Una viga es un elemento estructural que resiste principalmente cargas aplicadas lateralmente a través del eje de la viga (un elemento diseñado para soportar una carga que empuja paralelamente a su eje sería un puntal o columna). Su modo de deflexión es principalmente por flexión , ya que las cargas producen fuerzas de reacción en los puntos de apoyo de la viga y momentos de flexión internos , cortantes , tensiones, deformaciones y deflexiones. Las vigas se caracterizan por su forma de apoyo, perfil (forma de sección transversal), condiciones de equilibrio, longitud y material.
Las vigas son tradicionalmente descripciones de elementos estructurales de construcción o ingeniería civil , donde las vigas son horizontales y soportan cargas verticales. Sin embargo, cualquier estructura puede contener vigas, como estructuras de automóviles, componentes de aeronaves, estructuras de máquinas y otros sistemas mecánicos o estructurales. Cualquier elemento estructural , en cualquier orientación, que resiste principalmente cargas aplicadas lateralmente a través del eje del elemento es una viga.
Históricamente, una viga es una madera escuadrada, pero también puede estar hecha de metal, piedra o una combinación de madera y metal [1] , como una viga de viga . Las vigas soportan principalmente fuerzas gravitacionales verticales , pero también se utilizan para soportar cargas horizontales como las debidas a terremotos o viento, o en tensión para resistir el empuje de la viga ( viga de amarre ) o la compresión ( viga de collar ). Las cargas soportadas por una viga se transfieren a columnas , muros o vigas , luego a miembros estructurales adyacentes en compresión y, finalmente, al suelo. En la construcción de armazones livianos , las vigas pueden descansar sobre vigas.
En ingeniería, las vigas son de varios tipos: [2]
En la ecuación de la viga , la variable I representa el segundo momento de área o momento de inercia : es la suma, a lo largo del eje, de dA · r 2 , donde r es la distancia desde el eje neutro y dA es una pequeña porción de área. Mide no sólo el área total de la sección de la viga, sino también el cuadrado de la distancia de cada parche al eje. Un valor mayor de I indica una viga más rígida, más resistente a la flexión.
Las cargas sobre una viga inducen tensiones internas de compresión , tracción y corte (suponiendo que no haya torsión ni carga axial). Normalmente, bajo cargas de gravedad, la viga se dobla formando un arco ligeramente circular, con su longitud original comprimida en la parte superior para formar un arco de radio más pequeño, mientras que se estira correspondientemente en la parte inferior para encerrar en tensión un arco de radio mayor. Esto se conoce como flacidez ; mientras que una configuración con la parte superior en tensión, por ejemplo sobre un soporte, se conoce como acaparamiento . El eje de la viga que conserva su longitud original, generalmente a medio camino entre la parte superior e inferior, no está sometido a compresión ni tensión y define el eje neutro (línea de puntos en la figura de la viga).
Por encima de los apoyos, la viga está expuesta a un esfuerzo cortante. Hay algunas vigas de hormigón armado en las que el hormigón está completamente comprimido con fuerzas de tracción tomadas por tendones de acero. Estas vigas se conocen como vigas de hormigón pretensado y se fabrican para producir una compresión mayor que la tensión esperada en condiciones de carga. Los tendones de acero de alta resistencia se estiran mientras se vierte la viga sobre ellos. Luego, cuando el hormigón ha curado, los tendones se sueltan lentamente y la viga queda inmediatamente bajo cargas axiales excéntricas. Esta carga excéntrica crea un momento interno y, a su vez, aumenta la capacidad de carga de momento de la viga. Las vigas pretensadas se utilizan comúnmente en puentes de carreteras.
La herramienta principal para el análisis estructural de vigas es la ecuación de vigas de Euler-Bernoulli . Esta ecuación describe con precisión el comportamiento elástico de vigas esbeltas donde las dimensiones de la sección transversal son pequeñas en comparación con la longitud de la viga. Para vigas que no son esbeltas es necesario adoptar una teoría diferente para tener en cuenta la deformación debida a las fuerzas cortantes y, en casos dinámicos, la inercia rotatoria. La formulación de viga adoptada aquí es la de Timoshenko y se pueden encontrar ejemplos comparativos en NAFEMS Benchmark Challenge Number 7. [4] Otros métodos matemáticos para determinar la deflexión de vigas incluyen el "método de trabajo virtual " y el "método de deflexión de pendiente". Los ingenieros están interesados en determinar las deflexiones porque la viga puede estar en contacto directo con un material frágil como el vidrio . Las deflexiones del haz también se minimizan por motivos estéticos. Una viga visiblemente combada, incluso si es estructuralmente segura, es antiestética y debe evitarse. Una viga más rígida (alto módulo de elasticidad y/o una de mayor segundo momento de área ) crea menos deflexión.
Los métodos matemáticos para determinar las fuerzas de la viga (las fuerzas internas de la viga y las fuerzas que se imponen sobre el soporte de la viga) incluyen el " método de distribución de momentos ", el método de la fuerza o flexibilidad y el método de rigidez directa .
La mayoría de las vigas en edificios de hormigón armado tienen secciones transversales rectangulares, pero una sección transversal más eficiente para una viga es una sección en I o en H , que normalmente se ve en la construcción de acero. Debido al teorema de los ejes paralelos y al hecho de que la mayor parte del material está alejado del eje neutro , el segundo momento del área de la viga aumenta, lo que a su vez aumenta la rigidez.
Una viga en I es solo la forma más eficiente en una dirección de flexión: hacia arriba y hacia abajo, mirando el perfil como una I. Si la viga se dobla de lado a lado, funciona como una H donde es menos eficiente. La forma más eficiente para ambas direcciones en 2D es una caja (un caparazón cuadrado); Sin embargo, la forma más eficaz para doblarse en cualquier dirección es una carcasa o tubo cilíndrico. Para flexión unidireccional, la viga en I o de ala ancha es superior. [ cita necesaria ]
Eficiencia significa que para la misma área de sección transversal (volumen de viga por longitud) sometida a las mismas condiciones de carga, la viga se deforma menos.
Otras formas, como L (ángulos), C (canales) , viga en T y doble T o tubos, también se utilizan en la construcción cuando existen requisitos especiales.
Este sistema proporciona refuerzo horizontal para zanjas pequeñas, lo que garantiza la instalación segura de los servicios públicos. Está diseñado específicamente para funcionar junto con láminas de acero para zanjas. [5]
Una viga de paredes delgadas es un tipo de viga (estructura) muy útil. La sección transversal de vigas de paredes delgadas se compone de paneles delgados conectados entre sí para crear secciones transversales cerradas o abiertas de una viga (estructura). Las secciones cerradas típicas incluyen tubos redondos, cuadrados y rectangulares. Las secciones abiertas incluyen vigas en I, vigas en T, vigas en L, etc. Las vigas de paredes delgadas existen porque su rigidez a la flexión por unidad de área de sección transversal es mucho mayor que la de secciones transversales sólidas como una varilla o barra. De esta forma se pueden conseguir vigas rígidas con un peso mínimo. Las vigas de paredes delgadas son particularmente útiles cuando el material es un laminado compuesto . Librescu realizó un trabajo pionero en vigas de paredes finas laminadas compuestas .
La rigidez torsional de una viga está muy influenciada por la forma de su sección transversal. Para secciones abiertas, como las secciones en I, se producen deflexiones de alabeo que, si se restringen, aumentan considerablemente la rigidez torsional. [6]
