Manufactura precisa de vigas metálicas en acero armadas con placas de sección constante en Bogotá, Colombia

Fabricación y montaje experto en Bogotá y Colombia de vigas metálicas armadas de sección constante elaboradas a partir de placas de acero, garantizando uniformidad estructural y alta resistencia mecánica.

Introducción Fundamental a las Vigas Armadas de Sección Constante

Las estructuras metálicas representan una solución de ingeniería fundamental en el desarrollo de infraestructuras modernas, y dentro de este vasto campo, las vigas de acero juegan un papel protagónico. Específicamente, las vigas metálicas armadas o fabricadas constituyen una categoría esencial cuando las soluciones estandarizadas, como los perfiles laminados en caliente, no son suficientes o no resultan óptimas para las demandas específicas de un proyecto. Dentro de este grupo, nos enfocaremos detalladamente en las Vigas Armadas a partir de Placas de Sección Constante. Este tipo de viga se caracteriza por ser fabricada mediante la unión soldada de placas de acero individuales (generalmente tres: dos alas o patines y un alma) para conformar una sección transversal, usualmente en forma de "I" o "H", que mantiene sus dimensiones geométricas (altura total, ancho de alas, espesores de alas y alma) idénticas a lo largo de toda su longitud.

La decisión de optar por una viga armada de sección constante en lugar de un perfil laminado estándar suele estar motivada por diversas razones técnicas y económicas. Entre las más comunes se encuentran la necesidad de soportar cargas muy elevadas, cubrir luces o claros libres de gran envergadura donde los perfiles comerciales serían insuficientes o excesivamente pesados, o la búsqueda de una sección transversal con dimensiones muy específicas que no se encuentran disponibles en los catálogos de perfiles laminados. Esta capacidad de personalización dimensional es, de hecho, una de las ventajas más significativas de las vigas armadas.

En el contexto colombiano, y particularmente en centros urbanos de gran actividad constructiva como Bogotá, el uso de vigas armadas de sección constante es frecuente en edificaciones industriales, puentes (tanto vehiculares como peatonales), centros comerciales, bodegas de gran altura y otras estructuras donde la eficiencia estructural y la optimización del material son cruciales. La ingeniería colombiana ha desarrollado una notable capacidad para el diseño y fabricación de estos elementos, siguiendo normativas nacionales como la Norma Sismo Resistente NSR-10 e internacionales adaptadas.

Concepto y Justificación Técnica

Una viga armada de sección constante se define por su proceso de fabricación: placas de acero planas, cortadas a medida, se ensamblan y se unen mediante procesos de soldadura de alta calidad para formar el elemento estructural deseado. La constancia de la sección implica que no hay variaciones en la geometría del perfil a lo largo del eje longitudinal de la viga. Esto simplifica ciertos aspectos del análisis estructural y, en muchos casos, facilita el proceso de fabricación en comparación con las vigas de sección variable (que adaptan su canto o ancho de alas a la distribución de momentos flectores).

La justificación para su empleo radica en la capacidad de "diseñar a medida" la resistencia y rigidez de la viga. El ingeniero estructural puede seleccionar espesores y anchos específicos para las alas y el alma, optimizando la cantidad de acero utilizado para resistir los esfuerzos predominantes (flexión y cortante) en esa viga particular. Por ejemplo:

• Alas (Flanges): Son los elementos horizontales superior e inferior. Su función principal es resistir la mayor parte del momento flector a través de esfuerzos axiales de tracción y compresión. El diseñador puede ajustar su ancho y espesor para proveer el módulo de sección requerido.
• Alma (Web): Es el elemento vertical que conecta las alas. Su función primordial es resistir los esfuerzos cortantes y mantener la separación entre las alas, contribuyendo así a la resistencia a flexión global (brazo de palanca interno). Su altura y espesor se diseñan principalmente en función del cortante y para prevenir fenómenos de inestabilidad como el pandeo del alma.

Esta capacidad de ajuste fino permite lograr soluciones estructurales que pueden ser más ligeras y eficientes que el uso de perfiles laminados sobredimensionados, especialmente cuando las solicitaciones son muy altas o las luces a salvar son considerables.

