Viga voladiza

Una viga en voladizo es un elemento estructural que se une firmemente a una estructura fija en un extremo y no tiene soporte en el otro. A veces sobresale de una superficie vertical, como una pared. Una viga en voladizo puede tener forma de viga , placa, cercha o losa .

Cuando se somete a una carga estructural en su extremo más alejado y sin apoyo, la viga en voladizo transmite la carga al apoyo donde aplica un esfuerzo cortante y un momento flector . ^{[ 1 ]}

La construcción en voladizo permite crear estructuras sobresalientes sin necesidad de soporte externo.

Las ménsulas son muy comunes en la construcción, especialmente en puentes y balcones (véase ménsula ). En los puentes de ménsulas, estas suelen construirse en pares, y cada una soporta un extremo de la sección central. El puente Forth en Escocia es un ejemplo de puente de celosía en voladizo . Una ménsula en un edificio tradicionalmente de entramado de madera se denomina muelle o terraplén . En el sur de Estados Unidos, un tipo de granero histórico es el granero en voladizo de construcción de troncos .

En la construcción, se suelen utilizar voladizos temporales. La estructura parcialmente construida crea un voladizo, pero la estructura terminada no actúa como tal. Esto resulta muy útil cuando no se pueden utilizar soportes temporales, o andamios , para sostener la estructura durante su construcción (por ejemplo, sobre una carretera o río con mucho tráfico, o en un valle profundo). Por lo tanto, algunos puentes de arco de celosía (véase el Puente Navajo ) se construyen desde cada lado como voladizos hasta que los tramos se unen y luego se separan mediante gatos hidráulicos para someterlos a compresión antes de unirlos finalmente. Casi todos los puentes atirantados se construyen utilizando voladizos, ya que esta es una de sus principales ventajas. Muchos puentes de viga cajón se construyen por segmentos , o en tramos cortos. Este tipo de construcción se presta bien a la construcción de voladizos equilibrados, donde el puente se construye en ambas direcciones desde un único soporte.

Estas estructuras dependen en gran medida del par de torsión y del equilibrio rotacional para su estabilidad.

En una aplicación arquitectónica, Fallingwater de Frank Lloyd Wright utilizó voladizos para proyectar grandes balcones. La tribuna este del estadio Elland Road en Leeds fue, cuando se terminó, la tribuna en voladizo más grande del mundo ^{[ 2 ]} con capacidad para 17.000 espectadores. El techo construido sobre las gradas de Old Trafford utiliza un voladizo para que ningún soporte obstruya la vista del campo. El antiguo (ahora demolido) estadio de Miami tenía un techo similar sobre el área de espectadores. El techo en voladizo más grande de Europa se encuentra en St James' Park en Newcastle-Upon-Tyne , el estadio local del Newcastle United FC ^{[ 3 ] [ 4 ].}

Ejemplos menos obvios de voladizos son las torres de radio (verticales) independientes sin cables de sujeción y las chimeneas , que resisten ser derribadas por el viento gracias a la acción de voladizo en su base.

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  El puente Forth , un puente de celosía en voladizo.
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  Durante la construcción, este puente de hormigón funciona temporalmente como un conjunto de dos voladizos equilibrados, con otros voladizos que sobresalen para soportar el encofrado .
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  Puente Howrah en India , un puente en voladizo.
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  Un balcón en voladizo de la casa Fallingwater , de Frank Lloyd Wright.
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  Una plataforma ferroviaria en voladizo y una valla en el viaducto de Canton.
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  Un granero en voladizo en la zona rural de Tennessee.
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  Granero en voladizo en Cades Cove
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  Un edificio con doble voladizo en Cambridge, Inglaterra.
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  Voladizo que aparece en el juego " Jenga "
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  El Centro Cinematográfico de Busan, en Busan, Corea del Sur, cuenta con el techo en voladizo más largo del mundo.
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  Fachada en voladizo de la Torre Riverplace en Jacksonville, Florida , obra de Welton Becket y KBJ Architects.
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  Esta radiografía de una restauración dental tipo "puente" muestra una corona en voladizo a la izquierda.
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  Ronan Point : Fallo estructural de parte de los pisos en voladizo que parten de un pozo central.
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  Fiat Tagliero , una estación de servicio de estilo futurista en Asmara , Eritrea , tiene un techo en voladizo con espejos.

El ala en voladizo se utiliza comúnmente en las alas de los aviones de ala fija . Los primeros aviones tenían estructuras ligeras reforzadas con cables y puntales, lo que generaba resistencia aerodinámica y limitaba su rendimiento. Si bien es más pesada, la estructura en voladizo evita este problema y permite que el avión vuele más rápido.

Hugo Junkers fue pionero en el diseño de alas en voladizo en 1915. Tan solo doce años después de los primeros vuelos de los hermanos Wright , Junkers se propuso eliminar prácticamente todos los elementos de refuerzo externos principales para reducir la resistencia aerodinámica del fuselaje. El resultado fue el Junkers J 1 , un monoplano pionero totalmente metálico de finales de 1915, diseñado con paneles de alas en voladizo también metálicos. Aproximadamente un año después del éxito inicial del Junkers J 1, Reinhold Platz, de Fokker, también logró el éxito con un sesquiplano de alas en voladizo construido con materiales de madera, el Fokker V.1 .

