Caracterización y Clasificación según la Configuración Geométrica (Tipologías) de Vigas Metálicas de Celosía, Reticulares o Entramados en Acero Armadas o Fabricadas a Medida para Bogotá y Colombia.

Introducción a la Tipología Geométrica y su Importancia en Vigas de Celosía

Las vigas de celosía, también conocidas como vigas reticulares o entramados, representan una solución estructural fundamental en el ámbito de la construcción con acero, especialmente en Colombia donde la versatilidad y eficiencia de las estructuras metálicas armadas o fabricadas a medida son altamente valoradas. Estas vigas, compuestas por elementos individuales conectados en nudos para formar una estructura triangulada (en la mayoría de los casos), deben su eficacia a la manera en que distribuyen las cargas: predominantemente a través de esfuerzos axiales (tracción o compresión) en sus barras componentes. Una de las formas más importantes de categorizar estas estructuras es mediante su configuración geométrica o tipología, la cual dicta no solo su apariencia visual, sino también su comportamiento estructural, eficiencia en el uso de material y adecuación para diferentes aplicaciones y luces a cubrir.

Disposición de Elementos y Factores Clave en la Selección de la Tipología Geométrica

La clasificación geométrica se centra en la disposición espacial de los elementos principales que conforman la viga de celosía: los cordones (superior e inferior) y el alma o celosía propiamente dicha (compuesta por diagonales y, en algunos casos, montantes verticales). La elección de una tipología específica responde a múltiples factores, incluyendo las cargas esperadas, la luz a salvar, las limitaciones de altura (peralte), consideraciones arquitectónicas, facilidad de fabricación y montaje, y optimización del peso propio. En el contexto colombiano, y particularmente en ciudades con alta actividad constructiva como Bogotá, la selección adecuada de la tipología geométrica es un paso determinante en el diseño de estructuras metálicas eficientes y seguras para edificaciones industriales, comerciales, puentes peatonales, cubiertas de grandes luces y otras aplicaciones.

Componentes Geométricos Fundamentales de las Vigas de Celosía

Antes de adentrarnos en las tipologías específicas, es pertinente definir los elementos geométricos clave que las componen:

• Cordón Superior: Es el elemento longitudinal superior de la viga. Su geometría (recta, inclinada, curva) es una característica distintiva de muchas tipologías. Generalmente trabaja a compresión bajo cargas gravitatorias.
• Cordón Inferior: Es el elemento longitudinal inferior de la viga. Al igual que el superior, su forma es definitoria. Usualmente trabaja a tracción bajo cargas gravitatorias.
• Alma o Celosía: Es el conjunto de barras que conectan el cordón superior con el inferior. Está formada por:
  • Diagonales: Barras inclinadas que forman los característicos triángulos de la celosía. Su orientación (ascendente o descendente hacia el centro de la luz) define tipologías como Pratt o Howe y determina si trabajan predominantemente a tracción o compresión.
  • Montantes: Barras verticales que conectan directamente el cordón superior con el inferior en ciertos tipos de celosías. Pueden servir para reducir la longitud de pandeo de los cordones, proporcionar puntos de apoyo para cargas concentradas o estabilizar las diagonales. Su presencia o ausencia y su disposición definen subtipos de celosías.
• Nudos: Puntos de intersección donde concurren los cordones, diagonales y montantes. Aunque la clasificación geométrica no se centra en el detalle del nudo, la disposición de las barras que llegan a él es inherente a la tipología.
• Panel: Espacio comprendido entre dos montantes consecutivos o, en celosías sin montantes, entre los puntos de conexión de las diagonales a los cordones. La longitud y forma del panel influyen en el comportamiento local de los cordones.
• Peralte o Altura (h): Distancia vertical entre los ejes de los cordones superior e inferior. Es un parámetro geométrico crítico que afecta la rigidez y resistencia de la viga. Puede ser constante o variable a lo largo de la longitud.
• Luz (L): Distancia horizontal entre los apoyos de la viga. La relación entre el peralte y la luz (h/L) es un indicador importante de la esbeltez y eficiencia de la viga.

Elementos Constitutivos Básicos y su Rol Geométrico

Clasificación Principal: Vigas de Celosía de Cordones Paralelos

Una de las categorías más amplias y comúnmente utilizadas, especialmente para luces moderadas y grandes en cubiertas industriales, puentes y pasarelas en Colombia, son las vigas de celosía con cordones superior e inferior paralelos. Esto implica que el peralte de la viga es constante a lo largo de toda su longitud. Esta configuración simplifica la fabricación y el montaje. Dentro de esta categoría, existen varias tipologías clásicas que se diferencian por la disposición de las barras del alma.

