TEMA 3 - Estructuras III

7/24/2019 TEMA 3 - Estructuras III

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TEMA 3

TIPOLOGAS DE ESTRUCTURAS

METLICAS EN EDIFICACIN

1. INTRODUCCIN.

El empleo de las estructuras metlicas en edificacin est extendidoen Espaa. No obstante, comparado con el del hormign armado, suuso es relativamente escaso. A fecha de hoy (ao 2011)aproximadamente el 95% de lo que se proyecta en edificacin es conestructura de hormign armado, y un 3-4% son proyectos con

estructura metlica. El resto hasta el 100% seran estructurasproyectadas con otros materiales (obra de fbrica, madera).

Figura 1. Edificio con estructura metlica cercade la Estacin de Autobuses de Granada

Pilares metlicosCruces de San Andrs

Forjados de losa maciza (Hormign Armado)


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Figura 2. Otra foto del mismo edificio

La causa de que el hormign armado se emplee mucho ms que elacero estructural es, fundamentalmente, el elevado coste de la

estructura metlica. Como botn de muestra: un forjadounidireccional de canto 24cm (20+4) de viguetas metlicas cuestaaproximadamente 60/m, un 30%-35% ms caro que el mismoforjado unidireccional resuelto con viguetas de hormign armado, quecuesta ms o menos 45/m.

Aparte del coste, existen otros tres inconvenientes que tambininfluyen en contra, a la hora de elegir como opcin una estructurametlica:

1. La corrosin del acero, que obliga a revestir la estructura, ya un mantenimiento e inspeccin peridicos de la mismapara controlar posibles deterioros por oxidacin.


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2. El comportamiento ante el fuego (ver CTE-DB-SI Seguridaden caso de incendio). En general el acero se degradarpidamente con el fuego, y hay que protegerlo conrevestimientos, encareciendo su uso.

3. Su deficiente comportamiento ante sismo. Aunque el acero

es un material dctil (poco frgil), el conjunto de laestructura es muy flexible, y necesita ser arriostrado concruces de San Andrs o pantallas antissmicas de hormignarmado.

No obstante, existen situaciones en edificacin donde interesa suempleo, como son:

1. Con grandes luces, el acero permite emplear solucionesestructurales de menor peso, sobre todo proyectando con vigas

doble T o vigas en celosa. Para grandes luces, las vigas dehormign armado tienen que dimensionarse en gran medida parasoportarse a s mismas. Una viga metlica es mucho ms ligera(figura 3).

Figura 3. Edificio con estructura metlica cercade Alcampo (Granada), para futuras sedesde Consejeras de la Junta de Andaluca.

Pilares metlicos

Vigas metlicas principales (doble T aligeradas o Boyd)Vigas metlicas secundarias (doble T)Forjados unidireccionales de chapa colaborante (chapa

grecada inferior + hormign armado superior)


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2. Cuando busquemos una reduccin de seccin en pilares; por

ejemplo, en un edificio de oficinas de 5 alturas, con luces de5.0mx5.0m y sismicidad media (en Mlaga por ejemplo),tendremos como opciones el empleo de pilares de hormign

armado, o pilares metlicos. Si optamos por pilares de hormignarmado, las secciones en la planta inferior sern aproximadamentede 40cmx40cm (podran ser de 30cmx60cm, si queremosdisimular parcialmente el pilar en cerramientos). Empleandoestructura metlica, por ejemplo perfiles HEB, se solucionara conun pilar HEB-260 (dimensiones 260mmx260mm). Estos pilares sepodran prcticamente disimular en los cerramientos exteriores,creando tacones muy pequeos en la tabiquera interior. Unasolucin muy empleada para pilares en edificios de viviendas escolocar enfrentados dos perfiles UPN, formando un cajn cerrado

que se reviste muy fcilmente (ver figuras 4 y 5).

Tambin se pueden conseguir pilares metlicos de menor seccinrellenndolos de hormign, esto se realiza por ejemplo con perfilestubulares circulares.

