El principio fundamental de las cerchas es unir elementos rectos para formar triángulos.Esto permite soportar cargas transversales, entre dos apoyos, usando menor cantidad de material que el usado en una viga, pero con el inconveniente de que los elementos ocupan una altura vertical considerable.
Figura 5.3 Bases del funcionamiento de las cerchas
Como se ve en la figura 5.3 anexa, la unión entre dos puntos puede hacerse con un arco lineal formado por dos elementos inclinados a compresión (figura a), restringidos por dos apoyos que le dan el empuje para que no se abran; el empuje horizontal puede reemplazarse por un tensor que una los dos elementos inclinados, con lo que se libera a los apoyos del empuje hacia fuera, figura (b). También puede soportarse la carga con dos tensores y un elemento horizontal a compresión, figura (c). Este caso es más escaso pues debe tenerse espacio libre debajo para desarrollar los tirantes. Esta disposición triangular permite soportar una carga fácilmente, con una deflexión muy pequeña si se la compara con la de una viga de igual luz. La viga permite sin embargo usar una altura transversal pequeña.
Si las cargas se aplican exclusivamente en los nudos (figura b), como es lo usual, no se produce la flexión que se presenta (figura a) en los arcos cuando se aplican cargas concentradas. En cerchas de cubiertas en las cuales las cargas son livianas es común aceptar que las cargas no se apliquen en los nudos, pero deberá evaluarse la combinación de efectos de flexión y compresión.Figura 5.4Flexión por cargas interiores v.s. cargas en los nudosEn general en las cerchas cuando se aplican las cargas en los nudos solo se presentan fuerzas internas de tipo axial que se reparten de manera semejante a lo presentado en las vigas; los miembros de la cuerda inferior están a tensión y los miembros de la cuerda superior a compresión.
Figura 5.5 Cercha de cuerdas paralelas
En los miembros de la cuerda superior a compresión se pueden presentar problemas de pandeo que conducen a problemas de inestabilidad lateral. Es necesario entonces aumentar el momento de inercia de la sección y controlar la longitud de ellos, mediante miembros secundarios adicionales, para evitar fallas prematuras y súbitas por pandeo. En la mayoría de los casoses necesario colocar dos cerchas en paralelo y arriostrarlas para controlar la inestabilidad (ver figura 5.5 ). Los miembros a tensión no presentan esos comportamientos y su resistencia dependerá de la sección, del material y la bondad de las uniones, que les permitan llegar a su capacidad máxima.
Figura 5.6 Viga Vierendeel de acero usada en puente peatonal
En muchas aplicaciones cuando las cargas no son muy grandes se suprimen los diagonales, para formar la denominada viga Vierendeel. La estabilidad de ésta se obtiene mediante uniones rígidas en los nudos, resistentes a momento, por lo que es necesario usar materiales como el acero o el concreto, que permiten realizar uniones rígidas, soldadas o monolíticas, fácilmente.
Figura 5.7 Cercha de madera estructural usada en techos
En las cerchas livianas usadas para techos los materiales más usados para su construcción son el acero, la madera estructural, y el aluminio. En estas estructuras las uniones de los miembros son las partes más críticas en su construcción. En el caso del acero se hacen soldadas, o con pernos y cartelas. En madera se realizan con pernos o puntillas.
Figura 5.8 Uniones de doble cortante mediante pernos
Para mejorar la eficiencia de las uniones con pernos y aumentar el área de contacto del perno con la madera, en los países donde existe una producción industrial de estructuras de madera, se usan anillos suplementarios de acero como los mostrados en la figura 5.8. En el país casi nunca se usan.
Anillos para uniones de cerchas con madera
Existen numerosas clasificaciones de las cerchas según su inventor o propagador: Pratt, Howe, Warren; y según su forma: dientesierra, tijera, tipo K.
Figura5.9.aclasificación de cerchas según su forma
Figura 5.9.b tipos de cerchas según su inventor
En los textos de Ingeniería estructural y Estática se presentan los diferentes métodos de análisis de las cerchas: método de los nudos, método de las secciones, usados con el fin de determinar las fuerzas internas de tensión o compresión de los miembros, que el estudiante de ingeniería civil lector de estas conferencias ya debe conocer.
Aún se presentan en algunos textos los métodos gráficos basados en el «diagrama de Cremona», empleados por algunos profesionales: ingenieros y arquitectos para el análisis de cerchas sencillas usadas en techos yque aún son un buen recurso para enseñanza en las facultades de arquitectura y construcción, donde los estudiantes carecen de formación matemática para manejar los métodos matriciales modernos. En ingeniería civil se manejan los métodos matriciales de análisis basados en el concepto de la rigidez, que emplean la gran capacidad y rapidez de hacer operaciones de los computadores.
