Imagina los majestuosos puentes que cruzan ríos, lagos y mares: ¿cómo resisten las implacables condiciones climáticas mientras soportan flujos de tráfico interminables? La respuesta a menudo reside en sus intrincados diseños internos, donde las vigas cajón juegan un papel indispensable como columna vertebral estructural, salvaguardando silenciosamente las redes de transporte vitales.

Las vigas cajón, también llamadas vigas tubulares o vigas cajón, presentan una sección transversal tubular cerrada de múltiples paredes. A diferencia de las vigas en I o en H convencionales, su forma cerrada ofrece una resistencia torsional superior. Originalmente construidas con hierro forjado remachado durante la Revolución Industrial, las vigas cajón modernas ahora utilizan acero laminado/soldado, extrusiones de aluminio y hormigón pretensado, expandiendo sus aplicaciones a través de los avances en la ciencia de los materiales.

La fuerza definitoria de la viga cajón reside en su excepcional rendimiento torsional. Los puentes se encuentran con frecuencia con fuerzas de torsión debido a las cargas asimétricas de los vehículos o la presión del viento, desafíos que la estructura cerrada resiste eficazmente. Además, múltiples almas permiten una mayor capacidad de carga que las vigas en I de igual altura, aunque con un mayor uso de material. La ingeniería moderna equilibra esto a través de diseños optimizados que crean vigas en I más altas y ligeras, lo que demuestra la compensación crítica entre el rendimiento y la eficiencia de costos.

Las distinciones de nomenclatura reflejan las variaciones estructurales. Las secciones transversales rectangulares suelen obtener la designación de "viga cajón", mientras que aquellas que transportan contenido interno (como el ferrocarril del puente Britannia) se denominan "vigas tubulares". Las secciones circulares/ovaladas (por ejemplo, el puente Royal Albert) también entran en la categoría de vigas tubulares. Las vigas cajón grandes con múltiples paredes internas que forman compartimentos se denominan "vigas celulares", lo que demuestra la adaptabilidad del diseño.

El marco teórico para las vigas cajón surgió de la investigación de los ingenieros Sir William Fairbairn y el matemático Eaton Hodgkinson en la década de 1830 sobre la optimización de las placas de hierro forjado remachadas. Su trabajo estableció principios que aún son relevantes hoy en día.

Bajo cargas estáticas, las vigas típicas experimentan compresión en un alma y tensión en la otra. Las primeras grúas de Fairbairn incorporaron estructuras celulares en las superficies de compresión para evitar el pandeo. Estos brazos curvos y cónicos, construidos con placas de hierro remachadas, presentaban tres cámaras internas en forma de panal en sus lados cóncavos para una mayor rigidez.

Cuando se adaptaron para puentes (cargados en el centro en lugar de cargados en los extremos como las grúas), la compresión se desplaza al alma superior, lo que requiere refuerzo celular allí. Las cargas dinámicas (viento, tráfico en movimiento) pueden requerir refuerzo de doble cara, como se ve en las secciones conservadas del puente Britannia. En particular, Fairbairn aclaró que las celdas de la brida inferior abordaban los desafíos prácticos de fabricación en lugar de los requisitos de carga, un precursor del análisis moderno de elementos finitos que superó las capacidades computacionales del siglo XIX.

Las innovaciones de Fairbairn coincidieron con los ferrocarriles que exigían tramos más largos. Robert Stephenson lo contrató a él y a Hodgkinson como consultores para los puentes tubulares Britannia y Conwy, mientras que Brunel adoptó tubos circulares gemelos para la armadura de Chepstow. Aunque los puentes ferroviarios de la década de 1860 favorecían los diseños tubulares, Benjamin Baker criticó más tarde las "vigas cajón con placas de alma" como subóptimas para tramos largos. Las aplicaciones modernas se desplazaron hacia secciones rectangulares poco profundas para puentes de carretera como el puente Severn, ofreciendo importantes ahorros de peso sobre los diseños de armadura profundos (por ejemplo, el puente Golden Gate).

La década de 1970 fue testigo de varios colapsos catastróficos durante la construcción de puentes de vigas cajón, incluidos el puente Cleddau (Gales), el puente West Gate (Australia) y el puente Koblenz (Alemania). Estas tragedias impulsaron rigurosas revisiones de seguridad, aceleraron la adopción de modelos informáticos y avanzaron el análisis de elementos finitos en la ingeniería civil, mejorando en última instancia los estándares de diseño.

Como piedra angular de la ingeniería de puentes, las vigas cajón continúan evolucionando a través de las innovaciones en materiales y las tecnologías de diseño inteligente. Su futuro promete estructuras más seguras, económicas y estéticamente refinadas para satisfacer las demandas de infraestructura del mañana.