Sistema de cerchas escalonadas

El sistema de cerchas escalonadas es un tipo de armazón de acero estructural que se utiliza en edificios de gran altura. El sistema consta de una serie de cerchas de un piso de altura que abarcan el ancho total entre dos filas de columnas exteriores y están dispuestas en un patrón escalonado en líneas de columnas adyacentes. William LeMessurier, el fundador de la firma de ingeniería LeMessurier Consultants de Cambridge, Massachusetts, ha sido reconocido por desarrollar este galardonado sistema como parte de su investigación en el Instituto Tecnológico de Massachusetts.

El sistema de cerchas escalonadas surgió gracias a una investigación patrocinada en los Departamentos de Arquitectura e Ingeniería Civil del Instituto Tecnológico de Massachusetts en la década de 1960 por U.S. Steel. La investigación intentó lograr la misma altura de piso a piso con acero que con hormigón de placas planas. El sistema se presentó en la Conferencia AISC de 1966 (la predecesora de la actual Conferencia Norteamericana de Construcción en Acero). Los beneficios adicionales descubiertos fueron una alta resistencia a las cargas de viento y versatilidad de la disposición del piso con grandes áreas libres de columnas.

Se ha utilizado en varios trabajos de consultores de LeMessurier en hoteles, entre ellos el Lafayette Place Hotel en Boston y el Aladdin Hotel en Las Vegas. Otros lugares que utilizan este sistema son el Resorts International Hotel en Atlantic City, Nueva Jersey, el Embassy Suites Hotel en la ciudad de Nueva York, el Baruch College Academic Center en la ciudad de Nueva York, el Trump Taj-Mahal en Atlantic City, Nueva Jersey, y el Renaissance Hotel en Nashville, Tennessee.

El sistema de cerchas escalonadas para armazones de acero es un sistema estructural eficiente para departamentos de gran altura, hoteles, moteles, residencias estudiantiles y hospitales. La disposición de cerchas de pisos de altura en un patrón escalonado en líneas de columnas alternadas proporciona grandes áreas sin columnas para la disposición de las habitaciones. Estas áreas sin columnas se pueden utilizar para salones de baile, vestíbulos y otras áreas grandes.

El sistema estructural de cerchas escalonadas consta de cerchas de acero de la altura de un piso colocadas en líneas de columnas alternas en cada piso, de modo que el eje largo de una cercha siempre esté entre las cerchas del piso inferior. El sistema escalona las cerchas en un módulo de 12 pies, lo que significa que en cualquier piso dado las cerchas estaban separadas por 24 pies.

La interacción de los pisos, cerchas y columnas hace que la estructura funcione como una sola unidad, aprovechando al máximo la resistencia y rigidez de todos los componentes simultáneamente. Cada componente realiza su función particular, totalmente dependiente de los demás para su desempeño.

El armazón total se comporta como una viga en voladizo cuando se somete a cargas laterales. Todas las columnas se colocan en la pared exterior del edificio y funcionan como las alas de la viga, mientras que las cerchas que abarcan el ancho transversal total entre las columnas funcionan como el alma de la viga en voladizo.

Si bien los sistemas de cerchas escalonadas anteriores utilizaban canales para las diagonales y verticales del alma, hoy la mayoría de las cerchas están diseñadas con secciones estructurales huecas (HSS) para los miembros verticales y diagonales porque son estructuralmente más eficientes y más fáciles de fabricar. Las cerchas se fabrican con comba para compensar la carga muerta y se transportan al sitio, se almacenan y luego se erigen, generalmente en una sola pieza.

La fabricación de este tipo de estructura requiere soldadores certificados y grúas aéreas capaces de levantar cerchas y columnas de 10 a 15 toneladas para proyectos de hasta 20 pisos. La fabricación involucra los siguientes componentes: columnas, vigas de tímpano, cerchas, columnas y vigas secundarias y el sistema de piso.

• Grandes áreas abiertas para salones de baile, u otro amplio concourse son posibles en el primer piso, porque las columnas están ubicadas sólo en las caras exteriores del edificio. Esto permite espacios hasta 60 pies en cada dirección con columnas que a menudo sólo aparecen en el perímetro de una estructura. Esto también aumenta la flexibilidad de diseño, especialmente para la colocación de atrio y los planos de planta abierta.
• Los lazos de piso pueden ser cortas longitudes de la bahía, mientras que proporcionan dos espaciamiento de la bahía de la columna para los arreglos de la habitación. Esto resulta en alturas bajas de piso a piso. Típicamente, se alcanza una altura de 8'-8" de piso a piso.
• Las columnas tienen momentos mínimos de flexión debido a la gravedad y las cargas de viento, debido a la acción de dos planos del sistema de encuadre.
• Las columnas están orientadas con su fuerte eje resistiendo fuerzas laterales en la dirección longitudinal del edificio.
• Se pueden realizar reducciones máximas de carga en vivo porque las áreas afluentes pueden ajustarse para satisfacer los requisitos de código.
• Las fundaciones sólo están en filas de columnas y pueden consistir en dos pasos de tira. Debido a que las cargas verticales se concentran en unos pocos puntos de columna, se requiere menos forma de fundación.
• La derivación es pequeña, porque el marco total está actuando como una trusa rígida con cargas axiales directas sólo actuando en la mayoría de los miembros estructurales. La curvatura secundaria se produce sólo en los acordes de los trees.
• Los aceros de alta resistencia se pueden utilizar para aprovechar, ya que todos los miembros y columnas de truss son sometidos, para todos los fines prácticos, a cargas axiales solamente.
• Una estructura de acero ligero se logra mediante el uso de aceros de alta resistencia y un sistema eficiente de encuadre. Dado que esto reduce el peso de la superestructura, hay un ahorro de costos sustanciales en el trabajo de fundación.
• Más rápido para construir que estructuras de hormigón comparables. Una vez que se erigen dos pisos, la instalación de la ventana puede comenzar y permanecer justo detrás de la erección de acero y suelo. No se pierde tiempo en la espera de otros oficios, como albañiles, para empezar a trabajar. Excepto fundaciones, tablas de topping y grouting, se eliminan todos los oficios "wet".
• Resistencia al fuego; el acero se localiza a los trusses, que sólo ocurren en cada 58-a-70 pies en un suelo, por lo que la operación de impermeabilización puede completarse eficientemente. Además, las treas se colocan típicamente dentro de las paredes desmontables y es posible que la calificación de fuego necesaria pueda ser enteramente cerrando los trusses con el tablero de yeso. Por último, si se desea la protección de pulverización, el espesor aplicado se puede mantener al mínimo debido a la naturaleza compacta de los elementos de truss.

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