Vigas

La viga es un elemento fundamental en la construcción, sea ésta de la índole que fuera. Será el tipo, calidad y fin de la construcción lo que determinará medidas, materiales de la viga, y sobre todo, su capacidad de sostener y contener pesos y tensiones. Una viga está pensada para soportar no sólo presión y peso, sino también flexión y tensión, según cuál finalidad predomine será el concepto de viga para ingeniería o arquitectura, que predomine. En principio, es importante definir que en la teoría de vigas se contempla aquello que es denominado ‘resistencia de los materiales’. Así, es posible calcular la resistencia del material con que está hecha la viga, y además analizar la tensión de una viga, sus desplazamientos y el esfuerzo que puede soportar. A lo largo de la historia de la construcción se han utilizado vigas para innumerables fines y de diferentes materiales. El material por antonomasia en la elaboración de vigas ha sido la madera dado que puede soportar todo tipo de tracción, incluso hasta esfuerzos muy intensos sin sufrir demasiadas alteraciones, y como no ocurre con otros materiales, como cerámico o ladrillos próximos a quebrarse ante determinadas presiones qué sí soporta la viga de madera. La madera es un material de tipo ortotrópico que presenta, según de qué se obtenga, diferentes niveles de rigidez. Esta mayor o menor rigidez es la que dará a la viga su fortaleza. Con los avances tecnológicos y el desarrollo industrial, las vigas pasaron a elaborarse de hierro y luego, de acero. El acero es un material isotrópico, y las vigas de acero tienen, por ejemplo, respecto del hormigón una mayor resistencia, pero menor peso, y puede resistir tanto tracciones como compresiones. El hormigón como material de llenado y conformación de vigas, se comenzó a utilizar en el siglo XIX antes del uso del acero y casi paralelamente a la implementación del hierro como material de elaboración de las vigas. Una aplicación histórica y fundamental de la viga, particularmente de madera, ha sido en minería. El uso de vigas de diferente calibre para el sostén de los túneles cavados en la tierra es sin dudar uno de los fines más identificados a las vigas.

En ingeniería y arquitectura se denomina viga a un elemento constructivo lineal que trabaja principalmente a flexión. En las vigas la longitud predomina sobre las otras dos dimensiones y suele ser horizontal.El esfuerzo de flexión provoca tensiones de tracción y compresión, produciéndose las máximas en el cordón inferior y en el cordón superior respectivamente, las cuales se calculan relacionando el momento flector y el segundo momento de inercia. En las zonas cercanas a los apoyos se producen esfuerzos cortantes o punzonamiento. También pueden producirse tensiones por torsión, sobre todo en las vigas que forman el perímetro exterior de un forjado. Estructuralmente el comportamiento de una viga se estudia mediante un modelo de prisma mecánico.

L a viga es un soporte de la edificación, que aguanta y a la vez transmite el peso del techo hacia las columnas de la construcción. Para su elaboración debemos emplear maderos largos y gruesos, además se debe tener bien en cuenta la resistencia del madero para que aguante o sostenga el hormigón armado. La viga se conoce en las ramas de arquitectura e ingeniería como un mecanismo constructivo, en donde la longitud influye sobre los otros dos espacios; y que trabaja esencialmente con una fuerza de flexión. Se denomina tracción al esfuerzo a que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos fuerzas opuestas que tienden a estirarlo. El esfuerzo de flexión provoca que se distribuyan las fuerzas por unidad de área y además, mantiene el cuerpo firme o recto con dos fuerzas opuestas y esta reduce las cargas, y así conduce el mismo peso en el tramo superior y en el tramo inferior respectivamente, las cuales se calculan relacionando el momento flector y el segundo momento de inercia. En las partes próximas a los sostenes se originan esfuerzos cortantes.

