leccion 41 vigas y pÓrticos

Escuela Politécnica de Cuenca Unidad Temática 11 Arquitectura Técnica Lección 41

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BLOQUE TEMÁTICO 3 UNIDAD TEMÁTICA 11

LECCION 41 VIGAS Y PÓRTICOS


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INDICE:

1.- INTRODUCCIÓN

2.- TIPOLOGIA DE VIGAS

2.1- Vigas simples. 2.2.- Vigas multiples. 2.3.- Vigas reforzadas (perfiles con refuerzos): 2.4.- Vigas o jacenas armadas. 2.5.- Vigas o jacenas aligeradas (void). 3.- DISPOSICIONES CONSTRUCTIVAS: 3.1.- Vigas apoyadas. 3.2.- Brochal. 3.3.- Disposición Gerber de las vigas o correas. 3.4.- Formas de resolver la transmisión de las compresiones. 3.5.- Vigas continuas. 4.- CAMBIOS DE PERFIL. 5.- EMPALME DE VIGAS. 6.- DETALLES. 7.- PÓRTICOS METÁLICOS


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1.- INTRODUCCIÓN

Las jacenas o vigas son elementos lineales en las que una dimension sobre las

otras dos. Su forma de trabajo es casi exclusivamente a flexion, por ello suelen adoptar forma de I, para tratar de obtener la maxima inercia y el mayor modulo resistente con el material disponible, tratando de mejorar el rendimiento.

Las vigas son los elementos sustentantes horizontales, o como en las cubiertas,

ligeramente inclinados, que reciben cargas verticales y las transmiten, trabajando a flexion a los pilares o apoyos.

Las cargas que la viga recibe producen en sus secciones los siguientes esfuerzos: - Momento flector. - Esfuerzo cortante. - Torsiones (algunas veces).

Perfil simple Viga múltiple

De perfiles

Perfil reforzado En I

De alma llena

Armadas En cajón

De alma aligerada

Vigas

De celosía

2.- TIPOLOGIA DE VIGAS 2.1- VIGAS SIMPLES: En vigas, siempre que sea posible, se utilizaran perfiles laminados IPN, pues su

costo de mano de obra es minimo, ya que en numerosas ocasiones será suficiente con el corte del perfil a la medida deseada.

Los redimientos en flexion son muy buenos en los IPN, ya que conviene resistir las flexiones con el mayor canto posible. Es decir, que es mas interesante económicamente para resisistir las flexiones con el mayor canto posible. Es decir, que es mas interesante económicamente para resistir un esfuerzo de flexion una sola viga que dos equvalentes.

Los perfiles empleados son IPN, IPE o HE (cuando es preciso canto reducido). El empleo de los perfiles IPE resulta mas economico en general, tanto por su

mayor rendimiento mecanico como por la simplificación que, en empalmes y uniones, proporciona el espesor uniforme de las alas.

Las principales diferencias en cuanto a forma de los perfiles IPE con relacion a los IPN son:

- El paralelismo de sus caras. - La reduccion en el espesor del alma. - La mayor anchura de las alas.


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El paralelismo de las alas elimina todos los inconvenientes que en construcción y

en montaje presentan los perfiles de alas ataluzadas, al tener que intercalar cuñas de ajuste para que la tornillería encaje correctamente.

Los perfiles simples laminados tiene la

ventaja sobre la viga armada, que para igual resistencia se coste es menor.

Las vigas constituidas por dos o más

perfiles adosados, unidos a través de elementos de unión, como presillas, tornillos, pasantes, etc., que solidaricen eficazmente los perfiles componentes se denominan vigas múltiples.

2.2.- VIGAS MULTIPLES: Son las vigas constituidas por dos o mas perfiles I adosados, unidos a través de

elementos de union tales como perfiles, presillas, tornillos, pasantes, etc., que solidaricen eficazmente los perfiles componentes, del modo en que se detalla a continuación.

Los medios de union habituales son : - Perfiles UPN, IPN, HE con soldaduras o con tornielleria. - Pletinas o presillas soldadas o atornilladas.

2.3.- VIGAS REFORZADAS (PERFILES CON REFUERZOS): La utilización de refuerzos, con chapa o pletina, en las estructuras metálicas es de

gran eficacia para conseguir ahorro de material. Que un refuerzo sea economico o no, depende de los valores relativos de la chapa,

el perfil y el cordón de soldadura. El elemento de refuerzo mas utilizado es la chapa o platabanda. Se utilizan estos refuerzos cuando queramos módulos resistentes (W) mayores que

los existentes en el mercado, o cuando exista limitacion de canto, porque la altura libre entre plantas sea reducida.