VIV 8,13,17y19s.u.:29.52m2

VIV 9,14,18y20s.u.:47.34m2

BAO4.50m2

DISTRIBUIDOR

5.4

2m2

TERRAZA5.82m2

BAO

3.12m2

SALN/COMEDOR/CO CINA18.60m2

DORMITORIO7.80m2

s.c.p.:34.26 m2s.c.p.:52.78 m2

Figura 4. Edificio con estructura metlica en el centro de

Granada capital. Pilares metlicos 2UPN


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Figura 5. Pilar metlico de edificio resuelto con 2UPN

3. Cuando realicemos rehabilitaciones de edificios en cascoshistricos. Muchas veces, por cuestiones de espacio ymaniobrabilidad, nos ser imposible hormigonar una nuevaestructura, debiendo recurrir a estructura metlica, cuyas piezasson ms manejables y de menor peso.

2. TIPOLOGAS DE ESTRUCTURAS METLICAS ENEDIFICACIN.

Son las siguientes:

1. Prticos formados por pilares metlicos, vigas de carga metlicas yforjado unidireccional

Es el ms empleado en obra ms convencional (vivienda, oficinas,

hoteles, etc.).

En obra nueva interesar buscar, por economa, unas lucescomprendidas entre 5.00m y 7.00m. Con luces pequeas (menos de3.00m-4.00m) saldr una estructura cara (muchos pilares y vigas).

Con luces de ms de 7.00 m precisaremos vigas de mucho canto paraevitar problemas de flechas en los forjados, resultando una estructuracara por el gran canto de las vigas (tngase en cuenta que el cantode la viga vendr dado por la flecha resultante, y sta depende de la

luz elevada a la cuarta (L4

)). Por otra parte, cuanto ms canto tenganlas vigas, ms altura libre perderemos en la planta. En edificacinms singular s estar justificado emplear luces mayores.


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Como orden de magnitud a efectos de predimensionamiento, conanchos de carga de forjados normales (entre 4.00m y 6.00m):

Para vigas de carga biempotradas, relacin canto/luz ~1/22 Para vigas de carga biapoyadas, relacin canto/luz ~ 1/16

(OJO!, no proyectar con vigas biapoyadas NUNCA en zonassmica)

En rehabilitacin de edificios en cascos histricos los pilares metlicossuelen disponerse ms juntos, empleando luces menores (3.00m-5.00m), ya que conviene, por motivos de espacio, manejar vigas ypilares de pesos y dimensiones pequeas (figuras 6, 7 y 8).

DORMITORIO7.80m2

s.c.p.:34.26 m2s.c.p.:52.78 m2

s.c.p.:32.98 m2

s.c.p.:50.31m2

s.c.p.:30.06 m2

VIV5y 10

s.c.p.:63.55m2

VIV6y 11

s.c.p.:39.11 m2

VIV7 y 12

s.c.p.:35.85m2

VIV8,13,17y19s.u.:29.52m2

VIV 9,14,18y20s.u.:47.34 m2

DORMITORIO28.12m2

DORMITORIOPPAL12.23m2

BAO4.00m2

SALN/COMEDOR/COCINA

21.5

4m2

DISTRIBUIDOR2.32m2

VESTIBULO2.10m2


BAO2.90m2

SALN/COMEDOR/COCINA

20.06m2

SALN/C OMEDOR/COCINA15.09 m2

BAO3.00m2


DISTRIBUIDOR

2.81m2

BAO4.50m2

DISTRIBUIDOR

5.42m2

SALN/C OMEDOR/COCINA22.86m2

DORMITORIO PPAL14.56m2

TERRAZA5.82m2

BAO

3.12m2

SALN/COMEDOR/COCINA18.60m2

PLANTA PRIMERA Y SEGUNDA

Figura 6: Edificio rehabilitado en el casco histricode Granada. Planta de distribucin de piso


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Figura 7: Edificio rehabilitado en el casco histricode Granada. Planta de estructura

