Construcción de vigas de acero armadas con placas, rigidizadores o refuerzos, optimizadas y fabricadas en Bogotá, Colombia

Vigas Metálicas Armadas a Partir de Placas con Refuerzos (Atiesadores o Rigidizadores): Diseño, Fabricación, Aplicaciones y Consideraciones Normativas en Bogotá y Colombia.

Introducción a las Vigas Armadas Fabricadas con Placas y Refuerzos (Rigidizadores o Atiesadores)

Las estructuras metálicas han revolucionado la ingeniería civil y la construcción moderna, ofreciendo soluciones eficientes, versátiles y resistentes para una amplia gama de proyectos. Dentro del vasto universo de los componentes estructurales metálicos, las vigas armadas o fabricadas ocupan un lugar preponderante, especialmente cuando se requieren capacidades de carga, luces (distancias entre apoyos) o geometrías que superan las limitaciones de los perfiles laminados estándar disponibles comercialmente. Específicamente, las vigas armadas conformadas a partir de placas de acero individuales, soldadas entre sí para formar secciones generalmente en forma de "I" o "H", representan una solución de ingeniería avanzada. Cuando estas vigas incorporan atiesadores, rigidizadores o refuerzos, su comportamiento estructural se optimiza significativamente, permitiendo diseños más esbeltos y eficientes.

Este contenido se adentra en el mundo de las vigas armadas a partir de placas que incluyen atiesadores, rigidizadores o refuerzos, un subconjunto vital dentro de las vigas metálicas fabricadas. Exploraremos sus características fundamentales, los principios de diseño que rigen su concepción, los procesos de fabricación involucrados, sus múltiples aplicaciones en el contexto colombiano, con énfasis en proyectos desarrollados en Bogotá, y las consideraciones normativas pertinentes según los códigos de construcción vigentes en Colombia, como la Norma Sismo Resistente NSR-10.

Definición y Componentes Fundamentales

Una viga armada a partir de placas es un elemento estructural lineal diseñado primordialmente para resistir cargas transversales (flexión y cortante). Se construye uniendo mediante soldadura placas de acero planas e individuales para formar una sección transversal específica, comúnmente una sección en "I" o "H". Los componentes básicos son:

• Alas (o Patines): Son las placas horizontales (superior e inferior) que resisten la mayor parte del momento flector a través de esfuerzos axiales de compresión y tracción.
• Alma: Es la placa vertical que conecta las alas. Su función principal es resistir los esfuerzos cortantes y mantener la separación entre las alas, contribuyendo así a la rigidez a flexión.

La característica distintiva del tipo de viga que nos ocupa es la inclusión de atiesadores, rigidizadores o refuerzos. Estos son elementos adicionales, usualmente placas o perfiles pequeños, soldados al alma y/o a las alas de la viga. Su propósito es mejorar la estabilidad de las placas individuales que componen la viga, previniendo fenómenos de pandeo local antes de que el material alcance su límite de fluencia o resistencia última.

La Necesidad Imperante de Atiesadores (Rigidizadores o Refuerzos) en Vigas Armadas Esbeltas

Mientras que los perfiles laminados en caliente tienen proporciones predefinidas entre el espesor y el ancho de sus elementos (alas y alma) que generalmente aseguran una buena estabilidad local, las vigas armadas ofrecen la flexibilidad de optimizar estas dimensiones. Es posible diseñar almas muy altas y delgadas y alas muy anchas y delgadas para maximizar la eficiencia del material (mayor inercia y módulo de sección con menor área). Sin embargo, esta esbeltez hace que las placas individuales sean susceptibles a pandearse bajo los esfuerzos a los que están sometidas:

• Pandeo del alma por compresión: La parte superior del alma está sometida a compresión debido a la flexión. Si el alma es muy esbelta, puede pandearse lateralmente.
• Pandeo del alma por cortante: Los esfuerzos cortantes en el alma pueden provocar abolladuras o pandeo diagonal.
• Pandeo local de las alas a compresión: El ala superior, sometida a compresión, puede ondularse o pandearse localmente si es muy ancha y delgada.
• Abolladura por cargas concentradas: En puntos donde se aplican cargas puntuales o reacciones de apoyo importantes, el alma puede sufrir aplastamiento o abolladura local.

Los atiesadores (rigidizadores o refuerzos) actúan como "costillas" de refuerzo, subdividiendo las placas esbeltas en paneles más pequeños y aumentando su rigidez, lo que retrasa o previene la aparición de estos modos de pandeo local. Esto permite que la viga pueda desarrollar su capacidad resistente completa a flexión y cortante, llevando a diseños estructurales más económicos y ligeros.

Tipología de Atiesadores, Rigidizadores o Refuerzos

Los atiesadores o refuerzos se clasifican según su función principal y su ubicación en la viga armada. La selección del tipo, tamaño y espaciamiento de los atiesadores (refuerzos) es una parte integral del proceso de diseño.

Atiesadores o Refuerzos Transversales (Verticales):

Son placas soldadas perpendicularmente al eje longitudinal de la viga, usualmente conectadas al alma y, a veces, también a las alas. Se subdividen en:

• Atiesadores o Refuerzos de Rigidez (Intermedios): Su función primordial es controlar el pandeo del alma debido a esfuerzos cortantes. Se colocan a intervalos a lo largo de la viga. No necesitan estar en contacto ajustado con las alas a compresión, aunque a menudo se sueldan a ambas alas por facilidad constructiva y para mejorar la rigidez torsional.
• Atiesadores o Refuerzos de Carga o de Apoyo (Portantes): Se ubican en puntos donde se aplican cargas concentradas significativas o en las zonas de reacción de los apoyos. Su función es doble: prevenir el pandeo o aplastamiento local del alma bajo la carga concentrada y transferir dicha carga de manera efectiva a través del alma. Deben estar en contacto ajustado con el ala (o alas) por donde se introduce la carga y diseñarse para resistir la fuerza aplicada como si fueran pequeñas columnas.

Atiesadores o Refuerzos Longitudinales (Horizontales):

Son placas o perfiles soldados horizontalmente al alma, paralelos al eje longitudinal de la viga. Su objetivo principal es aumentar la resistencia al pandeo del alma por flexión (compresión en la zona superior del alma) o mejorar la resistencia general al cortante en almas muy altas. Pueden usarse solos o en combinación con refuerzos o atiesadores transversales.

• Se colocan típicamente en la zona comprimida del alma, a una distancia aproximada de un quinto de la altura del alma desde el ala a compresión.
• Son menos comunes que los transversales en edificaciones convencionales, pero pueden ser muy efectivos en vigas de gran peralte, como las encontradas en puentes o estructuras industriales pesadas.

Atiesadores o Refuerzos de Torsión:

Aunque menos frecuentes en vigas I estándar, en secciones cajón o en vigas sometidas a torsión significativa, se pueden requerir diafragmas, atiesadores o refuerzos internos para mantener la forma de la sección transversal y controlar las tensiones y deformaciones torsionales.

Consideraciones de Diseño Estructural según NSR-10 en Colombia

El diseño de vigas armadas con refuerzos en Colombia debe realizarse de acuerdo con los lineamientos del Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente NSR-10, específicamente el Título F - Estructuras Metálicas. Este título se basa en gran medida en las especificaciones del American Institute of Steel Construction (AISC), adaptadas a las condiciones y prácticas colombianas.

