Una viga en I es cualquiera de los diversos elementos estructurales con una sección transversal en forma de Ɪ (letra mayúscula serif 'I') o H. 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 ) o doble T (especialmente en polaco , búlgaro , español , italiano y alemán ). Las vigas en I generalmente están hechas de acero estructural y sirven para una amplia variedad de usos en la construcción.
Los elementos horizontales de la Ɪ se denominan alas y el elemento vertical se conoce como "alma". El alma resiste las fuerzas de corte , mientras que las alas resisten la mayor parte del momento de flexión experimentado por la viga. La ecuación de vigas de Euler-Bernoulli muestra que la sección en forma de Ɪ es una forma muy eficiente para soportar cargas de flexión y de corte 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 la torsión , para la que a menudo se prefieren las 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 varias secciones transversales para obras de puentes y rascacielos estadounidenses de mediados del siglo XX. [3] Las secciones transversales laminadas ahora han sido parcialmente reemplazadas en tales trabajos por secciones transversales fabricadas .
Hay dos formas estándar de vigas en I:
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 viga de acero laminado (RSJ), a veces incorrectamente representada como viga de acero reforzado. Las normas británicas y europeas también especifican vigas universales (UB) y columnas universales (UC). Estas secciones tienen alas paralelas, que se muestran como "sección W" en la ilustración adjunta, a diferencia del grosor variable de las alas RSJ, ilustradas como "sección S", que rara vez se laminan 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 estar orientadas verticalmente para soportar carga axial, como columnas en construcciones de varios pisos, mientras que las UB son significativamente más profundas que anchas y son más adecuadas para soportar cargas de flexión, como elementos de viga en pisos.
Las vigas en I , las vigas en I fabricadas a partir de madera con tableros de fibra o madera laminada enchapada , o ambas, también se están volviendo cada vez más populares en la construcción, especialmente en la residencial, ya que son más livianas y menos propensas a deformarse que las vigas de madera maciza . Sin embargo, ha habido cierta preocupación en cuanto a su rápida pérdida de resistencia en un incendio si no se protegen.
Las vigas en I se utilizan ampliamente en la industria de la construcción y están disponibles en una variedad de tamaños estándar. Hay tablas disponibles para permitir una fácil selección de un tamaño de viga en I de acero adecuado para una carga aplicada determinada. Las vigas en I se pueden utilizar tanto como vigas como como columnas .
Las vigas en I pueden utilizarse tanto solas como en combinación con otro material, normalmente hormigón . El diseño puede regirse por cualquiera de los siguientes criterios:
Una viga sometida a flexión experimenta tensiones elevadas a lo largo de las fibras axiales que están más alejadas del eje neutro . Para evitar fallas, la mayor parte del material de la viga debe estar ubicado en estas regiones. Comparativamente, se necesita poco material en el área cercana al eje neutro. Esta observación es la base de la sección transversal de la viga en I; el eje neutro corre a lo largo del centro del alma, que puede ser relativamente delgada, y la mayor parte del material puede estar concentrado en las alas.
La viga ideal es aquella que tiene la menor área de sección transversal (y por lo tanto 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 esté una cantidad dada de material del eje neutro, mayor será el módulo de sección y, por lo tanto, se podrá resistir un momento de flexión mayor.
Al diseñar una viga en I simétrica para resistir tensiones debidas a la flexión, el punto de partida habitual es el módulo de sección requerido. Si la tensión admisible es σ max y el momento de flexión máximo esperado es M max , entonces el módulo de sección requerido viene dado por: [4]
donde 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 desde el eje neutro (ver teoría de vigas para más detalles).
Para una viga de sección transversal a y altura h , la sección transversal ideal tendría la mitad del área a una distanciayo/2 por encima de la sección transversal y la otra mitad a distancia yo/2 debajo de la sección transversal. [4] Para esta sección transversal,
Sin embargo, estas condiciones ideales nunca se pueden lograr porque se necesita material en el alma por razones físicas, incluida la resistencia al pandeo. Para vigas de ala ancha, el módulo de sección es aproximadamente
que es superior a lo conseguido con vigas rectangulares y vigas circulares.