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Debe tenerse en cuenta, que los momentos resistentes no son magnitudes que puedan sumarse, es decir, que para calcular refuerzos hay que trabajara con momentos de inercia.

Por lo general, el refuerzo mas economico de las vigas se hace colocando dos pletinas simetricas en ambas alas. Si el refuerzo se hace en taller, puede

indiferentemente adoptarse cualquiera de las formas que se indican en la figura siguiente, ya que las piezas se las dar fácilmente la vuelta y para soldar, ya que a las piezas se les puede dar fácilmente la vuelta para soldar.

Ahora bien, si el refuerzo ha de realizarse en obra debe evitarse en lo

posible soldar en el techo, por lo que la disposición más conveniente es la que se indica a continuación.

En ocasiones hay que

reforzar una viga por razón de la flecha y, entonces, puede ser más adecuado disponer el refuerzo sólo en el ala inferior, ya que el momento de inercia es casi el mismo que con dos chapas simétricas, y sin embargo la mano de obra es mucho menor. Además si se trata de estructuras en servicio, es mucho mayor la ventaja desde el punto de vista de facilidad de ejecución.

Cuando en un edifico construido hay que reforzar una viga debido a que han aumentado las cargas previstas puede recurrirse a una de las soluciones que se indican en las siguientes figuras.

Puede darse mayor resistencia a un perfil adaptando su forma a la distrubucion de momentos flectores. Para ello se dan al perfil I los cortes que se indican en la primera figura, recomponiendolo como se representa en la figura insertada a continuación. Esta disposición es muy util en vigas simplemente apoyadas que deban recibir una cubierta de pequeña pendiente, tal como se detalla a continuación.


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De manera semejante puede operarse para formar vigas en ménsulas para marquesinas.

2.4.- VIGAS O JACENAS ARMADAS: Las vigas armadas están formadas por varias pletinas o chapas, unidas con

cualquiera de los medios de unión: soldadura, roblones, angulares y tornillos. Estas chapas pueden tener las dimensiones que se quiera, tanto en ancho como en

espesor. Como vigas armadas se entienda, en contraposición con las vigas laminadas,

aquellas que se constituyen, ensamblan o arman partiendo de chapas o de chapas y angulares. Aunque teóricamente la union de las chapas entre si puede hacerse por roblonado o tornilleria (iquierda) o por soldadura (derecha) puede decirse que actualmente solo se emplean las vigas armadas soldadas.

Para unas solicitaciones

determinadas, siempre es posible encontrar una viga armada de menor peso que el perfil laminado que correspondería a esas solicitaciones. Sin embargo, aun con mayor peso, los perfiles laminados son siempre más económicos que las vigas armadas, debido al menor coste de fabricación.

Por estas razones, en edificación y construcción metálica en general, el empleo de las vigas armadas suele limitarse a casos especiales de grandes luces o de grandes cargas.

Las vigas armadas también pueden fabricarse partiendo de perfiles I o H cortado a la mitad del alma y vueltos a soldar intercalando una chapa entre las dos mitades, tal como se muestra en la figura de la izquierda.


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Con esto se reducen los cordones de soldadura y se evita uno de los principales inconvenientes que suelen presentar las vigas armadas y que consiste en que debido al efecto de la retracción de la soldadura y del calentamiento localizado, las alas suelen tomar la deformación (ver figura) , salvo que se tomen precauciones especiales.

Para evitar el abollamiento del alma, en los

puntos donde existan cargas concentradas sobre dicha jácena, se colocaran rigidizadores verticales en ambos laterales, soldados al alma y alas de la jácena, tal y como se detallan en el dibujo siguiente.

Condiciones de una viga armada La sección de una viga armada debe reunir diversas condiciones: - Suficiente resistencia a la flexión, determinada por su módulo resistente. - Suficiente rigidez a la deformación, determinada por su momento de inercia. - Capacidad de resistencia a las tensiones cortantes, determinada por el área de

su alma. - Dimensionamiento adecuado para evitar el abollamiento del alma,

determinado por la relación espesor/altura del alma. En algunos casos, el canto total no debe sobrepasar un determinado valor. La

elección de las alas y el alma no debe implicar dificultades constructivas adicionales (espesores no habituales o demasiado elevados, dimensiones no comerciales, etc.).

