¿Qué es un sistema de estructura de celosía espacial?
Las estructuras de celosía espacial, también conocidas como estructuras de celosía esférica, son sistemas ligeros y rígidos que forman un patrón geométrico tridimensional. Un sistema de estructura de celosía espacial utiliza barras de tracción y compresión dispuestas en múltiples direcciones para lograr una estabilidad superior.
Estas estructuras funcionan bajo condiciones de carga tridimensionales, lo que les permite soportar cargas provenientes de todas las direcciones. Son especialmente efectivas en edificios sismorresistentes con grandes luces. Existen tres tipos principales: celosías planas, marcos de celosía esférica curvada y marcos de celosía esférica de techo plano. Sus ventajas incluyen una construcción liviana y la posibilidad de adoptar diversas formas. En las celosías planas, todos los miembros y nodos se encuentran en un mismo plano, mientras que en las estructuras esféricas, los elementos pueden extenderse en planos tridimensionales.
Cuando los ejes de los miembros de la celosía y las fuerzas externas que actúan sobre ellos no están en el mismo plano, la estructura formada al conectar las barras en sus extremos para resistir flexión se denomina sistema de estructura de celosía espacial, también conocido como estructura tridimensional de celosía. Generalmente está compuesta por dos celosías planas conectadas a cierta distancia. Las celosías planas tienen buen rendimiento en el plano, pero su rigidez fuera del plano es relativamente baja.
Para garantizar la integridad del sistema de estructura de celosía espacial, se deben instalar diversos soportes. Sin embargo, la disposición de estas estructuras de apoyo suele consumir mucho material y debe controlarse mediante la esbeltez, lo que impide aprovechar completamente la resistencia del material. Las estructuras espaciales pueden evitar eficazmente estas deficiencias y se clasifican en triángulos regulares, triángulos invertidos y rectángulos según su forma de sección transversal.
Componentes y materiales utilizados en el sistema de estructura de celosía espacial
En comparación con las secciones transversales rectangulares, las estructuras de celosía espacial con secciones triangulares reducen el número de varillas de conexión. Cuando el vano es grande, el cordón superior tiene una sección mayor y soporta más compresión, por lo que puede dividirse en dos para formar una celosía espacial triangular invertida. Cuando el vano es pequeño, el cordón superior tiene una sección menor, por lo que conviene dividir el cordón inferior en dos, formando una celosía triangular regular. Cuando los dos cordones inferiores se cruzan en un punto del nodo de apoyo, se forma una estructura con forma de huso, también llamada celosía tipo huso.
El sistema de estructura de celosía espacial ofrece una gran rigidez fuera del plano, facilidad de izado y ahorro en acero de soporte. Sin embargo, los cálculos estructurales son complejos, los ángulos espaciales de las barras suelen ser no enteros, la estructura nodal es complicada y las exigencias de soldadura son elevadas. Aun así, todos los tipos de sistema de estructura de celosía espacial pueden soportar cargas en todas direcciones, siendo ideales para edificios con amplias distancias de colapso sísmico. Las unidades básicas más comunes incluyen pirámides cuadrangulares y pirámides triangulares, que juntas forman un sistema completo de marco de unión esférica.
Tipos de sistema de estructura de celosía espacial
Clasificación según la composición estructural
Celosías planas: Todos los miembros y nodos se encuentran en el mismo plano, y se utilizan a menudo para estructuras simplificadas o soportes locales (como las cerchas de techos de edificios). Todos los miembros son coplanares y solo pueden soportar cargas dentro del plano, siendo adecuados para aplicaciones con cargas concentradas y pequeños vanos. Su estructura simple, fácil fabricación y bajo costo proporcionan una alta eficiencia de material y fuerzas claramente definidas (solo axiales).
Celosías espaciales: Los miembros y nodos se combinan en tres dimensiones para formar una estructura espacial estable, adecuada para aplicaciones con grandes vanos y cargas complejas (como estadios y soportes de naves espaciales). La disposición tridimensional permite resistir cargas multidireccionales, como el viento y los efectos sísmicos. Presentan gran estabilidad general y pueden resistir eficazmente la deformación fuera del plano, aumentando el espacio utilizable y reduciendo componentes de soporte.
Clasificación según la forma geométrica
Sistemas de pirámide triangular: Formados por unidades de pirámides triangulares, ofrecen alta estabilidad (propia del triángulo) y se utilizan comúnmente en estructuras de carga pesada (como plantas industriales).