Pilares metlicos 2UPN en cajn, vigas de cargametlicas IPN, viguetas metlicas IPE 140


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Figura 8: Edificio rehabilitado en el casco histrico deGranada. Seccin transversal de forjado unidireccional

Viguetas metlicas IPE140 + relleno con hormign,capa de compresin de 5cm

y mallazo de reparto #5a15cm

Las uniones entre vigas y pilares se suelen materializar porsoldaduras, para edificacin de altura convencional (viviendas,oficinas, hoteles, hasta 10-15 plantas). Ver figuras 9, 10 y 11.

Figura 9: Unin mediantesoldadura entre vigas y pilares


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Figura 10: Unin mediantesoldadura entre vigas IPN y pilares 2UPN

Figura 11: Unin mediantesoldadura entre vigas IPN y pilares HEB

En edificios ms altos se suele confiar menos en las soldaduras y seejecutan nudos atornillados. Como ejemplo tenemos las estructurasde los cuatro rascacielos proyectados en la antigua ciudad deportivadel Real Madrid, que son los edificios actualmente ms altos de


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Espaa, todos los nudos estn ejecutados con tornillos, ver figuras12 y 13).

Figura 12: Vista de los cuatro rascacielos de laantigua ciudad deportiva del Real Madrid

Figura 13: Antigua ciudad deportiva del RealMadrid. Torre Sacyr-Vallehermoso.

Uniones atornilladas


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Los perfiles ms empleados en las piezas que componen la estructurametlica en edificacin son:

Para pilares:

Perfiles HEB (o HEM si queremos disminuir an ms laseccin del pilar, ya que es un perfil que tiene mayorespesor de alas y alma, aunque el coste en acero sermayor). Normalmente se orientar el pilar con su mayorinercia segn el plano del prtico de carga. No obstante, enzona ssmica o con mucha accin de viento, se debernponer pilares orientadas en las dos direcciones principalesdel edificio, para no dejar desprotegida una direccin.

Perfiles doble UPN, formando un cajn cerrado. En cuanto ala orientacin en planta del pilar, rige lo dicho anteriormente

para los HEB.

Figura 14: Perfiles ms empleados en pilares

Para vigas: Las que presentan mayor economa para un trabajo aflexin son los perfiles IPE e IPN, ya que, a igualdad de material,concentran la mxima seccin resistente en las alas; si nos hacefalta ms inercia y estamos con limitaciones de canto podemosemplear perfiles HEB.

Figura 15: Perfiles ms empleados en vigas

Cuando proyectemos edificios con muchas instalacionesnecesitaremos pasar conductos de aire acondicionado, ventilacin,etc. por debajo de los techos. En estos casos se emplean vigas


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aligeradas (vigas boyd por ejemplo, que son perfiles doble T conperforaciones en el alma) haciendo pasar las instalaciones a travs deestos huecos (figuras 16 y 17).

+0.08

+1.00

+2.47

+10.70

-3.30

-0.60

SECCIN L1

+0.30+0.52

+9.50

-6.20

+7.15

+4.48

0.00

+3.08

+6.25

+7.35

+7.94

+9.08

+9.50

+10.00

+7.30

+13.35

+8.20

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876543211'

-3.30

+0.40

-2.94 -2.76

-2.10

-3.09

-4.30

-1.00

+17.40

+10.65

-7.20

+17.40

+9.40

3.374.004.004.004.004.00 4.00

Figura 16: Teatro de Loja. Seccin transversalVigas boyd como soporte del gradero

Figura 17: Teatro de Loja.Seccin longitudinal por vigas boyd

En el caso de emplear luces muy grandes, las vigas sern en celosa(figura 18).


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C:\Documents and Settings\andrea\Mis documentos\PROYECTOS\PROYECTOS\POLIDEPORTIVO ALCOLEA\texturas\item0081.jpg

cota:+0,10cota:0.00

cota:+1,96

4.0

8

7.8

9

1.50

0.1

5

0.