Tipología Pratt

La viga tipo Pratt es una de las configuraciones más reconocibles y empleadas. Su característica geométrica distintiva es la orientación de sus diagonales: bajo cargas gravitatorias predominantes, las diagonales están inclinadas hacia abajo y hacia el centro de la viga.

• Geometría del Alma: Está compuesta por montantes verticales y diagonales. Las diagonales se disponen de tal manera que trabajan a tracción bajo cargas gravitatorias uniformemente distribuidas, mientras que los montantes verticales trabajan a compresión (excepto los montantes en los apoyos o bajo cargas concentradas específicas).
• Ventajas Geométricas: La disposición de las diagonales trabajando a tracción es ventajosa porque los elementos de acero son muy eficientes y esbeltos trabajando a tracción (no tienen problemas de pandeo). Esto permite optimizar el peso de las diagonales, que suelen ser los elementos más numerosos en el alma. Los montantes a compresión pueden diseñarse de manera más robusta para evitar el pandeo.
• Aplicaciones Comunes en Colombia: Ampliamente utilizada en cubiertas de naves industriales y bodegas (frecuentes en las zonas industriales de Bogotá y alrededores), puentes metálicos (peatonales y vehiculares de luces medias), y como vigas de soporte en entrepisos o mezzanines. Su simplicidad geométrica facilita la fabricación con perfiles estándar de acero disponibles en el mercado colombiano.
• Consideraciones de Diseño: El ángulo de las diagonales (usualmente entre 45° y 60° respecto a la horizontal) es un parámetro geométrico a optimizar. Ángulos muy agudos o muy obtusos pueden no ser eficientes. La separación entre montantes define la longitud del panel y afecta la longitud de pandeo del cordón superior comprimido.

Tipología Howe

La viga tipo Howe es, en cierto modo, la imagen especular de la Pratt en cuanto a la disposición de las diagonales.

• Geometría del Alma: También utiliza montantes verticales y diagonales. Sin embargo, las diagonales están inclinadas hacia arriba y hacia el centro de la viga. Esto provoca que, bajo cargas gravitatorias típicas, las diagonales trabajen a compresión y los montantes verticales (excepto los extremos) trabajen a tracción.
• Contexto Histórico y Geométrico: Originalmente desarrollada para estructuras de madera, donde era ventajoso tener elementos largos (diagonales) a compresión (madera) y elementos cortos (montantes) a tracción (barras metálicas). En estructuras totalmente de acero, esta ventaja generalmente desaparece, ya que el acero es eficiente tanto a tracción como a compresión, pero el pandeo de las diagonales comprimidas requiere secciones más robustas, lo que puede incrementar el peso comparado con una Pratt equivalente.
• Aplicaciones Actuales en Acero: Aunque menos común que la Pratt para vigas de acero nuevas en Colombia, todavía puede encontrarse en rehabilitaciones o en diseños específicos donde se busque deliberadamente esa configuración por alguna razón particular (por ejemplo, cargas invertidas predominantes o razones estéticas). También puede ser útil si los montantes deben transferir cargas de tracción significativas desde elementos colgados.
• Comparación Geométrica con Pratt: La principal diferencia radica en la inversión del rol predominante (tracción/compresión) entre diagonales y montantes debido a la simple inversión de la pendiente de las diagonales.

Distinción Geométrica y Comportamiento Típico: Pratt vs. Howe

Tipología Warren

La viga tipo Warren se caracteriza por una geometría del alma compuesta únicamente por diagonales que forman triángulos isósceles o equiláteros, alternando su inclinación. No utiliza montantes verticales en su forma más pura (Warren Simple).

• Geometría del Alma (Warren Simple): Las diagonales conectan alternativamente puntos del cordón superior e inferior. Esto crea una serie de triángulos. Bajo cargas distribuidas, las diagonales alternan entre tracción y compresión a lo largo de la viga.
• Ventajas Geométricas: Su simplicidad, al tener menos miembros que las Pratt o Howe (ausencia de montantes), puede traducirse en menor número de nudos y conexiones, simplificando la fabricación. La distribución de material en el alma puede ser bastante uniforme.
• Aplicaciones: Adecuada para una amplia gama de luces. Muy utilizada en puentes (especialmente ferroviarios históricamente, pero también carreteros y peatonales modernos) y en cubiertas. Su estética limpia la hace apreciada en diseños arquitectónicos vistos.
• Variaciones Geométricas:
  • Warren con Montantes: Se añaden montantes verticales en los vértices de los triángulos. Estos montantes no alteran la triangulación básica, pero sirven para reducir la longitud libre de los cordones (disminuyendo el riesgo de pandeo local o global del cordón comprimido) y para proporcionar puntos de conexión para vigas secundarias o cargas concentradas aplicadas entre los nudos principales. Esta variante es muy común en la práctica constructiva en Colombia para mejorar la eficiencia de los cordones.
  • Warren Doble (Double Warren) o Celosía en Doble T: Consiste en dos sistemas Warren desfasados y superpuestos. Esto crea una celosía más densa, con paneles más cortos. Geométricamente incrementa la rigidez y la redundancia, pudiendo ser útil para cargas pesadas o luces muy grandes, aunque aumenta la complejidad de los nudos.