- Estructuras de carga pesada: plantas industriales, soportes de equipos pesados (como talleres de altos hornos en acerías que soportan más de 50kN/m²)
- Grandes luces: cerchas principales de estadios (luz ≥ 60m), techos de terminales aeroportuarias
- Alta estabilidad: la geometría triangular distribuye uniformemente los esfuerzos y la rigidez lateral alcanza 1/150~1/200 de la relación de luz
- Distribución de carga: Los elementos cónicos convierten las cargas verticales en fuerzas axiales, reduciendo los momentos flectores (por ejemplo, el pabellón central del Centro Nacional de Exposiciones utiliza un sistema de conos invertidos, reduciendo el consumo de acero en un 25%)
Sistemas de pirámide cuadrangular: Compuestos por unidades de pirámides cuadrangulares, pueden combinarse mediante disposición vertical, oblicua o escalonada, adaptándose a distintos requerimientos de luz (como pabellones de exposición y aeropuertos).
- Optimización bidireccional de rigidez: Ajustando el ángulo de inclinación del cono (30°~60°), se equilibra la rigidez en y fuera del plano. Por ejemplo, el techo del Aeropuerto Internacional de Chengdu Tianfu usa una pirámide cuadrada inclinada a 45°, reduciendo el coeficiente de vibración por viento en un 30%.
- Mayor economía: se utiliza entre un 15% y 20% menos de acero que en estructuras de rejilla tradicionales (por ejemplo, el Centro de Convenciones Baiyun de Guangzhou)
- Sistema de superficie libre: forma geométrica irregular con barras curvas que crean soportes curvos para edificios especiales (como museos).
- Modelado paramétrico: Basado en tecnología BIM, se pueden lograr formas complejas (por ejemplo, la precisión de la superficie en forma de C de las columnas del Aeropuerto de Beijing Daxing alcanzó ±2mm).
- Adaptabilidad de carga: El coeficiente de forma de carga de viento (μs≤0.8) se optimiza mediante ajuste de curvatura. Por ejemplo, el valor de presión de viento de la celosía curva del Observatorio de la Torre de Shanghái alcanza 1.2kPa.
Clasificación según la dimensión de expansión
Expansión unidimensional: Utilizada para soportes lineales (como puentes y torres). Crea una estructura similar a una viga que se extiende en una sola dirección y resulta ideal para soportes lineales y luces pequeñas. Ofrece una estructura simple y de fácil construcción, permitiendo el montaje rápido de estructuras temporales. Ejemplos típicos incluyen las celosías de soporte en pasos peatonales elevados (como las vigas de celosía de acero de los puentes urbanos) y los soportes de techos en edificaciones temporales.
Expansión bidimensional: Aplicada a soportes planos o curvos (como pisos y cúpulas). Genera una estructura en forma de placa que se expande dentro de un plano, ideal para cubiertas o superficies que requieran amplias áreas de cobertura. Crea una superficie de soporte continua, reduciendo el número de nodos, y se emplea en techos de centros comerciales, estaciones de tren y pabellones de exposición sin columnas intermedias.
Expansión tridimensional: Empleada en conexiones de configuraciones complejas (como celosías de estaciones espaciales y grandes antenas parabólicas). Forma una estructura tridimensional capaz de conectar módulos en las tres dimensiones, proporcionando gran rigidez y resistencia a cargas multidireccionales. Puede ensamblarse en módulos expandibles, facilitando su transporte y montaje. Ejemplos incluyen las estructuras de antenas parabólicas para estaciones terrestres de satélite o los trusses de estaciones espaciales modulares.
Clasificación según funciones especiales
Nodos modulares (como nodos esféricos) y diseños de conexión rápida permiten el montaje en órbita o la expansión en obra (como en trusses de naves espaciales o edificios de emergencia). Este diseño modular hace que el sistema de estructura de celosía espacial sea ideal para construcciones temporales o de emergencia. Reduce los costos, acorta los ciclos de construcción y permite reutilización y adaptación a terrenos complejos.
Celosías tensadas: Combinadas con cables de tensión, la precompresión mejora la estabilidad, haciéndolas adecuadas para estructuras ligeras de gran luz (como cubiertas de estadios y techos extensos). El pretensado compensa deformaciones causadas por cargas, reduciendo el uso de material y creando estructuras livianas y estéticamente elegantes.
Distribución de carga y rendimiento estructural
Como forma estructural espacial eficiente, el sistema de estructura de celosía espacial de gran luz posee características únicas de soporte de carga. Bajo cargas, sus miembros soportan principalmente tracción o compresión axial, distribuyendo los esfuerzos de manera uniforme en toda la sección transversal. En una celosía triangular típica de acero, cuando se aplica una carga vertical uniforme, el cordón superior trabaja a compresión, el inferior a tracción, y las diagonales soportan tensión o compresión según su orientación.
