viga en I

Una viga I es cualquiera de los diversos elementos estructurales con una sección transversal en forma de H o de Ɪ (letra mayúscula con serifa 'I') . Los términos técnicos para elementos similares incluyen viga H , perfil I , columna universal ( UC ), viga W (para ala ancha ), viga universal ( UB ), vigueta de acero laminado ( RSJ ) y doble T (especialmente en polaco , búlgaro , español , italiano y alemán ). Las vigas I suelen estar hechas de acero estructural y se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones en la construcción.

Los elementos horizontales de la viga se denominan alas , y el elemento vertical se conoce como alma . El alma resiste las fuerzas cortantes , mientras que las alas resisten la mayor parte del momento flector que experimenta la viga. La ecuación de Euler-Bernoulli para vigas muestra que la sección en forma de viga es una forma muy eficiente para soportar cargas de flexión y cortante en el plano del alma. Por otro lado, la sección transversal tiene una capacidad reducida en la dirección transversal y también es ineficiente para soportar torsión , para lo cual a menudo se prefieren secciones estructurales huecas .

En 1849, el método de producir una viga en I, laminada a partir de una sola pieza de hierro forjado, ^{[ 1 ]} fue patentado por Alphonse Halbou de Forges de la Providence en Marchienne-au-Pont , Bélgica. ^{[ 2 ]}

Bethlehem Steel , con sede en Bethlehem, Pensilvania , fue un proveedor líder de acero estructural laminado de diversas secciones transversales para la construcción de puentes y rascacielos en Estados Unidos a mediados del siglo XX. ^{[ 3 ]} Actualmente, las secciones transversales laminadas han sido parcialmente reemplazadas en este tipo de obras por secciones transversales fabricadas .

Existen dos formas estándar de vigas en I:

• Viga en I laminada, formada por laminación en caliente , laminación en frío o extrusión , según el material.
• Viga de alma llena , formada mediante la soldadura (o, en ocasiones, el atornillado o remachado ) de placas.

Las vigas en I suelen estar hechas de acero estructural , pero también pueden estar formadas de aluminio u otros materiales. Un tipo común de viga en I es la vigueta de acero laminado (RSJ), a veces representada incorrectamente como vigueta de acero reforzado . Las normas británicas y europeas también especifican vigas universales (UB) y columnas universales (UC). Estas secciones tienen alas paralelas, mostradas como "sección W" en la ilustración adjunta, a diferencia del espesor variable de las alas de las RSJ, ilustradas como "sección S", que rara vez se laminan actualmente en el Reino Unido . Las alas paralelas son más fáciles de conectar y eliminan la necesidad de arandelas cónicas. Las UC tienen un ancho y una profundidad iguales o casi iguales y son más adecuadas para orientarse verticalmente para soportar cargas axiales, como en las columnas de la construcción de varios pisos, mientras que las UB son significativamente más profundas que anchas y son más adecuadas para soportar cargas de flexión, como los elementos de viga en los pisos.

Las vigas en I , fabricadas con madera reforzada con tablero de fibra o madera laminada enchapada , o ambas, también se están popularizando en la construcción, especialmente en el sector residencial, ya que son más ligeras y menos propensas a deformarse que las vigas de madera maciza . Sin embargo, existe cierta preocupación por su rápida pérdida de resistencia en caso de incendio si no están protegidas.

Las vigas en I se utilizan ampliamente en la industria de la construcción y están disponibles en una variedad de tamaños estándar. Existen tablas que facilitan la selección del tamaño adecuado de viga en I de acero para una carga aplicada determinada. Las vigas en I pueden utilizarse tanto como vigas como columnas .