Componentes Detallados de la Viga Armada de Sección Constante

Para comprender a fondo estas vigas, es esencial detallar sus componentes constitutivos:

Placas de Acero: La Materia Prima

Todo comienza con la selección de las placas de acero adecuadas. Estas placas deben cumplir con especificaciones de calidad y resistencia definidas en normativas técnicas reconocidas. En Colombia, es común el uso de aceros que cumplen con normas ASTM (American Society for Testing and Materials), adaptadas o referenciadas en la NSR-10.

• Calidad del Acero: Se especifican grados de acero con límites mínimos de fluencia (Fy) y resistencia última (Fu). Grados como el ASTM A36 (Fy ≈ 250 MPa) son comunes para aplicaciones generales, mientras que aceros de mayor resistencia como el ASTM A572 Grado 50 (Fy ≈ 345 MPa) o incluso superiores se emplean cuando se busca optimizar el peso o resistir cargas muy altas.
• Dimensiones de las Placas: Las placas se suministran en dimensiones estándar que luego son cortadas a las medidas precisas requeridas para las alas y el alma de la viga. El espesor es una variable crítica en el diseño.
• Certificación: Es fundamental que las placas cuenten con certificados de calidad del fabricante que garanticen sus propiedades mecánicas y composición química.

Las Alas (Patines o Flanges)

Las alas son cruciales para la resistencia a flexión. Sus dimensiones (ancho 'bf' y espesor 'tf') se determinan para proporcionar el área necesaria para resistir las fuerzas axiales internas (Compresión en el ala superior y Tracción en el ala inferior para momentos positivos) y para contribuir significativamente al momento de inercia (I) y al módulo de sección (S) de la viga.

• Ancho (bf): Un mayor ancho incrementa el momento de inercia y el módulo de sección, pero también puede influir en la estabilidad local del ala (pandeo local).
• Espesor (tf): Un mayor espesor aumenta el área resistente y también mejora la resistencia al pandeo local. La relación ancho/espesor (b/t) es un parámetro clave en el diseño para prevenir fallas prematuras por pandeo local del ala comprimida.

El Alma (Web)

El alma conecta las alas y es el principal responsable de resistir las fuerzas cortantes ('V'). Su altura ('h' o 'd') es un factor determinante en el momento de inercia y la rigidez de la viga. Su espesor ('tw') se diseña para resistir el cortante y prevenir la inestabilidad del alma.

• Altura (h): Define la distancia entre los centroides de las alas, maximizando el brazo de palanca interno y, por tanto, la resistencia a flexión para una cantidad dada de material en las alas. Una mayor altura aumenta la rigidez y reduce las deformaciones (flechas).
• Espesor (tw): Debe ser suficiente para resistir las tensiones cortantes máximas. Además, la relación altura/espesor (h/tw) es crítica para prevenir el pandeo del alma por cortante o por flexión. En vigas muy esbeltas (h/tw alto), pueden requerirse rigidizadores transversales o longitudinales, aunque en vigas de sección constante se intenta a menudo evitar los longitudinales mediante un espesor de alma adecuado.

Uniones Soldadas: El Corazón de la Fabricación

La integridad de una viga armada depende críticamente de la calidad de las soldaduras que unen las alas al alma. Estas uniones, típicamente soldaduras de filete continuas o intermitentes (aunque continuas son preferibles para fatiga y rigidez), deben ser capaces de transmitir los flujos de cortante entre las alas y el alma.

• Tipo de Soldadura: Procesos como SAW (Arco Sumergido), FCAW (Alambre Tubular con Protección Gaseosa o Autoprotegido) o GMAW (Arco Metálico con Protección Gaseosa) son comunes en taller debido a su alta deposición y calidad.
• Diseño de la Soldadura: El tamaño y tipo de soldadura se calculan según las fuerzas que deben transferir, siguiendo los códigos de diseño aplicables (ej. NSR-10 Título F, referenciando a menudo especificaciones de la AISC - American Institute of Steel Construction o AWS - American Welding Society).
• Inspección: La inspección rigurosa de las soldaduras (visual y mediante ensayos no destructivos) es imperativa para garantizar la seguridad y el desempeño de la viga.

Comparativa Conceptual: Sección Constante vs. Perfil Laminado

Entender las diferencias fundamentales ayuda a valorar cuándo elegir una viga armada de sección constante.

