Las estructuras espaciales de acero se componen normalmente de cuadrículas o unidades pequeñas casi idénticas y se utilizan comúnmente en sistemas de cubiertas. Estas estructuras de celosía suelen ser de doble capa (para garantizar la rigidez necesaria), aunque en algunos casos también pueden fabricarse con triple capa. Las estructuras planas de celosía son relativamente simples en diseño, cálculo y fabricación, lo que las convierte en una buena opción para cubiertas de diferentes luces.
La estructura espacial de acero es un sistema ligero y rígido de forma geométrica tridimensional. El marco de nudos esféricos suele emplear varillas de tracción y compresión dispuestas en múltiples direcciones. Toda la estructura trabaja bajo un estado de esfuerzos tridimensional. Sea cual sea el tipo de estructura de celosía, puede soportar cargas desde todas las direcciones y ofrecer un excelente comportamiento sísmico en edificios de gran luz.
Visión general de la estructura espacial y del sistema tradicional de celosía
La estructura espacial de acero es una estructura espacial de alta indeterminación con gran rigidez, buena integridad, fuerte resistencia a los terremotos y capacidad para soportar los efectos de asientos diferenciales. La estructura espacial de acero es ligera, utiliza menos acero y tiene una amplia gama de aplicaciones: desde luces pequeñas y medianas hasta grandes edificios de planta rectangular, circular o poligonal. Es ideal para edificaciones con amplias mallas de columnas, proporcionando suficiente espacio útil y permitiendo distribuirlo según las necesidades funcionales.
Gracias a estas características, la estructura espacial de acero se emplea ampliamente en diversos tipos de edificios: gimnasios, clubes, salas de exposiciones, teatros y estaciones de espera; así como en edificaciones industriales, almacenes, hangares y fábricas.
El método de unión de las barras en la cuadrícula es articulado, mientras que en la estructura de celosía las uniones están solo en el alma y en los extremos. En el modelo, aunque los cordones se interrumpen en los nudos, en realidad se conectan rígidamente, lo que reproduce con mayor precisión la situación real en obra.
Una estructura de celosía es una forma geométrica invariable compuesta por triángulos formados con barras rectas. Las uniones entre barras se denominan nudos. Según el eje de las barras y la distribución de las cargas externas, la celosía puede clasificarse en plana o espacial. Las estructuras espaciales, como cubiertas o puentes, están formadas por una serie de celosías planas paralelas. Si las cargas principales actúan en un plano, se puede simplificar su cálculo como una celosía plana.
Las celosías convencionales son rígidas y formadas por triángulos invariantes; las barras trabajan principalmente a tracción o compresión axial, ofreciendo una alta eficiencia estructural. Las estructuras de celosía tienen gran adaptabilidad para voladizos y grandes luces.
Por su parte, la estructura espacial de acero difiere al conformar secciones tridimensionales con almas y cordones que forman triángulos o rectángulos. La diferencia principal es que la celosía espacial posee direcciones principales y secundarias definidas, mientras que la estructura de rejilla (grid) no tiene esas direcciones marcadas.
Por tanto, aunque existen diferencias en el diseño y construcción de una estructura de celosía espacial y de una cuadrícula, ambas comparten formas geométricas y métodos de conexión de barras. Las dos buscan estabilidad y capacidad portante asegurando la fiabilidad mediante geometrías y uniones racionales.
Es importante destacar que, ya sea una estructura espacial de acero o una estructura de celosía, la selección del material y la tecnología constructiva deben considerarse cuidadosamente para garantizar estabilidad y durabilidad. Además, estas tipologías desempeñan un papel creciente en la arquitectura moderna: no solo aportan gran capacidad portante, sino que también satisfacen las exigencias estéticas y de flexibilidad espacial.
Disposición estructural: marcos 3D y 2D
Las cuadrículas y las cubiertas de rejilla se agrupan bajo el término estructura espacial de acero. Este tipo de estructura espacial conecta múltiples barras mediante nudos formando figuras geométricas regulares, aprovechando plenamente las ventajas tridimensionales y simplificando la trayectoria de transmisión de cargas; resulta especialmente adecuada para edificaciones de gran luz.
Las estructuras compuestas por cuadrículas planas de doble o múltiple capa se denominan estructuras espaciales (rejillas), mientras que las formadas por cuadrículas curvas de una o dos capas se denominan cubiertas de rejilla.
Desde el punto de vista geométrico, en la estructura de celosía bidimensional todas las barras y líneas de nudos se encuentran en el mismo plano, formando una malla plana (por ejemplo, las cerchas de una cubierta o los trusses transversales de un puente).
En cambio, en la estructura espacial de acero tridimensional las barras y nudos se disponen en el espacio, generando una red tridimensional con altura, ancho y profundidad, como el techo de un estadio o la torre de transmisión.
Las estructuras espaciales de gran luz suelen componerse de varios subconjuntos cuyos efectos se interrelacionan; por eso, el análisis de sensibilidad resulta esencial para evaluar la importancia relativa de cada factor y optimizar el diseño.
