armaduras

ARMADURAS

Las armaduras o cerchas se definen como estructuras estacionarias concebidas para soportar

cargas, Una armadura es un ensamble triangular que distribuye cargas a los soportes

por medio de una combinación de miembros conectados por juntas articuladas,

configurados en triángulos, de manera que idealmente todos se encuentren trabajando

en compresión o en tensión pura y que todas las fuerzas de empuje se resuelvan

internamente.

La armadura es uno de los tipos más importantes de estructuras empleadas en

ingeniería. Proporciona una solución, a la vez práctica y económica, especialmente en

puentes, cubiertas y vigas principales de edificación, sobre todo cuando hay que salvar

grandes distancias con una estructura de peso reducido.

Foto I. Típica casa soportada por armadura

Las conexiones en los nudos están formadas usualmente por pernos o soldadura en los extremos de los miembros unidos a una placa común, llamada placa de unión o simplemente pasando un gran perno o pasador a través de cada uno de los miembros,

Figura 2. Placa de unión figura 3. Unión con perno

Las fuerzas siguen la dirección de las barras. El interés de este tipo de estructuras es que las barras, de las que generalmente se desprecia su peso, trabajan predominantemente a compresión y tracción presentando comparativamente flexiones pequeñas, y es posee la característica de que estas estructuras están soportadas y cargadas exclusivamente en los nudos. Una armadura es un ensamble triangular que distribuye cargas a los soportes por

medio de una combinación de miembros conectados por juntas articuladas, configurados en triángulos, de manera que idealmente todos se encuentren trabajando en compresión o en tensión pura y que todas las fuerzas de empuje se resuelvan internamente.

La armadura es uno de los tipos más importantes de estructuras empleadas en ingeniería. Proporciona una solución, a la vez práctica y económica, especialmente en puentes, cubiertas y vigas principales de edificación, sobre todo cuando hay que salvar grandes distancias con una estructura de peso reducido.

Cada armadura está diseñada para soportar aquellas cargas que actúan en su plano y, por tanto, pueden ser tratados como estructuras bidimensionales. Todas las cargas deben ser aplicadas en los nodos y no sobre los elementos, los pesos de los elementos de la armadura los cargan los nodos.

Figura 4. Las cargas en los nodos

Partes de una armadura.

Una armadura está compuesta por las cuerdas superiores e inferiores y por los miembros del alma.

Cuerda superior.

La cuerda superior consta de la línea de miembros más alta que se extiende de un apoyo a otro pasando por la cumbrera. Para armaduras triangulares, el esfuerzo máximo en la cuerda superior ocurre generalmente en el miembro contiguo al apoyo.

Cuerda inferior.

La cuerda inferior de una armadura está compuesta por la línea de miembros más baja que va de un apoyo a otro. Como en la cuerda superior, el esfuerzo máximo en la cuerda inferior de armaduras triangulares, se establece en el miembro adyacente al apoyo.

Armaduras Y Tipos De Armaduras Para Techos 2

Miembros del alma.

Son los miembros que unen las juntas de las cuerdas superior e inferior, y dependiendo de sus posiciones se llaman verticales o diagonales.

Tirantes.

En base al tipo de los esfuerzos, son los miembros sometidos a tensión.

Puntales.

En base al tipo de los esfuerzos, son los miembros sometidos a compresión.

Junta de talón y Cumbrera.

La junta en el apoyo de una armadura triangular se llama junta de talón, y la junta en el pico más alto se llama cumbrera.

Nudos.

Son los puntos en donde se unen los miembros del alma con la cuerda superior e inferior.


Figura 5 partes de una armadura (Armadura tipo Howe).

Armaduras planas.

Las armaduras planas se tienden un solo plano y a menudo son usadas para soportar techos y puentes. Cuando las armaduras de puente o de techo se extienden sobre grandes distancias, comúnmente se usa un soporte o rodillo para soportar un extremo. Este tipo de soporte permite la expansión o la contracción de los miembros debidos a los cambios de temperatura o a la aplicación de cargas.

Figura 7. Armadura tipica de techo

Cada miembro de armadura actúa como un miembro de dos fuerzas, y por tanto, las fuerzas en los extremos del miembro deben estar dirigidas a lo largo del eje del mismo. Si la fuerza tiende a alargar el miembro, es una fuerza de tensión (T), mientras que si tiende a acortarlo, es


una fuerza de compresión (C). En el diseño real de una armadura, es importante establecer si la fuerza en el miembro es de tensión o de comprensión. A menudo, los miembros a comprensión deben ser más robustos que los miembros a tensión debido al efecto de pandeo o efecto de columna que ocurre cuando un miembro está sujeto a comprensión.

