Elementos de Cercha e IDEA StatiCa

Antecedentes y reflexiones

¡Bienvenido a mi sexta entrada del blog! Como se ha convertido en tradición, me gusta añadir un toque personal. ¿Cuántos de nosotros recordamos cuando analizamos nuestra primera cercha? En mi caso, tenía 18 años y estaba en mi segundo año de bachillerato estudiando para los A Levels. La asignatura era Dibujo Técnico y el método era la Notación de Bow.

¿Cuántos ingenieros (de más edad) recuerdan eso? Avanzando unos años, una cercha fue el primer sistema estructural que construí en la universidad – hay que admitir que con otros tres compañeros de equipo. Esta fue cortada, taladrada, atornillada y ensayada hasta la rotura – ¡lo cual no tardó demasiado, me apresuro a añadir!

Las cerchas evidentemente vienen en muchas formas y tamaños y están fabricadas con tantos materiales diferentes que es difícil contarlos – ¿recuerdas las estructuras de pajitas? Sin embargo, el denominador común siempre han sido las uniones – no solo cómo deben tratarse, sino también cómo deben diseñarse. Para su tamaño, ofrecen capacidades de carga excepcionales, ¡lo cual es una de las razones por las que son una solución 'de referencia' para situaciones complicadas!

Siempre he tenido amor por la madera – posiblemente porque soy un apasionado de la historia de los edificios y la construcción. La madera fue el primer material estructural utilizado para formar cerchas. Las cerchas de madera se remontan al 2500 a.C. Los antiguos griegos las usaban en sus tejados y tuvieron un papel destacado en la arquitectura medieval.

Muchos de los antiguos graneros diezmeros fueron construidos utilizando estos métodos. Las uniones se formaban dentro de los elementos de madera utilizando la tradicional espiga y mortaja con clavijas de madera o similares. Las herramientas a las que tenían acceso los artesanos del pasado eran bastante limitadas, lo que resultó en obras de arte tridimensionales en lugar de algo simplemente para protegerse del viento y la lluvia.

Las cerchas de madera siempre se han utilizado en viviendas, desde las casas señoriales medievales hasta las viviendas modernas. Lo que ha cambiado drásticamente son los métodos y las formas utilizadas. Las cerchas de cubierta modernas de hoy en día, con sus esbeltos elementos y placas de unión diseñadas con ingeniería, están muy lejos de la imagen anterior.

Al analizar la evolución de las cerchas de acero, primero hay que mirar el hierro, tanto el fundido como el forjado, y su papel. El sector en gran medida responsable de este desarrollo es el transporte – piensa en los ferrocarriles (de todo el mundo).

Hay muchos buenos ejemplos repartidos por todo el mundo:

Cercha Lenticular de Brunel – Puente Royal Albert - Hierro

El Puente Ferroviario de Firth of Forth - Acero

Con los puentes liderando el camino en diseño inteligente y elegante, ¿quién iba a estar a la altura desde una perspectiva edificatoria? En 1889, la 'Dama de Hierro' fue construida en París (también conocida como La Torre Eiffel). Aunque construida con hierro forjado, es, quizás, uno de los edificios más icónicos que presenta cerchas y acción de cercha en el mundo actual.

Por supuesto, las estructuras modernas dependen cada vez más de las cerchas para superar circunstancias especiales o salvar grandes luces. Existen varios tipos de cerchas, algunos con nombres especiales:

• cercha de arco
• cercha en abanico
• cercha fink
• cercha gambrel
• cercha howe
• cercha de pendolón
• cercha de doble pendolón
• viga Vierendeel (una forma de cercha)
• cercha Warren
• etc.

El análisis estructural, los métodos de diseño y los materiales han cambiado, pero la constante en cuanto al diseño de uniones difíciles permanece. Ser capaz de evaluar los requisitos de carga correctos en una cercha (y en cualquier estructura) es primordial. Tantas cerchas tienen sus raíces en la geometría, por lo que es importante que la geometría también sea reconocida como un factor importante, a veces arquitectónico.

¿Qué hay de IDEA StatiCa?

Los propios elementos (en una cercha de acero) son a menudo esbeltos y están sometidos a efectos adicionales que podrían llevar a un diseñador a considerar formas más avanzadas de análisis. Disponer de una solución de software que pueda combinar todos estos requisitos con una funcionalidad fácil de usar es absolutamente esencial en el mundo de la ingeniería estructural actual.

Afortunadamente, existe IDEA StatiCa. IDEA StatiCa Connection puede diseñar las complicadas uniones de cerchas actuales de forma segura y eficiente – también hay uniones avanzadas basadas en madera (usando placas). Puede utilizar el modelo analítico de varias soluciones de MEF mediante una aplicación llamada IDEA StatiCa Checkbot. Checkbot proporciona el vínculo entre el MEF e IDEA StatiCa Connection. Si el diseñador está preocupado por los elementos dentro de la cercha, entonces tenemos IDEA StatiCa Member. IDEA StatiCa Checkbot también puede utilizarse para gestionar esta solución.