La elección entre una Warren simple y una Warren con montantes depende de un balance entre la simplicidad de la primera y la eficiencia estructural que aportan los montantes en la segunda, especialmente para el cordón comprimido y la introducción de cargas. En Bogotá, donde las normativas de diseño sismorresistente son relevantes, la robustez adicional y los puntos de arriostramiento que facilitan los montantes pueden ser factores considerados en el diseño de estructuras importantes.

Comparación Geométrica: Warren Simple vs. Warren con Montantes

Tipología K

La viga tipo K presenta una configuración geométrica del alma bastante particular y menos común que las anteriores, pero con características interesantes para ciertas aplicaciones.

• Geometría del Alma: Se caracteriza por tener un par de diagonales en cada panel que se encuentran en un punto intermedio de un montante vertical. Visualmente, las diagonales forman una letra "K" (o una "K" invertida) en cada panel.
• Comportamiento Geométrico: Esta disposición tiene el efecto de reducir la longitud efectiva de los montantes sometidos a compresión, ayudando a prevenir su pandeo. Además, la forma en que se distribuyen las fuerzas a través de esta geometría puede ser beneficiosa para reducir los esfuerzos secundarios (momentos flectores) en los nudos y las barras, bajo ciertas condiciones de carga y diseño.
• Aplicaciones: Se ha utilizado en puentes de grandes luces y en estructuras sometidas a cargas pesadas. Su complejidad geométrica, con nudos donde concurren varias barras (dos diagonales encontrándose en un montante), puede hacer su fabricación más costosa. No es una tipología de uso generalizado en la edificación estándar en Colombia, pero puede considerarse en proyectos de ingeniería de mayor envergadura o con requisitos estructurales específicos.
• Ventajas Potenciales: Buena resistencia al pandeo de los miembros del alma. Posible reducción de esfuerzos secundarios si los ejes de las barras concurren adecuadamente en los nudos.
• Desafíos: Mayor complejidad de los nudos y de la fabricación en comparación con Pratt, Howe o Warren. Análisis estructural potencialmente más detallado requerido.

Atributos Geométricos de Celosías Comunes de Cordones Paralelos

Clasificación Principal: Vigas de Celosía de Cordones No Paralelos

Otra gran categoría de vigas de celosía incluye aquellas donde los cordones superior e inferior no son paralelos entre sí. Esto significa que el peralte de la viga varía a lo largo de su longitud. Estas geometrías suelen adoptarse para optimizar la estructura frente a la distribución de momentos flectores (que típicamente son mayores en el centro de la luz y menores en los apoyos para cargas distribuidas) o por razones arquitectónicas.

Tipologías Triangulares

Son vigas donde los cordones convergen o divergen, formando un perfil general triangular o trapezoidal. Son extremadamente comunes para cubiertas a dos aguas.

