Considera el esqueleto de un rascacielos o la columna vertebral de un puente: ¿cómo mantienen estas estructuras la estabilidad y la seguridad mientras soportan cargas enormes? La respuesta a menudo reside en un diseño estructural sofisticado, particularmente en el diseño de vigas de acero y vigas compuestas. Este artículo explora los principios fundamentales, los procesos de diseño y las aplicaciones prácticas de las vigas de acero y compuestas, sirviendo como una referencia completa para ingenieros y arquitectos.

En la construcción moderna y la ingeniería de puentes, las vigas de acero se utilizan ampliamente debido a su alta resistencia, ductilidad y facilidad de fabricación. Sin embargo, las vigas de acero convencionales no siempre pueden cumplir con los requisitos de rendimiento estructural. Las vigas compuestas se desarrollaron para mejorar la capacidad de carga, reducir la deflexión y optimizar la eficiencia de los materiales al combinar eficazmente las vigas de acero con losas de hormigón para formar un sistema estructural integrado que capitaliza las ventajas de ambos materiales.

El diseño de vigas de acero constituye la base de la ingeniería estructural. Como componentes estructurales que soportan cargas transversales, las vigas de acero resisten principalmente las fuerzas de corte y los momentos de flexión. El objetivo del diseño es seleccionar formas y dimensiones de sección transversal apropiadas, al tiempo que se realizan las verificaciones necesarias para cumplir con los requisitos de resistencia, estabilidad y deformación.

Las vigas de acero vienen en varias formas de sección transversal, incluidas las vigas en I, las vigas canal y las vigas cajón. Las vigas en I son particularmente comunes debido a su excelente resistencia a la flexión y rentabilidad. La selección de la sección requiere una consideración exhaustiva de la magnitud de la carga, la longitud del vano, las condiciones de soporte y la resistencia del material. Típicamente, las cargas y vanos más grandes exigen secciones transversales más grandes.

La verificación de la resistencia representa el núcleo del diseño de vigas de acero. Dado que las vigas de acero deben soportar tanto fuerzas de flexión como de corte, se requieren verificaciones separadas para la resistencia a la flexión y la resistencia al corte.

• Verificación de la resistencia a la flexión: Esto evalúa la resistencia de una viga a la deformación por flexión, considerando la resistencia a la fluencia del acero, el desarrollo plástico de la sección transversal y los posibles modos de pandeo. Para las vigas diseñadas plásticamente, la verificación asegura que la sección pueda formar rótulas plásticas con una capacidad de rotación adecuada. Para las vigas diseñadas elásticamente, la verificación confirma que las tensiones máximas no exceden los límites permisibles.
• Verificación de la resistencia al corte: Esto evalúa la resistencia a la deformación por corte, teniendo en cuenta la resistencia al corte del acero y el área de corte de la sección. Para las vigas de alma delgada, también se debe verificar la estabilidad al pandeo del alma.

La estabilidad se refiere a la capacidad de una viga para mantener el equilibrio bajo carga. Los posibles modos de pandeo incluyen:

• Pandeo global: Implica el pandeo lateral-torsional de toda la viga, influenciado por las propiedades de la sección, la longitud del vano, las condiciones de soporte y el arriostramiento lateral. Las estrategias de mitigación incluyen reducir la longitud del vano, aumentar la rigidez torsional o agregar soportes laterales.
• Pandeo local: Ocurre cuando los componentes individuales (alas o alma) se pandean. La tensión crítica depende de las relaciones ancho-espesor. Los métodos de prevención incluyen la reducción de estas relaciones, el aumento del espesor de los componentes o la adición de rigidizadores.

La deflexión se refiere a la deformación bajo carga. Una deflexión excesiva puede afectar la funcionalidad y la estética. La verificación implica limitar la deflexión máxima de acuerdo con los requisitos del código. Las estrategias de reducción incluyen aumentar el momento de inercia de la sección, disminuir la longitud del vano o mejorar la rigidez del soporte.

Las vigas compuestas integran vigas de acero con losas de hormigón a través de conectores mecánicos, combinando la resistencia a la tracción del acero con la resistencia a la compresión del hormigón para lograr una alta capacidad de carga, una rigidez sustancial y un peso reducido.

El diseño de vigas compuestas sigue estos principios fundamentales:

• Acción compuesta: Los conectores unen los componentes de acero y hormigón para que trabajen al unísono bajo carga.
• Distribución de tensiones: Las tensiones inducidas por la carga se distribuyen adecuadamente entre los materiales para maximizar sus respectivas resistencias.
• Transferencia de corte: Los conectores transmiten fuerzas de corte entre los materiales para mantener la acción compuesta.

