismorresistentes. Las unidades básicas más utilizadas incluyen las piramidales cuadrangulares y triangulares, que forman un sistema completo de armazón con rótula.
Tipos de estructuras de celosía espacial
Clasificación por composición estructural.
Cerchas planas: Todos los elementos y nodos se encuentran en el mismo plano, a menudo utilizadas para estructuras simplificadas o soportes localizados (como cerchas de techos de edificios). Todos los elementos y nodos son coplanares y solo pueden soportar cargas dentro de ese plano, lo que las hace adecuadas para aplicaciones con cargas concentradas en el plano y luces pequeñas. Ofrecen una estructura simple, fácil fabricación y bajo costo; las fuerzas que actúan sobre los elementos están claramente definidas (solo fuerzas axiales), lo que resulta en una alta eficiencia del material.
Cerchas espaciales: Los elementos y nodos se combinan tridimensionalmente para formar una estructura espacial estable, adecuada para aplicaciones con grandes luces y cargas complejas (como estadios y soportes de naves espaciales). La disposición tridimensional de los elementos y nodos les permite soportar cargas multidireccionales, como viento y efectos sísmicos, lo que las hace adecuadas para aplicaciones con grandes luces y cargas complejas. Ofrecen una gran estabilidad general y pueden resistir eficazmente la deformación fuera del plano. La combinación espacial de elementos reduce el número de componentes de soporte y aumenta el espacio útil.
Clasificación por forma geométrica
Sistemas de pirámides triangulares: Compuestos por unidades piramidales triangulares, ofrecen alta estabilidad (la estabilidad inherente de los triángulos) y se utilizan comúnmente en estructuras de carga pesada (como plantas industriales).
- Estructuras de carga pesada: plantas industriales , soportes de equipos pesados (como talleres de altos hornos en plantas de acero, que necesitan soportar cargas de más de 50 kN/m²)
- Requisitos de grandes luces: cerchas principales de estadios (luz ≥ 60 m), techos de terminales de aeropuertos
- Alta estabilidad: La geometría triangular hace que los nodos se estresen de manera uniforme y la rigidez antilateral alcanza entre 1/150 y 1/200 de la relación de tramo.
- Distribución de carga: Los elementos cónicos se utilizan para convertir cargas verticales en fuerzas axiales, reduciendo los momentos de flexión en los elementos (por ejemplo, la sala de exposiciones central del Centro Nacional de Exposiciones y Convenciones utiliza un sistema de cono triangular invertido, lo que reduce el consumo de acero en un 25%).
Sistema de pirámide cuadrangular: Está compuesto por unidades de pirámide cuadrangular y se pueden combinar mediante colocación vertical, colocación oblicua, evacuación, etc., adecuados para diferentes requisitos de luz (como salas de exposiciones, aeropuertos).
- Optimización de la rigidez bidireccional: Al ajustar el ángulo de inclinación del cono (30°~60°), se equilibra la rigidez en el plano y fuera del plano. Por ejemplo, el techo del Aeropuerto Internacional de Chengdu Tianfu utiliza una pirámide cuadrada con una inclinación de 45°, lo que reduce el coeficiente de vibración del viento en un 30%.
- Economía mejorada: se utiliza entre un 15 % y un 20 % menos de acero que en las estructuras de rejilla tradicionales (por ejemplo, el Centro de Convenciones Internacional de Guangzhou Baiyun)
- Sistema de superficie de forma libre: forma geométrica irregular, con varillas curvas que forman soportes de superficie curva, utilizado para edificios de formas especiales (como museos).
- Modelado paramétrico: Basado en la tecnología BIM, se pueden lograr formas complejas (como la precisión de la superficie de la columna en forma de C del Aeropuerto Daxing de Beijing que alcanza ±2 mm).
- Adaptabilidad a la carga: El coeficiente de forma de la carga de viento (μs≤0,8) se optimiza mediante el ajuste de la curvatura. Por ejemplo, el valor de diseño de la presión del viento de la cercha curva del Observatorio de la Torre de Shanghái alcanza los 1,2 kPa.
Clasificación por dimensión de expansión.
Expansión unidimensional: Se utiliza para soportes lineales (como puentes y torres). Crea una estructura tipo viga que se extiende en una sola dirección y es adecuada para soportes lineales y tramos pequeños. Ofrece una estructura simple y una construcción sencilla, lo que permite un montaje rápido de estructuras de soporte temporales. Algunos ejemplos son las cerchas de soporte de pasos elevados para peatones (como las vigas de acero de los puentes peatonales urbanos) y los soportes de techo de edificios temporales.
Expansión bidimensional: Se utiliza para soportes planos o curvos (como pisos y cúpulas). Crea una estructura tipo placa que se expande dentro de un plano y es adecuada para soportes planos o curvos que requieren grandes áreas de cobertura. Puede crear una superficie de soporte continua, reduciendo el número de nodos, y es adecuada para estructuras planas como pisos y cúpulas. Por ejemplo, las salas de exposiciones sin columnas en azoteas de grandes centros comerciales utilizan cerchas bidimensionales para un soporte continuo, al igual que las marquesinas de los andenes en las estaciones de tren.