Una viga será eficiente si satisface todas esas condiciones con el mínimo peso, y será económica si además el coste de fabricación es mínimo. Esto supone que, a veces, la viga más económica no es la de menor peso. Por ejemplo, puede fijarse el espesor del alma de una viga de manera que no sean necesarios rigidizadores con el mínimo espesor admisible para ello, o con un espesor más delgado y colocar rigidizadores. Seguramente, en este último caso la viga pesaría menos, pero la construcción y la soldadura de los rigidizadores harían que fuese menos económica que si se hubiese adoptado el espesor de alma mínimo para que éstos no fuesen necesarios.

Formas más usuales de vigas armadas. Existen básicamente dos formas de construcción de una viga armada: con un

alma y con dos almas (denominadas vigas de cajón). Las de un alma pueden ser de diversas formas, algunas de las cuales se detallan a continuación.


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Si las vigas armadas tienen dos almas se denominan vigas cajón. Diversas disposiciones de vigas armadas, pudiendo efectuarse la unión soldada o

atornillada.

Disposiciones de

los cordones de soldadura en alma y ala.

En el cálculo de

las chapas que constituyen las vigas armadas, además de la

comprobación de las tensiones producidas por el momento flector máximo, que se realiza para los perfiles laminados en al caso de que vayan soldadas, habrá que comprobar la tensión tangencial máxima debida al esfuerzo cortante máximo y los

cordones de soldadura que unen el alma y las alas. Hay que añadir, además, que en las vigas así conformadas pueden darse

problemas de inestabilidad, que se plantean también en las vigas laminadas, pero que es más frecuente que se dé en este tipo de vigas al ser de gran canto. Estos efectos se conocen con los nombres de:

Pandeo del alma; en los apoyos de vigas sobre muros o pilares se produce una

concentración de cargas y lo mismo sucede cuando sobre la viga actúa una carga aislada (fig a). En las secciones que soportan estas compresiones existe el peligro de que el alma pueda pandear lateralmente (fig. b), aceptándose que la longitud del alma que resiste la carga concentrada es igual a veinte veces su espesor (fig c)

Abolladura del alma; puede producirse por las tensiones de compresión existentes en cualquier punto de la viga. La MBE-MV 103/1972 dice que: en vigas sometidas a flexión simple o compuesta no será necesario comprobar el alma a abolladura ni colocar


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más rigidizadores que los exigidos en zonas de apoyo y en aquellas en que actúen cargas concentradas cuando:

0.014 para aceros A 42 e (espesor del alma)/ ha (altura del alma) 0.016 para aceros A 52

La separación de los rigidizadores, normalmente no excede de la altura de la viga en los extremos y de vez y media a dos veces hacia el centro. Cuando no fueran suficientes los

rigidizadores transversales se dispondrán, además, rigidizadores longitudinales en la zona comprimida.

Pandeo del ala; cuando existe mucha carga concentrada puede pandear también el ala que se encuentra comprimida. Para evitarlo se disponen, entre dos rigidizadores sucesivos, refuerzos de forma triangular o de escuadra (fig a). También deben ponerse rigidizadores

en los apoyos de una viga en otra de mayor altura, especialmente si el apoyo se produce por la parte inferior del alma (fig b).

2.5.- VIGAS O JACENAS ALIGERADAS (VOID): Son vigas de alma aligerada. Cuando pueda adoptarse el canto que se estime mas

conveniente, y cuando la flexion predomine sobre el esfuerzo cortante, es decir se trate de luces grandes y de cargas moderadas, las soluciones de vigas aligeradas pueden resultar muy economicas. En la figura siguiente vemos varios tipos de ellas, asi como su proceso constructivo.


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En la primera figura se

detalla la linea de corte de una viga IPN para posteriormente confeccionar una viga Void. Se corta el perfil, se desplaza un vano una de las mitades y se vuelve a soldar, con lo cual obtenemos la viga de la figura central. Se las conoce con el nombre de vigas alveoladas o vigas Void (del ingles Void = vacio, hueco).

La tercera figura es una viga aligerada de mayor canto, obtenida del mismo perfil

anterior, peraltado con interposición de suplementos de chapa, se denomina “void peraltada”

En las vigas void, con el mismo peso del perfil base, se consigue una viga mas resistente, al ser de mayor canto aumentando asi el momento de inercia y el modulo resistente.

Las vigas de alma aligerada so obtienen por corte y soldadura de vigas en doble T (IPN, IPE, HE), con o sin interposición de chapas rectangulares. En proceso de

confeccion de estas vigas, cortar y desplazar la mita de arriba respecto a la de abajo, en los extremos sobra medio modulo, que hay que cortar, para los extremos de la misma

queden verticales. En las siguientes figuras se detalla el procedimiento operatorio.