Materiales utilizados

A lo largo de la historia, las vigas se han realizado de diversos materiales; el más idóneo de los materiales tradicionales ha sido la madera, puesto que puede soportar grandes esfuerzos de tracción, lo que no sucede con otros materiales tradicionales pétreos y cerámicos, como el ladrillo.La madera sin embargo es material ortotrópico que presenta diferentes rigideces y resistencias según los esfuerzos aplicados sean paralelos a la fibra de la madera o transversales. Por esa razón, el cálculo moderno de elementos de madera requiere bajo solicitaciones complejas un estudio más completo que teoría la de Navier-Bernouilli, anteriormente expuesta.A partir de la revolución industrial, las vigas se fabricaron en acero, que es un material isótropo al que puede aplicarse directamente la teoría de vigas de Euler-Bernouilli. El acero tiene la ventaja de ser un material con una relación resistencia/peso superior a la del hormigón, además de que puede resistir tanto tracciones como compresiones mucho más elevadas. A partir de la segunda mitad del siglo XIX, en arquitectura, se ha venido usando hormigón armado y algo más tardíamente el pretensado y el postensado. Estos materiales requieren para su cálculo una teoría más compleja que la teoría de Euler-Bernouilli.

Vigas y construcción. Las vigas de una cubierta son miembros estructurales intermedios, transfieren las cargas muertas de las viguetas (sí es utilizado) y la cubierta y las cargas vivas al poste o embarcadero. Pueden ser madera de construcción sólida, 4X6 o 4X8, o como la columna, Construida de material 2X. Clavar los tableros cara a cara, un error común, promueve decaimiento material prematuro. En la fabricación de una viga de construcción, los espaciadores hechos de madera de construcción tratada o Plywood se colocan entre dos o más pedazos de material 2X en los espaciamientos de 12 a 18 pulgadas dependiendo de la profundidad del material. Los espaciadores se pegan y/o se sujetan a los miembros de la viga permitiendo la circulación de aire y creando un vacío para que el agua pase a través de ella. El mejor método para apoyar la viga es reclinarla encima del poste. Esto permite que el poste proporcione la mejor resistencia compresiva. Este método levanta el perfil de la cubierta, y si éste es estéticamente inaceptable, las vigas se pueden empernar al lado de la columna. Una variedad de conectadores galvanizados del metal puede formar una conexión mecánica entre la viga y el poste. Los conectadores se diseñan para ser montados encima de un poste de madera o para ser encajados en la tapa de un embarcadero concreto si se elimina el poste de madera. Al usar un poste de madera, es importante que la anchura de la viga sea igual o mayor que el poste así el agua no fluye debajo de la cara de la viga y en el grano del extremo del poste. Si se corta el poste, el grano expuesto del extremo se debe tratar con un preservativo antes de que la viga se fije en el lugar. Los conectadores de madera del poste son en forma de H o de una H torcida, donde están perpendiculares la dirección de U en la tapa y el fondo el uno al otro, permitiendo que los pernos sean perpendiculares en los postes y la viga respectivas. Cada forma ha pretaladrado los agujeros que proporcionan las

localizaciones para los pernos del carro o de la máquina. Están también las correas de U que extienden para arriba de los lados del poste y del excedente la tapa de la viga. Algunos diseñadores utilizan la barra del plano de acero con los agujeros pretaladrados como correas y conectan uno con cada lado de la viga y del poste. La forma de la viga depende de donde está el punto del contacto entre los postes y la viga. Los siguientes son vigas comunes en la construcción de la cubierta:

A: Viga simple, un solo palmo apoyado en cada extremo. B: Viga voladiza, apoyada solamente en un extremo. C: Viga sobresaliente, extendiendo más allá de uno o más soportes. D: Viga continua, apoyada por tres o más miembros estructurales. E: Viga fija, fijada para soportar en cada extremo.

La repisa (saliente). Otro miembro estructural, la repisa (saliente), no es técnicamente una viga pero actúa de una manera similar. La repisa (saliente) apoya las mismas cargas que una viga, pero en vez de la reclinación sobre los postes o los embarcaderos, se une mecánicamente a una estructura existente. Cuando la cubierta se extiende hacia fuera de un edificio, un miembro de 2x o 4x es conectado con las viguetas del borde o armazón vertical existentes. La repisa (saliente) se puede unir con dos pernos cualquiera de 3/8 " de diámetro cada 24 pulgadas a la vigueta del borde (banda) o a los pernos prisioneros de la pared o extensión-empernada a la pared de fundación. Así la repisa (saliente) continuamente se apoya mecánicamente. Al unir las viguetas a la repisa (saliente), clavar la punta del clavo se debe evitar. Los clavos grandes requeridos partirán los extremos de las viguetas y permitirán que el agua se acumule donde no debe. Para eliminar una conexión la punta del clavo, las suspensiones de la vigueta se pueden clavar a la repisa (saliente) para recibir las viguetas. Sin embargo algunos requieren una estructura clasificada para 60 pies cuadrados. Se comprueba con los códigos locales aplicables para saber el lugar del proyecto. Para estimar la utilidad, una viga lleva el peso de la cubierta a medio camino entre ella y la viga o repisa; esto se llama carga tributaria.