• Geometría General: Pueden tener el cordón inferior recto y el superior inclinado (formando un triángulo), o ambos cordones inclinados. El peralte es máximo en un punto (generalmente el centro o cumbrera) y disminuye hacia los apoyos.
• Viga Fink (Abanico): Es quizás la tipología triangular más utilizada para cubiertas de dos aguas en acero y madera.
  • Geometría del Alma: Su patrón de alma se caracteriza por diagonales y montantes dispuestos de forma que subdividen eficientemente los cordones superiores inclinados, reduciendo su longitud de pandeo. El patrón a menudo se asemeja a una 'W' o a múltiples 'W's (abanico), con diagonales cortas trabajando a compresión y otras más largas a tracción (dependiendo de la carga y configuración exacta). Los montantes suelen estar a tracción.
  • Variaciones: Existen múltiples variaciones de la Fink (Simple, Doble/Abanico, Triple) dependiendo de la luz a cubrir y el número de subdivisiones necesarias para el cordón superior. La geometría se adapta fácilmente a diferentes pendientes de cubierta.
  • Aplicaciones en Colombia: Es la solución por defecto para muchas cubiertas a dos aguas en bodegas, coliseos, centros comerciales y viviendas en todo el país, incluyendo Bogotá. Su eficiencia geométrica para soportar cargas de cubierta (peso propio, acabados, cargas de viento y ocasionalmente granizo o ceniza volcánica dependiendo de la región) la hace muy popular.
• Otras Formas Triangulares Simples:
  • King Post (Pendolón): La forma más simple de celosía triangular, con un solo montante central (pendolón) a tracción y dos diagonales a compresión. Adecuada solo para luces muy pequeñas.
  • Queen Post (Doble Pendolón): Similar a la King Post pero con dos montantes verticales y un elemento horizontal superior conectándolos, formando un trapecio central. Permite luces algo mayores que la King Post.
  • Celosías Triangulares a Medida: Para geometrías de cubierta complejas o requisitos arquitectónicos específicos, se pueden diseñar celosías triangulares con patrones de alma Pratt, Howe o Warren adaptados a la inclinación de los cordones.

Detalle Geométrico de Variaciones Comunes de la Celosía Fink

Tipologías Trapezoidales

Similar a las triangulares, pero el cordón superior no llega a un vértice único, sino que tiene una sección horizontal o inclinada más suave en la zona central. El cordón inferior suele ser recto y horizontal.

• Geometría General: Peralte máximo en la zona central, disminuyendo hacia los apoyos, pero con una transición más gradual que en una triangular pura. El cordón superior puede constar de dos tramos inclinados y uno horizontal central, o ser poligonal.
• Ventajas Geométricas: Se adapta bien a la distribución de momentos flectores en vigas simplemente apoyadas con cargas distribuidas (mayor momento al centro). Permite una altura estructural considerable en el centro sin necesidad de una pendiente muy pronunciada en los extremos.
• Patrones de Alma: Pueden utilizarse patrones tipo Pratt, Howe o Warren adaptados a la geometría de los cordones. La orientación de las diagonales se elige a menudo para que los miembros más largos trabajen a tracción.
• Aplicaciones: Comunes en puentes de carretera y ferrocarril de luces medias a grandes, donde la eficiencia estructural es primordial. También en cubiertas de grandes luces donde se requiere un peralte variable.

Clasificación Principal: Vigas de Celosía Curvas o de Forma Especial

Más allá de las configuraciones con cordones rectos (paralelos o no), existen tipologías que incorporan elementos curvos, ofreciendo tanto ventajas estructurales como estéticas significativas.

Tipología de Arco o Bowstring

Esta tipología se caracteriza por tener un cordón superior en forma de arco (generalmente parabólico o circular) y un cordón inferior recto que actúa como tirante, absorbiendo el empuje horizontal generado por el arco.

• Geometría Distintiva: La curva del cordón superior sigue aproximadamente la forma del diagrama de momentos flectores para una carga uniformemente distribuida, lo que la hace muy eficiente para este tipo de solicitación. El peralte es máximo en el centro y nulo (o mínimo) en los apoyos.
• Alma: El alma que conecta el cordón superior curvo con el cordón inferior recto puede adoptar diversas configuraciones, como diagonales tipo Warren, Pratt o incluso montantes radiales. La elección depende de la luz, las cargas y consideraciones de fabricación.
• Comportamiento Geométrico y Estructural: El cordón superior trabaja principalmente a compresión, mientras que el inferior trabaja a tracción. Las barras del alma transfieren el cortante. La forma curva ayuda a minimizar los esfuerzos en el alma bajo cargas uniformes.
• Aplicaciones en Colombia: Muy utilizada para cubiertas de grandes luces como coliseos, hangares, centros de convenciones y algunas iglesias o edificaciones singulares donde la estética del arco es deseada. También se emplea en puentes, especialmente peatonales o de carretera con un componente arquitectónico importante. Proyectos en Bogotá y otras ciudades principales a menudo recurren a esta forma para lograr espacios diáfanos y visualmente atractivos.
• Consideraciones: La fabricación del cordón curvo requiere equipos y técnicas específicas. El análisis debe considerar la estabilidad del arco comprimido.

Tipología Lenticular o de Lazo

Es una forma menos común pero geométricamente interesante, donde tanto el cordón superior como el inferior son curvos.