A través de la parametrización, los diseñadores pueden identificar los factores que más influyen en el rendimiento estructural y mejorar la eficiencia general ajustando dichos parámetros.
Por ejemplo, modificar las condiciones de apoyo en puntos clave o variar las dimensiones de ciertas barras puede mejorar significativamente la estabilidad y capacidad de carga de la estructura espacial de acero.
Los estudios paramétricos permiten explorar ventajas y desventajas de distintos esquemas y elegir la opción más segura y económica, evitando complejidad y desperdicio de material. El análisis de sensibilidad ayuda a los ingenieros a elevar la eficiencia de diseño y reducir riesgos constructivos, garantizando un equilibrio óptimo.
En cuanto a las características de carga, las estructuras de celosía bidimensionales solo soportan cargas en su propio plano, como peso propio o esfuerzos horizontales, mientras que las estructuras espaciales de acero tridimensionales deben resistir cargas en los tres ejes (x, y, z): peso vertical, viento lateral y empujes horizontales.
Las barras interiores equilibran fuerzas multidireccionales que se manifiestan como esfuerzos axiales espaciales.
Tanto la estructura espacial de acero como la estructura de celosía son sistemas espaciales, pero difieren notablemente en su composición geométrica, nudos, comportamiento resistente y escenarios de aplicación.
La primera es una red tridimensional de doble o múltiple capa compuesta por unidades cortas y uniformes que forman una “cáscara tridimensional”, mientras que la segunda suele estar formada por conjuntos de barras principales unidas por nudos en marcos tridimensionales lineales, como las celosías cruzadas de un marco espacial.
Componentes detallados de las estructuras espaciales y de celosía
Primer tipo de estructura espacial de acero
Se compone de un sistema de celosías planas.
- Cuadrícula ortogonal bidireccional: formada por dos conjuntos de sistemas de celosías planas cuyos ejes proyectados en el plano forman un ángulo de 90°, generando cuadrículas rectangulares o cuadradas.
- Cuadrícula ortogonal inclinada: se obtiene rotando la cuadrícula ortogonal 45°; el ángulo de intersección sigue siendo de 90°, pero cada celosía no es paralela al eje del edificio sino inclinada 45°, creando un entramado diagonal.
- Cuadrícula tridireccional: posee mayor rigidez que la bidireccional y se utiliza en grandes luces. Es apta para plantas triangulares, trapezoidales o hexagonales, e incluso circulares.
Segundo tipo: estructura espacial de acero compuesta por pirámides de cuatro vértices
Los cuatro cordones superiores forman una base cuadrada y el vértice se ubica por debajo de su centroide. Cuatro almas unen los vértices de la base con el ápice formando una pirámide de cuatro lados. Al conectar varias pirámides según un patrón, se obtiene una cuadrícula piramidal.
- Cuadrícula tetraédrica recta: las bases son paralelas al eje del edificio; las bases forman el cordón superior y los ápices el inferior. Ambos cordones tienen igual longitud y están desplazados medio vano.
Tercer tipo: estructura espacial de acero compuesta por pirámides triangulares
La unidad básica es un tetraedro regular formado por tres cordones y tres barras diagonales. Puede colocarse en posición normal o invertida.
- Cuadrícula de pirámides triangulares: los vértices se conectan formando triángulos equiláteros en las capas superior e inferior.
- Cuadrícula tipo panal: también compuesta por unidades triangulares, pero con nodos donde las barras superiores e inferiores están en el mismo plano vertical, conectadas por seis barras. Este tipo de estructura de celosía utiliza menos acero y distribuye mejor los esfuerzos, aunque el patrón hexagonal complica el diseño del panel de cubierta.
Clasificación de componentes principales de las estructuras de celosía
- Sistema de barras: compuesto por cordones (superior e inferior) y almas (diagonales o verticales), generalmente de tubos circulares o cuadrados de acero. Forman triángulos o polígonos conectados en los nudos para dispersar las cargas tridimensionalmente.
- Estructura de nudos: incluye nudos soldados, atornillados o articulados. Por ejemplo, el corredor octogonal del Edificio Nacional de Información Financiera de Pekín usa uniones articuladas con soportes deslizantes de alta precisión.
- Sistema de apoyo: dividido en apoyo fijo, deslizante unidireccional y bidireccional, garantizando la transmisión de cargas y la compatibilidad de deformaciones. El truss pretensado del Centro de Convenciones del Hotel Oriental de Cantón utiliza anclajes de manguito que resisten hasta 4500 kN.
Comportamiento estructural y distribución de cargas
Las estructuras espaciales de acero y las estructuras de celosía difieren notablemente en su comportamiento y forma de transmitir cargas.
Las cuadrículas tridimensionales son sistemas de esfuerzos espaciales: sus barras trabajan axialmente y las cargas se difunden en múltiples direcciones, otorgando gran rigidez y estabilidad global.
Por ejemplo, las características bidireccionales de las cuadrículas permiten dispersar eficazmente las cargas en grandes luces como estadios o terminales.
