¿Cuál es la capacidad de carga de la viga en caja?

Conceptos estructurales: la importancia de la geometría de la viga en caja para una alta capacidad de carga

Diseño de sección cerrada comparado con diseños de sección abierta para la resistencia a la flexión y a la torsión

La sección transversal cerrada de una viga en caja le confiere una ventaja en rigidez a torsión. Esta propiedad la hace eficaz para puentes curvos o estructuras sometidas a cargas excéntricas. Las secciones abiertas, como las vigas en I, se torsionan bajo momento torsor y suelen requerir arriostramientos adicionales o rigidizadores. En flexión, las alas superior e inferior actúan como cordones de tracción y compresión, respectivamente, y los almas verticales resisten el esfuerzo cortante. La geometría cerrada de las vigas en caja favorece una distribución más uniforme de las tensiones a lo largo del perímetro de la sección transversal, minimizando así las concentraciones de tensión y aumentando la resistencia a la fatiga del elemento. La estabilidad torsional intrínseca de las vigas en caja eliminaría la necesidad de sistemas complejos de soporte lateral en vanos largos o vigas de grúa fuertemente cargadas. Este hecho facilitaría la construcción, reduciría el peso total del acero y disminuiría el costo de la obra. Para estructuras que requieren alta resistencia a la flexión y rigidez torsional, las vigas en caja serían la opción óptima.

La influencia del ancho de la brida, la altura del alma y el espesor de la pared en la distribución de la rigidez y la resistencia

El ancho de la brida por sí solo es importante, pero únicamente aporta un momento de inercia. Esto hace que el módulo esté directamente relacionado con la rigidez de la sección y también determinará directamente la flecha máxima admisible. Un efecto aún mayor lo produce la modificación de la altura del alma. Dado que la resistencia al fallo de la sección varía con el cubo de la altura de la sección, incrementos modestos en la altura del alma producen aumentos significativos de la capacidad; por tanto, pueden realizarse múltiples incrementos con un aumento de coste muy bajo o nulo. La resistencia al pandeo local depende del espesor de las paredes. Una reducción del espesor de las paredes puede disminuir la capacidad y, además, requerir la incorporación de elementos internos en dirección vertical para ofrecer una mayor resistencia a los esfuerzos de compresión o cortante. Esto también puede requerir la adición de rigidizadores. En relación con la práctica del diseño estructural, otros factores, como la viabilidad constructiva y el coste, también deben considerarse en dicho diseño. Por ejemplo, en el diseño integrado de puentes, utilizar una losa de hormigón como elemento superior puede reducir el uso de acero, permitiendo que el hormigón asuma la carga de compresión. Un elemento superior de hormigón constituye asimismo una buena forma de aprovechar la resistencia a compresión del elemento. La resistencia, la rigidez, los límites de aptitud para el servicio y el coste siempre se optimizan mediante el uso del análisis por elementos finitos.

Factores de material y fabricación que limitan directamente la capacidad de carga de la viga en caja

Equilibrio entre tenacidad y resistencia al fluencia frente al rendimiento a la fatiga en grados de acero

Los diseñadores seleccionan grados de acero en función de la capacidad de carga y los límites de fabricación. El acero de alta resistencia (por ejemplo, S460 y superior) puede permitir una mayor capacidad portante y rigidez incrementada con menor espesor de chapa y menor peso. Sin embargo, una mayor resistencia a la fluencia suele implicar menor tenacidad y menor resistencia a la fatiga, ambas características especialmente importantes en aplicaciones sometidas a cargas cíclicas, como grúas industriales y puentes de carretera. Por ejemplo, el acero templado y revenido de 690 MPa puede utilizarse para ofrecer una capacidad excepcional bajo cargas estáticas, pero presenta riesgos de fracturas frágiles en entornos fríos, lo cual puede hacerse más aceptable al considerar los requisitos de impacto Charpy con muesca en V. Las clasificaciones por fatiga y los requisitos de tenacidad establecidos en las normas EN 1993-1-9 y AASHTO ayudan a seleccionar grados de calidad adecuados y a tomar decisiones de ingeniería que logren un buen equilibrio entre resistencia a la fluencia y ductilidad. Un acero excesivamente frágil puede provocar una falla catastrófica, mientras que un acero excesivamente dúctil puede dar lugar a un uso excesivo de material y a una baja eficiencia bajo carga.