Figura 8. Fuerza de tensión Figura 9. Fuerza de compresión

Armadura simple.

Para prevenir el colapso, la forma de una armadura debe ser rígida. Es claro que la forma ABCD, se colapsara a menos que un miembro diagonal, como la barra AC, se le agregue como soporte. La forma más sencilla que es rígida o estable es un triángulo. En consecuencia, una armadura simple es construida comenzando con un elemento básico triangular, como el ABC que se muestra en la y conectando dos miembros (AD y BD) para formar un elemento adicional. Con cada elemento adicional que consista en dos miembros y un nudo colocado sobre la armadura, es posible construir una armadura simple.


Figura 10. Figura 11.

Armaduras compuestas.

Si dos o más armaduras simples se unen para formar un cuerpo rígido, la armadura así formada se denomina armadura compuesta, de tal manera que cada par comparta sus articulaciones y se añada alguna barra adicional entre cada par de modo que cualquier movimiento de una respecto de la otra esté impedido. Admiten una reducción al caso anterior.

Armaduras de nudos rígidos.

Una armadura de nudos rígidos es un tipo de estructura hiperestática que geométricamente puede ser similar a una armadura estáticamente determinada pero estructuralmente tiene barras trabajando en flexión.

Un nudo se llama rígido si una vez deformada la estructura el ángulo formado inicialmente por todas las barras se mantiene a pesar de que globalmente todo el nudo ha podido haber girado un ángulo finito.

Puede probarse que dos armaduras de idéntica geometría, siendo los nudos rígidos y los de los otros articulados, cumplen que:

La armadura de nudos articulados tiene esfuerzos axiales mayores que la de nudos rígidos.

La armadura de nudos articulados es más deformable.

La armadura de nudos rígidos presenta mayores problemas en el dimensionado de las uniones entre barras.

Armaduras tridimensionales.

La armadura en 3 dimensiones se denomina armadura espacial. Una armadura espacial simple tiene 6 barras todos unidos en sus extremos formando un tetraedro tal como se indica en la figura 13. Agregando 3 barras y 1 nudo podemos formar armaduras complejas. Las barras son miembros de 2 fuerzas.


Armadura espacial simple Armadura espacial compleja

La formulación por elementos finitos de la armadura espacial es una extensión del análisis de armadura plana. El desplazamiento global de un elemento está representado por UiX, UiY , UjX UiZ, UJy y UJz debido a que cada nudo puede desplazarse en 3 direcciones. Sin embargo los ángulos θX, θy y θz definen la orientación de cada barra con respecto al sistema de coordenadas global, tal como se indica en la figura 15.

Los ángulos formado por el miembro con los ejes X, Y y Z

TIPOS DE ARMADURAS.

Las armaduras se clasifican según la forma en que se combinen los diferentes sistemas de triangulación y frecuentemente toman el nombre del primer ingeniero que ha empleado ese tipo particular de Armadura.

Las cuerdas superiores e inferiores pueden ser paralelas o inclinadas, la armadura puede tener claro simple o continua y los miembros de los extremos pueden ser verticales o inclinados.

Las armaduras pueden también tomar nombre según su aplicación, tales como las de carretera, de ferrocarril o de techo.


Armadura tipo “A”

Figura 15. Armadura tipo “A”

Armadura tipo “A” (soportando un techo de lámina)

Armadura de montante maestro.


Armadura de montante maestro

Armadura tipo Pratt.

La armadura tipo Pratt se adapta mejor a construcción de acero que de madera. La armadura tipo pratt se caracteriza por tener las diagonales perpendiculares a la cuerda superior y la cuerda inferior en tensión. Es una de las armaduras más empleadas para techos. (1)

Armadura tipo pratt

Armadura tipo pratt(cuerdas paralelas)

Armadura tipo pratt (invernadero)

Esta armadura tipo Pratt es utilizada en un invernadero que soporta un techo de lámina traslucida, largueros, las armaduras están soportadas por perfiles de sección en caja, y los nudos están atornilladas a placas. (1)


La armadura tipo Howe.

La armadura Howe es la inversa de la Pratt. Tiene la ventaja de que para cargas livianas las cuales pueden revertirse como la carga de viento, funciona de manera similar a la primera. Además resulta que la cuerda en tensión presenta una mayor fuerza que la fuerza que se produce en la cuerda en compresión en la mitad del claro, para cargas verticales convencionales. Es usada mayormente en construcción de madera. (4)

Armadura tipo Howe

Armadura tipo Howe (cuerdas paralelas)

Armadura tipo Warren.