A esta clase de vigas se las ha dado

diversas denominaciones: Vigas alveoladas, vigas void, en panal de abeja, etc. Cuando existe interposición de elementos de chapa se obtienen vigas con aligermaientos octogonales.

La confeccion de estas vigas no es muy costosa si se realiza en serie, en el taller y presentan ventajas sobre el perfil inicial de procedencia.

Con el mismo peso por metro lineal de viga, al tener mayor canto, tiene mayor inercia, con lo cual puede soportar mas carga.

Estos tipos de vigas son particularmente adecuados para la realización de estructuras ligeras, solicitadas por cargas uniformes o cargas concentradas poco importantes, sobre todo cuando la eleccion de perfil esta condicionada por la flecha mas que por las tensiones, como sucede frecuentemente en los elementos de forjado de piso y cubiertas.

Con cargas pequeñas, los esfuerzos cortantes en los apoyos no son grandes, puede ser interesante macizar el primero o los dos primeros alveolos o huecos. Cuando existan


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fuerzas puntuales o pilares sobre estas vigas, tendremos que cegar o macizar los huecos y poner

rigidizadores. Cegaremos el hueco sobre el que incide la carga puntual y los dos de los lados. Los podemos cegar con chapa

hexagonal soldada o con una chapa por cada lado del alma como se indica en la siguiente figura.

Igualmente cegaremos, al menos, un hueco en el encuentro de estas vigas con los

pilares. Union de forjado apoyado con

viga void. Cuando un forjado, de viguetas

metalicas o de hormigón, se apoya encima de una viga Void, no es necesario tapar los huecos, puesto que no existe carga puntual importante, ya que la carga esta uniformemente repartida, tal como se indica en la

figura de la izquierda. En caso de que el forjado acometa lateralmente a la viga Void, como se indica en

la figura derecha, existen dos opciones: - Tapar los huecos de la viga void para soldar trozos de angular de apoyo para

el forjado. - No tapar huecos y colocar un angular continuo, para apoyo del forjado,

soldado a las zonas macizas de la viga void.

3.- DISPOSICIONES CONSTRUCTIVAS: 3.1.- Vigas apoyadas: Para materializar en la práctica una articulación, puede hacerse como se indica en

la siguiente figura al tratarse de pequeños perfiles y estructura soldada.


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Si se trata de una estructura roblonada o atornillada, puede hacerse como se indica

en la siguiente figura.

Cuando se trata de carreras de mayor importancia, pueden adoptarse las

disposiciones de las siguientes figuras.

Debe tenerse en cuenta que la unión del angular, tanto a la viga como al elemento

que la sustenta, ya sea viga o soporte, debe hacerse en el caso en que como medio de unión se emplee la soldadura, únicamente con los cordones que se indican en las dos figuras anteriores de estructuras soldadas, y no con los horizontales superior e inferior. De esta forma puede producirse la deformación del angular tal y como se ve en la siguiente figura, consiguiéndose así que la transmisión del momento flector sea prácticamente nula. Si la unión fuese roblonada o atornillada en vez de ser soldada, tendría por su misma naturaleza suficiente deformabilidad, sin contar además con la propia del angular.

3.2.- Brochal Es la unión de dos perfiles a través de sus almas, con la condición de no ser

colineales.


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La que recibe el extremo de la que transmite la carga se llama principal y la que la transmite secundaria.

En los dibujos siguientes se detallan los casos de vigas embrochaladas siguientes:

- Embrochalado entre vigas metalicas del mismo canto. - Embrochalado entre vigas metalicas de distinto canto. - Embrochalado en continuidad entre vigas metalicas del mismo canto. - Embrochalado en continuidad entre vigas metalicas de distinto canto, con

torsión. - Embrochalado entre vigas metalicas de distinto canto (viga principal menor

que la viga secundaria). -


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3.3.- Disposición Gerber de las vigas o correas La disposición Gerber tiene por objeto disminuir el momento PL2/8 con que se

calcularían las vigas o correas si estuviesen simplemente apoyadas en los extremos. Esa disminución de momentos lleva consigo la disminución de sección, y por tanto, de peso y costo del material; sin embargo, la mayor mano de obra necesaria, puede contrarrestar la economía del material.

Si consideramos la viga o correa como pieza continua (hiperestática) apoyada en las cerchas o vigas intermedias, y en las secciones de momentos nulos colocamos articulaciones, queda dividida en tramos isostáticos en que unos apoyan en los voladizos de los otros. El número de articulaciones será igual al número de apoyos menos dos.

