Estructuras de nudos rigidos

Es bastante frecuente encontrarnos estructuras modelizadas como de nudos rígidos o mixtas, pues es normal soldar o unir unas barras con otras de modo que se impida el giro en la unión, por tanto sin que varíe el ángulo que ambas barras forman, dato que caracteriza y fundamenta el cálculo de las estructuras formadas por nudos rígidos.

En este tipo de estructuras al contrario que en las anteriores, aparecen no solo los esfuerzos de tracción y compresión que antes aparecían sino los momentos flectores y los esfuerzos cortantes, siendo los flectores los que en la mayoría de los casos determinan en mayor manera el dimensionamiento del elemento resistente.

Pórticos

Dentro de las estructuras de nudos rígidos o mixtas, tienen gran importancia los pórticos ya que es uno de los modelos estructurales más utilizados, por ejemplo en naves industriales, edificios de viviendas, etc.

Se considera pórtico a un conjunto formado por una viga y dos pilares en el cual la viga unirá la cabeza de los pilares. A veces esta viga que une los pilares se sustituye por dos barras denominadas dinteles las cuales dan la forma de la cubierta, estos son los pórticos que se utilizan en la construcción de naves industriales.

El pórtico de un piso está tomando un extraordinario auge en la construcción metálica gracias a los avances logrados en las uniones. Está especialmente indicado en edificios industriales dotados de puentes grúas pesados. También, gracias a su aspecto ligero y atractivo, sustituye en muchas ocasiones a las clásicas cerchas, con la ventaja, al no tener tirante, de no disminuir la capacidad interior del edificio. En aquellas construcciones en las que la iluminación es importante, pueden construirse lucernarios con suma sencillez.

En pabellones deportivos que requieren grandes luces, es frecuente su utilización al conseguir efectos muy agradables y una capacidad útil muy superior, al presentarse el gálibo máximo en la zona de pistas.

Todo esto justifica el extraordinario desarrollo de este tipo estructural, cuyo proyecto, si bien no requiere en principio ningún conocimiento especial, precisa, sin embargo, de unas ideas generales, para examinar los puntos críticos del cálculo y detalles constructivos.

Son muy variados, por lo que únicamente se expondrán aquellos de mayores aplicaciones prácticas.

Entre los pórticos dos aguas, cabe distinguir: 

-Pórtico triarticulado que, como es sabido, es una estructura isostática. 

-Pórtico biarticulado. 

-Pórtico biempotrado.

Si se trata de pórticos múltiples se repiten modularmente estos sistemas estructurales.

Los pórticos de dintel horizontal, pueden tener los pilares rectos o inclinados, y ser biarticulados o empotrados. Los pilares inclinándose utilizan en puentes y pasarelas, con lo que se consigue: aspectos más atractivos, cierta economía en la sección de acero al disminuir el vano del dintel y conservación del gálibo. Frente a estas ventajas su único inconveniente estriba en mayores empujes sobre las zapatas, lo que encarece la cimentación.

Otras veces, en naves y pabellones, se proyectan pórticos, con pilares inclinados, y dintel a dos aguas.

La figura representa un pórtico con pilares verticales y dintel curvo, llamándose entonces arcadas.

La iluminación de las naves puede conseguirse empleando pórticos poligonales, o superponiendo en un pórtico a dos aguas una estructura adicional que recoja parte de la cubierta y permita una iluminación lateral de la nave.

En la nave con puentes-grúas pesados el tipo de pilar seleccionado es denominado comúnmente en bayoneta, por constar de dos tramos de diferente sección, adoptándose para los dinteles disposiciones similares a las mencionadas anteriormente.

La presencia de tirante bajo los dinteles permite reducir sensiblemente el tamaño de los pilares, placa de anclaje, y cimentaciones , como inconveniente se cita la perdida de cierta parte del gálibo y el coste adicional que representan estos elementos a los que hay que añadir una mayor dificultad constructiva de los nudos. 

Cálculo

Iniciaímente hay que elegir la clase de sustentación a emplear. 

El empotramiento en arranques:

-Reduce los momentos máximos y consigue una mayor rigidez trasversal del pórtico frente a las fuerzas transversales, debidas al viento, seísmos, puentes-grúas, etc.