La armadura Warren tiene la ventaja de que los elementos en compresión y tensión en el alma de la armadura tienen igual longitud, resultando en un razón peso–claro muy ventajosa en términos de costo para luces pequeñas, además de que se reducen los costos de fabricación al ser todos los elementos iguales en longitud. La armadura Warren modificado se usa en luces grandes.


Armadura tipo warren

Armadura tipo Warren con cuerda superior e inferior rectas

Se observa en la foto una armadura Warren utilizada para estacionamiento de maquinaria agrícola, formada por par de ángulos espalda con espalda, con largueros que soporta un techo de lámina, las uniones están soldadas, la armadura esta soportada por columnas circulares de concreto.

Armadura de cuerda y arco.

Se emplea a veces para garajes, casas de campo gimnasio y hangares pequeños.

Armadura de cuerda y arco.

Armadura tipo Fink.

Para techos con pendientes fuertes se utiliza comúnmente la armadura Fink que es muy popular.


Utilizar la armadura tipo fink es más económico por que la mayoría de los miembros están en tensión, mientras que los sujetos a compresión son bastantes cortos.

Las armaduras Fink pueden ser divididas en un gran número de triángulos y coincidir caso con cualquier espaciamiento de largueros.

Figura 23. Armadura tipo Fink

La armadura tipo Mansard.

La armadura Mansard es una variación de la armadura Fink, con la ventaja de reducir el espacio no usado a nivel de techos. Sin embargo, las fuerzas en las cuerdas superior e inferior se incrementan debido a la poca altura de la cercha o a la pequeña razón entre altura y claro de la armadura.

Armadura tipo Mansard

Armadura tipo tijera.

Cercha a dos aguas cuyas barras de tracción van desde la base de cada cordón hasta el punto medio del otro cordón superior. Se puede emplearse para distancias pequeños que requieren altura libre superior.


Armadura tipo tijera

Armadura tipo dientes de sierra.

El techo diente de sierra se usa principalmente para los talleres, su propósito es ayudar en la distribución de la luz natural sobre las áreas de piso cubiertas. Ayuda a tener claros de hasta 15 metros. Este tipo de armadura es de forma asimétrica así como también lo son sus cargas.

Armadura tipo dientes de sierra

Armadura tipo Polonceau.

Armadura Polonceau

CARGAS GRAVITACIONALES.

Cargas Muertas

Son las cargas generadas por el peso propio tanto de elementos estructurales (vigas de techo, largueros, etc.), como de elementos no estructurales (cubierta, cielo falso, instalaciones


hidráulicas y eléctricas, etc.), que ocupan una posición fija gravitan de manera constante sobre la estructura sin alguna variación significativa de s peso en el tiempo.

La cuantificación de la carga muerta por lo general se obtiene de manera sencilla, ya que solo se requiere de la información referente a los pesos volumétricos, por unidad de área y lineal de los materiales que conforman los elementos estructurales y no estructurales.

Las cargas muertas incluyen el peso de todos los materiales de construcción soportados por la armadura. Las cargas muertas se consideran como: cubierta del techo, largueros, viguetas de techo y contraventeos, plafón, cargas suspendidas y el peso propio de la armadura. Las cargas muertas son fuerzas verticales hacia abajo, y por esto, las reacciones o fuerzas soportantes de la armadura son también verticales para esas cargas.

Viguetas y largueros para techo

Los pesos usuales para viguetas de techos hechos de madera se presentan en la siguiente tabla.

Cargas colgadas

Estas cargas pueden ser los plafones y su peso se debe tomar en cuenta al diseñar la armadura. Otras pueden ser los candiles y grandes implementos de iluminación, equipo mecánico entre otros.

Peso propio de Armaduras

El peso verdadero de una armadura no se puede determinar exactamente mientras no esté completamente diseñada.

A continuación se presenta un cuadro con pesos aproximados en armaduras de acero.

Cargas vivas


Las cargas vivas están relacionadas con el uso y ocupación de la estructura; debido a su naturaleza variable, incluye todo aquella que no tiene posición fija y definitiva. Se identifican dos clases: cargas móviles (mantenimiento y reparaciones) y cargas de movimiento (grúas sobre vigas carril). Las cargas vivas incluyen las cargas de nieve, lluvia, viento, etc.

Cargas accidentales.