Aunque las vigas en I son excelentes para la flexión unidireccional en un plano paralelo al alma, no funcionan tan bien en la flexión bidireccional. Estas vigas también muestran poca resistencia a la torsión y sufren deformaciones seccionales bajo cargas de torsión. Para problemas dominados por la torsión, se utilizan vigas cajón y otros tipos de secciones rígidas en lugar de las vigas en I.
En los Estados Unidos , la viga en I más comúnmente mencionada es la de ala ancha (W). Estas vigas tienen alas cuyas superficies internas son paralelas en la mayor parte de su área. Otras vigas en I incluyen las formas estándar americanas (designadas S), en las que las superficies internas de las alas no son paralelas, y los pilotes en H (designados HP), que se utilizan típicamente como cimientos de pilotes. Las formas de ala ancha están disponibles en grado ASTM A992, [5] que generalmente ha reemplazado a los antiguos grados ASTM A572 y A36. Rangos de resistencia al límite elástico:
Como la mayoría de los productos de acero, las vigas en I a menudo contienen algún contenido reciclado.
Las siguientes normas definen la forma y las tolerancias de las secciones de acero con forma de I:
El Instituto Americano de Construcción en Acero (AISC) publica el Manual de Construcción en Acero para diseñar estructuras de diversas formas. Documenta los enfoques comunes, Diseño de Resistencia Admisible (ASD) y Diseño de Factor de Carga y Resistencia (LRFD), (a partir de la 13.ª ed.) para crear dichos diseños.
En los Estados Unidos , las vigas de acero en I se especifican comúnmente utilizando la profundidad y el peso de la viga. Por ejemplo, una viga "W10x22" tiene aproximadamente 10 pulgadas (254 mm) de profundidad con una altura nominal de la viga en I desde la cara exterior de una brida hasta la cara exterior de la otra brida, y pesa 22 lb/ft (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). [7 ]
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 "W250x33" tiene aproximadamente 250 milímetros (9,8 pulgadas) de profundidad (altura de la viga en I desde la cara exterior de una brida hasta la cara exterior de la otra brida) y pesa aproximadamente 33 kg/m (22 lb/ft; 67 lb/yd). [8] Las vigas en I todavía están disponibles en tamaños estadounidenses de muchos fabricantes canadienses.
En México , las vigas de acero en I se denominan IR y se especifican comúnmente utilizando la profundidad y el peso de la viga en términos métricos. Por ejemplo, una viga "IR250x33" tiene aproximadamente 250 mm (9,8 in) de profundidad (altura de la viga en I desde la cara exterior de una brida hasta la cara exterior de la otra brida) y pesa aproximadamente 33 kg/m (22 lb/ft). [9]
En la India , las vigas en I se designan como ISMB, ISJB, ISLB, ISWB. ISMB: Indian Standard Medium Weight Beam, ISJB: Indian Standard Junior Beams, ISLB: Indian Standard Light Weight Beams e ISWB: Indian Standard Wide Flange Beams. Las vigas se designan según la referencia abreviada respectiva 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 ). [ cita requerida ]
En el Reino Unido , estas secciones de acero se especifican comúnmente con un código que consta de la dimensión principal, generalmente la profundidad, -x- la dimensión menor -x- la masa por metro- y termina con el tipo de sección, siendo todas las medidas métricas. Por lo tanto, una 152x152x23UC sería una sección de columna (UC = columna universal) de aproximadamente 152 mm (6,0 in) de profundidad, 152 mm de ancho y un peso de 23 kg/m (46 lb/yd) de longitud. [10]
En Australia , estas secciones de acero se conocen comúnmente como vigas universales (UB) o columnas (UC). La designación para cada una se da como la altura aproximada de la viga, el tipo (viga o columna) y luego la tarifa unitaria por metro (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)). [6]
Las vigas alveolares son la versión moderna de la tradicional viga almenada , que da como resultado una viga aproximadamente entre un 40 y un 60 % más profunda que su sección original. La profundidad final exacta, el diámetro de la celda y el espaciado entre celdas son flexibles. Una viga alveolar es hasta 1,5 veces más resistente que su sección original y, por lo tanto, se utiliza para crear construcciones eficientes de gran envergadura . [11]