Con la utilización de esas articulaciones impuestas en puntos determinados, conseguimos que la ley de momentos flectores pueda adoptar la forma más conveniente.

Con una adecuada disposición se consigue igualar los momentos de apoyo y los de los tramos centrales. Si el número de tramos fuese impar, se consigue una completa simetría, tal como se detalla en la figura siguiente.

Los tramos extremos quedan constituidos por una viga suspendida (fig. anterior

izquierda) o por una viga con brazo en voladizo (fig. anterior derecha). En cualquier caso, si la luz entre cerchas o apoyos es constante, los tramos extremos tienen mayor momento, por lo que habrá que reforzar la viga en dichos tramos.

Las articulaciones o rótulas se realizan uniendo con una pletina ambos extremos de vigas. Dicha pletina ya viene unida mediante soldadura o tornillos al extremo de una de las vigas, y mediante tornillos se une al otro, tal como se indica a continuación.


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Cuando se utilizan estas vigas en forjados, existe el inconveniente de que puede

manifestarse una grieta en el piso, a menos que se deje prevista una junta.

3.4.- Formas de resolver la transmisión de las compresiones: Cuando a una jácena le acometen vigas por ambos laterales, y éstas son de distinto

canto, es necesario transmitir las tracciones y compresiones que generan las dos vigas laterales, tal como se muestra en la siguiente figura:

En el caso en que las compresiones no

sean excesivamente grandes, en la figura siguiente se detalla un sistema muy sencillo de efectuar la transmisión de compresiones., mediante una cartela que enlace las alas inferiores de ambas vigas.

3.5.- Vigas continuas: Para conseguir la continuidad entre dos vigas embrochaladas a otra, una por cada

lateral, es necesario lograr una correcta transmisión de esfuerzos (tracciones, compresiones y cortante) entre ambos laterales.

Si las vigas de ambos laterales son del mismo canto, no existe ninguna dificultad en la transmisión de compresiones, puesto que sus alas inferiores estan enfretadas. Si los cantos son distintos, es necesario colocar conectores de compresiones.

En las dos figuras siguientes se detalla la transmisión de todos los esfuerzos. La chapa superior, de tamaño necesaria, es la encargada de transmitir las tracciones producidas por el momento flector negativo, con soldadura trabajando a cortante. Los cordones de soldadura verticales, que unen las dos almas, absorben el esfuerzo cortante. No existen compresiones puesto que el canto de ambas vigas es igual.

Obsérvese que en la primera figura la parte superior de las vigas no se han soldado. Se han confiado todas las tracciones a la chapa superior. En la segunda figura se ha soldado toda la superficie en contacto de ambas vigas y se le añade pletina para transmisión de tracciones.


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En caso de necesitar conector de compresiones, la solucion se detalla en el dibujo siguiente: conector de tracciones, concector de compresiones y soldadura vertical para cortantes.

4.- CAMBIOS DE PERFIL: Si en alguna ocasión interesa

adaptar el perfil a la leyes de momentos flectores, puede resultar interesante utilizar diferentes perfiles en diversas zonas de la misma viga. Para que el cambio se haga sin brusquedad y sin efecto de entalla, conviene adoptar soluciones similares a la siguiente. La reduccion se efectua de tal modo que las caras exteriores de las alas de ambos perfiles queden enrasadas, tal como se observa en los detalles 1 y 2.

5.- EMPALME DE VIGAS: Los empalmes a tope vigas de igual canto, se efectuan entre 1/4 y 1/5 de la luz,

que es la zona donde el momento flector es minimo. La inclinación del empalme será de 60 grados. Ambas vigas tambien pueden cortarse verticales, soldadas a tope y colocarles pletinas soldadas lateralmente.


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6.- DETALLES: Detalle constructivo del enlace de un soporte metálico formado por 2 UPN y una

viga “Void”.


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A continuación se pueden observar detalles de soportes que arrancan desde encima de diversos tipos de jácenas metálicas. Nótese que en todos ellos se han colocado cartelas de rigidización uniendo las alas superiores e inferiores de las jácenas.

Detalle constructivo de la

unión de un soporte “colgado” de una jácena armada, mediante soldadura, angulares y tornillos de alta resistencia, capaces de soportar las fuertes tracciones que pueda producir el soporte.


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A continuación se disponen diversos detalles constructivos de uniones soldadas y atornilladas.

Detalle de unión viga-pilar. Detalle unión viga-pilar.

Detalle unión viga-pilar.


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