Esta comparativa inicial sienta las bases para profundizar en los aspectos de materiales, fabricación, diseño y aplicaciones específicas que caracterizan a las vigas armadas de sección constante en el panorama de la construcción metálica colombiana.

Consideraciones Iniciales sobre Materiales

La selección del acero es un paso primordial. Como se mencionó, normativas como ASTM proporcionan una clasificación estandarizada. La elección entre un acero A36 y un A572 Grado 50, por ejemplo, no es trivial. Mientras que el A36 es más económico y fácilmente disponible, el A572 Grado 50 ofrece una mayor resistencia, lo que puede permitir secciones más esbeltas y ligeras, resultando en ahorros de peso que podrían compensar el mayor costo del material por kilogramo. Esta decisión impacta directamente en las dimensiones finales de las placas de alas y alma, y por ende, en el peso total de la viga y las cargas transmitidas a las columnas y cimentaciones. En proyectos de gran envergadura en Colombia, el análisis de costo-beneficio entre diferentes grados de acero es una práctica estándar en la fase de diseño detallado.

Profundización en los Materiales: Aceros Estructurales en Colombia

La selección del tipo y grado de acero para las placas que conformarán la viga armada es una decisión de ingeniería crítica que afecta el diseño, el costo y el desempeño de la estructura. En Colombia, la práctica habitual se alinea con estándares internacionales, principalmente los de la ASTM, los cuales son referenciados explícitamente en el Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente (NSR-10), específicamente en su Título F - Estructuras Metálicas.

Los aceros estructurales se clasifican principalmente por su límite de fluencia mínimo (Fy), que representa el punto a partir del cual el material comienza a deformarse plásticamente de manera significativa. Otros parámetros importantes son la resistencia última a la tracción (Fu), la ductilidad (capacidad de deformarse antes de fracturar) y la tenacidad (capacidad de absorber energía, importante para cargas sísmicas o de impacto).

Aceros Comúnmente Utilizados para Placas en Vigas Armadas en Colombia

• ASTM A36: Es el acero al carbono estructural más básico y ampliamente utilizado.
  • Límite de Fluencia (Fy): Mínimo 250 MPa (36 ksi).
  • Resistencia Última (Fu): Rango de 400 a 550 MPa (58-80 ksi).
  • Ventajas: Bajo costo, buena soldabilidad, amplia disponibilidad en el mercado colombiano en diversos espesores de placa.
  • Desventajas: Menor resistencia comparada con otros grados, lo que puede llevar a secciones más pesadas para los mismos requerimientos de carga.
  • Aplicaciones Típicas: Estructuras de edificación general, componentes secundarios, vigas para luces y cargas moderadas.
• ASTM A572 Grado 50: Es un acero de alta resistencia y baja aleación (HSLA).
  • Límite de Fluencia (Fy): Mínimo 345 MPa (50 ksi).
  • Resistencia Última (Fu): Mínimo 450 MPa (65 ksi).
  • Ventajas: Mayor relación resistencia/peso comparado con A36, permitiendo diseños más ligeros y esbeltos. Buena soldabilidad y formabilidad.
  • Desventajas: Costo por kilogramo ligeramente superior al A36. Disponibilidad puede ser menor para ciertos espesores o requerir pedidos especiales.
  • Aplicaciones Típicas: Vigas principales en edificios, puentes, estructuras industriales con mayores exigencias de carga o luz, muy utilizado en proyectos de infraestructura en Colombia donde la optimización de peso es relevante.
• ASTM A992: Aunque principalmente especificado para perfiles laminados W, las placas con propiedades equivalentes o que cumplen A992 pueden ser utilizadas, especialmente si se requiere un control más estricto de la relación Fy/Fu y una mayor ductilidad (importante en diseño sísmico).
  • Límite de Fluencia (Fy): Rango de 345 a 450 MPa (50-65 ksi).
  • Resistencia Última (Fu): Mínimo 450 MPa (65 ksi).
  • Ventajas: Propiedades mecánicas más controladas, excelente ductilidad, buena soldabilidad. Requerido por NSR-10 para ciertos sistemas sismorresistentes.
  • Desventajas: Puede tener un costo mayor y su uso en forma de placa para vigas armadas es menos común que A36 o A572 Gr. 50, aunque factible.
• Aceros Resistentes a la Corrosión Atmosférica (Ej: ASTM A588): También conocidos como aceros "patinables" o "corten". Forman una capa de óxido protectora estable.
  • Propiedades: Resistencia similar a A572 Grado 50.
  • Ventajas: Mayor durabilidad en ambientes expuestos sin necesidad de recubrimientos (o con mantenimiento reducido), estética particular.
  • Desventajas: Costo significativamente mayor, requiere detalles de diseño específicos para asegurar un buen desempeño de la pátina, soldadura con consumibles especiales.
  • Aplicaciones Típicas: Puentes, estructuras expuestas a la intemperie donde el costo adicional se justifique por el ahorro en mantenimiento a largo plazo. Su uso en Bogotá debe considerar los niveles de contaminación y humedad específicos.