¿Dónde encaja IDEA StatiCa? Considera un ejemplo sencillo pero esencial:

Estas son posiblemente las estructuras más infravaloradas en nuestras redes de carreteras hoy en día. Están sometidas a todos los tipos de carga habituales: peso propio, sobrecarga de uso, viento, nieve y hielo. Luego también hay que considerar posiblemente las cargas dinámicas. Todo ello intentando diseñar algo que pueda fabricarse de manera eficiente y montarse rápidamente.

Este ejemplo se ha simplificado ya que deseamos centrarnos en la interacción con la solución IDEA StatiCa.

Paso 1 – Análisis por el Método de los Elementos Finitos

La estructura fue modelada, analizada y diseñada en una aplicación de análisis por elementos finitos (MEF) adecuada – en este caso Autodesk Robot Structural Analysis. Consulta nuestro sitio web para obtener una lista completa de las aplicaciones compatibles.

El complemento IDEA StatiCa Checkbot se inició desde dentro de Robot. La instalación de la mayoría de estos llamados complementos en las otras aplicaciones compatibles se realiza automáticamente para hacer su uso aún más rápido y sencillo.

Paso 2 – Exportar a Checkbot

Los elementos y las uniones se seleccionan en Robot y se exportan a Checkbot. Si se producen cambios, el modelo de Checkbot también puede sincronizarse con el MEF. Las cargas externas introducidas en el modelo MEF se utilizan para el análisis global y las reacciones internas – fuerzas axiales, cortantes y momentos – se transfieren a Checkbot. Una vez en Checkbot, están disponibles tanto para Connection como para Member.

En Checkbot, también puedes visualizar los efectos de carga.

Los elementos en IDEA StatiCa Checkbot también pueden fusionarse – de modo que los elementos continuos formados por tramos más cortos pueden unirse para el diseño de una unión. En este ejemplo, los elementos del cordón inferior han sido modificados de esta manera. Por el contrario, el cordón superior no lo ha sido porque en su unión no hay necesidad. Esto es muy útil cuando se utilizan aplicaciones MEF que tienen que modelar elementos continuos de esta manera.

Paso 3 – Diseñar y verificar las uniones

Las uniones pueden diseñarse y verificarse con IDEA StatiCa Connection y los elementos pueden verificarse en IDEA StatiCa Member. El posicionamiento de los elementos siempre ha sido un compromiso entre el análisis y la realidad. Los elementos pueden desplazarse en la fabricación para facilitar su soldadura – esto puede llevar a menudo a problemas dentro del modelo analítico. En IDEA StatiCa, podemos modificar las excentricidades para tener en cuenta esta discrepancia.

Es dentro de la solución Connection donde debes recordar hacer coincidir el modelo de análisis al observar el Tipo de Modelo. Si deseas utilizar uniones con un solo tornillo en una placa de unión tradicional, debes recordar cambiar el Tipo de Modelo en consecuencia – a N,Vy,Vx – uno que no permita momentos. Sin embargo, si tu unión (como en este ejemplo) puede soportar un momento, entonces este paso puede evitarse.

Trabajar con las combinaciones de carga de diseño reales es imprescindible para lograr un modelo de unión seguro y eficiente y una verificación normativa. Utilizando cuatro operaciones simples para crear una junta completamente soldada, podemos ver que todos los efectos de carga críticos (nuestras combinaciones de diseño) han sido verificados sucesivamente y todos pasan.

Paso 4 – Verificar los elementos

La segunda unión puede diseñarse de manera similar antes de analizar el arriostramiento en IDEA StatiCa Member.

Sin embargo, lo que esto muestra es que hay un amplio margen para investigar más sobre la eficiencia de los materiales y las uniones, ya que muchos elementos de cercha están sobredimensionados para compensar esta falta de análisis avanzado.

Reflexiones finales

Las cerchas son una parte esencial de la Ingeniería Estructural y su uso solo va a ser cada vez más audaz. Los avances en materiales y métodos de construcción significarán que surgirán nuevos diseños y conceptos en los próximos años – estoy seguro de ello. Lo que sí veo con el enfoque de IDEA StatiCa como almacén de datos es lo mejor de ambos mundos: podemos dejar que los expertos en el campo del MEF continúen y desarrollen soluciones de primer nivel mientras nos vinculamos a sus resultados y modelo para crear los modelos de unión y las verificaciones de elementos – ¡un campo en el que somos los mejores!

Espero que hayas disfrutado de esta incursión en el mundo de las cerchas y cómo en IDEA StatiCa podemos ayudarte de varias maneras. Estate atento a un artículo relacionado que llegará pronto sobre los arriostramientos.