• Geometría Distintiva: El cordón superior es convexo (curvado hacia arriba) y el cordón inferior es cóncavo (curvado hacia abajo). Ambos cordones se encuentran en los apoyos. La forma general recuerda a una lente biconvexa.
• Comportamiento Geométrico y Estructural: Bajo cargas distribuidas, el cordón superior trabaja a compresión y el inferior a tracción. La curvatura de ambos cordones contribuye a equilibrar las fuerzas internas, resultando en una estructura potencialmente muy eficiente en términos de material. Las diagonales del alma suelen ser relativamente cortas.
• Alma: Puede configurarse con patrones Warren, Pratt u otros, conectando los dos cordones curvos.
• Aplicaciones Históricas y Actuales: Tuvo cierta popularidad en el siglo XIX para puentes de ferrocarril. Hoy en día es rara debido a su complejidad de fabricación y análisis, aunque su forma distintiva puede ser elegida por razones arquitectónicas en proyectos emblemáticos.
• Desafíos: La fabricación de ambos cordones curvos y su conexión precisa es compleja y costosa. El análisis estructural debe ser cuidadoso.

Características Geométricas de Celosías con Cordones No Paralelos o Curvos

Consideraciones sobre la Tipología Vierendeel

Aunque estrictamente hablando no es una celosía pura (ya que no basa su estabilidad únicamente en la triangulación y sus miembros experimentan flexión significativa), la viga Vierendeel se menciona a menudo en el contexto de las estructuras reticulares por su apariencia y función.

• Geometría Distintiva: Consiste en cordones superior e inferior paralelos (generalmente) conectados únicamente por montantes verticales rígidos. Carece completamente de diagonales. Esto crea una serie de marcos rectangulares o cuadrados.
• Comportamiento Estructural: La ausencia de diagonales implica que la transferencia de cortante y la estabilidad general se logran a través de la rigidez a flexión de los cordones y los montantes, y, crucialmente, de la rigidez de las uniones (nudos) entre ellos. Los miembros están sometidos a importantes esfuerzos axiales, cortantes y momentos flectores.
• Ventajas Geométricas/Arquitectónicas: Su principal ventaja es la creación de aberturas rectangulares limpias en el alma, lo que permite el paso de instalaciones (ductos, tuberías, cableado) o incluso la circulación de personas a través de la viga (en estructuras de gran tamaño). Estéticamente, ofrece un aspecto ordenado y moderno.
• Desventajas Estructurales y Económicas: Requiere miembros (cordones y montantes) mucho más robustos y pesados que una celosía triangulada equivalente para resistir los momentos flectores. Las uniones deben ser diseñadas y ejecutadas como uniones a momento (rígidas), lo cual es más complejo y costoso que las uniones articuladas asumidas en las celosías ideales. Por ello, su uso se justifica principalmente cuando las ventajas funcionales o estéticas superan el mayor costo y peso.
• Aplicaciones: Se utiliza en edificios donde se requiere integrar servicios en la altura de la viga, en puentes peatonales con requisitos estéticos específicos, o como elemento arquitectónico distintivo. En el contexto de Bogotá, podría encontrarse en edificios de oficinas modernos, centros comerciales o infraestructura de transporte que requieran integrar pasos de instalaciones de manera ordenada.

Aspectos Clave de la Geometría Vierendeel vs. Celosías Trianguladas

Factores Adicionales que Influyen en la Elección de la Tipología Geométrica

La selección de la configuración geométrica óptima para una viga de celosía armada o fabricada en acero en un proyecto específico en Colombia no depende únicamente de las categorías básicas descritas. Varios factores interactúan y deben ser considerados por los ingenieros estructurales y arquitectos:

• Luz a Salvar: Es uno de los factores primordiales.
  • Luces cortas (hasta 10-15m): Pueden ser eficientemente cubiertas por celosías simples como Pratt, Warren, o triangulares tipo King/Queen Post o Fink simple.
  • Luces medias (15-30m): Requieren tipologías más robustas o eficientes como Pratt, Warren (con montantes), Fink doble/abanico, o trapezoidales. El peralte se vuelve más crítico.
  • Grandes luces (más de 30-40m): Suelen requerir celosías de peralte variable (Trapezoidal, Arco), K, Warren Doble, o diseños optimizados. La relación peralte/luz (típicamente entre L/10 y L/20) es un parámetro de diseño clave. La optimización del peso propio es fundamental.
• Magnitud y Tipo de Cargas:
  • Cargas Uniformemente Distribuidas: Favorecen geometrías como Arco, Trapezoidal, Pratt y Warren.
  • Cargas Concentradas Pesadas: Pueden requerir la presencia de montantes en los puntos de aplicación (como en Warren con montantes o Pratt/Howe) para evitar la flexión local de los cordones. La geometría debe asegurar una distribución adecuada de estas cargas a los apoyos.
  • Cargas Dinámicas o Móviles (Puentes): La rigidez y la resistencia a la fatiga son importantes. Tipologías como Warren (simple o con montantes) y Trapezoidales son comunes. La densidad de la celosía (paneles más cortos) puede ser beneficiosa.
  • Posibilidad de Inversión de Cargas (Viento): La orientación de las diagonales (Pratt vs Howe) puede ser relevante si las cargas de succión del viento son significativas, ya que pueden invertir el estado de tracción/compresión en las barras del alma.

