La ingeniería civil es una disciplina fundamental que se encarga del diseño y construcción de estructuras esenciales para nuestra sociedad, como edificios, presas, autopistas, puentes, túneles y estadios. La solidez y seguridad de estas estructuras son primordiales para el uso público. Dentro de este vasto campo, las celosías juegan un papel crucial, siendo componentes estructurales compuestos por elementos conectados que generalmente forman unidades triangulares.
Las barras de una celosía pueden estar sometidas a tensión, compresión, o ambas, en respuesta a cargas dinámicas. La capacidad de distribuir las fuerzas de varias maneras ha propiciado una gran variedad de tipos de puentes en celosía. Una celosía pura se puede representar idealmente como una estructura articulada, donde las únicas fuerzas que soportan las barras son la tensión o la compresión, y no la flexión. Esta idealización es muy útil en la enseñanza de la estática, donde se utilizan maquetas de puentes construidas con espaguetis.
El Taller de Celosías con Espaguetis: Aprendizaje Activo
El taller de celosías es una experiencia docente diseñada para introducir a los estudiantes en la lógica estructural a través de una aproximación activa, proyectual y experimental. Utilizando espaguetis como material analógico, se plantean ejercicios progresivos que permiten comprender empíricamente el comportamiento de los elementos sometidos a tracción, compresión y flexión, así como la estabilidad geométrica de las estructuras trianguladas.
Los estudiantes, organizados en grupos, tienen el objetivo de diseñar y construir puentes utilizando fideos secos de espagueti como material principal, buscando maximizar la cantidad de peso que el puente puede soportar. Se sugiere incorporar en sus diseños algún patrón de construcción/ensamblaje que fortalezca los lados y la parte inferior del puente. Después de la construcción, los puentes se prueban aplicando peso hasta que fallan.
PUENTE DE FIDEOS - Modelacion Estructural - FAUA UNI
Este enfoque permite a los futuros ingenieros entender de manera intuitiva y amena la importancia de la eficiencia, la ligereza y la estética en el diseño estructural. Es una forma práctica de experimentar cómo las leyes del movimiento de Newton y los principios de la estática se aplican en la vida real.
El equilibrio es un requisito fundamental para garantizar la estabilidad de las infraestructuras civiles. Las cargas fluyen por los diferentes elementos estructurales desde su punto de aplicación hasta las conexiones de la estructura con el terreno. El flujo de la carga depende tanto de la forma de las estructuras (tipología estructural), como de las características de los elementos estructurales. Los principales mecanismos estructurales son la tracción, compresión, flexión, cortante y torsor.
Conceptos Estructurales Aplicados a las Celosías
- Tracción y Compresión: Las celosías son estructuras ideales para comprender la tracción y compresión. Un espagueti es frágil y, aunque puede soportar una modesta fuerza de tensión, se rompe fácilmente si se dobla. Esta propiedad lo convierte en un material excelente para observar el comportamiento bajo estas solicitaciones.
- Flexión: Se describe la importancia de la colocación del material y cómo la propiedad geométrica de la inercia mejora la capacidad resistente de los elementos estructurales que trabajan a flexión.
- Pandeo: Las celosías deben dimensionarse para acciones gravitatorias y de viento, que a menudo invierten los esfuerzos. Es vital considerar las longitudes de pandeo, especialmente en las barras a compresión.
Los programas de análisis de celosías actuales permiten editar la tipología de celosía, el canto, el número de subdivisiones o cualquier parámetro y evaluar en todo momento los kilos de material, el mayor axil de compresión o lo que se desee. Cuando el usuario cambia el valor de cualquier parámetro, la celosía se actualiza y recalcula automáticamente, y el sistema presenta dinámicamente los resultados. Aunque programas sencillos como los utilizados en el taller con espaguetis no escogen perfiles comerciales, se podrían mejorar limitando a valores diferentes las barras según sus familias para contemplar la variedad de longitudes de pandeo y acciones en diferentes hipótesis.
Evolución Histórica de los Puentes en Celosía
Los puentes en celosía son uno de los tipos más antiguos de puentes modernos. Su historia refleja la constante búsqueda de soluciones ingenieriles para salvar grandes luces.
- Primeros diseños: Debido a que la madera era un material de construcción abundante en los Estados Unidos, los primeros puentes con un diseño en celosía usaron generalmente secciones de madera cuidadosamente dimensionadas para las barras que trabajaban a compresión, reservando las barras de hierro para los elementos traccionados. Habitualmente se diseñaron como puentes cubiertos para proteger la parte estructural de las inclemencias atmosféricas.