Los aspectos clave del diseño incluyen:

• Clasificación de las Secciones: Determinar si las alas y el alma son elementos compactos, no compactos o esbeltos, según sus relaciones ancho/espesor. Esta clasificación define la capacidad de la sección para alcanzar y mantener la plastificación antes de que ocurra el pandeo local. La presencia de rigidizadores o refuerzos influye directamente en cómo se evalúa la esbeltez de los paneles del alma.
• Resistencia a Flexión: Calcular la capacidad nominal a momento flector (Mn). Para secciones con almas esbeltas rigidizadas o reforzadas, la resistencia puede estar limitada por el pandeo del alma por flexión, el pandeo lateral torsional de la viga completa, o la fluencia o fractura de las alas. Los refuerzos o rigidizadores longitudinales pueden incrementar la resistencia al pandeo del alma por flexión.
• Resistencia a Cortante: Calcular la capacidad nominal a cortante (Vn). En almas esbeltas, la resistencia a cortante post-pandeo (acción de campo de tensiones) puede ser aprovechada si se proporcionan refuerzos o rigidizadores transversales adecuados. El diseño de estos refuerzos (atiesadores) (rigidez y resistencia) y su espaciamiento son críticos. La NSR-10 proporciona fórmulas detalladas para calcular Vn considerando la contribución del alma y, si aplica, la acción del campo de tensiones habilitada por los rigidizadores o refuerzos.
• Interacción Flexión-Cortante: Verificar la viga bajo la combinación de momentos flectores y fuerzas cortantes actuantes, especialmente en zonas de alto cortante y alto momento.
• Diseño de Refuerzos (Atiesadores o Rigidizadores) Transversales Intermedios: Deben poseer la rigidez suficiente para forzar un nodo de pandeo en su ubicación y la resistencia para anclar el campo de tensiones diagonales si se considera la resistencia post-pandeo a cortante. La NSR-10 especifica los requisitos mínimos de rigidez (momento de inercia) y el espaciamiento máximo permitido.
• Diseño de Refuerzos Transversales de Carga/Apoyo: Deben diseñarse para resistir la carga concentrada aplicada, verificando el aplastamiento del alma, el pandeo lateral del alma y la fluencia del alma en la zona de la carga. Además, deben cumplir los requisitos de rigidez como atiesadores o refuerzos intermedios.
• Diseño de Atiesadores o Refuerzos Longitudinales: Si se utilizan, su ubicación óptima, rigidez y resistencia deben calcularse según las disposiciones normativas para controlar eficazmente el pandeo por flexión del alma.
• Verificación de Cargas Concentradas: Evaluar la fluencia local del alma, el aplastamiento del alma (pandeo localizado), el pandeo lateral del alma y el pandeo por compresión del ala en los puntos de aplicación de cargas concentradas. Los atiesadores o refuerzos de carga son la solución principal para estos problemas.
• Conexiones Soldadas: El diseño de las soldaduras que unen las placas (alas al alma) y los rigidizadores al resto de la sección es fundamental. Deben ser capaces de transmitir las fuerzas internas calculadas, considerando la concentración de esfuerzos y la fatiga si es relevante. La calidad y la inspección de las soldaduras son vitales.

Ventajas de Utilizar Vigas Armadas con Refuerzos o Rigidizadores

La elección de vigas armadas con refuerzos frente a perfiles laminados o vigas armadas sin rigidizadores ofrece beneficios sustanciales en ciertas aplicaciones:

• Optimización del Material: Permiten colocar el acero exactamente donde más se necesita (alas anchas, alma alta), resultando en secciones con mayor inercia y módulo resistente por unidad de peso en comparación con perfiles estándar para grandes luces o cargas.
• Flexibilidad Geométrica: Se pueden fabricar vigas con peralte variable (cartelas), curvadas, o con secciones transversales no estándar para cumplir requisitos arquitectónicos o estructurales específicos.
• Grandes Luces y Cargas Pesadas: Son ideales para puentes, edificios industriales, hangares, coliseos y otras estructuras donde las luces son extensas y las cargas elevadas, superando la capacidad de los perfiles laminados más grandes. En Bogotá, por ejemplo, se emplean en centros comerciales de grandes luces y en infraestructura de transporte como puentes vehiculares y peatonales.
• Control de Deformaciones: Al optimizar la rigidez (mayor inercia), estas vigas pueden diseñarse para cumplir estrictos criterios de deflexión.
• Integración de Instalaciones: En vigas de gran peralte, es posible prever aberturas en el alma (con los refuerzos adecuados) para el paso de ductos, tuberías y cableado, optimizando el espacio vertical en edificaciones.
• Resistencia a Fatiga: Con un diseño cuidadoso de los detalles de soldadura y los rigidizadores (refuerzos), se puede mejorar el comportamiento a fatiga en estructuras sometidas a cargas cíclicas, como puentes o soportes de maquinaria pesada.

Proceso de Fabricación: Precisión y Calidad

La fabricación de vigas armadas con rigidizadores es un proceso que exige alta precisión, maquinaria especializada y mano de obra calificada. Se desarrolla típicamente en talleres metalmecánicos y sigue varias etapas:

1. Recepción y Preparación del Material: Inspección de las placas de acero (dimensiones, planitud, certificados de calidad). Limpieza de las superficies (granallado o chorreado abrasivo) para eliminar óxido y calamina, asegurando una buena adherencia de la soldadura y recubrimientos posteriores.
2. Corte de Placas: Las placas se cortan a las dimensiones exactas requeridas para las alas, el alma y los refuerzos (atiesadores). Se utilizan tecnologías como oxicorte con control numérico (CNC), corte por plasma CNC o corte láser CNC para garantizar precisión dimensional y bordes limpios y rectos, adecuados para la soldadura.
3. Armado y Punteado: Las placas del alma y las alas se ensamblan en la configuración deseada (usualmente en forma de "I" o "H") utilizando prensas, gatos hidráulicos y plantillas o dispositivos de alineación. Se aplican puntos de soldadura temporales (punteado) para mantener la geometría mientras se realiza la soldadura definitiva.
4. Soldadura Principal (Alas-Alma): La unión entre las alas y el alma es crítica. Generalmente se realiza mediante procesos de soldadura automática o semiautomática de alta deposición, como el Arco Sumergido (SAW) o el Alambre Tubular con Protección Gaseosa (FCAW). La soldadura SAW es común para las juntas longitudinales alma-ala, produciendo cordones continuos, uniformes y de alta penetración. Se controla cuidadosamente la secuencia de soldadura para minimizar distorsiones.
5. Colocación y Soldadura de los Refuerzos: Los refuerzos o atiesadores (previamente cortados a medida) se posicionan con precisión en las ubicaciones especificadas en los planos de taller. Se sueldan al alma y, si es requerido, a las alas, utilizando procesos como SMAW (electrodo revestido), GMAW (MIG/MAG) o FCAW. Las soldaduras de los refuerzos deben ser de tamaño y longitud adecuados para transmitir las fuerzas calculadas. Es crucial asegurar un buen ajuste, especialmente para los rigidizadores de carga.

6. Control Dimensional y de Distorsiones: Durante y después de la soldadura, se realizan controles dimensionales para verificar que la viga cumple las tolerancias especificadas (rectitud, peralte, ancho de alas, perpendicularidad alma-alas). Se pueden aplicar técnicas de enderezado (mecánico o térmico controlado) si las distorsiones por soldadura exceden los límites permitidos.
7. Inspección de Soldaduras: Se llevan a cabo inspecciones visuales y, según los requisitos del proyecto y la normativa (como la NSR-10 y códigos complementarios como AWS D1.1), ensayos no destructivos (END) en las soldaduras críticas. Los métodos comunes incluyen líquidos penetrantes (PT), partículas magnéticas (MT) y ultrasonido (UT) o radiografía (RT) para verificar la integridad interna de los cordones.
8. Acabado Superficial y Protección Anticorrosiva: Limpieza final de la viga (eliminación de escoria, salpicaduras de soldadura). Aplicación del sistema de protección contra la corrosión especificado: pintura (imprimación y capas de acabado), galvanizado en caliente (si las dimensiones lo permiten) u otros recubrimientos.
9. Marcado e Identificación: Cada viga se marca de forma clara y permanente con un código de identificación que corresponde a los planos de montaje.
10. Transporte y Montaje: Las vigas fabricadas se transportan al sitio de construcción y se erigen utilizando grúas y equipos adecuados, siguiendo un plan de montaje seguro y eficiente. Las conexiones entre vigas y con otros elementos estructurales (columnas, otras vigas) se realizan mediante pernos de alta resistencia o soldadura en sitio, según el diseño.