Propiedades Adicionales Relevantes

• Soldabilidad: Esencial para vigas armadas. Los aceros mencionados generalmente tienen buena soldabilidad utilizando los procedimientos y consumibles adecuados. Aceros con mayor contenido de carbono o aleantes pueden requerir precalentamiento.
• Tenacidad a la Fractura (Charpy V-Notch): Importante para estructuras sujetas a bajas temperaturas, cargas de impacto o fatiga, y en zonas de concentración de esfuerzos (como las uniones soldadas). Las normativas pueden exigir requisitos mínimos de tenacidad, especialmente para elementos críticos en puentes o estructuras en zonas sísmicas.
• Certificación y Trazabilidad: La NSR-10 exige que los materiales utilizados cuenten con certificados de calidad del fabricante que permitan la trazabilidad desde la acería hasta la obra. Esto es fundamental para el aseguramiento de la calidad.

Detalle de Grados de Acero Comunes para Placas en Colombia

La siguiente información resume las propiedades clave de los aceros más frecuentemente empleados en la fabricación de vigas armadas de sección constante en el país.

El Proceso de Fabricación Paso a Paso

La conversión de placas de acero planas en una viga armada robusta y precisa es un proceso industrial que requiere maquinaria especializada, operarios calificados y un estricto control de calidad. Se desarrolla típicamente en talleres metalmecánicos equipados para manejar elementos de gran tamaño y peso.

Fase 1: Recepción e Inspección de Materiales

El proceso inicia con la llegada de las placas de acero al taller. Se verifica que las dimensiones, espesores y grados de acero correspondan con lo especificado en los planos de taller y que se cuente con los certificados de calidad del material. Se realiza una inspección visual para detectar posibles defectos superficiales en las placas.

Fase 2: Corte de las Placas

Las placas se cortan a las dimensiones exactas requeridas para las alas y el alma de cada viga. Los métodos de corte más comunes son:

• Oxicorte (Oxiflamma): Adecuado para espesores gruesos de acero al carbono. Es un proceso térmico que utiliza oxígeno y un gas combustible. Puede requerir un mecanizado posterior de los bordes si se necesita alta precisión o preparación para ciertos tipos de soldadura.
• Corte por Plasma: Utiliza un chorro de gas ionizado a alta temperatura. Es más rápido que el oxicorte para espesores medios y delgados, y puede cortar aceros aleados e inoxidables. Produce cortes de buena calidad, a menudo suficientes para el ensamble directo.
• Corte Láser: Ofrece la mayor precisión y calidad de borde, con una zona afectada térmicamente mínima. Ideal para espesores más delgados y aplicaciones que requieren tolerancias muy ajustadas. Su costo operativo es más alto.
• Cizallado: Proceso mecánico de corte en frío, limitado a ciertos espesores y geometrías. Puede inducir deformaciones en los bordes. Menos común para los componentes principales de vigas armadas grandes.

La precisión en el corte es fundamental para asegurar el correcto ajuste durante el ensamble y la calidad final de las soldaduras.

Fase 3: Preparación de Bordes (si es necesario)

Dependiendo del tipo de unión soldada especificada (especialmente si son soldaduras de penetración completa en lugar de filete), los bordes de las placas (particularmente donde el alma se une a las alas) pueden requerir ser biselados. Este biselado crea el espacio necesario para depositar el material de soldadura y asegurar la fusión completa entre las piezas. Se realiza mediante mecanizado o corte térmico con biseladora.