Cargas de viento

Las cargas de viento se han estudiado ampliamente en años recientes, particularmente para las grandes estructuras de muchos pisos. Por lo general, para estructuras elevadas, se deben efectuar estudios en los túneles de viento, para determinar las fuerzas del viento sobre la estructura. Para estructuras más pequeñas de forma regular con alturas del orden de los 100 ft o unos 30 m, resulta satisfactorio usar la presión del viento estipulada en el código apropiado de construcción. El Nacional Building Code (NBC) para el viento es como se muestra en el siguiente cuadro. Para pendientes de techo menores de 30° (que incluyen los techos planos) la presión del viento sobre el techo que indica el NBC, es una succión que actúa hacia fuera, normal a la superficie del techo, con un valor de 1.25 x la presión previamente recomendada. La carga de viento sobre techos con pendientes mayores de 30° se obtiene de la presión del viento que actúa normalmente a la superficie del techo, y en donde el valor básico previamente indicado dependerá de la altura. La altura para determinar la presión sobre el techo se mide como la diferencia entre las elevaciones promedio del terreno y techo. Se hace notar debido a que el viento puede soplar desde cualquiera de los lados de un edificio, la estructura es simétrica, aunque el análisis del viento se efectúe desde una sola dirección.

La fuerza generada por el viento sobre las estructuras es difícil de cuantificar con exactitud debido a la naturaleza variable del viento. Atendiendo el comportamiento del viento como fluidos es posible llegar a establecer cargas razonables en función de la velocidad del viento, estas cargas sobre las edificaciones varían según su ubicación geográfica, altura, sobre el nivel del suelo, tipo de terreno y tipos de estructuras en sus alrededores.

Se considera que una edificación con un periodo natural pequeño (menor que un segundo) el viento no produce una respuesta dinámica, por lo tanto es posible determinar la fuerza del viento como carga estática. En edificaciones en las cuales la carga debido al viento es considerable, se debe garantizar que las conexiones sean suficientemente sean fuertes para resistir las fuerzas internas y externas producidas, además de un adecuado diseño de los elementos de recubrimiento.


Foto. Pandeo en elemento a compresión en armadura de techo

ocasionada por presión de viento.

El viento genera en las edificaciones empujes y succiones estáticas. En la figura la superficie que recibe directamente la presión del viento se denomina barlovento (empuje) y el opuesto sotavento (succión).

Cuando el viento pasa por el viento con inclinación su velocidad para mantener la continuidad del flujo, esto genera que la presión sobre el techo se reduzca y hace que el viento produzca una solución que puede ser capaz de levantar una cubierta sin un anclaje adecuado. Una acción similares produce en las superficies paralelas a la dirección del viento cuando pasa alrededor de la edificación (ver figura 3.12b).


Efecto del viento sobre edificaciones.

Carga de sismo.

Los efectos de los movimientos sísmicos sobre las edificaciones son transmitidos a través del suelo sobre el cual se apoya; la base de la edificación tiende a seguir el movimiento del suelo, mientras que, por inercia, la masa del edificio se opone a ser desplazadamente dinámicamente y a seguir el movimiento de su base del . Es así como se inducen fuerzas inerciales sobre las edificaciones producidas por los sismos, las cuales son de sentido contrario al movimiento del suelo.

Analizar las edificaciones bajo efectos de sismos es una labor muy compleja que requiere de simplificaciones para tomar parte del diseño estructural de estas.

Fuerza de inercia producida por el movimiento sísmico.

Las fuerzas sísmicas en edificios no dependen solamente de la intensidad del movimiento sísmico sino también de las propiedades de toda la estructura en conjunto, tales como su masa, rigidez y regularidad en su geometría, entre otras, que afectan de forma preponderante la respuesta dinámica de la edificación.


Los sistemas de los techos como parte de una edificación influyen en su respuesta dinámica; en su calidad de diagrama cómo se encargan de transmitir las fuerzas inducidas por el sismo a los elementos verticales resistentes a cargas laterales. Se considera al techo como un nivel de la estructura y se le asigna una fuerza debido al sismo (Fs3) la cual distribuirá a los elementos verticales que resisten sismo, ya sea como diagrama rígido o flexible.

características.

Uniones de miembros de una armadura (nodo) son libres de rotar.

Los miembros que componen una armadura están sometidos sólo a fuerzas de tensión y compresión.

Las cargas externas se aplican en los nodos de la armadura.

Las líneas de acción de las cargas externas y reacciones de los miembros de la armadura, pasan a través del nodo para cada unión de la armadura.


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