• Limitaciones de Peralte (Altura Disponible):
  • Si la altura disponible es generosa, se pueden usar peraltes mayores, lo que generalmente conduce a vigas más ligeras (menores esfuerzos axiales en cordones).
  • Si la altura es restringida, se requiere un peralte menor. Esto aumenta los esfuerzos en los cordones y puede requerir secciones más robustas. En casos extremos, podría hacer que una viga de alma llena sea competitiva o necesaria. Tipologías de cordones paralelos suelen adaptarse mejor a peraltes constantes.
• Requisitos Arquitectónicos y Funcionales:
  • Estética: Algunas tipologías como Arco, Lenticular o Warren (por su limpieza) pueden ser preferidas por su impacto visual. La apariencia de la estructura vista es a menudo un factor en edificaciones públicas, comerciales o residenciales de alto estándar en ciudades como Bogotá.
  • Visibilidad o Paso: La densidad del alma (muchas barras vs. pocas) afecta la transparencia visual. La Vierendeel ofrece máxima apertura, mientras que una Warren Doble es muy densa.
  • Integración de Servicios: Como se mencionó, la Vierendeel es ideal. En celosías trianguladas, la disposición de diagonales y montantes puede facilitar u obstaculizar el paso de ductos o tuberías. A veces se crean aberturas específicas en el alma, lo que requiere un análisis cuidadoso.
• Fabricación y Montaje:
  • Simplicidad Geométrica: Tipologías como Pratt y Warren simple, con ángulos regulares y nudos no muy complejos, tienden a ser más fáciles y económicas de fabricar y montar. Esto es relevante para la industria metalmecánica en Colombia.
  • Repetitividad: Las vigas de cordones paralelos con paneles constantes permiten una mayor estandarización de piezas y procesos de ensamblaje.
  • Complejidad: Tipologías como K, Arco, Lenticular o Vierendeel (por sus uniones rígidas) requieren mayor precisión, equipos especializados y mano de obra calificada, incrementando los costos y tiempos.
  • Transporte: Vigas muy largas o de gran peralte pueden necesitar ser transportadas en segmentos. La geometría debe prever puntos de empalme adecuados que sean factibles de ejecutar en obra. Las condiciones de acceso a obras en zonas urbanas densas o en terrenos complejos en Colombia pueden influir en el tamaño máximo de los segmentos transportables.
• Materiales Disponibles y Costos:
  • Perfiles Estándar: La geometría debe favorecer el uso de perfiles de acero estándar (ángulos, perfiles U, perfiles tubulares - circulares, cuadrados o rectangulares) disponibles en el mercado colombiano para optimizar costos.
  • Optimización del Peso: Una geometría bien elegida minimiza la cantidad de acero necesario, reduciendo el costo del material, que es un componente importante del costo total.
• Condiciones Sísmicas:
  • En zonas de amenaza sísmica como gran parte de Colombia, incluyendo Bogotá (zona de amenaza intermedia), el diseño de las celosías debe considerar las cargas sísmicas y los requisitos de ductilidad y redundancia establecidos en la normativa NSR-10 (Norma Sismorresistente Colombiana).
  • La configuración geométrica influye en la rigidez, la resistencia y la capacidad de disipación de energía de la viga. Ciertas geometrías pueden ser más robustas o dúctiles que otras. La redundancia (capacidad de redistribuir cargas si un miembro falla) puede ser mayor en celosías más densas (ej. Warren Doble) o con patrones específicos.
  • El detallado de las conexiones en los nudos es crítico para el desempeño sísmico, aunque no es parte de la clasificación geométrica per se, la geometría sí define cuántos y qué tipo de miembros llegan a cada nudo.

Relación General entre Geometría y Luz Óptima

Nota: Los rangos de luz y relaciones h/L son aproximados y pueden variar significativamente según las cargas específicas, materiales, códigos de diseño y optimización detallada.