Las vigas en I pueden utilizarse solas o en combinación con otro material, normalmente hormigón . El diseño puede regirse por cualquiera de los siguientes criterios:

• deflexión : la rigidez de la viga en I se elegirá para minimizar la deformación.
• Vibración : la rigidez y la masa se eligen para evitar vibraciones inaceptables, especialmente en entornos sensibles a las vibraciones, como oficinas y bibliotecas.
• Fallo por flexión debido a la deformación plástica : cuando la tensión en la sección transversal supera la tensión de fluencia.
• Fallo por flexión debido al pandeo lateral torsional : cuando una brida en compresión tiende a pandearse lateralmente o toda la sección transversal se pandea torsionalmente.
• Fallo por flexión debido a pandeo local : cuando el ala o el alma es tan delgada que se pandea localmente.
• Deformación local: causada por cargas concentradas, como en el punto de apoyo de la viga.
• Fallo por cortante : donde falla el alma. Las almas delgadas fallan por pandeo y ondulación en un fenómeno denominado acción de campo de tensión , pero la rigidez de las alas también resiste el fallo por cortante.
• Pandeo o deformación plástica de los componentes: por ejemplo, de los rigidizadores utilizados para proporcionar estabilidad al alma de la viga en I.

Diseño para doblado

Una viga sometida a flexión experimenta altas tensiones a lo largo de las fibras axiales más alejadas del eje neutro . Para evitar la rotura, la mayor parte del material de la viga debe concentrarse en estas regiones. Se necesita relativamente poco material en la zona cercana al eje neutro. Esta observación constituye la base de la sección transversal de la viga en I; el eje neutro discurre a lo largo del centro del alma, que puede ser relativamente delgada, y la mayor parte del material puede concentrarse en las alas.

La viga ideal es aquella con la menor área de sección transversal (y, por lo tanto, que requiere la menor cantidad de material) necesaria para lograr un módulo de sección determinado . Dado que el módulo de sección depende del valor del momento de inercia , una viga eficiente debe tener la mayor parte de su material ubicado lo más lejos posible del eje neutro. Cuanto más lejos se encuentre una cantidad determinada de material del eje neutro, mayor será el módulo de sección y, por consiguiente, mayor será el momento flector que podrá resistir.

Al diseñar una viga I simétrica para resistir esfuerzos debidos a la flexión, el punto de partida habitual es el módulo de sección requerido. Si el esfuerzo admisible es σ _max y el momento flector máximo esperado es M _max , entonces el módulo de sección requerido viene dado por: ^{[ 4 ]}$${\displaystyle S={\cfrac {M_{\mathrm {max} }}{\sigma _{\mathrm {max} }}}={\frac {I}{c}}}$$I es el momento de inercia de la sección transversal de la viga y c es la distancia de la parte superior de la viga al eje neutro (consulte la teoría de vigas para obtener más detalles).

Para una viga de área de sección transversal a y altura h , la sección transversal ideal tendría la mitad del área a una distancia h / 2 por encima de la sección transversal y la otra mitad a una distancia h / 2 por debajo de la sección transversal. ^{[ 4 ]} Para esta sección transversal,

${\displaystyle I={\frac {ah^{2}}{4}}\,;\quad S={\frac {1}{2}}ah}$.

Sin embargo, estas condiciones ideales nunca se pueden alcanzar porque se necesita material en el alma por razones físicas, incluyendo la resistencia al pandeo. Para vigas de ala ancha, el módulo de sección es aproximadamente

${\displaystyle S\approx 0,35ah}$

lo cual es superior a lo que se logra con vigas rectangulares y vigas circulares.

En Estados Unidos , las vigas I de acero se especifican comúnmente utilizando la profundidad y el peso de la viga. Por ejemplo, una viga "W10×22" tiene aproximadamente 10 pulgadas (254 mm) de profundidad con una altura nominal de la viga I desde la cara exterior de un ala hasta la cara exterior del otro ala, y pesa 22 lb/pie (33 kg/m) . Las vigas de sección de ala ancha a menudo varían de su profundidad nominal. En el caso de la serie W14, pueden tener una profundidad de hasta 22,84 pulgadas (580 mm) . ^{[ 9 ]}      

En Europa , los perfiles de acero se nombran mediante una combinación de su designación de tipo y su altura nominal en milímetros. La nomenclatura es sencilla: las letras van seguidas directamente de la altura del alma de la viga. Una viga IPE 200 tiene las siguientes dimensiones y peso clave, según las normas europeas (EN 10365):