Los nudos de bola atornillada o soldada concentran los ejes de las barras en el centro, evitando momentos flectores y mejorando la rigidez. La distribución de cargas es uniforme, ideal para formas circulares o hexagonales, y ofrece excelente desempeño sísmico.
En cambio, las estructuras de celosía son sistemas planos o espaciales unidireccionales formados por cordones y almas que trabajan a tracción o compresión axial.
El cordón principal absorbe los esfuerzos axiales derivados del momento flector, mientras el alma transmite el cortante.
Su rigidez lateral es menor, por lo que requieren apoyos adicionales para mantener la estabilidad.
Flexibilidad de diseño y potencial estético
En primer lugar, la estructura espacial de acero permite reducir columnas y muros.
Comparada con las estructuras tradicionales, ofrece mayor resistencia y estabilidad, aumentando la superficie útil y la libertad de distribución interior.
Gracias a la reducción de apoyos, la estructura espacial de acero crea espacios continuos, mejor ventilados e iluminados, elevando el confort del edificio.
En segundo lugar, la gran capacidad portante del acero posibilita cubiertas de amplias luces sin interrupciones.
Mientras las estructuras convencionales dividen el espacio en módulos pequeños, la estructura de celosía metálica minimiza los puntos de apoyo y amplía el espacio continuo, mejorando ventilación y luminosidad.
Además, los componentes de la estructura espacial de acero son modulares y desmontables.
Frente a sistemas tradicionales, las piezas se estandarizan para facilitar montaje, desmontaje y reconfiguración según nuevas funciones o necesidades.
Durante la vida útil del edificio, si se requiere redistribuir el espacio, la estructura puede desmontarse y montarse de nuevo, incrementando la flexibilidad y adaptabilidad.
Velocidad de construcción e instalación
La estructura espacial de acero permite una construcción modular y rápida.
Gracias a su prefabricación en planta, reduce trabajos húmedos y tiempos de obra.
Las cuadrículas se fabrican y ensamblan en taller y se trasladan al sitio para su montaje, ahorrando gran parte del tiempo respecto al hormigón tradicional.
El diseño modular posibilita también ampliaciones o reconstrucciones parciales, favoreciendo la reutilización del edificio.
Ventajas de la prefabricación y ensamblaje atornillado
Los nudos son elementos clave de transmisión de cargas.
Existen nudos esféricos soldados (fabricados por prensado en caliente) y nudos atornillados con bolas forjadas.
Los primeros alcanzan una resistencia del 95 % del material base, adecuados para grandes luces; los segundos permiten control de precisión ±0,5 mm y montaje rápido en obra, ideales para estructuras de celosía de tamaño medio.
Complejidad del sitio y requisitos de instalación
La estructura espacial de acero suele montarse en altura mediante procedimientos simples que no requieren grúas de gran tonelaje.
La clave está en el “marco de inicio”: una vez instalado, se continúa con el montaje en voladizo de pequeñas pirámides cuadrangulares hasta completar toda la cuadrícula.
Coste, eficiencia del material y valor a largo plazo
En la ingeniería moderna, tanto la estructura espacial de acero como la estructura de celosía destacan no solo por su rendimiento estructural sino también por sus ventajas en control de costos, eficiencia de material y sostenibilidad.
Ambas reflejan la búsqueda de alto desempeño y bajo consumo energético en la arquitectura actual.
Desde la perspectiva del aprovechamiento del material, ambas emplean componentes estandarizados para lograr máxima capacidad portante con la menor cantidad de acero.
La cuadrícula tridimensional utiliza barras cortas y densas que dispersan los esfuerzos, mientras que la estructura de celosía organiza barras principales y secundarias más largas, alcanzando gran capacidad con menos elementos.
En ambos casos se obtiene el máximo rendimiento estructural con mínimo uso de acero, reduciendo costos iniciales.
Durante la construcción y mantenimiento, las ventajas de prefabricación y estandarización son claras: se fabrican con precisión en planta y solo requieren montaje eficiente in situ, reduciendo tiempos, costos climáticos y mano de obra.
Las piezas de acero son fáciles de sustituir y mantener; si se dañan parcialmente, no se necesita demoler todo el sistema, minimizando gastos y tiempos de inactividad.
En cuanto a durabilidad y adaptación ambiental, la estructura espacial de acero y la estructura de celosía presentan gran resistencia a la corrosión y a las altas temperaturas.
Con tratamientos anticorrosivos avanzados, pueden resistir viento, lluvia y radiación durante décadas manteniendo la estabilidad estructural.
Además, ambas ofrecen un alto valor residual: sus componentes se pueden reciclar o fundir para producir nuevo acero, reduciendo residuos y apoyando la construcción verde.
Conclusión
Las estructuras espaciales de acero y las estructuras de celosía han transformado las limitaciones espaciales de la arquitectura tradicional gracias a su rendimiento y flexibilidad de diseño.
Reduciendo apoyos interiores, liberan mayor espacio; la modularidad acelera la construcción y mejora la sostenibilidad, alineándose con la tendencia de los edificios verdes.
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