Los conectores son componentes críticos que transfieren el corte entre el acero y el hormigón. Los tipos comunes incluyen pernos de cabeza, canales y barras de refuerzo. Los requisitos de diseño incluyen:

• Resistencia: Resistencia al corte adecuada para transferir las fuerzas de corte máximas.
• Rigidez: Suficiente rigidez para asegurar la acción compuesta.
• Durabilidad: Resistencia a la corrosión ambiental y la fatiga.

Dado que las losas de hormigón son típicamente más anchas que las vigas de acero, no todo el hormigón participa por igual en la acción compuesta. El ancho efectivo se refiere a la porción que se supone que trabaja de forma compuesta con la viga de acero, determinada por las disposiciones del código que consideran la longitud del vano, el espaciamiento de las vigas y el espesor de la losa.

La verificación de la resistencia de la viga compuesta incluye:

• Resistencia a la flexión: Considera la resistencia a la fluencia del acero, la resistencia a la compresión del hormigón, la resistencia al corte del conector y el desarrollo de la sección plástica. Los cálculos varían según la ubicación del eje neutro plástico (dentro de la losa de hormigón, el ala de acero o el alma de acero).
• Resistencia al corte: Evalúa la capacidad de corte de la viga de acero y la resistencia al corte del conector, con verificaciones adicionales de pandeo del alma para vigas de alma delgada.

Similar a las vigas de acero, la deflexión de la viga compuesta debe cumplir con los límites del código. Su mayor rigidez generalmente resulta en deflexiones más pequeñas.

Las prácticas de construcción impactan significativamente el rendimiento final. Los factores clave incluyen:

• Cargas de construcción: Las vigas de acero deben soportar las cargas de construcción (peso propio, hormigón húmedo, trabajadores y equipos) antes del endurecimiento del hormigón, lo que requiere una resistencia y estabilidad temporal adecuadas.
• Métodos de encofrado: La construcción apuntalada utiliza soportes temporales durante la colocación del hormigón, mientras que la construcción sin apuntalar se basa únicamente en la viga de acero. La construcción sin apuntalar acelera los cronogramas, pero exige una verificación de la viga más rigurosa.
• Instalación del conector: La colocación adecuada, la calidad de la soldadura y la protección contra la corrosión son esenciales para el rendimiento.

Basado en la capacidad de corte del conector, las vigas compuestas se clasifican como:

• Acción compuesta completa: Los conectores transfieren todo el corte, logrando una interacción completa y la máxima capacidad.
• Acción compuesta parcial: Los conectores transfieren solo corte parcial, lo que resulta en una capacidad reducida, pero potencialmente menores cantidades de conectores y costos.

En vigas o marcos continuos, los momentos negativos causan tensión en la parte superior y compresión en la parte inferior. Dado que la resistencia a la tracción del hormigón es insignificante, la resistencia se basa en la viga de acero y el refuerzo. Los métodos de mejora incluyen aumentar el tamaño de la sección de acero, agregar refuerzo o usar barras de refuerzo de alta resistencia.

Los códigos de diseño de acero proporcionan pautas esenciales. En China, la referencia principal es GB 50017 (Código para el diseño de estructuras de acero), que especifica la selección de materiales, el diseño de secciones, la verificación de la resistencia, las comprobaciones de estabilidad y el diseño de conexiones. El cumplimiento estricto del código garantiza la seguridad estructural.

El software especializado como ASDIP STEEL mejora la eficiencia y la precisión en el diseño de vigas de acero y compuestas, ofreciendo:

• Capacidades integrales para varios tipos de vigas (simples, continuas, en voladizo, con marco)
• Interfaz fácil de usar
• Métodos de cálculo avanzados
• Informes detallados (cálculos, resultados de verificación, cantidades de materiales)

Las vigas de acero y compuestas son indispensables en la construcción moderna y la ingeniería de puentes. Al comprender a fondo sus principios de diseño y aplicaciones, y al aprovechar las herramientas avanzadas, los profesionales pueden crear estructuras más seguras, económicas y estéticamente agradables. A medida que la tecnología avanza, el diseño de acero está evolucionando hacia una mayor inteligencia y precisión, mientras que las consideraciones de sostenibilidad promueven materiales y procesos ecológicos. Con el Modelado de Información de Construcción (BIM) que permite una mejor coordinación interdisciplinaria, las estructuras de acero continuarán desempeñando un papel vital en la configuración del entorno construido.