Geometrías Híbridas y Configuraciones a Medida

Es importante destacar que las tipologías descritas representan formas "puras" o clásicas. En la práctica de la ingeniería estructural en Colombia, no es raro encontrar diseños que combinan características de diferentes tipologías o que presentan geometrías completamente a medida para adaptarse a condiciones muy específicas del proyecto.

• Combinaciones: Una viga larga podría tener una configuración tipo Pratt en los extremos (donde el cortante es alto) y tipo Warren en el centro (donde el cortante es menor). O una viga tipo Arco podría tener un alma con patrón Warren o Pratt.
• Adaptaciones Geométricas: Para cubiertas con formas complejas (curvas, facetadas, irregulares), las vigas de celosía deben adaptarse a esa geometría. Esto puede implicar cordones poligonales, peraltes variables no estándar, o patrones de alma irregulares. La flexibilidad de las estructuras metálicas fabricadas permite estas adaptaciones.
• Optimización Topológica: Con herramientas computacionales avanzadas, es posible realizar optimizaciones topológicas que definen la disposición más eficiente del material (barras) para unas condiciones de carga y apoyo dadas. Esto puede llevar a geometrías no convencionales que no encajan perfectamente en las categorías clásicas, pero que son altamente eficientes.
• Consideraciones Estéticas Específicas: Un arquitecto puede solicitar una configuración geométrica particular por razones estéticas, y el ingeniero estructural debe entonces trabajar dentro de esa restricción geométrica para asegurar la seguridad y funcionalidad, incluso si no es la forma estructuralmente más óptima.

La capacidad de fabricar vigas de celosía a medida, adaptando su geometría a los requisitos precisos de cada proyecto, es una de las grandes ventajas de la construcción en acero. Empresas especializadas en estructuras metálicas en Bogotá y otras partes de Colombia tienen la capacidad técnica para diseñar, fabricar y montar estas soluciones personalizadas, trabajando en estrecha colaboración con diseñadores y constructores.

La Importancia de la Configuración Geométrica en el Desempeño Global

La configuración geométrica de una viga de celosía armada o fabricada es mucho más que una simple cuestión de apariencia. Es un factor determinante que influye directamente en:

• La Resistencia: La disposición de las barras determina cómo se distribuyen las cargas y qué niveles de esfuerzo axial (y secundariamente, flexión y cortante) experimenta cada miembro. Una geometría adecuada asegura que los esfuerzos se mantengan dentro de los límites admisibles del material.
• La Rigidez: La geometría, y en particular el peralte y la disposición del alma, controla la deformación (flecha) de la viga bajo carga. Una rigidez adecuada es esencial para la funcionalidad y para evitar vibraciones excesivas.
• La Estabilidad: La geometría previene el pandeo global de la viga y, a través de la subdivisión de los elementos (longitud de paneles, presencia de montantes), controla el pandeo local de las barras individuales, especialmente las comprimidas.
• La Eficiencia del Material: Una geometría bien escogida busca lograr la resistencia y rigidez requeridas utilizando la menor cantidad de material (acero) posible, lo que impacta directamente en el peso propio de la estructura y en su costo.
• La Constructibilidad: Como ya se mencionó, la simplicidad o complejidad geométrica afecta la facilidad y el costo de fabricación, transporte y montaje.

Por lo tanto, la selección y el detallado cuidadoso de la tipología geométrica son pasos esenciales en el proceso de diseño de cualquier estructura que utilice vigas de celosía metálicas. Esta decisión debe basarse en un entendimiento profundo de los principios estructurales, las condiciones específicas del proyecto y las capacidades de fabricación y montaje disponibles, particularmente en el contexto normativo y constructivo de Colombia.

Parámetros Geométricos Clave y su Interrelación

Al profundizar en la clasificación geométrica, es útil entender cómo ciertos parámetros clave interactúan y definen las características de una tipología específica.