Aplicaciones Específicas en Colombia y Bogotá

En Colombia, la versatilidad de las vigas armadas con refuerzos las hace indispensables en diversos tipos de proyectos de infraestructura y edificación. Su capacidad para salvar grandes distancias y soportar cargas considerables es particularmente valiosa.

• Puentes: Son elementos fundamentales en puentes metálicos y mixtos (acero-concreto). Se utilizan como vigas longitudinales principales en puentes de carretera y ferrocarril, así como en puentes peatonales. Los rigidizadores son esenciales para garantizar la estabilidad de las almas altas requeridas para las grandes luces y las cargas vehiculares pesadas. Proyectos de infraestructura vial en las principales ciudades como Bogotá, Medellín y Cali, así como en carreteras nacionales, frecuentemente emplean este tipo de vigas.
• Edificaciones Industriales: Naves industriales, plantas de producción, bodegas de gran altura y centros de distribución a menudo requieren grandes espacios libres de columnas. Las vigas armadas reforzadas con rigidizadores, son una solución común para las vigas principales de cubierta y las vigas carrilera que soportan puentes grúa. La optimización del peso es clave en estas estructuras de gran volumen.
• Edificios de Gran Altura y Complejos Comerciales: En edificios altos, se pueden usar como vigas de transferencia para soportar columnas de pisos superiores sobre espacios abiertos en niveles inferiores (lobbies, salones de eventos). En centros comerciales y escenarios deportivos (coliseos, estadios) en ciudades como Bogotá, permiten cubrir grandes áreas sin obstrucciones visuales, creando espacios amplios y funcionales. Los rigidizadores permiten optimizar el peralte de estas vigas críticas.
• Infraestructura Energética y Minera: Plataformas petroleras, estructuras de soporte para equipos pesados en refinerías, centrales eléctricas y plantas de procesamiento minero a menudo utilizan vigas armadas robustas con refuerzos para resistir cargas operacionales severas y condiciones ambientales exigentes.
• Reforzamiento Estructural: En proyectos de rehabilitación o reforzamiento de estructuras existentes, las vigas armadas fabricadas a medida pueden ser una solución eficaz para incrementar la capacidad de carga de elementos existentes o para sustituir componentes deteriorados.

La ingeniería y fabricación de estas vigas en Colombia se beneficia de la existencia de talleres metalmecánicos con experiencia y capacidad tecnológica, muchos de ellos concentrados en Bogotá y sus alrededores, así como en otras ciudades industriales del país. La aplicación de la normativa NSR-10 asegura que estas estructuras se diseñen y construyan con los niveles de seguridad requeridos, considerando las condiciones sísmicas del país.

Materiales Utilizados: Aceros Estructurales

El acero utilizado para la fabricación de las placas que componen las vigas armadas debe cumplir con las especificaciones de calidad y resistencia estipuladas en la NSR-10 y normas técnicas reconocidas (como las de ASTM). Los aceros estructurales más comúnmente empleados en Colombia para este propósito incluyen:

• ASTM A36: Acero al carbono de uso general, con una tensión de fluencia mínima (Fy) de 250 MPa (36 ksi). Es económico y soldable, adecuado para muchas aplicaciones de edificación e industria.
• ASTM A572 Grado 50: Acero de alta resistencia y baja aleación (HSLA), con Fy mínimo de 345 MPa (50 ksi). Ofrece una mejor relación resistencia/peso que el A36, permitiendo diseños más ligeros. Es ampliamente utilizado en puentes y edificios.
• ASTM A992: Acero estructural diseñado específicamente para perfiles laminados W, pero sus propiedades (Fy entre 345 MPa y 450 MPa, buena tenacidad y soldabilidad) lo hacen también una opción para placas usadas en vigas armadas equivalentes, especialmente en zonas sísmicas.
• ASTM A709: Especificación para aceros estructurales para puentes, con diferentes grados (36, 50, 50W, HPS 70W, etc.) que ofrecen distintas resistencias, tenacidad (resistencia a la fractura frágil, importante a bajas temperaturas) y, en algunos casos, resistencia a la corrosión atmosférica (aceros "patinables" o Corten).

La selección del tipo de acero depende de los requisitos de resistencia, ductilidad, tenacidad (especialmente importante en zonas sísmicas como gran parte de Colombia y Bogotá), soldabilidad y condiciones ambientales del proyecto.

Desafíos y Consideraciones Adicionales

A pesar de sus ventajas, el diseño y fabricación de vigas armadas con atiesadores (refuerzos) presentan ciertos desafíos:

• Costo de Fabricación: El proceso de corte, armado y soldadura es más intensivo en mano de obra y requiere mayor control de calidad que el simple uso de perfiles laminados, lo que puede incrementar el costo inicial. Sin embargo, este costo puede compensarse con el ahorro de material en estructuras de gran escala.
• Control de Distorsiones: El calor aportado por la soldadura puede generar deformaciones y tensiones residuales significativas. Es necesario aplicar procedimientos y secuencias de soldadura adecuados, y a veces procesos de enderezado, para mantener las tolerancias geométricas.
• Fatiga: Los detalles soldados, especialmente en los rigidizadores, pueden ser puntos de inicio de fisuras por fatiga bajo cargas cíclicas. El diseño debe seguir las recomendaciones específicas para fatiga de la NSR-10 o AISC, clasificando los detalles constructivos y limitando los rangos de tensiones admisibles.
• Inspección Rigurosa: La calidad de las soldaduras es crucial para la seguridad estructural. Se requiere un programa de inspección y ensayos no destructivos (END) bien definido y ejecutado por personal calificado.
• Logística y Transporte: Las vigas armadas pueden ser elementos de grandes dimensiones y peso, lo que requiere una planificación cuidadosa del transporte desde el taller de fabricación hasta el sitio de obra, especialmente en entornos urbanos densos como Bogotá o en terrenos de difícil acceso.

Importancia de la Ingeniería de Detalle

El éxito de un proyecto con vigas armadas reforzadas, depende en gran medida de una ingeniería de detalle precisa y completa. Los planos de taller deben indicar claramente:

• Dimensiones exactas de todas las placas (alas, alma, rigidizadores).
• Tipo y grado del acero a utilizar.
• Ubicación, tamaño y tipo de todas las soldaduras (incluyendo símbolos de soldadura estandarizados).
• Especificación de los procesos de soldadura y consumibles.
• Ubicación, tamaño y detalles de los refuerzos (cortes, ajustes, soldaduras).
• Contraflecha (camber) requerida para compensar deflexiones por peso propio y cargas permanentes.
• Tolerancias dimensionales y de fabricación permitidas.
• Requisitos de inspección y ensayos no destructivos (END).
• Especificaciones para la preparación de superficie y el sistema de protección anticorrosiva.
• Marcas de identificación y orientación para el montaje.

Una comunicación fluida entre el diseñador estructural, el taller de fabricación y el equipo de montaje es esencial para resolver cualquier duda o imprevisto durante el proceso.