• Altura (h): 200 mm
• Ancho de la brida (b): 100 mm
• Espesor de la banda (t _w ): 5,6 mm
• Espesor de la brida (t _f ): 8,5 mm
• Peso: 22,4 kg por metro (kg/m)

En Canadá , las vigas en I de acero ahora se especifican comúnmente utilizando la profundidad y el peso de la viga en términos métricos. Por ejemplo, una viga "W250×33" tiene aproximadamente 250 milímetros (9,8 pulgadas) de profundidad (altura de la viga en I desde la cara exterior de un ala hasta la cara exterior del otro ala) y pesa aproximadamente 33 kg/m (22 lb/pie; 67 lb/yd) . ^{[ 10 ]} Las vigas en I todavía están disponibles en tamaños estadounidenses de muchos fabricantes canadienses.    

En México , las vigas I de acero se denominan IR y se suelen especificar utilizando la profundidad y el peso de la viga en unidades métricas. Por ejemplo, una viga "IR250×33" tiene aproximadamente 250 mm (9,8 pulgadas) de profundidad (altura de la viga I desde la cara exterior de un ala hasta la cara exterior del otro ala) y pesa aproximadamente 33 kg/m (22 lb/ft) . ^{[ 11 ]}    

En India , las vigas en I se designan como ISMB, ISJB, ISLB, ISWB. ISMB: Viga de peso medio estándar india, ISJB: Viga junior estándar india, ISLB: Viga ligera estándar india, ISWB: Viga de ala ancha estándar india. Las vigas se designan según la referencia abreviada correspondiente seguida de la profundidad de la sección, como por ejemplo ISMB 450 , donde 450 es la profundidad de la sección en milímetros (mm). Las dimensiones de estas vigas se clasifican según IS:808 (según BIS ).

En el Reino Unido , estas secciones de acero se especifican comúnmente con un código que consta de la dimensión mayor, generalmente la profundidad, × la dimensión menor × la masa por metro, terminando con el tipo de sección, todas las medidas en milímetros. Por lo tanto, una UC 152×152×23 sería una sección de columna (UC = columna universal) de aproximadamente 152 mm (6,0 pulg.) de profundidad, 152 mm de ancho y un peso de 23 kg/m (46 lb/yd) de longitud. ^{[ 12 ]}     

En Australia , estas secciones de acero se conocen comúnmente como vigas universales (UB) o columnas universales (UC). La designación de cada una se indica mediante la altura aproximada de la viga, el tipo (viga o columna) y la tasa por metro cúbico (por ejemplo, una 460UB67.1 es una viga universal de aproximadamente 460 mm (18,1 pulgadas) de profundidad que pesa 67,1 kg/m (135 lb/yd) ). ^{[ 8 ]}    

Las vigas celulares son la versión moderna de la viga alveolar tradicional , lo que da como resultado una viga aproximadamente entre un 40 % y un 60 % más profunda que su sección original. La profundidad final, el diámetro y el espaciado de las celdas son flexibles. Una viga celular es hasta 1,5 veces más resistente que su sección original y, por lo tanto, se utiliza para crear construcciones eficientes de grandes luces . ^{[ 13 ]}

• Viga en C, también conocida como canal estructural o canal de ala paralela (PFC).
• DIN 1025 : una norma DIN que define las dimensiones, masas y propiedades de sección de un conjunto de vigas en I.
• viga de acero de alma abierta
• Hormigón armado
• Diseño de acero
• Ángulo estructural
• viga en T
• Orificio de acceso para soldar

• Ashby, MF (2005). Selección de materiales en el diseño mecánico (3.ª  ed.). Oxford; Boston: Elsevier Butterworth-Heinemann. ISBN 9780750661683.Consulte el capítulo 8, secciones 8.4 ("Vigas de piso: ¿madera o acero?") y 8.5 ("Aumento de la rigidez de la chapa de acero").

• Sitio web del Instituto Canadiense de Construcción de Acero
• Sitio web del Instituto Americano de Construcción de Acero
• Sitio web del Instituto Mexicano de la Construcción en Acero
• Universidad de Massachusetts: La evolución de las vigas en I de madera de ingeniería (2000)
• Sitio web de la Asociación Británica de Estructuras Metálicas para la Construcción