Medidas de control de calidad para las soldaduras en la fabricación

Incluso la viga en caja mejor diseñada no funcionará de forma eficaz a menos que se fabrique con precisión e integridad. El principal método para unir las secciones de la viga en caja es la soldadura. Este método genera tensiones residuales de tracción concentradas en los cordones de soldadura y en las zonas afectadas térmicamente, lo que provoca la iniciación de grietas por fatiga y reduce la resistencia efectiva de la viga. Las discontinuidades de soldadura, como el rebaje, la falta de fusión y la porosidad, se consideran concentradores de tensiones y pueden provocar la rotura de la viga bajo las cargas de diseño. La energía de aporte térmico, el precalentamiento y el enfriamiento entre pasadas de soldadura deben controlarse para minimizar la deformación y las tensiones residuales. Asimismo, la calidad dimensional es fundamental, ya que un alma desviada de su plano en 2–3 mm puede desplazar la ubicación del eje neutro, generar flexión interna y provocar el pandeo local prematuro de la viga. Las soldaduras y las tolerancias son las causas más frecuentes de fallos en campo, frente al material. Por tanto, solo se podrá aprovechar toda la resistencia de las vigas en caja cuando se apliquen rigurosas pruebas no destructivas (inspección ultrasónica y por partículas magnéticas) y, cuando proceda, tratamientos posteriores a la soldadura para la relajación de tensiones, como prácticas orientadas a la seguridad.

Efecto de las condiciones de carga en la viga en caja

Una viga en caja está diseñada para soportar múltiples cargas, tanto estáticas como dinámicas, simultáneamente a lo largo de su vida útil. El diseñador debe considerar el efecto de cada una de dichas cargas, así como las distintas combinaciones de estas, teniendo en cuenta los coeficientes de carga, para garantizar que la viga en caja no experimente fluencia, pandeo ni fatiga durante su vida útil.

Cálculo anual de cargas muertas y cargas variables combinado con coeficientes de seguridad

Las cargas muertas son el peso de la viga y de los elementos que están fijados permanentemente a ella. Las cargas vivas pueden ser el tráfico, los equipos y los materiales almacenados temporalmente. Según el Eurocódigo y la AASHTO, las cargas muertas y vivas se calculan aplicando coeficientes parciales de seguridad, habitualmente de 1,2 y 1,6, respectivamente. Las fuerzas internas (momento, cortante o axial) se multiplican por dichos coeficientes y luego se comparan con la resistencia de la viga, que se determina en función de los materiales y la geometría, así como de los análisis de pandeo. Esto brinda al proyectista la confianza necesaria de que el margen de seguridad es suficiente para evitar la fluencia, el pandeo lateral-torsional o la abolladura del alma bajo los escenarios estáticos máximos previstos.

Efectos dinámicos

Las cargas dinámicas están compuestas por el viento, las aceleraciones sísmicas y millones de cargas por eje. Estas cargas generan tensiones de trabajo que, con el tiempo, reducen la capacidad estructural. Aunque la sección cerrada de la viga-cajón proporciona una alta rigidez a la torsión y puede resistir la torsión debida a cargas dinámicas laterales o excéntricas, la vida útil a la fatiga de la sección depende del rango de tensiones, la categoría de los detalles constructivos y el daño acumulado. El proyectista empleará métodos establecidos, ya sea el diagrama de Goodman para correcciones por tensión media o la ley de Paris, que describe la distribución de tensiones en relación con la propagación de grietas, con el fin de determinar la vida útil de la estructura. Esto es especialmente cierto en puentes de gran luz y en carriles de circulación de grúas, sometidos a tensiones repetidas. La fatiga constituye un factor importante y, con frecuencia, resulta más determinante para el diseño que las cargas estáticas. Debe considerarse la degradación acumulada de la vida útil a la fatiga de la estructura; de lo contrario, se producirá un fallo prematuro, aun cuando la capacidad estructural sea adecuada.

Preguntas frecuentes

1. ¿Por qué es una viga en caja mejor que una viga en I para resistir la flexión y la torsión?

La sección transversal cerrada de una viga en caja proporciona una mayor rigidez a la torsión y una mejor distribución de tensiones. Esto la hace más adecuada para estructuras curvas o aquellas sometidas a cargas excéntricas.

2. ¿Cómo afectan el ancho del ala y el alma (altura) al rendimiento de la viga en caja?

La altura del alma y el ancho del ala influyen en el rendimiento y la capacidad de la viga en proporciones distintas. Aunque aumentar el ancho del ala o la altura del alma mejora la capacidad de la viga, la penalización en peso derivada del aumento de la altura del alma es significativamente menor.

3. ¿Cómo afecta la selección del grado de acero a las vigas en caja?

En general, los grados superiores de acero mejoran la resistencia al fluencia, la resistencia a la fatiga y la tenacidad. Al aplicarse en el grado adecuado, se logra un mejor equilibrio entre rigidez y durabilidad.

4. ¿Cómo afecta la calidad de la soldadura a la capacidad de la viga en caja?

Una mayor calidad de la soldadura y una reducción de las tensiones residuales evitan la formación de grietas. Para lograr la máxima capacidad, es necesario equilibrar la calidad de la fabricación y las técnicas de alivio de tensiones.

5. ¿Cuál es el efecto de las cargas estáticas y dinámicas sobre la vida útil de una viga en caja?

El efecto de la carga estática es la resistencia interna al aplicarse inicialmente. Por lo general, la carga dinámica y la fatiga constituyen el criterio de diseño limitante.