22

1.0

0

4.

10

2.

05

9.3

2

2.1

8

3.1

0

0.4

4

1.4

4

2.6

4

Figura 18: Polideportivo en Alcolea (Almera)Vigas en celosa constituida por perfiles tubulares

Luces de 27 m

Para forjados:

Si empleamos forjado tambin metlico, se emplearn viguetasIPE o IPN (figura 19). Los cantos a emplear estn comprendidosentre 15 y 30 cm, en funcin de la luz del forjado. Dicho cantoincluye siempre 5cm de capa de compresin, fundamental paraque el forjado acte como elemento infinitamente rgido en suplano frente a acciones horizontales de viento y sismo. Dichocanto se elige tambin por cuestiones de limitacin de flecha en elforjado. Para una luz de 4.00m iremos a un forjado con un canto

total de 18-20cm, para luces de 5.00m-6.00 m iremos a cantos de20-25cm. Hay dos opciones para enlazar las viguetas metlicascon las vigas de carga metlicas: o bien se apoyan encima de lasvigas de carga, soldando con varios puntos de soldadura el alainferior de la vigueta al ala superior de la viga de carga (figura20), o se embuten en el canto de las vigas enrasadas por su carasuperior viguetas y vigas, soldando el alma de las viguetas al almade las vigas de carga (figura 21).


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Figura 19: Seccin transversal de forjado unidireccionalViguetas metlicas IPE140 + relleno con hormign,

capa de compresin de 5cmy mallazo de reparto #5a15cm

Figura 20: Forjado unidireccional metlicoapoyado sobre las vigas metlicas

Figura 21: Forjado unidireccional metlico enrasado conlas vigas metlicas por el ala superior de los perfiles


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No obstante, hay otras opciones para los forjadosunidireccionales, aparte del de viguetas metlicas, como son:

Forjado unidireccional a base de chapa grecada y hormignin situ vertido superiormente, tambin conocido como

forjado de chapa colaborante (figuras 22 y 23). El forjadode chapa colaborante presenta la gran ventaja de que noprecisa encofrado ni cimbra, pues la propia chapa grecadahace de encofrado autoportante. No obstante, debido a quela chapa grecada deber soportar todo el peso del hormignfresco durante la fase constructiva, y debido tambin a queel espesor total de este forjado no debe ser mayor de 15-20cm para economizar hormign, las luces de este forjadono deben superar los 3.00-4.00m (ver figura 3). Esto nosobliga a disponer vigas secundarias; sobre stas cargar el

forjado de chapa colaborante, y las vigas secundariastransmitirn su carga a las vigas principales. La chapagrecada se enlaza a las vigas metlicas mediante unospernos metlicos o conectores, fijados por disparo osoldadura al ala superior del perfil de la viga (figura 24).

Figura 22: Forjado unidireccional de chapa colaborante


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Figura 23: Forjado unidireccional de chapa colaborante.Seccin transversal

Figura 24: Forjado unidireccional de chapa colaborante.Colocacin de conectores o pernos

Forjado unidireccional de hormign armado, normalmente abase de viguetas (figura 25). El apoyo suele hacerse porencima, cargando el forjado de hormign sobre las vigasmetlicas. El forjado de hormign se fija al ala superior delas vigas metlicas mediante conectores metlicos, soldadosal ala superior de las vigas metlicas, y que quedanembutidos en unos macizados de hormign, macizados quese hormigonan sobre las alineaciones que forman las vigasde carga metlicas. La relacin canto/luz a emplear en esteforjado es de 1/22, aproximadamente, con mnimo de 30cmde canto siempre en zona ssmica.