Principales usos de las vigas de madera, hierro y aceroLa viga es una estructura horizontal que puede sostener carga entre dos apoyos sin crear empuje lateral en éstos. El uso más imponente de una viga, tal vez sea el que aplica a la estructura de puentes. Su diseño de ingeniería descansa justamente sobre vigas de calidades y tamaños acordes al tipo y uso de puente que se desea construir. Esta estructura desarrolla compresión en la parte de arriba y tensión en la de abajo. Pensemos que los primeros puentes de la humanidad fueron construidos con vigas de madera: primitivos troncos o vigas que unían dos orillas. Con vigas de ese material se siguió por siglos. Uno de los más famosos en la

antigüedad es el del persa Jerjes en 481ac construido a través del Helesponto hecho con vigas de tronco y ramas. Es en 1840 que se construye en Inglaterra el primer puente de vigas de hierro forjado. Luego los puentes llegaron a adquirir dimensiones fastuosas: como tal vez dos de los más impresionantes hasta ahora diseñados, el de Brooklyn en Nueva York y el Golden Gate de San Francisco, construidos con vigas de acero. Y también recordemos los puentes levadizos, como el que está en Río de Janeiro con un vano hecho con una viga cajón que trabaja como viga continua, que alzada deja pasar la navegación del río Guanabara. Finalmente, uno de los usos artísticos de las vigas es desde hace poco más de una década el de las vigas alveolares. Las vigas alveolares permiten acceder a nuevas formas de arte, un aligeramiento en las líneas y vanos de mayores dimensiones, uniendo con más armonía los espacios. Nuevas inspiraciones arquitectónicas parten de la elección de estas vigas alveolares, que como lo indica su nombre, se fabrican a partir de perfiles en H laminados en caliente que se cortan según un patrón predeterminado y se sueldan reconformando una pieza en forma de T. Estas vigas poseen alvéolos circulares, hexagonales u octogonales, siendo de especial aplicación en las estructuras de cubiertas en construcciones artísticas. A su vez, la explotación de minas minerales ha sido asistida desde sus principios por el soporte de las vigas generalmente ajustadas con gruesas cuerdas a los tirantes de los techos en los socavones de los túneles.

Viguetas. Las viguetas, en el método de plataforma de armazón, transfieren las cargas vivas y muertas de la cubierta a las vigas. Son colocadas perpendicular a la viga y pueden ser fijadas encima de las vigas o ser colgadas al ras del tope de la viga usando suspensiones de la vigueta. El primer método confía en la integridad de la viga para transferir las cargas. El segundo método depende de la integridad del conector, la suspensión de la vigueta, para transferir las cargas a las vigas. El espacio de las viguetas depende de la capacidad del palmo, que es determinada por la dimensión de la cubierta. El espacio típico de la vigueta se extiende a partir de 16 a 24 pulgadas en centro, al apoyar la cubierta de 5/4-pulgadas o 2X. El primer método eleva la vigueta, aumentando el perfil de la cubierta en dimensión vertical de la vigueta que descansa sobre la viga. Los conectores usados en este uso son lazos huracán; Éstas son las correas torcidas que conectan la vigueta con la viga para resistir el levantamiento por la presión del viento. Con el segundo método, las viguetas están puestas al ras de la viga usando una suspensión de la vigueta o repisa (Saliente).