Expansión tridimensional: Se utiliza para conexiones en configuraciones complejas (como cerchas de estaciones espaciales y grandes conjuntos de antenas). Esto crea una estructura que llena el espacio y que puede conectarse en tres dimensiones, siendo adecuada para configuraciones complejas y grandes luces. Ofrece una alta rigidez espacial y puede soportar cargas multidireccionales. Puede ensamblarse en forma modular para una fácil expansión. Algunos ejemplos son las cerchas de estaciones espaciales y grandes conjuntos de antenas: cerchas de soporte de antena parabólica para estaciones receptoras terrestres de satélite (que utilizan una cercha tridimensional para formar una forma parabólica estable). Cerchas expansibles
Categorizadas por funciones especiales
Los nodos modulares (como los nodos de bola) y los diseños de conexión rápida admiten el ensamblaje en órbita o la expansión in situ (como las cerchas de naves espaciales y los edificios de emergencia). Los nodos modulares y los diseños de conexión rápida admiten el ensamblaje en órbita o la expansión in situ, lo que los hace adecuados para edificios temporales, proyectos de emergencia o escenarios que requieren una construcción rápida. El diseño modular acorta los ciclos de construcción, permite la reutilización, reduce los costos y se adapta a terrenos complejos.
Cerchas tensadas: Combinadas con cables tensados, el pretensado mejora la estabilidad, lo que las hace adecuadas para estructuras ligeras de gran envergadura (como marquesinas y cubiertas de estadios). El pretensado compensa la deformación causada por las cargas, reduciendo el consumo de material; la estructura es ligera y estéticamente agradable.
Distribución de la carga y rendimiento estructural:
Como forma estructural espacial eficiente, las estructuras de celosía de acero de gran luz poseen características únicas de soporte de carga. Bajo carga, sus elementos soportan principalmente tensión o compresión axial, lo que resulta en una distribución de tensiones relativamente uniforme a lo largo de la sección transversal. Por ejemplo, una celosía de acero triangular común, al someterse a una carga vertical uniformemente distribuida, el cordón superior está en compresión, el cordón inferior en tracción y las almas, según su disposición, soportan tracción o compresión. Esta distribución de carga permite que el material aproveche al máximo su resistencia. En comparación con una viga sólida sometida a flexión, una celosía de acero puede abarcar un espacio mayor utilizando menos material en las mismas condiciones de carga. Por ejemplo, en algunos estadios de gran tamaño, las celosías de acero pueden alcanzar luces de cientos de metros con un peso relativamente bajo.
En cuanto a las propiedades del material, el acero ofrece ventajas como alta resistencia, plasticidad y tenacidad. Esta alta resistencia permite que las celosías de acero soporten grandes cargas, cumpliendo con los requisitos de carga de los edificios de gran luz. Esta plasticidad y tenacidad garantizan que, al someterse a cargas dinámicas (como terremotos y vibraciones del viento), la estructura pueda absorber energía mediante deformación plástica, evitando fallos frágiles repentinos y mejorando su resistencia a terremotos y vientos. Por ejemplo, en edificios de grandes luces en zonas sísmicas, las estructuras de acero, gracias a su excelente plasticidad y tenacidad, mantienen la integridad estructural y minimizan los daños durante los terremotos. Además, la excelente trabajabilidad del acero facilita la prefabricación en fábrica, mejorando la eficiencia y la precisión de la construcción. Las cerchas espaciales, que son cerchas dentro de un solo plano, ofrecen mayores luces y una distribución espacial más flexible, lo que las hace ampliamente utilizadas en grandes edificios como estadios, salas de exposiciones y terminales de aeropuertos.
Proceso de diseño, fabricación e instalación
Con base en las dimensiones externas, las coordenadas de los nodos y las tablas de miembros proporcionadas por el instituto de diseño, se utilizaron programas de diseño detallado de estructuras de acero y de dibujo para dividir la cercha y diseñar los nodos de forma razonable. La estructura principal se desglosó en miembros y componentes individuales, que posteriormente se dibujaron por separado. El diseño detallado de la construcción incluye principalmente el siguiente contenido: diagrama general de disposición del ensamblaje de nodos, diagrama de secuencia del ensamblaje de nodos, diagrama de miembros, diagrama de nodos y lista de materiales.
Corte
. La estructura principal se cortó a partir de un tubo de acero, y los elementos en los nodos de los componentes eran juntas de intersección. Los tubos de acero se cortaron en pequeños trozos estándar a lo largo de las líneas de intersección, lo que facilitó una soldadura más suave del conjunto de la armadura posterior y minimizó los problemas dimensionales.
Una máquina de corte por hilo es un dispositivo industrial que se utiliza para cortar automáticamente los extremos, orificios y codos de las líneas de intersección en tubos metálicos redondos, cuadrados o con forma. Se utiliza principalmente en industrias como la construcción, la construcción naval y la ingeniería mecánica. Los modelos de plasma son adecuados para diversos materiales metálicos, mientras que los modelos láser permiten un corte biselado preciso.