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Figura 25: Forjado unidireccional de hormign armado,con viguetas semirresistentes de celosa

2. Prticos formados por pilares metlicos y forjado reticular o de losamaciza, de hormign armado. Enlace de forjado con pilares mediantecapiteles metlicos

Se emplea sobre todo en oficinas, hoteles, aparcamientos, etc. Lasluces se mueven tambin 5.00m y 8.00m, aunque pueden sermayores. La estructura no presenta vigas, cargando directamente elforjado de hormign armado (forjado reticular o de losa maciza)sobre los pilares. Para transmitir el punzonamiento (el

punzonamiento es igual que el cortante, pero en elementos placasobre apoyos aislados) se emplean capiteles metlicos, formados porperfiles H, UPN, u otros, orientados segn las caras del pilar, soldadosa dichas caras, a modo de brazos que quedan embutidos en el cantodel forjado de hormign. El esfuerzo de punzonamiento lo resisten lasalmas de los perfiles metlicos que forman el capitel (ver figuras 26y 27).


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X1 X2 X4 X5 X6 X7

Y2

Y3

Y4

X8

Figura 26: Hotel en Pulianas (Granada)Forjado reticular de canto 35cm (30+5)

Pilares metlicos HEM

Crucetas de punzonamiento


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Figura 27: Hotel en Pulianas (Granada)Detalle de cruceta de punzonamiento en la unin del

forjado reticular con los pilares HEM


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Tanto la tipologa 1 (prticos metlicos con pilares y vigas de carga +forjado unidireccional) como la tipologa 2 (pilares metlicos +forjado reticular) requieren, cuando el edificio presenta ms de 4 5alturas (sobre todo en zona ssmica) de rigidizacin a base de crucesde San Andrs o pantallas antissmicas (ver por ejemplo la figura 1).

La ubicacin de las cruces de San Andrs o las pantallas antissmicasdebern cumplir tres requisitos fundamentales (figura 28):

1. Disponerse en las dos direcciones principales del edificio,pues el viento o el sismo en planta siempre se puededescomponer a efectos de clculo en dos direccionesprincipales.

2. Simetra en su ubicacin, para no introducir torsores enplanta en el edificio, nunca en huecos de escalera-ascensor

excntricos (nunca por ejemplo en huecos de escalera-ascensorubicados en fachada o en esquina del edificio).

3. A ser posible ubicarlos lo ms en la periferia posible, enfachadas, para aumentar el brazo mecnico a torsin.


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Figura 28

brazomecnico

SISMO

Y

SISMO

Y

CR

CM

P

PANTALLAP =

P

SISMO X P

PANTALLAP =

SISMO X P

P

P

PANTALLAP =P

PANTALLAS EN FACHADA !

MEJOR AN, MAYOR BRAZO

MECNICO A TORSIN !

PCM=CR

PANTALLAS EN HUECO

DE ESCALERAS CENTRADO !P

CM=CR

BIEN !

TORSIN EN PLANTA !

DE ESCALERAS EXCNTRICO !

PANTALLAS EN HUECO

P

P P

S

ISMO

Y

SISMO X


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3. Estructuras de cubiertas para grandes luces: celosas metlicas

Independientemente de que la solucin general del resto de laestructura sea de hormign armado o metlica, las cubiertas paragrandes luces (auditorios, teatros, pistas polideportivas, etc) se

solucionarn normalmente con las siguientes estructuras:

Vigas pretensadas Vigas constituidas por celosas metlicas

Las celosas metlicas se forman por barras independientes, quepueden adquirir formas distintas.

Figura 29: Estacin de autobuses en Puente de Gnave(Jan). Vigas de cubierta en celosa

En la figura 30 se observan distintos tipos de vigas de celosasmetlicas.


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VIGA PRATT

VIGA HOWE

VIGA WARREN

Figura 30: Distintos tipos de celosas metlicas

Las barras que forman la celosa se denominan como se observa en lasiguiente figura.