- Siglo XIX y la era del metal: En 1820, se patentó la celosía de enrejado de Town. Los puentes en celosía se convirtieron en un tipo común de puente desde la década de 1870, cuando el metal (primero hierro forjado, luego acero) comenzó a reemplazar a la madera. El diseño del cordón superior como una cuerda de arco fue popular pero luego dio paso al diseño de la celosía Pratt, más fuerte.
- Siglo XX y estandarización: En la década de 1910, muchos estados desarrollaron planos estándar de puentes en celosía. Hasta la década de 1930, se continuaron construyendo masivos puentes de celosía de acero para largos vanos.
Clasificación y Ejemplos de Celosías
Los puentes en celosía pueden disponer el tablero en la parte superior, en la media o en la parte inferior de la celosía. Los puentes con el tablero de rodadura en la parte superior o inferior son los más comunes, permitiendo que ambas partes puedan ser convenientemente rigidizadas, formando una celosía en caja.
Tipos Comunes de Celosías
Existen numerosos tipos de celosías, cada una con características y aplicaciones específicas. A continuación, se detallan algunos de los diseños más relevantes:
- Celosía Allan: Ideada por el ingeniero civil australiano Percy Allan (1861-1930), diseñador de 583 puentes. La celosía Allan se caracterizó por el uso de corteza de hierro australiana para fortalecer la estructura.
- Puente Bailey: Un puente portátil prefabricado diseñado en 1941 para uso militar por el ingeniero civil inglés Donald Coleman Bailey. Fue una solución al mayor peso de los nuevos tanques de la Segunda Guerra Mundial, permitiendo el ensamblaje rápido sin herramientas especiales.
- Celosía Baltimore: Una subclase de la celosía Pratt, con arriostramiento adicional en la sección inferior para evitar el pandeo en las barras a compresión y controlar la deformación, principalmente utilizada en puentes ferroviarios.
- Celosía Bollman: Patentada en 1852 por Wendel Bollman, fue el primer diseño exitoso de puente completamente metálico que se usó consistentemente para ferrocarriles, empleando elementos traccionados de hierro forjado y comprimidos de hierro fundido.
- Celosía con cordón en arco (Bowstring arch truss): Patentada en 1841 por Squire Whipple. Aunque similar a un puente de arco atirantado, es una celosía cuyas diagonales soportan cargas.
- Celosía Brown: Utilizada en puentes principalmente de madera con metal solo en las barras en tensión. Patentada en 1857 por Josiah Brown Jr., fue común en los primeros puentes cubiertos en Estados Unidos.
- Celosía en arco Burr: Una combinación de un arco y un diseño de múltiples celosías kingpost. La combinación del arco y la celosía proporciona un puente más estable capaz de soportar un mayor peso que el arco o la armadura solos.
- Celosía en voladizo: Invierte la situación de tensión y compresión en parte del tramo. El típico puente en celosía en voladizo es un «voladizo equilibrado», permitiendo la construcción desde un mástil vertical central.
- Celosía Fink: Diseñada por Albert Fink y patentada en 1854. Se identifica por la presencia de múltiples barras diagonales que descienden desde la parte superior de los postes en una variedad de ángulos, a menudo sin cordón inferior.
- Celosía Howe: Patentada en 1840 por William Howe, incluye elementos verticales y diagonales que se inclinan hacia el centro, con diagonales comprimidas y miembros de la banda vertical traccionados.
- Celosía K: Deriva su nombre de la forma "K" que se forma por la orientación de los montantes verticales y las dos diagonales oblicuas en cada panel. Es una variante de la celosía Parker, derivada de la Pratt.
La inclusión de los elementos en el diseño de una celosía es en gran medida una decisión de ingeniería basada en la economía, un equilibrio entre los costos de las materias primas, la fabricación, el transporte, el montaje, la disponibilidad de maquinaria y el costo de la mano de obra. En otros casos, la apariencia de la estructura puede adquirir mayor importancia e influir en las decisiones de diseño.
Simulación y Diseño de Celosías Paramétricas
Hoy en día, las aplicaciones de análisis de celosías permiten a los ingenieros y estudiantes simular y optimizar diseños. Estas herramientas facilitan la modificación de parámetros y la evaluación dinámica de los resultados, como los kilos de material o el axil de compresión. Pueden parametrizar no solo celosías tipo «viga» sino también las de tipo «torre» y entramados bidimensionales.
La aplicación «madre» incluye un amplio catálogo de series de perfiles con sus inercias y radios de giro y efectúa el cálculo a pandeo según el CTE. Además, tras la parametrización inicial, incorpora múltiples herramientas y posibilidades para alterar nudos y barras de manera asistida, hasta modelizar cualquier celosía plana por extraña que sea.