Conjunto de componentes
Los componentes se conectan y fijan mediante placas de conexión. Los elementos de inspección incluyen la desviación del eje, la separación y la desalineación en las interfaces, la longitud del elemento, la deflexión lateral y la deformación, la longitud y el ángulo.
La fabricación debe cumplir estrictamente con los requisitos de inspección de materiales, precisión de procesamiento y protección contra la corrosión. El corte se realiza mediante corte por plasma CNC, y el doblado y el conformado deben ajustarse a las curvas del molde, como en el proceso de doblado en frío para codos de tubos redondos. Las uniones soldadas requieren un premontaje en una plantilla mediante soldadura por arco sumergido o soldadura con protección de gas CO₂, seguido de ensayos no destructivos posteriores a la soldadura.
Secuencia de soldadura: Para los elementos del cordón superior e inferior, soldar en el siguiente orden: soldadura vertical -> soldadura horizontal -> soldadura por encima de la cabeza; para las interfaces entre los elementos del cordón superior e inferior y los elementos del alma, organizar la secuencia de soldadura según los resultados de las mediciones. Normalmente, soldar primero el elemento del alma al cordón inferior y luego soldar el elemento del alma al cordón superior, mientras se realizan mediciones continuas para ajustar la secuencia de soldadura y controlar la deformación.
Montaje de la cercha en obra.
Primero, utilice una grúa para colocar los componentes en el encofrado y asegurar la posición de los elementos según los detalles de construcción de la cercha. Si la desviación de procesamiento de los elementos supera el rango admisible, se permite la corrección térmica de los elementos, pero la temperatura de calentamiento no debe superar la temperatura de normalización. Tras la corrección térmica, los elementos deben enfriarse lentamente. A continuación, se sueldan las uniones de los cordones superior e inferior y, finalmente, se ensamblan los elementos de alma y los soportes entre los cordones superior e inferior. Durante el montaje, las dimensiones deben controlarse estrictamente para garantizar la precisión en el proceso de instalación posterior.
Aplicaciones típicas en diversas industrias
Hoy en día, se utilizan ampliamente en estructuras grandes y con formas únicas, como puentes, estadios, aeropuertos y estaciones de tren. Las cerchas espaciales son una técnica de construcción cada vez más común, especialmente para cubiertas de grandes dimensiones, como aleros de acceso comerciales e industriales. Los escenarios portátiles y luminarias actuales de mayor tamaño suelen utilizar cerchas esféricas y de ocho vías. Las cerchas esféricas tubulares también se utilizan ampliamente en la producción de motocicletas y automóviles modernos, aunque las carrocerías monocasco son más comunes.
Entre los ejemplos más destacados de cerchas esféricas en edificios se incluyen:
- Puente: Puente ferroviario de Forth
Una de las primeras aplicaciones a gran escala de estructuras de celosía espacial fue un puente ferroviario de doble vía. El tramo principal constaba de tres enormes celosías espaciales en voladizo, que se extendían desde las torres a ambos lados y estaban conectadas por una celosía más corta en el centro. La estructura presentaba cordones dobles (cordones tubulares superior e inferior) conectados por almas tubulares, formando una estructura tridimensional notablemente rígida en lugar de una celosía plana. Este diseño resistió eficazmente las enormes cargas de viento que actuaban sobre la estructura, cumpliendo con los estrictos requisitos de seguridad.
Como el primer estadio cubierto con cúpula a gran escala y climatizado del mundo, y el primer estadio multiusos con cúpula, fue un hito. Su estructura de cubierta es una cúpula geodésica circular de doble capa con un diámetro aproximado de 218 metros (aún mayor tras ampliaciones posteriores). Compuesta por una serie de elementos de cuadrícula conectados mediante juntas esféricas atornilladas o soldadas, esta estructura de rejilla espacial se extiende por todo el estadio, sin columnas internas, proporcionando un amplio espacio sin columnas para las actividades in situ.
- Aeropuerto: Terminal 1 del aeropuerto Charles de Gaulle de París
En su núcleo se encuentra un edificio principal compuesto por varias pirámides invertidas de hormigón armado. Las estructuras de techo y paredes laterales de estas pirámides utilizan ampliamente un sistema de celosía espacial tridimensional (rejilla). Este sistema de celosía espacial no solo logra una gran luz, cumpliendo con los importantes requisitos de espacio libre del lado aire, sino que también crea una apariencia arquitectónica muy reconocible. El diseño de "celosía interior + revestimiento exterior" también proporciona espacio de entrepiso para equipos y tuberías.
Conclusión
Con más de dos décadas de experiencia, XTD Steel Structure se ha dedicado por completo al sector de las estructuras de acero prefabricadas. Desde rascacielos hasta puentes fluviales, desde vibrantes estadios deportivos hasta modernos centros de exposiciones, y desde fábricas estandarizadas hasta diversos proyectos a gran escala, hemos realizado con éxito miles de proyectos de referencia. Construyendo solidez con artesanía y definiendo la calidad con profesionalismo, aspiramos a extender la belleza de las estructuras de acero prefabricadas a todo el mundo.