Fase 4: Ensamble y Armado

Las placas cortadas (dos alas y un alma) se posicionan cuidadosamente para formar la sección transversal deseada (generalmente "I"). Se utilizan dispositivos de alineación, prensas hidráulicas y plantillas o jigs para mantener las piezas en la posición correcta y asegurar la perpendicularidad entre el alma y las alas, así como la alineación longitudinal.

Una vez posicionadas, las piezas se unen temporalmente mediante puntos de soldadura cortos y espaciados, conocidos como "punteado" o "tack welding". Estos puntos deben ser suficientes para mantener la geometría durante el manejo y el proceso de soldadura final, pero sin generar excesivas tensiones residuales.

Fase 5: Soldadura Estructural

Esta es la fase crítica donde se realizan las uniones permanentes entre el alma y las alas. La elección del proceso de soldadura depende del espesor del material, la posición de soldadura, los requisitos de calidad y la productividad deseada.

• Soldadura por Arco Sumergido (SAW - Submerged Arc Welding): Es el método preferido para las largas uniones continuas entre alma y alas en posición plana u horizontal. Un arco eléctrico se establece entre un electrodo de alambre continuo y la pieza de trabajo, bajo una capa de fundente granular (flux). El flux protege el arco y el metal fundido de la atmósfera, produce una escoria que protege el cordón mientras se enfría y puede aportar elementos de aleación. SAW ofrece altas tasas de deposición, penetración profunda y cordones de alta calidad con excelente apariencia. Es altamente automatizable.
• Soldadura por Arco con Alambre Tubular (FCAW - Flux-Cored Arc Welding): Utiliza un electrodo tubular continuo que contiene fundente en su interior. Puede ser autoprotegido (el fundente genera los gases protectores) o con protección adicional de gas (dual shield). Es un proceso versátil, con buenas tasas de deposición y adecuado para diversas posiciones. Muy utilizado en talleres metalmecánicos en Colombia.
• Soldadura por Arco Metálico con Protección Gaseosa (GMAW - Gas Metal Arc Welding / MIG/MAG): Utiliza un electrodo de alambre macizo continuo y un gas de protección externo (inerte como Argón - MIG, o activo como CO2 o mezclas - MAG). Es rápido, limpio y fácil de automatizar, especialmente para espesores más delgados o medios.
• Soldadura Manual por Arco Eléctrico con Electrodo Revestido (SMAW - Shielded Metal Arc Welding / "Electrodo"): Proceso manual versátil, utilizado a menudo para el punteado, reparaciones, o soldaduras en posiciones difíciles donde los procesos semiautomáticos son imprácticos. Su productividad es menor.

La secuencia de soldadura es importante para controlar las deformaciones y tensiones residuales inducidas por el calor del proceso. A menudo se suelda alternando lados o utilizando técnicas de soldadura balanceada.

La ejecución de la soldadura debe seguir estrictamente los Procedimientos de Soldadura Calificados (WPS - Welding Procedure Specification), los cuales detallan variables como el tipo de consumible (electrodo/alambre y flux/gas), parámetros eléctricos (amperaje, voltaje, velocidad de avance), tipo de junta, preparación de bordes, temperatura de precalentamiento (si aplica, especialmente para aceros de alta resistencia o espesores gruesos para prevenir fisuración), y secuencia de soldadura. Los soldadores y operadores de equipos de soldadura deben estar calificados según normas reconocidas (ej. AWS D1.1 - Código de Soldadura Estructural para Acero, referenciado en NSR-10) para asegurar la habilidad necesaria.

Las uniones soldadas entre alma y alas son típicamente soldaduras de filete. El tamaño del filete (garganta efectiva) se diseña para resistir el flujo de cortante horizontal entre estos elementos. Es crucial que la soldadura tenga buena fusión con los metales base, sin defectos significativos como falta de fusión, falta de penetración, porosidad excesiva, socavaciones o fisuras.

Procesos de Soldadura Usuales en la Fabricación

A continuación, se presenta una visión general de los procesos de soldadura más empleados en la fabricación de estas vigas en talleres colombianos.