Optimización del Diseño de Refuerzos

El diseño eficiente de los rigidizadores va más allá de simplemente cumplir con los requisitos mínimos de la normativa. Busca lograr la estabilidad requerida con la menor cantidad de material y costo de fabricación posible. Esto implica considerar varios factores:

• Espaciamiento de Refuerzos Transversales: Un espaciamiento menor incrementa la resistencia al cortante del alma, pero también aumenta el número de atiesadores a fabricar y soldar. El diseñador debe encontrar un equilibrio óptimo basado en la relación entre la altura del alma y su espesor (h/tw) y la magnitud de la fuerza cortante. La NSR-10 establece límites máximos para la relación de aspecto (a/h, donde 'a' es el espaciamiento y 'h' la altura del alma) de los paneles del alma creados por los rigidizadores.
• Dimensiones de los Atiesadores o Refuerzos: La normativa especifica requisitos mínimos de rigidez (momento de inercia) para los atiesadores transversales intermedios. Estos requisitos dependen del tamaño del panel del alma y de si se utilizan atiesadores simples (a un solo lado del alma) o dobles (a ambos lados). Usar atiesadores dobles es más eficiente en términos de rigidez por unidad de área, pero requiere más soldadura. Los refuerzos de carga deben tener, además, un área suficiente para resistir la fuerza aplicada.
• Uso de Refuerzos Longitudinales: La decisión de incorporar rigidizadores longitudinales depende de la esbeltez del alma y de los esfuerzos de compresión por flexión. Pueden permitir el uso de almas aún más delgadas, ahorrando peso, pero añaden complejidad a la fabricación. Suelen ser económicamente viables solo en vigas de gran peralte y alta solicitación.
• Material del Refuerzo: Generalmente, los rigidizadores se fabrican del mismo tipo de acero que el alma y las alas, pero no es estrictamente necesario siempre que se cumplan los requisitos de resistencia y rigidez.
• Detalles Constructivos: La forma en que los refuerzos se conectan al alma y las alas afecta el comportamiento y el costo. Por ejemplo, los refuerzos transversales intermedios no necesitan un ajuste perfecto contra el ala a tensión, pero sí deben estar bien soldados al alma. Los rigidizadores de carga/apoyo requieren un ajuste preciso contra el ala (o alas) que transmite la carga. Los recortes en las esquinas de los rigidizadores (clips) pueden ser necesarios para evitar interferencias con la soldadura longitudinal ala-alma, pero deben hacerse correctamente para no comprometer la función del refuerzo o rigidizador.

Comportamiento Post-Pandeo a Cortante: El Campo de Tensiones Diagonales

Una de las contribuciones más significativas de los atiesadores transversales intermedios en vigas con almas esbeltas es permitir que el alma desarrolle una resistencia a cortante que excede la carga crítica de pandeo elástico. Este fenómeno se conoce como "acción de campo de tensiones" o "resistencia post-pandeo".

El mecanismo funciona de la siguiente manera:

1. Cuando la fuerza cortante alcanza el valor crítico de pandeo (Vcr), el alma tiende a abollarse diagonalmente.
2. Los refuerzos transversales, al ser suficientemente rígidos, actúan como montantes de una cercha virtual, forzando nodos de pandeo y dividiendo el alma en paneles.
3. Las alas de la viga actúan como los cordones superior e inferior de esta cercha virtual.
4. Una vez que el alma se ha abollado, ya no puede tomar mucho más cortante directo. Sin embargo, desarrolla un campo de tensiones de tracción diagonal, similar a las diagonales de una cercha, que se ancla en los rigidizadores verticales y en las alas.
5. La capacidad total a cortante de la viga (Vn) es entonces la suma de la resistencia al pandeo del alma (Vcr) y la contribución de este campo de tensiones diagonales.

Para que la acción del campo de tensiones pueda desarrollarse de manera efectiva, los refuerzos transversales deben cumplir no solo con los requisitos de rigidez sino también con requisitos de resistencia, ya que deben ser capaces de soportar las fuerzas de anclaje del campo de tracción. Las alas también deben ser capaces de resistir las componentes horizontales de estas fuerzas diagonales. La NSR-10 (basada en AISC) proporciona las fórmulas para calcular la resistencia a cortante considerando esta acción post-pandeo, siempre que se cumplan los requisitos de espaciamiento y diseño de los rigidizadores.

Este concepto es fundamental para el diseño económico de vigas armadas con almas muy esbeltas, como las que se encuentran comúnmente en puentes metálicos y algunas estructuras industriales pesadas en Colombia.

Control de Calidad en la Fabricación e Inspección

Dada la naturaleza fabricada de estas vigas y la criticidad de las uniones soldadas y la estabilidad de los elementos, el control de calidad durante todo el proceso es primordial. Esto incluye:

• Certificación de Materiales: Verificar que las placas de acero cumplen con las especificaciones requeridas (composición química, propiedades mecánicas) mediante los certificados de molino.
• Precisión Dimensional: Controlar las dimensiones de las placas cortadas, el armado de la viga (peralte, ancho, alineación, perpendicularidad) y la ubicación de los refuerzos o rigidizadores, asegurando que estén dentro de las tolerancias especificadas (por ejemplo, las de la NSR-10 o AWS D1.5 para puentes).
• Calidad de la Soldadura:
  • Procedimientos de Soldadura (WPS): Utilizar procedimientos de soldadura calificados que detallen los parámetros (proceso, metal de aporte, voltaje, amperaje, velocidad, precalentamiento si es necesario) para cada tipo de unión.
  • Calificación de Soldadores: Emplear soldadores calificados para los procesos y posiciones requeridos.
  • Inspección Visual (VT): Realizar inspección visual al 100% de las soldaduras para verificar tamaño, longitud, perfil adecuado, ausencia de defectos superficiales (socavaciones, porosidad, fisuras).
  • Ensayos No Destructivos (END): Aplicar END según un plan preestablecido, basado en la criticidad de la junta y los requisitos normativos. Para las soldaduras a tope de penetración completa (si las hubiera, por ejemplo, en empalmes de alas o alma), se suele requerir UT o RT. Para soldaduras de filete críticas (como alma-alas o rigidizadores de carga), se puede especificar UT, MT o PT. La extensión de los END (porcentaje de longitud a inspeccionar) varía según el tipo de estructura (edificio, puente) y el tipo de carga (estática, sísmica, fatiga).
• Control de Distorsiones: Monitorear y controlar las deformaciones inducidas por la soldadura. Verificar la rectitud y planitud final de la viga.
• Preparación de Superficie y Pintura: Asegurar la correcta limpieza y perfil de anclaje antes de aplicar el sistema de protección anticorrosiva, y verificar los espesores de película seca de cada capa.
• Documentación: Mantener registros detallados de los materiales, calificaciones, inspecciones y ensayos realizados (Informes de Inspección, Registros de END, etc.).

En Colombia, las empresas de fabricación de estructuras metálicas serias cuentan con departamentos de control de calidad y a menudo certificaciones (como la ISO 9001) que avalan sus procesos. Para proyectos importantes, especialmente de infraestructura pública como puentes, la interventoría juega un papel clave en la supervisión y aseguramiento de la calidad.