Esta distribución permite aprovechar al máximo la resistencia del material. En comparación con una viga sólida sometida a flexión, una estructura de celosía espacial puede cubrir mayores luces con menos material bajo las mismas condiciones de carga. En estadios de gran tamaño, las celosías espaciales logran luces de cientos de metros con un peso relativamente bajo.
El acero aporta ventajas de alta resistencia, plasticidad y tenacidad. Su elevada resistencia permite que las celosías soporten grandes cargas, mientras que su plasticidad asegura que, ante cargas dinámicas (como sismos o vientos), la estructura absorba energía mediante deformación plástica, evitando fallas frágiles. Esto mejora la seguridad sísmica y la durabilidad estructural.
Por ejemplo, en zonas sísmicas, los marcos de acero con propiedades dúctiles mantienen la integridad estructural y reducen daños durante terremotos. Además, la excelente trabajabilidad del acero facilita la prefabricación en fábrica, aumentando la precisión y eficiencia constructiva. Los sistemas de estructura de celosía espacial ofrecen flexibilidad arquitectónica y amplios espacios sin columnas, siendo ampliamente usados en estadios, centros de exposición y terminales aeroportuarias.
Diseño, fabricación e instalación
Basado en dimensiones externas, coordenadas nodales y tablas de miembros proporcionadas por el instituto de diseño, se utilizan programas CAD y software de diseño detallado para dividir racionalmente la celosía y diseñar los nodos. La estructura principal se descompone en piezas individuales, dibujándose por separado. El diseño detallado de construcción incluye: plano general de ensamblaje, secuencia de montaje, dibujos de miembros, diagramas nodales y lista de materiales.
Corte
La estructura principal se corta a partir de tubos de acero, donde las uniones son intersecciones precisas. Los tubos se cortan en piezas pequeñas estándar siguiendo líneas de intersección, facilitando soldaduras más limpias y reduciendo desviaciones dimensionales.
Una máquina de corte por hilo o plasma automatiza el proceso, realizando cortes de extremos, orificios y codos en tubos metálicos redondos o cuadrados. Los modelos de plasma sirven para diversos metales, mientras que los de láser logran cortes biselados de alta precisión.
Montaje en obra
Primero, con una grúa se colocan los componentes sobre el encofrado, asegurando la posición según los planos del sistema de estructura de celosía espacial. Si la desviación excede el rango permitido, se permite corrección por calentamiento (sin superar la temperatura de normalización). Luego se sueldan los cordones y las diagonales, controlando las dimensiones con precisión para asegurar el posterior montaje.
Aplicaciones típicas en diversas industrias
Hoy en día, los sistemas de estructura de celosía espacial se utilizan ampliamente en puentes, estadios, aeropuertos y estaciones ferroviarias. También se aplican en cubiertas de grandes entradas industriales y comerciales. Las estructuras de celosía tubular esférica son comunes en motocicletas, automóviles y escenarios móviles de gran escala.
Ejemplos notables de estructuras de celosía espacial incluyen:
Puente: Puente Forth Rail
Uno de los primeros grandes usos de la estructura de celosía espacial fue este puente ferroviario de doble vía. Su vano principal consta de tres enormes trusses en voladizo conectados por una celosía central más corta. Los cordones tubulares superior e inferior están unidos por diagonales tubulares, formando un marco tridimensional rígido que resiste cargas de viento extremas y cumple estrictos requisitos de seguridad.
Estadio: Houston Dome
El primer estadio cubierto climatizado del mundo. Su techo, una cúpula geodésica de doble capa de 218 metros de diámetro, está compuesto por elementos de rejilla conectados mediante nodos atornillados o soldados. Este sistema de estructura de celosía espacial cubre todo el estadio sin columnas internas, creando un enorme espacio libre.
Aeropuerto: Terminal 1 del Aeropuerto Charles de Gaulle (París)
El edificio principal está formado por pirámides invertidas de hormigón armado, cuya cubierta y muros emplean un sistema de estructura de celosía espacial tridimensional. Este sistema logra grandes luces, una apariencia icónica y espacio intermedio para instalaciones técnicas, demostrando la integración entre funcionalidad y estética.
Conclusión
Con más de dos décadas de experiencia, XTD Steel Structure se especializa en el diseño y fabricación de sistemas de estructura de celosía espacial. Desde rascacielos hasta puentes y estadios, la empresa ha completado miles de proyectos de referencia, uniendo artesanía, ingeniería avanzada y calidad profesional para llevar la excelencia estructural a cada rincón del mundo.