La suspensión de la vigueta es un estribo galvanizado de metal en el cual se clava la viga. Los ajustes de la vigueta en el estribo en forma de "U" entonces se clavan a la vigueta. Las viguetas pueden atravesar largas distancias concernientes a su dimensión vertical, y torcerse, o curvarse, es un problema potencial. Para contradecir esta tendencia, se coloca la madera sólida que bloquea la misma dimensión que las viguetas, o la madera 1X2 o el metal que tiende un puente encima, entre las viguetas en el punto mediano de los palmos y clavarlo a cada miembro para resistir el movimiento. Otro problema común para evitar cuando la unión de la cubierta a las viguetas es clavar cerca del grano del extremo de la cubierta arriba. Cuando se escalonan los empalmes esto es

difícil de evitar. Si un patrón requiere cubierta para cambiar la dirección en los puntos particulares, o si los empalmes se alinean en un patrón corriente, se puede utilizar un sistema doble de vigueta. Si un espaciador 2X se utiliza entre los dos miembros 2x, los clavos en el extremo de los tableros de la cubierta se pueden fijar aproximadamente 1-1/2 pulgadas de atrás del borde. Esto proporciona buenos drenaje y ventilación al extremo del grano de la cubierta, en vez de la vigueta debajo de la interceptación del agua, como en el método simple de la vigueta. Las vigas y las viguetas se deben orientar verticalmente al eje longitudinal de la sección representativa. Toda la madera de construcción del tablero tiene un “gancho”, una curva que esté opuestamente a la dimensión más grande. En algunos miembros esto es obvio en otros puede ser más difícil de ver. Al colocar las viguetas, es importante orientar el “coronado” ascendente lateral. Esto permite que el peso de la estructura proporcione una resistencia contraria que enderece la corona en vez de la presión de aumento en la curva natural como si el miembro es colocado del lado de debajo de la corona.

TIPOS DE VIGAS

 APOYADAS

EMPOTRADAS

APOYADAS-EMPOTRADAS

EN VOLADIZO

Punto A: Extremo de la  viga que se utiliza como  referencia, y con  respecto al cual se toman todas las distancias.  En  vigas apoyadas  y  en  vigas empotradas  es indiferente  tomar como  extremo A cualquier extremo. En vigas apoyadas-empotradas  y en vigas en voladizo se toma como extremo A el apoyado y  el libre respectivamente.

 Punto B: Extremo de la viga opuesto al extremo A.

FUERZAS ACTUANTES

CARGAS EXTERNAS ESFUERZOS INTERNOS

PUNTUALCORTANT

ES

MOMENTOMOMENTO FLECTOR

DISTRIBUIDA

REACCIONES

P1 P2: Cargas puntuales externas (positivas o negativas).

M1 M2: Momentos aplicados externos (positivos o negativos).

Pa: Carga distribuida, valor de la misma en el extremo de  la carga distribuida, más proximo al extremo A de referencia  de la viga (positiva o negativa).

Pb

Q1 Q2: Esfuerzos cortantes (positivos o negativos)

M1 M2: Momentos flectores (positivos o negativos)

R1 R2: Reacciones (positivas o negativas)

LONGITUDES Y DISTANCIAS

CARGAS PUNTUALES Y MOMENTOS

CARGAS DISTRIBUIDAS

L: Longitud de la viga (solo valores positivos).

a1 a2: Distancias desde las cargas puntuales  o momentos  al extremo A  de referencia (solo valores positivos y tanto a1 como a2 deben ser menores o iguales que L ).

a: Distancia desde el extremo más cercano de una carga distribuida al extremo A de referencia de la viga. A este extremo  de la carga distribuida se le asigna el valor de  carga Pa (solo valores positivos y a debe ser menor o igual que L y menor que b ).

b: Distancia desde  el extremo más lejano de  una carga distribuida  al  extremo A de  referencia   de la  viga. A este extremo de la carga distribuida  le asigna el valor de carga Pb (solo valores positivos y  b debe ser menor o igual que L y mayor que a ).

c: Longitud de la carga distribuida (solo valores positivos y  c debe ser

CONVENIO DE SIGNOS

 SENTIDO POSITIVO  ( + ) SENTIDO NEGATIVO  ( - ) 

ACCIONES EXTERIORES

ESFUERZOS EN UNA SECCION

DE LA VIGA

REACCIONES

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