Consideraciones de Montaje y Conexiones

El montaje de vigas armadas, especialmente las de gran tamaño, requiere una planificación detallada:

• Plan de Izaje: Definir los puntos de izaje en la viga (a menudo reforzados con refuerzos específicos), el tipo y capacidad de las grúas, y la secuencia de montaje para garantizar la estabilidad durante la erección.
• Conexiones Viga-Columna y Viga-Viga: Las conexiones son puntos críticos. Pueden ser:
  • Pernadas: Utilizando placas de conexión soldadas en taller a la viga y/o columna, y pernos de alta resistencia (ej. ASTM A325 o A490) instalados en obra. Es la solución más común para vigas secundarias y muchas vigas principales en edificaciones. Requiere precisión en la fabricación para la alineación de los agujeros.
  • Soldadas: Realizando soldaduras en sitio. Puede requerir condiciones controladas (protección contra viento/lluvia, precalentamiento) y una inspección rigurosa. Se usa a veces en conexiones de momento o empalmes de vigas continuas.
  • Mixtas: Combinando elementos soldados en taller y pernos en obra.
• Empalmes: Si la longitud requerida de la viga excede la longitud máxima fabricable o transportable, se diseñan empalmes. Estos pueden ser pernados o soldados y deben ubicarse preferiblemente en zonas de bajos esfuerzos (lejos de los puntos de momento máximo o cortante máximo, si es posible). El diseño del empalme debe garantizar la transmisión completa de las fuerzas (momento, cortante, axiales).
• Arriostramiento Temporal: Durante el montaje, y hasta que el sistema estructural completo (incluyendo losas, arriostramientos permanentes) esté instalado, las vigas pueden ser inestables lateralmente. Se requiere un sistema de arriostramiento temporal adecuado para prevenir el pandeo lateral torsional durante la construcción.
• Tolerancias de Montaje: La NSR-10 y otros códigos establecen tolerancias para la verticalidad de las columnas, la nivelación de las vigas y la alineación general de la estructura.

Protección Contra la Corrosión

El acero estructural es susceptible a la corrosión si no se protege adecuadamente. El sistema de protección para vigas armadas depende del ambiente de exposición, la vida útil requerida y consideraciones estéticas.

• Limpieza de Superficie: Es el paso más importante para asegurar la adherencia y durabilidad del recubrimiento. El método estándar es la limpieza con chorro abrasivo (granallado) hasta un grado especificado (ej. SSPC-SP6, SP10).
• Imprimación: La primera capa aplicada, diseñada para inhibir la corrosión y proporcionar una buena base para las capas posteriores. Imprimantes ricos en zinc (inorgánicos u orgánicos) son comunes para ambientes agresivos. Imprimantes alquídicos o epóxicos se usan en ambientes menos severos.
• Capas Intermedias y de Acabado: Se aplican para aumentar el espesor total del sistema (barrera), mejorar la resistencia química o a la intemperie, y proporcionar el color y acabado deseados. Epóxicos, poliuretanos, poliaspárticos son opciones comunes.
• Galvanizado en Caliente: Inmersión de la viga completa en zinc fundido. Proporciona una excelente protección catódica y de barrera, muy durable. Sin embargo, está limitado por el tamaño de las cubas de galvanizado disponibles y puede generar distorsiones en elementos largos y esbeltos debido a las altas temperaturas del proceso. Es una opción viable para vigas de tamaño moderado o componentes.
• Metalizado: Proyección de zinc o aluminio fundido sobre la superficie. Ofrece protección similar al galvanizado pero se aplica como un spray, sin limitación de tamaño. Es más costoso que la pintura.
• Aceros Resistentes a la Corrosión Atmosférica (Patinables): Como el ASTM A588 o A709 Grado 50W. Forman una pátina de óxido densa y adherente que protege el acero subyacente. Requieren ciclos de humedad y secado para desarrollar la pátina y no son adecuados para ambientes marinos agresivos o permanentemente húmedos. Se usan a menudo en puentes por su bajo mantenimiento, dejando el acero expuesto.

La elección del sistema debe basarse en un análisis del ambiente (según ISO 12944), la durabilidad deseada y el costo del ciclo de vida. En Bogotá, con su clima relativamente templado pero húmedo y niveles variables de polución industrial y vehicular, un sistema de pintura de buena calidad (epóxico/poliuretano) es una solución frecuente para estructuras expuestas.

Protección Contra el Fuego

Las estructuras de acero, aunque no son combustibles, pierden rápidamente su resistencia y rigidez a temperaturas elevadas, como las alcanzadas en un incendio. Las vigas armadas, al igual que otros elementos estructurales de acero, generalmente requieren protección contra el fuego para cumplir con los requisitos de resistencia al fuego estipulados en la NSR-10 (Título J - Requisitos de protección contra incendios en edificaciones) y K (Normas complementarias), según el tipo de ocupación, altura y área del edificio.

Los métodos comunes de protección pasiva contra el fuego para vigas de acero incluyen:

• Revestimientos Intumescentes: Son pinturas que se expanden significativamente (forman una capa carbonizada aislante) al exponerse al calor de un incendio. Permiten dejar el perfil de acero visible en condiciones normales, lo cual puede ser deseable arquitectónicamente. Su espesor se calcula en función del factor de masividad (Hp/A - relación entre el perímetro expuesto al fuego y el área de la sección transversal) de la viga y el tiempo de resistencia al fuego requerido (ej. 1, 2 o 3 horas). Las vigas armadas pueden tener factores de masividad diferentes a los perfiles laminados estándar, lo que requiere un cálculo específico.
• Morteros Proyectados (SFRM - Sprayed Fire-Resistant Materials): Materiales cementosos o a base de yeso, a menudo con agregados ligeros como vermiculita o perlita, que se aplican por proyección sobre la superficie del acero. Forman una capa aislante robusta y son una solución económica, aunque el acabado es rugoso. El espesor requerido también depende del factor de masividad y la resistencia al fuego necesaria.
• Recubrimiento con Placas Resistentes al Fuego: Encajonamiento de la viga con placas de materiales como cartón-yeso tipo F (resistente al fuego), silicato de calcio o fibrosilicato. Ofrecen un acabado limpio y liso, pero pueden ser más costosas y laboriosas de instalar que los materiales proyectados.
• Hormigón de Revestimiento: Embeber la viga de acero en hormigón. Proporciona una excelente resistencia al fuego y también puede contribuir a la rigidez y resistencia de la sección (acción mixta). Sin embargo, añade peso considerable y aumenta las dimensiones del elemento.

El diseño de la protección contra el fuego debe considerar la configuración específica de la viga armada, incluyendo los refuerzos, ya que estos pueden afectar el factor de masividad y la transferencia de calor. Los rigidizadores, al aumentar el área superficial, pueden requerir un espesor ligeramente mayor de material ignífugo en sus inmediaciones o ser considerados en el cálculo global del Hp/A. La NSR-10 y las normas de ensayo (como ASTM E119) establecen los criterios para determinar la resistencia al fuego requerida y evaluar el desempeño de los sistemas de protección.

Consideraciones Sísmicas Específicas (NSR-10)

Colombia es un país con actividad sísmica significativa, y Bogotá se encuentra en una zona de amenaza sísmica intermedia. Por lo tanto, el diseño de estructuras metálicas, incluyendo vigas armadas con atiesadores, debe cumplir rigurosamente las disposiciones de diseño sismorresistente del Título F de la NSR-10, en concordancia con el Título A (Principios generales).