CORDN SUPERIOR

CORDN INFERIOR

DIAGONALESMONTANTES

Figura 31: Nomenclatura de las barras que componen

las celosas metlicas

Los principales parmetros a elegir para la viga de celosa sern:

1. El tipo de celosa a emplear2. El canto de la celosa3. La separacin entre vigas de celosa4. El tipo de perfil que formar sus barras

En cuanto al tipo de viga de celosa, fundamentalmente ser unacuestin esttica y econmica. La cuestin esttica es muy arbitraria,depende del gusto, preferencias e intenciones del proyectista. Encuanto a la economa en principio cuantas menos barras sedispongan, menor coste en acero y menor nmero de nudos, cuya

ejecucin conlleva un coste apreciable; pero dentro de un ciertolmite, ya que a menor nmero de barras mayores longitudes depandeo en las barras que estn comprimidas.


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El canto de la celosa lo elegiremos dentro de un rango comprendidoaproximadamente entre L/20 y L/10, siendo L la distancia entre lospilares o muros de apoyo de la celosa. El trabajo de una viga decelosa es mediante esfuerzos axiles en sus barrasfundamentalmente, esfuerzos derivados de la flexin global que

presenta la viga en su conjunto. Por tanto, cuanto mayor sea el cantode la celosa menores sern los esfuerzos axiles en las barras, ymenores secciones tendrn. No obstante, a mayor canto la viga sermenos atractiva estticamente (menos esbelta), disminuyendoadems la altura libre del espacio que queda por debajo (ver figuras32 y 33).

Figura 32: Polideportivo en Alcolea (Almera)Celosa de cubierta, perfiles tubulares. Luces de 27.0m y canto en

centro de vano de 1.10m. Relacin L/C ~25

10%

L=11.80 m

Canto=2.40m

Figura 33: Sede de la Fundacin Campus de la Salud

Celosa de cubierta, perfiles tubulares. Luces de 11.80my canto de 2.40m. Relacin L/C ~5

La separacin a elegir entre las vigas de celosa que forman lacubierta vendr condicionada normalmente por la luz que admita laestructura secundaria superior que cargue sobre la celosa, que ser


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la encargada de soportar directamente el forjado intermedio (en casode que las celosas soporten dicho forjado intermedio en un edificio) oel material de cubricin de la cubierta, si las celosas soportan unacubierta. Aunque tambin depender del tipo de cubierta, si estransitable o no.

Esta estructura secundaria se constituir normalmente por viguetasmetlicas (perfiles IPN, IPE) o por un forjado de chapa colaborante, aelegir en funcin del peso del material de cubricin o del forjado quese soporte. Para cubiertas no transitables ligeras, se pueden emplearperfiles conformados ligeros (perfiles Z, omega), pudiendo tambinemplearse la chapa grecada propia de un forjado de chapacolaborante, pero sin el hormign.

Una separacin lgica entre las vigas de celosa ser 4-5 m si

empleamos viguetas metlicas para un forjado transitable, que podraampliarse a 6-7 m para cubiertas no transitables; en caso de emplearforjados de chapa colaborante las luces seran, para el caso deforjados transitables, 2-3m entre elementos secundarios, cuyas lucespueden ser de 4-5 metros entre celosas; para cubiertas notransitables, empleando forjados de chapa colaborante o perfilesconformados ligeros, se pueden espaciar las celosas o cerchas unos4-5 m en funcin de las cargas.

Figura 34: Polideportivo en Alcolea (Almera)Planta de cubierta


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Figura 35: Polideportivo en Alcolea (Almera)Detalle de apoyo de correas en cerchasCorreas: perfiles conformados omega

Cerchas: tubos estructurales

En cuanto al tipo de perfil que forma las barras de la celosa, sedeben emplear perfiles donde los trabajos de soldaduras entre barrasse minimicen. Los ms empleados son los perfiles tubulares, y losperfiles doble T (HEB, IPN).

Otro asunto importante es elegir la direccin en la que disponer lasvigas de celosa: para plantas rectangulares, lo lgico es disponer lasvigas en la direccin menor del rectngulo, pues las flechas sernmenores (funcin de la luz a la cuarta, L4), y tambin los esfuerzos(funcin de la luz al cuadrado, L) y por tanto el canto total de lacelosa podr ser menor tambin.