Fase 6: Control de Deformaciones y Enderezado

El calor aportado durante la soldadura provoca inevitablemente expansiones y contracciones diferenciales en el acero, lo que puede generar deformaciones en la viga (pérdida de rectitud, alabeo de las alas, etc.). Parte del control se realiza mediante una secuencia de soldadura adecuada y el uso de sujeciones firmes durante el proceso. Sin embargo, a menudo es necesario realizar un proceso de enderezado posterior.

El enderezado puede realizarse mediante métodos mecánicos (aplicación controlada de fuerza con prensas) o térmicos (aplicación localizada de calor seguido de enfriamiento rápido, conocido como enderezado por llama o "flame straightening"). Este último método requiere personal muy experimentado para no afectar negativamente las propiedades del material. Se deben respetar límites de temperatura para no degradar el acero. Las tolerancias dimensionales y de rectitud están especificadas en códigos como AISC o en los planos del proyecto.

Fase 7: Inspección y Ensayos No Destructivos (END / NDT)

El aseguramiento de la calidad es un pilar fundamental en la fabricación de vigas armadas. Una vez completada la soldadura y el enderezado, se realiza una inspección exhaustiva. Esta incluye:

• Inspección Visual (VT - Visual Testing): Es el método más básico pero esencial. Realizada por inspectores calificados (a menudo certificados CWI - Certified Welding Inspector), busca discontinuidades superficiales en las soldaduras (fisuras, porosidad, socavación, tamaño incorrecto del cordón, etc.) y verifica las dimensiones generales de la viga, rectitud, y perpendicularidad de los elementos.
• Ensayos No Destructivos (END / NDT): Se aplican para detectar posibles discontinuidades internas o superficiales no visibles a simple vista. Los métodos más comunes para vigas armadas son:
  • Ultrasonido (UT - Ultrasonic Testing): Utiliza ondas sonoras de alta frecuencia para detectar defectos internos como falta de fusión, fisuras internas o inclusiones de escoria. Es muy utilizado para verificar la integridad de las soldaduras críticas, especialmente las de penetración completa (si las hubiera) o filetes de gran tamaño.
  • Partículas Magnéticas (MT - Magnetic Particle Testing): Adecuado para detectar discontinuidades superficiales y sub-superficiales (muy cercanas a la superficie) en materiales ferromagnéticos (como el acero estructural). Se induce un campo magnético en la pieza y se aplican partículas de hierro finas; las discontinuidades interrumpen el campo y atraen las partículas, haciéndolas visibles.
  • Líquidos Penetrantes (PT - Penetrant Testing): Se utiliza para detectar defectos superficiales abiertos a la superficie en cualquier material (aunque en acero se prefiere MT si es aplicable). Se aplica un líquido penetrante coloreado o fluorescente que se introduce en las discontinuidades; tras limpiar el exceso, se aplica un revelador que extrae el penetrante, haciendo visible la indicación del defecto.
  • Radiografía Industrial (RT - Radiographic Testing): Utiliza rayos X o gamma para obtener una imagen de la estructura interna de la soldadura en una película o detector digital. Es muy eficaz para detectar defectos volumétricos (porosidad, inclusiones) y también algunas fisuras o faltas de fusión. Su uso es más costoso y requiere precauciones de seguridad radiológica. Menos común para las largas soldaduras de filete alma-alas que UT o MT.

El alcance de la inspección por END (qué soldaduras inspeccionar, qué porcentaje y con qué método) se define en las especificaciones del proyecto o en los códigos aplicables (NSR-10, AWS D1.1, AISC). Generalmente, se enfoca en las soldaduras más críticas o se realiza un muestreo representativo.

Fase 8: Acabado Superficial y Protección Anticorrosiva

Una vez que la viga ha pasado todas las inspecciones de calidad, se procede a la limpieza y preparación de la superficie para aplicar el sistema de protección contra la corrosión especificado.