Aspectos clave a considerar en el diseño sísmico:

• Sistema de Resistencia Sísmica: Las vigas armadas formarán parte de un sistema estructural diseñado para resistir las fuerzas sísmicas (ej. pórticos resistentes a momento, pórticos arriostrados concéntrica o excéntricamente). El tipo de sistema define los requisitos de ductilidad y diseño para las vigas y sus conexiones.
• Capacidad de Disipación de Energía: En sistemas diseñados para comportarse dúctilmente bajo sismos severos (como los pórticos especiales a momento - SMF), se espera que ciertos elementos (como las vigas o las zonas específicas de las vigas cerca de las columnas) desarrollen rótulas plásticas inelásticas para disipar la energía del sismo.
• Requisitos de Esbeltez (pandeo local): Para asegurar la ductilidad, la NSR-10 impone límites más estrictos a las relaciones ancho/espesor (b/t) para las alas y altura/espesor (h/tw) para el alma en elementos que forman parte del sistema de resistencia sísmica, especialmente aquellos donde se espera plastificación. Estos límites buscan prevenir el pandeo local prematuro antes de que se alcance la deformación inelástica requerida. La presencia y el diseño adecuado de los refuerzos son cruciales para cumplir con los requisitos de h/tw en almas de vigas sísmicamente compactas.
• Diseño por Capacidad: En muchos sistemas sismorresistentes, se aplica el diseño por capacidad. Esto significa que las conexiones y los elementos adyacentes (como las columnas en pórticos a momento) se diseñan para ser más resistentes que el elemento diseñado para plastificar (la viga), asegurando que la falla ocurra de manera dúctil y predecible en la ubicación deseada. Esto requiere calcular la resistencia probable de la viga (usando factores de sobrerresistencia) y diseñar la conexión y la columna para esa fuerza magnificada.
• Arriostramiento Lateral: Se deben proporcionar puntos de arriostramiento lateral a lo largo de la viga (especialmente en las alas a compresión) para prevenir el pandeo lateral torsional. La NSR-10 especifica los requisitos de espaciamiento y rigidez/resistencia para estos arriostramientos en zonas sísmicas, que pueden ser más estrictos que para diseño no sísmico. La losa de concreto, si actúa de forma compuesta con la viga, puede proporcionar este arriostramiento al ala superior.
• Diseño de Rigidizadores en Zonas Sísmicas: Los atiesadores de carga/apoyo en conexiones de momento y los refuerzos intermedios en zonas de alta demanda de cortante y posible plastificación deben diseñarse cuidadosamente para las fuerzas sísmicas, incluyendo las derivadas del diseño por capacidad. Pueden requerirse rigidizadores de continuidad en la columna (a nivel de las alas de la viga) para transferir las fuerzas de manera efectiva y prevenir la distorsión de la columna.
• Tenacidad del Material: Se requiere el uso de aceros con adecuada tenacidad (resistencia a la fractura frágil), especialmente para elementos gruesos o en estructuras críticas. Normas como ASTM A992 o aceros A709 con requisitos de prueba Charpy V-Notch (CVN) son preferibles.

El diseño sísmico de vigas armadas con rigidizadores es un proceso complejo que requiere un conocimiento profundo de la NSR-10 y los principios de ingeniería sismorresistente. La correcta implementación de estos requisitos es vital para garantizar la seguridad de las estructuras en Colombia ante eventos sísmicos.

Innovaciones y Tendencias Futuras

El campo de las vigas armadas de acero está en constante evolución, buscando mayor eficiencia, sostenibilidad y rendimiento.

• Optimización Topológica y de Forma: El uso de software avanzado de análisis y optimización permite refinar la forma de las vigas y la disposición de los refuerzos para minimizar el peso del material mientras se cumplen todos los requisitos de resistencia y estabilidad. Esto puede llevar a geometrías no tradicionales pero altamente eficientes.
• Secciones Híbridas: Combinar diferentes grados de acero en una misma sección de viga armada. Por ejemplo, usar acero de mayor resistencia para las alas (donde dominan los esfuerzos axiales por flexión) y un acero de menor resistencia pero potencialmente más dúctil para el alma (donde domina el cortante). Esto requiere un análisis cuidadoso de la interacción y la soldabilidad.
• Vigas Armadas con Almas Corrugadas: En lugar de un alma plana con refuerzos, se utilizan almas con una forma corrugada (ondulada o trapezoidal). La corrugación proporciona una gran rigidez fuera del plano, eliminando la necesidad de rigidizadores transversales para resistir el pandeo por cortante. Esto puede simplificar la fabricación y reducir el peso. Su uso está creciendo en Europa y otras regiones, y podría verse más en Colombia en el futuro.
• Fabricación Aditiva (Impresión 3D en Metal): Aunque todavía en etapas de desarrollo para componentes estructurales de gran tamaño, la fabricación aditiva podría permitir crear geometrías de vigas y refuerzos altamente optimizadas y complejas que son difíciles o imposibles de lograr con los métodos de fabricación sustractiva (corte y soldadura) actuales.
• Integración con Sensores (Estructuras Inteligentes): Incorporación de sensores de fibra óptica u otros tipos durante la fabricación o instalación para monitorear la salud estructural de la viga en tiempo real (tensiones, deformaciones, corrosión, temperatura), permitiendo un mantenimiento predictivo y una evaluación más precisa de su condición a lo largo de su vida útil.
• Enfoque en Sostenibilidad: Mayor énfasis en el uso de acero reciclado (el acero estructural ya tiene un alto contenido de reciclaje), optimización del diseño para minimizar el consumo de material, y análisis del ciclo de vida completo, incluyendo la energía embebida en la fabricación y el potencial de reutilización o reciclaje al final de la vida útil.

La adopción de estas innovaciones en el contexto colombiano dependerá de factores como la disponibilidad de tecnología, la capacitación de ingenieros y fabricantes, la actualización de normativas y la viabilidad económica en comparación con las soluciones tradicionales.

Comparativa: Vigas Armadas con Atiesadores (Refuerzos) vs. Otras Soluciones

Es útil comparar las vigas armadas con rigidizadores frente a alternativas para entender cuándo son la opción más adecuada.

La elección entre estas opciones dependerá de los requisitos específicos del proyecto: luz a salvar, magnitud de las cargas, limitaciones de altura, presupuesto, requerimientos estéticos, y condiciones de fabricación y montaje locales en Colombia.

Mantenimiento e Inspección en Servicio

Una vez que la estructura que incorpora vigas armadas con refuerzos está en servicio, es necesario implementar un programa de mantenimiento e inspección periódica para asegurar su integridad y durabilidad a largo plazo. La frecuencia y el alcance de estas inspecciones dependerán del tipo de estructura, su ubicación (ambiente corrosivo o no), la intensidad de uso y los requisitos normativos o del propietario.

Las actividades de inspección típicas incluyen:

• Inspección Visual General: Búsqueda de signos evidentes de daño o deterioro, como deformaciones excesivas (pandeo, abolladuras), corrosión (generalizada o localizada), estado del sistema de protección anticorrosiva (pintura descascarada, agrietada, oxidada), daños por impacto, o problemas en las conexiones (pernos flojos, signos de movimiento).
• Inspección Detallada de Conexiones: Verificar la integridad de las soldaduras (fisuras visibles) y el estado de los pernos (apriete, corrosión). En conexiones críticas o sometidas a fatiga, puede ser necesario realizar END periódicos (ej. MT o UT) para detectar fisuras incipientes.
• Evaluación de la Corrosión: Medir la pérdida de sección en áreas corroídas, evaluar la efectividad del sistema de protección restante y determinar la necesidad de reparaciones o repintado. Prestar especial atención a zonas donde se acumula agua o suciedad (repisas, juntas).
• Monitoreo de Deformaciones: Comparar las deflexiones y alineaciones actuales con las mediciones iniciales o los límites admisibles. Cambios significativos pueden indicar sobrecargas, asentamientos diferenciales o pérdida de rigidez.
• Inspección de Atiesadores (Refuerzos): Verificar que los rigidizadores no presenten daños, deformaciones o problemas en sus soldaduras. Asegurarse de que no hayan sido modificados o eliminados incorrectamente (por ejemplo, para pasar instalaciones sin el debido análisis y refuerzo).
• Evaluación Post-Evento: Después de eventos extremos como sismos fuertes, vientos huracanados o incendios, se requiere una inspección detallada para evaluar posibles daños estructurales, incluso si no son aparentes a simple vista.

