Una viga cajón o viga tubular (o viga cajón ) es una viga que forma un tubo cerrado con múltiples paredes, a diferencia de una viga Ɪ o H. Originalmente construidas de hierro forjado unido mediante remaches , ahora están hechas de acero laminado o soldado, extrusiones de aluminio u hormigón pretensado .
En comparación con una viga Ɪ , la ventaja de una viga cajón es que resiste mejor la torsión . Al tener múltiples almas verticales , también puede soportar más carga que una viga Ɪ de igual altura (aunque utilizará más material que una viga Ɪ más alta de capacidad equivalente).
La distinción entre una viga cajón y una viga tubular es imprecisa. Generalmente se utiliza el término viga cajón , especialmente si tiene una sección rectangular. Cuando la viga lleva su "contenido" dentro de la "caja", como en el caso del puente Britannia , se denomina viga tubular . También se utiliza viga tubular si la viga tiene una sección transversal redonda u ovalada, como en el caso del puente Royal Albert .
Cuando una viga cajón grande contiene más de dos paredes, es decir, con múltiples cajones, se denomina viga celular .
La base teórica de la viga cajón fue en gran parte obra del ingeniero Sir William Fairbairn , con la ayuda del matemático Eaton Hodgkinson , alrededor de 1830. Buscaron diseñar la viga más eficiente posible en el nuevo material de placas de hierro forjado remachadas.
La mayoría de las vigas están cargadas estáticamente, de modo que una de las almas está en compresión y la otra en tensión. Las grúas originales de Fairbairn utilizaban una construcción celular para la cara de compresión de su pluma, con el fin de resistir el pandeo. Esta pluma era curva, cónica y formada por placas de hierro forjado remachadas. Se formaron tres celdas dentro de la cara cóncava (inferior) de esta viga, nuevamente de placas remachadas. [1]
Cuando se utiliza una viga tubular como tramo de puente (es decir, cuando se carga en el centro en lugar de en un extremo, como una grúa), la fuerza de compresión se encuentra en el alma superior de la viga, por lo que las celdas se colocan en la parte superior. Las fuerzas dinámicas (cargas en movimiento, viento) también pueden requerir que ambas caras sean celulares. (La sección preservada del Puente Britannia muestra que tanto las alas superior como inferior eran de construcción celular, pero (según Fairbairn) se adoptó la construcción celular del ala inferior, no por la naturaleza de las fuerzas que tenía que soportar, [2] : 206 sino por su magnitud y las consiguientes "dificultades prácticas que se habrían encontrado si se hubiera intentado lograr el área seccional requerida en una masa sólida") [2] : 183
En cierto modo, no se trata de una "viga celular" como tal (en comparación con una estructura espacial o una construcción geodésica ), ya que las celdas no comparten las cargas de toda la viga, sino que simplemente actúan para reforzar una placa de forma aislada. El diseño de estructuras integradas tan complejas requiere técnicas de modelado matemático anteriores a la época de Fairbairn.
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La viga teórica de Fairbairn apareció justo en el momento adecuado para la creciente demanda de puentes ferroviarios de gran longitud. Robert Stephenson contrató a él y a Hodgkinson como consultores para que le ayudaran con sus puentes Britannia y Conwy , ambos contenían la vía del tren dentro de una gran viga tubular. Poco después, Brunel también optó por utilizar un par de vigas redondas de diámetro pequeño como parte de una armadura más grande en Chepstow . Sin embargo, aunque muchos de los puentes ferroviarios de mayor longitud en uso en la década de 1860 utilizaban vigas tubulares o de cajón [3], Benjamin Baker, en su Long-Span Railway Bridges , ya descartaba la "viga de cajón con placas de alma" como "el tipo más desfavorable para puentes ferroviarios de gran longitud que será necesario que investiguemos". [4] El puente de Coronado Bay tiene la viga de cajón más alta.
Los puentes de vigas de cajón con sección transversal rectangular poco profunda y características aerodinámicas se utilizaron ampliamente en puentes de carreteras a partir de la década de 1960, como el Puente Severn , siendo mucho más livianos que la construcción de vigas de celosía más profundas utilizadas en puentes anteriores como el Puente Golden Gate .
A principios de los años 70, varios puentes con vigas cajón se derrumbaron durante su construcción: el puente Cleddau en Gales, el puente West Gate en Australia y el puente Koblenz en Alemania. Esto generó serias preocupaciones sobre el uso continuo de vigas cajón y estudios exhaustivos sobre su seguridad, que implicaron un uso temprano de modelos informáticos y fueron un estímulo para el desarrollo del análisis de elementos finitos en ingeniería civil .
Caldera Fairbairn.