-Por el contrario: incrementa las solicitaciones en cimentación; precisa, generalmente, de sistemas más complicados de anclaje; y complica sustancialmente el análisis de la estructura, ya que el pórtico biempotrado es una estructura hiperestática de tercer grado; si bien este inconveniente se subsana fácilmente hoy en día con la asistencia de programas de cálculo. 

El pórtico biarticulado:

-Es de análisis más sencillo (hiperestaticidad de primer grado).

-Precisa de menores volúmenes de fundaciones y bases de pilares más simplificadas, pues, en general, no es necesario recurrir a complicados sistemas de articulación. -Los momentos máximos, debidos a las acciones horizontales, son más importantes que para los pórticos biempotrados.

 El pórtico triarticulado:

-Es el más sencillo de calcular, pero los momentos máximos para todo tipo de cargas son superiores a los del biarticulado.

Su principal ventaja reside en que los movimientos de los apoyos y las variaciones de temperatura no generan esfuerzos.

Para confirmar lo dicho, se representa por separado, para un pórtico a dos aguas, con pilares y dintel de sección constante e igual inercia, los diagramas de momentos flectores, debidos: a una carga "p" uniformemente repartida sobre el dintel; a una fuerza horizontal, "P", en uno de los nudos de esquina; y a una variación de temperatura.

Como anteriormente se ha dicho, hoy en día, existen programas basados en el cálculo matricial que permiten determinar directamente los esfuerzos. En caso de piezas de sección variable éstas se discretizan en trozos de diferentes secciones.

Las variaciones de temperatura dan lugar, a veces, a solicitaciones importantes cuyo efecto desfavorable es necesario tener presente. En este caso son más desfavorables los pórticos biempotrados que los biarticulados, mientras que en los pórticos triarticulados no se origina ninguna solicitación debida a la variación de temperatura.

Programación

Para la determinación de los esfuerzos que han de soportar las diferentes secciones del pórtico, se manejan programas basados en el cálculo de las matricial con los que se obtiene además, los desplazamientos de los nudos.

Existen otros programas que permiten no solo calcular los esfuerzos si no también determinan las tensiones ponderadas que no presentan en pilares y vigas.

Los programas más avanzados, son capaces de autodimensionar la estructura para lo cual en esencia es suficiente definir la geometría, cargas y tipos de sección de las barras realizando el resto, el programa.

Inícialmente, de acuerdo con las cargas existentes y los tipos de sección a utilizar, se eligen internamente los perfiles de las barras y se determinan, aplicando las técnicas del cálculo matricial. para cada hipótesis básica de carga en el plano del pórtico los esfuerzos de todas las barras. Con estos esfuerzos se comprueban las secciones seleccionadas y si del cálculo se desprende que esta elección ha sido mal realizada, tanto por defecto como por exceso, se procede al recálculo de todo el pórtico hasta conseguir un encaje adecuado de sus dimensiones. Este encaje se consigue tras varios ciclos de cálculo.

Con estos condicionamientos la estructura seleccionada está prácticamente optimizada ya que en cada ciclo de cálculo se rechazan los perfiles que no cumplen, las limitaciones tanto por exceso como por defecto.

En la selección de perfiles se sigue la norma MV-103, para ello se consideran los siguientes datos:

a) Para las vigas se ha de indicar: el tipo de sección a utilizar (LPN,rPE,etc), sin que necesariamente sea el mismo para todas las barras del pórtico, y si se disponen o no cuchillos de refuerzo en sus extremos.

Los perfiles seleccionados son siempre los de menor dimensión que verifican las limitaciones de flecha y resistencia.

b) Para los pilares se ha de indicar: el tipo de sección y separación de perfiles, si se trata de una pieza compuesta.

En la selección de los perfiles se tiene en cuenta su posible pandeo de acuerdo con la aplicación rigurosa de la norma MV- 103, contemplándose también el posible pandeo fuera del plano del pórtico e incluyéndose además la actuación de momentos transversales.

Al igual que para las vigas, las secciones elegidas son siempre las de menor dimensión que cumplen la limitación de resistencia.

De este modo, los perfiles seleccionados en el programa responden a una optimización al peso del sistema estructural.

Estos programas incluyen además, el autodimensionamiento optimizado de zapatas y placas de anclaje y el dibujo por impresora del pórtico completo. Así como también, suministran ficheros DXF compatibles con autoCAD, roboCAD, versaCAD y CadKey con los que se consigue el diseño gráfico del pórtico incluidos detalles constructivos.