El mantenimiento puede incluir:

• Limpieza periódica para remover contaminantes y evitar acumulación de humedad.
• Reparación o retoque del sistema de protección anticorrosiva.
• Reapriete de pernos si se detecta pérdida de tensión.
• Reparación de daños localizados (abolladuras, corrosión severa) mediante técnicas aprobadas (ej. adición de refuerzos, reemplazo de secciones).
• Monitoreo continuo si se identifican áreas de preocupación.

En Colombia, la NSR-10 establece requisitos generales sobre supervisión técnica y mantenimiento, pero los planes específicos suelen ser definidos por el diseñador o especialistas en patología estructural, especialmente para estructuras importantes como puentes o edificaciones esenciales. La documentación completa del diseño, fabricación y montaje es fundamental para realizar inspecciones y evaluaciones informadas a lo largo de la vida útil de la estructura.

Aspectos Económicos: Costo Inicial vs. Costo de Ciclo de Vida

Al evaluar la viabilidad de usar vigas armadas con rigidizadores, es importante considerar no solo el costo inicial de fabricación e instalación, sino también el costo total durante el ciclo de vida de la estructura.

• Costo Inicial:
  • Material: El costo del acero (placas) es un componente significativo. La optimización del diseño para minimizar el peso puede reducir este costo. El uso de aceros de mayor resistencia puede permitir secciones más ligeras, pero el costo por tonelada del acero puede ser mayor.
  • Fabricación: Es generalmente más alto que para perfiles laminados debido a la mano de obra intensiva (corte, armado, soldadura, manejo de refuerzos), el consumo de energía y soldadura, y los requisitos de control de calidad más estrictos.
  • Protección Anticorrosiva: El costo del sistema de protección (pintura, galvanizado) depende del grado de preparación de superficie, el tipo y número de capas, y el área a cubrir.
  • Transporte y Montaje: Puede ser significativo para elementos grandes y pesados, requiriendo equipos especializados y planificación logística.
• Costo de Ciclo de Vida:
  • Mantenimiento: Incluye inspecciones periódicas y reparaciones (especialmente del sistema anticorrosivo). Un sistema de protección inicial de alta calidad y durabilidad puede reducir los costos de mantenimiento a largo plazo. El diseño detallado para evitar acumulación de agua y facilitar la inspección también impacta positivamente.
  • Durabilidad y Vida Útil: Una viga bien diseñada, fabricada y protegida puede tener una vida útil muy larga, reduciendo la necesidad de reemplazos costosos.
  • Costos Operacionales (Indirectos): En aplicaciones como puentes o naves industriales, la eficiencia estructural (menor peso propio) puede traducirse en ahorros en las cimentaciones. La capacidad de salvar grandes luces puede optimizar el uso del espacio.
  • Costo de Desmantelamiento y Reciclaje: El acero es altamente reciclable al final de su vida útil, lo que representa un valor residual y beneficios ambientales.

La decisión económica a menudo implica un balance. Aunque el costo inicial de las vigas armadas reforzadas puede ser superior al de los perfiles laminados para luces y cargas moderadas, se vuelven competitivas y, a menudo, la única solución viable para grandes luces, cargas muy pesadas o geometrías complejas. En estos casos, la optimización del material que permiten compensa el mayor costo de fabricación. La consideración del costo de ciclo de vida, incluyendo el mantenimiento, favorece soluciones robustas y duraderas con sistemas de protección anticorrosiva eficaces.

En el contexto colombiano, la disponibilidad local de talleres de fabricación competentes y el costo relativo de la mano de obra frente al material influyen en la ecuación económica. Proyectos de infraestructura financiados públicamente en ciudades como Bogotá a menudo priorizan la durabilidad y el bajo mantenimiento a largo plazo, lo que puede favorecer el uso de sistemas de protección de alta calidad, incluso si aumentan el costo inicial.

Casos Específicos de Diseño de Rigidizadores

Para ilustrar la aplicación práctica, consideremos algunos escenarios de diseño de refuerzos (rigidizadores):

Escenario 1: Viga de Piso de Gran Luz en Edificio Comercial (Bogotá)

• Características: Luz considerable (ej. 18 metros), cargas de uso moderadas, alma relativamente esbelta para optimizar peso y peralte. Parte del sistema de resistencia sísmica (pórtico arriostrado).
• Diseño de Refuerzos:
  • Rigidizadores Transversales Intermedios: Necesarios para controlar el pandeo por cortante del alma. Su espaciamiento y rigidez se calculan según la NSR-10 Apéndice F7, considerando la demanda de cortante (incluyendo efectos sísmicos) y los límites de esbeltez del alma. Podrían ser placas simples o dobles soldadas al alma.
  • Refuerzos de Apoyo: Requeridos en los extremos de la viga para transferir la reacción al apoyo (columna o muro). Diseñados para resistir la reacción máxima (considerando combinaciones de carga sísmica), verificando aplastamiento y pandeo local del alma. Deben tener contacto ajustado con el ala inferior.
  • Refuerzos de Carga: Si vigas secundarias importantes conectan a esta viga principal, se necesitarán rigidizadores bajo esos puntos de carga concentrada.
  • Refuerzos (Atiesadores) Longitudinales: Probablemente no necesarios si la esbeltez del alma no es extrema y los esfuerzos de compresión por flexión no controlan el diseño.

Escenario 2: Viga Principal de un Puente Metálico de Carretera

• Características: Luz muy grande (ej. 50 metros o más), cargas vehiculares pesadas y cíclicas (fatiga), alma de gran peralte y potencialmente muy esbelta.
• Diseño de Refuerzos (Atiesadores):
  • Rigidizadores Transversales Intermedios: Absolutamente esenciales. Espaciados cuidadosamente para maximizar la resistencia a cortante post-pandeo (acción de campo de tensiones). Diseñados para rigidez y resistencia (para anclar el campo de tensiones). Se debe prestar atención a los detalles de soldadura por fatiga. Comúnmente son placas dobles.
  • Rigidizadores o Refuerzos de Apoyo: Muy robustos, diseñados para las altas reacciones y a menudo formando parte del diafragma sobre el apoyo.
  • Refuerzos Longitudinales: Posiblemente necesarios si el alma es muy alta y esbelta, para controlar el pandeo por flexión en la zona comprimida. Su uso se optimiza económicamente.
  • Refuerzos de Carga: En puntos donde conectan diafragmas transversales o elementos de arriostramiento importantes.
  • Detalles de Fatiga: Los detalles de conexión de los refuerzos (rigidizadores) al alma y alas son críticos. Evitar soldaduras transversales al flujo de tensiones principales en las alas. Usar radios de transición suaves en los recortes (clips) de los refuerzos. Clasificar cada detalle según las categorías de fatiga de AASHTO o NSR-10.