En el ala en voladizo, uno o más largueros robustos recorren la envergadura del ala. El extremo fijado rígidamente al fuselaje central se conoce como raíz y el extremo opuesto como punta. Las alas generan sustentación, la cual los largueros transmiten al fuselaje.

Para resistir la cizalladura horizontal producida por la resistencia aerodinámica o el empuje del motor, el ala debe formar una viga en voladizo rígida en el plano horizontal. Un diseño de un solo larguero generalmente incorpora un segundo larguero de menor tamaño, más cercano al borde de salida , arriostrado al larguero principal mediante elementos internos o una cubierta pretensada. El ala también debe resistir las fuerzas de torsión, lo cual se logra mediante arriostramiento transversal u otros métodos de rigidización de la estructura principal.

Las alas en voladizo requieren largueros mucho más resistentes y pesados ​​que los necesarios en un diseño arriostrado con cables. Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad de la aeronave, la resistencia aerodinámica del arriostramiento aumenta considerablemente, mientras que la estructura del ala debe reforzarse, generalmente aumentando la resistencia de los largueros y el grosor del revestimiento. A velocidades de alrededor de 320 km/h (200 millas por hora), la resistencia aerodinámica del arriostramiento se vuelve excesiva y el ala es lo suficientemente resistente como para convertirse en un voladizo sin que ello suponga un aumento de peso. El aumento de la potencia de los motores a finales de la década de 1920 y principios de la de 1930 elevó las velocidades hasta este rango, y a finales de la década de 1930 las alas en voladizo habían sustituido casi por completo a las arriostradas. ^{[ 5 ]} Otros cambios, como las cabinas cerradas, el tren de aterrizaje retráctil, los flaps de aterrizaje y la construcción de revestimiento resistente, impulsaron aún más la revolución del diseño, cuyo momento clave se reconoce como la carrera aérea MacRobertson Inglaterra-Australia de 1934, ganada por un de Havilland DH.88 Comet . ^{[ 6 ]} 

Actualmente, las alas en voladizo son casi universales, y los refuerzos solo se utilizan en algunas aeronaves más lentas donde se prioriza el menor peso sobre la velocidad, como en la clase ultraligera .

Las vigas en voladizo son las estructuras más comunes en el campo de los sistemas microelectromecánicos (MEMS). Un ejemplo temprano de una viga en voladizo MEMS es el Resonistor, ^{[ 7 ] [ 8 ]} un resonador monolítico electromecánico. Las vigas en voladizo MEMS se fabrican comúnmente con silicio (Si), nitruro de silicio (Si ₃ N ₄ ) o polímeros . El proceso de fabricación generalmente implica socavar la estructura de la viga en voladizo para liberarla , a menudo con una técnica de grabado húmedo o seco anisotrópico . Sin transductores de viga en voladizo, la microscopía de fuerza atómica no sería posible. Un gran número de grupos de investigación están intentando desarrollar matrices de vigas en voladizo como biosensores para aplicaciones de diagnóstico médico. Las vigas en voladizo MEMS también están encontrando aplicación como filtros de radiofrecuencia y resonadores . Los tipos de vigas en voladizo MEMS incluyen unimorfos y bimorfos .

Los desafíos para su aplicación práctica radican en las dependencias cuadradas y cúbicas de las especificaciones de rendimiento de las microvigas en función de sus dimensiones. Estas dependencias superlineales implican que las microvigas son bastante sensibles a las variaciones en los parámetros del proceso, especialmente al espesor, ya que este suele ser difícil de medir con precisión. ^{[ 9 ]} Sin embargo, se ha demostrado que los espesores de las microvigas pueden medirse con precisión y que esta variación puede cuantificarse. ^{[ 10 ]} El control de las tensiones residuales también puede resultar difícil.

Un microcantilever puede utilizarse como sensor químico recubriéndolo con un material que se une a sustancias químicas específicas. ^{[ 12 ]} Por ejemplo, un inmunosensor basado en una capa de anticuerpos que interactúa selectivamente con un inmunógeno particular . En el modo de operación estático, la respuesta del sensor se representa mediante la flexión de la viga con respecto a un microcantilever de referencia. Alternativamente, los sensores de microcantilever pueden operarse en modo dinámico. En este caso, la viga vibra a su frecuencia de resonancia y una variación en este parámetro indica la concentración del analito . Se han fabricado microcantilever porosos que proporcionan una superficie mucho mayor para la unión del analito . Esto mejora la sensibilidad al aumentar la relación entre la masa del analito y la masa del cantilever. ^{[ 13 ]}

• Inglis, Simon: Campos de fútbol de Gran Bretaña . CollinsWillow, 1996. página 206.
• Madou, Marc J (2002). Fundamentos de la microfabricación . Taylor & Francis. ISBN 0-8493-0826-7.
• Roth, Leland M (1993). Comprender la arquitectura: sus elementos, historia y significado . Oxford, Reino Unido: Westview Press. págs. 23-24 . ISBN  0-06-430158-3.
• Sarid, Dror (1994). Microscopía de fuerza atómica . Oxford University Press. ISBN 0-19-509204-X.

• Contenido multimedia relacionado con vigas en voladizo en Wikimedia Commons.