• Relación Peralte/Luz (h/L): Como se indicó, este es un indicador fundamental de la esbeltez y eficiencia. Valores típicos para celosías de acero suelen estar entre L/10 y L/20, aunque pueden variar. Un mayor peralte generalmente reduce los esfuerzos en los cordones pero puede aumentar la longitud de las barras del alma y potencialmente su susceptibilidad al pandeo si no se diseñan adecuadamente. La elección de una h/L óptima depende de un balance entre rigidez, resistencia y economía de material.
• Ángulo de las Diagonales: En celosías trianguladas, el ángulo que forman las diagonales con los cordones (usualmente entre 30° y 60°) es crucial. Ángulos muy agudos (cercanos a 0°) o muy obtusos (cercanos a 90°) tienden a ser ineficientes. Un ángulo cercano a 45° suele ser un buen punto de partida, ya que equilibra la longitud de las diagonales y la componente vertical de su fuerza axial. Sin embargo, la optimización puede llevar a ángulos diferentes según la relación h/L y la separación de nudos.
• Longitud del Panel: Es la distancia horizontal entre nudos consecutivos del cordón (o entre montantes). Paneles más cortos significan miembros del alma más cortos y menor longitud de pandeo para los cordones entre nudos. Sin embargo, también implican un mayor número de barras y nudos, aumentando la complejidad y el costo de fabricación. La longitud del panel se elige en función de la luz, el peralte, el tipo de carga y las dimensiones de los perfiles utilizados.
• Relación Ancho/Peralte (b/h): Aunque nos hemos centrado en la elevación (geometría 2D), una viga de celosía es una estructura 3D. Su ancho (distancia entre planos de celosía si es una viga cajón, o ancho de los cordones) en relación con su peralte afecta su estabilidad lateral y torsional. Vigas muy altas y estrechas son susceptibles al pandeo lateral-torsional y requieren arriostramiento adecuado.
• Regularidad vs. Irregularidad: Las geometrías regulares (paneles iguales, ángulos constantes) son más fáciles de analizar y fabricar. Las geometrías irregulares, aunque potencialmente más optimizadas para distribuciones de carga complejas o formas arquitectónicas específicas, requieren un análisis más detallado y una fabricación más cuidadosa.

Ratios Aproximados Peralte/Luz según Tipología General

Nuevamente, estos ratios son indicativos y el diseño final debe basarse en cálculos estructurales detallados según la normativa aplicable, como la NSR-10 en Colombia.

La Geometría y su Impacto en el Proceso Constructivo en Colombia

La elección de la tipología geométrica tiene consecuencias prácticas directas en el proceso constructivo de estructuras metálicas en Colombia.

• Fabricación en Taller:
  • Geometrías simples y repetitivas (ej. Pratt, Warren paralelas) permiten optimizar plantillas, cortes y soldaduras/atornillados en taller, reduciendo costos y tiempos de fabricación.
  • Geometrías complejas (curvas, K, Vierendeel) exigen mayor control de calidad, equipos especializados (roladoras para curvas), y mano de obra más calificada, lo que se refleja en el costo. La precisión dimensional es crítica.
• Transporte:
  • El tamaño y forma de la viga o sus segmentos transportables están directamente ligados a su geometría. Vigas de gran peralte o con formas curvas pueden presentar desafíos logísticos, especialmente en rutas con gálibos limitados o accesos complicados a la obra, comunes en la topografía colombiana o en zonas urbanas consolidadas como Bogotá.
  • La necesidad de segmentar la viga para transporte requiere prever empalmes de obra, cuya ubicación y diseño dependen de la geometría y los esfuerzos locales.
• Montaje en Obra:
  • Vigas más ligeras (resultado de una geometría optimizada) requieren equipos de izaje de menor capacidad.
  • La simplicidad de las conexiones asociadas a ciertas geometrías facilita un montaje más rápido y seguro.
  • La estabilidad durante el montaje también está influenciada por la geometría. Vigas altas y esbeltas pueden requerir arriostramientos temporales más robustos hasta que la estructura final esté completa.
  • El ajuste de los empalmes de obra puede ser más complejo en geometrías irregulares o curvas.

Por ello, la colaboración temprana entre diseñadores estructurales, arquitectos y fabricantes/montadores de estructuras metálicas es valiosa. Permite seleccionar una geometría que no solo cumpla los requisitos estructurales y estéticos, sino que también sea factible y eficiente desde el punto de vista constructivo dentro del contexto colombiano.

La comprensión detallada de las diversas tipologías geométricas de vigas de celosía, reticulares o entramados, fabricadas en acero, es esencial para cualquier profesional involucrado en el diseño y construcción de estructuras metálicas. Desde las clásicas Pratt, Howe y Warren de cordones paralelos, pasando por las eficientes Fink y Trapezoidales para cubiertas y puentes, hasta las estéticas Arcos o las funcionalmente específicas Vierendeel, cada configuración ofrece un conjunto único de ventajas y desafíos. La selección informada de la geometría, considerando la luz, las cargas, el peralte, la arquitectura, la fabricación, el montaje y las normativas locales como la NSR-10, es fundamental para lograr estructuras seguras, económicas y duraderas en el dinámico sector de la construcción en Colombia.