Normalización y Códigos Aplicables en Colombia

El diseño y fabricación de vigas armadas con refuerzos en Colombia se rige principalmente por los siguientes documentos:

• Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente (NSR-10):
  • Título F - Estructuras Metálicas: Contiene los requisitos detallados para el análisis, diseño y dimensionamiento de miembros de acero (incluyendo vigas armadas), conexiones, y consideraciones específicas para estabilidad (pandeo local y global), diseño de refuerzos (F.7 y Apéndice F7), cargas concentradas (F.10), fatiga (Apéndice F3), y requisitos sísmicos. Se basa en gran medida en la especificación AISC 360.
  • Título A - Requisitos Generales de Diseño y Construcción Sismo Resistente: Establece las bases para la clasificación de la amenaza sísmica (incluyendo mapas de zonificación para Colombia y ciudades como Bogotá), los grupos de uso, los sistemas de resistencia sísmica permitidos, y las fuerzas sísmicas de diseño.
  • Título J - Requisitos de Protección Contra Incendios en Edificaciones: Define los requisitos de resistencia al fuego para los elementos estructurales según el tipo de edificación.
  • Título K - Normas Complementarias: Puede incluir referencias a normas técnicas colombianas (NTC) o internacionales relevantes.
• Normas del American Institute of Steel Construction (AISC): Dado que la NSR-10 se basa fuertemente en AISC, sus especificaciones son referencia fundamental:
  • AISC 360 - Specification for Structural Steel Buildings: La base principal para el Título F de la NSR-10.
  • AISC 341 - Seismic Provisions for Structural Steel Buildings: Base para los requisitos sísmicos detallados.
  • AISC Design Guides: Ofrecen guías prácticas sobre temas específicos (ej. diseño de vigas con aberturas, estabilidad, diseño de refuerzos).
• Normas de la American Welding Society (AWS):
  • AWS D1.1 - Structural Welding Code — Steel: Referencia estándar para la calificación de procedimientos de soldadura, soldadores, requisitos de fabricación y montaje, y criterios de inspección y aceptación de soldaduras. Es ampliamente utilizada en Colombia.
  • AWS D1.5 - Bridge Welding Code: Requisitos específicos y a menudo más estrictos para la soldadura de puentes, incluyendo consideraciones de fatiga.
• Normas ASTM International: Especifican las propiedades y requisitos para los materiales de acero estructural (A36, A572, A992, A709, etc.) y los consumibles de soldadura.
• Normas Técnicas Colombianas (NTC): Elaboradas por ICONTEC, pueden adaptar o complementar normas internacionales para el contexto colombiano en aspectos específicos de materiales, ensayos o procedimientos.

Es responsabilidad del ingeniero diseñador y del fabricante conocer y aplicar correctamente las versiones vigentes de estas normas y códigos para asegurar la conformidad y seguridad de las vigas armadas fabricadas e instaladas en Colombia.

Consideraciones Ambientales y de Sostenibilidad

En la ingeniería y construcción contemporánea, la sostenibilidad es un factor cada vez más relevante. Las vigas armadas de acero con rigidizadores, como parte de las estructuras metálicas, presentan tanto ventajas como desafíos desde esta perspectiva.

Aspectos Positivos:

• Alto Contenido de Reciclaje: El acero estructural es uno de los materiales de construcción más reciclados del mundo. En Colombia y a nivel global, una gran proporción del acero nuevo se produce a partir de chatarra reciclada (en hornos de arco eléctrico - EAF), lo que reduce significativamente el consumo de materias primas vírgenes (mineral de hierro, carbón) y la energía necesaria para su producción en comparación con la ruta de producción primaria (alto horno - BOF).
• Reciclabilidad al Final de la Vida Útil: Al final de la vida útil de la estructura, las vigas de acero pueden ser fácilmente desmontadas y enviadas a plantas de reciclaje para convertirse en nuevo acero, cerrando el ciclo del material.
• Durabilidad y Larga Vida Útil: Cuando se diseñan, fabrican y protegen adecuadamente contra la corrosión, las estructuras de acero pueden tener una vida útil muy larga, reduciendo la necesidad de reemplazo y el consumo de recursos asociado.
• Eficiencia Estructural: La alta relación resistencia/peso del acero permite diseños más ligeros en comparación con otros materiales como el concreto para las mismas capacidades de carga, especialmente en grandes luces. Esto puede llevar a una reducción en el tamaño de las cimentaciones y, por ende, en el consumo de concreto y la excavación. La optimización inherente al diseño de vigas armadas con rigidizadores (refuerzos) contribuye a esta eficiencia.
• Prefabricación: La fabricación en taller permite un mejor control de calidad, reduce los desperdicios de material y minimiza las perturbaciones en el sitio de construcción (menos ruido, polvo, tráfico).

Desafíos y Áreas de Mejora:

• Energía Embebida: Aunque el reciclaje ayuda, la producción de acero sigue siendo un proceso intensivo en energía, contribuyendo a las emisiones de gases de efecto invernadero. La industria siderúrgica está trabajando en tecnologías para reducir su huella de carbono (ej. uso de hidrógeno verde, captura de carbono).
• Transporte: El transporte de elementos de acero pesados y voluminosos desde el taller hasta la obra consume combustibles fósiles. La optimización logística y la ubicación estratégica de los talleres son importantes.
• Recubrimientos y Químicos: Algunos sistemas de protección anticorrosiva (pinturas, solventes) pueden contener compuestos orgánicos volátiles (COV) o metales pesados. La tendencia es hacia recubrimientos con bajo contenido de COV, base agua, o sistemas más duraderos como el galvanizado o metalizado.
• Análisis de Ciclo de Vida (ACV): Para una evaluación completa de la sostenibilidad, es necesario realizar un ACV que considere todos los impactos desde la extracción de materias primas hasta el final de la vida útil (cuna a tumba o cuna a cuna). Herramientas como las Declaraciones Ambientales de Producto (DAP) pueden ayudar a cuantificar estos impactos.

Fomentar el uso de acero con alto contenido reciclado, optimizar los diseños para minimizar el uso de material, seleccionar sistemas de protección ambientalmente responsables y planificar para el desmontaje y reciclaje son estrategias clave para mejorar el perfil de sostenibilidad de las vigas armadas con refuerzos en proyectos desarrollados en Colombia y en ciudades como Bogotá.

Reflexiones Finales sobre las Vigas Armadas con Refuerzos (Atiesadores)

Las vigas metálicas armadas a partir de placas, específicamente aquellas que incorporan atiesadores, rigidizadores o refuerzos, representan una solución de ingeniería estructural de alto rendimiento, fundamental para abordar desafíos constructivos que involucran grandes luces, cargas pesadas o geometrías particulares. Su diseño es un ejercicio de optimización, buscando equilibrar la resistencia, la rigidez y la estabilidad con la eficiencia en el uso del material.

La función de los refuerzos es vital: permiten utilizar placas más esbeltas, especialmente en el alma, controlando los fenómenos de pandeo local (por cortante, compresión o cargas concentradas) y permitiendo que la viga alcance su máxima capacidad resistente. La correcta selección del tipo, tamaño, espaciamiento y detalle de los refuerzos, siguiendo las directrices de normativas como la NSR-10 en Colombia, es inseparable del diseño global de la viga.

El proceso de fabricación exige precisión, tecnología adecuada (corte CNC, soldadura automática/semiautomática) y un riguroso control de calidad, especialmente en las uniones soldadas. Talleres metalmecánicos especializados, como los que se encuentran en Bogotá y otras zonas industriales de Colombia, son capaces de producir estos elementos complejos cumpliendo altos estándares.

Sus aplicaciones son vastas, desde la infraestructura crítica como puentes hasta edificaciones emblemáticas como centros comerciales, naves industriales o edificios de gran altura. Permiten a los arquitectos e ingenieros materializar diseños audaces y funcionales. Sin embargo, su elección debe considerar también los costos asociados a su fabricación más compleja y la necesidad de un diseño y detallamiento cuidadosos.

Las consideraciones sísmicas, de protección contra el fuego, de protección anticorrosiva y de mantenimiento son aspectos que deben integrarse desde las etapas iniciales del diseño para garantizar la seguridad, durabilidad y funcionalidad de la estructura a lo largo de toda su vida útil.

A medida que avanzan las herramientas de análisis, los materiales y las técnicas de fabricación, es probable que veamos un uso continuado y potencialmente innovador de las vigas armadas con refuerzos (atiesadores), adaptándose a las crecientes demandas de la construcción moderna y a un mayor énfasis en la eficiencia y la sostenibilidad.

La ingeniería detrás de una viga armada con rigidizadores es un testimonio de la capacidad para manipular las propiedades del acero y la geometría para crear elementos estructurales que son, a la vez, fuertes, eficientes y adaptables a una amplia gama de necesidades constructivas en el país.