• Limpieza: Es fundamental eliminar toda la escoria de soldadura, salpicaduras, óxido, grasa y cualquier contaminante. El método más común y eficaz para estructuras metálicas es la limpieza por chorreado abrasivo (Sandblasting o más correctamente Grit Blasting con granalla de acero, arena u otros abrasivos). El grado de limpieza se especifica según estándares internacionales (ej. SSPC - Society for Protective Coatings / NACE International). Grados comunes son SSPC-SP6 (Limpieza Comercial) o SSPC-SP10 (Limpieza Cercana al Metal Blanco).
• Aplicación de Recubrimiento: Sobre la superficie limpia y seca, se aplica el sistema de pintura o recubrimiento especificado. Este sistema suele consistir en:
  • Una capa de imprimación (primer): Proporciona adherencia al sustrato y protección anticorrosiva inicial. Pueden ser ricos en zinc, epóxicos, etc.
  • Una o más capas intermedias (si se requieren): Aumentan el espesor total del sistema y la barrera de protección.
  • Una capa de acabado (top coat): Proporciona la resistencia a la intemperie (rayos UV, humedad, etc.), resistencia química (si aplica) y el color final deseado. Poliuretanos y epóxicos son comunes.

La selección del sistema de protección depende del ambiente de exposición de la viga (interior, exterior, industrial, marino), la durabilidad requerida y consideraciones estéticas. Para estructuras en Bogotá, se debe considerar la humedad relativa y la posible presencia de contaminantes urbanos al especificar el sistema de pintura.

Fase 9: Marcado e Identificación

Cada viga fabricada se marca de forma clara y permanente con un código de identificación único que permite su trazabilidad y correcta ubicación en el montaje en obra, según los planos de montaje.

Fase 10: Almacenamiento y Despacho

Las vigas terminadas se almacenan adecuadamente en el taller, utilizando apoyos que eviten deformaciones permanentes, hasta su transporte a la obra. Se debe tener cuidado durante la carga y transporte para no dañar el recubrimiento ni deformar la pieza.

Consideraciones de Diseño Estructural para Vigas Armadas de Sección Constante

El diseño de vigas armadas de sección constante es un proceso iterativo que busca satisfacer los requisitos de resistencia, rigidez y estabilidad, utilizando la menor cantidad de material posible de manera segura y económica. En Colombia, el diseño debe realizarse de acuerdo con los lineamientos del Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente NSR-10, particularmente su Título F - Estructuras Metálicas, el cual a su vez se basa en gran medida en las especificaciones del AISC (American Institute of Steel Construction).

El diseño se realiza comúnmente bajo la filosofía de Diseño por Estados Límite (LRFD - Load and Resistance Factor Design, o Diseño por Factores de Carga y Resistencia, como se denomina en NSR-10), aunque el Diseño por Esfuerzos Admisibles (ASD - Allowable Stress Design) también es permitido por algunas normativas.

Estados Límite a Considerar

El diseño debe asegurar que la viga tenga la capacidad adecuada para resistir todas las cargas aplicadas, considerando los siguientes estados límite principales:

• Estados Límite de Resistencia: Relacionados con la seguridad estructural y la capacidad máxima de carga.
  • Fluencia por Flexión: El momento flector máximo aplicado (Mu) no debe exceder la resistencia a flexión de diseño (φb * Mn), donde Mn es la resistencia nominal a flexión y φb es el factor de reducción de resistencia (típicamente 0.90 para flexión). La fluencia suele iniciar en las fibras extremas de las alas.
  • Pandeo Lateral Torsional (PLT / LTB): Fenómeno de inestabilidad que puede ocurrir en vigas no arriostradas lateralmente (o con arriostramientos muy espaciados) sometidas a flexión. La viga tiende a pandear lateralmente y a girar simultáneamente. La resistencia a flexión (Mn) se ve reducida por este efecto y depende de la longitud no arriostrada (Lb) y de las propiedades de la sección.
  • Pandeo Local del Ala Comprimida (FLB - Flange Local Buckling): La porción del ala sometida a compresión puede pandear localmente si es demasiado esbelta (relación ancho/espesor, bf / (2*tf), muy alta). Esto puede limitar la capacidad del ala para alcanzar la fluencia.
  • Pandeo Local del Alma (WLB - Web Local Buckling): El alma, sometida a compresión por flexión, también puede pandear localmente si su relación altura/espesor (h/tw) es muy elevada.
  • Resistencia al Cortante: La fuerza cortante máxima aplicada (Vu) no debe exceder la resistencia al cortante de diseño (φv * Vn), donde Vn es la resistencia nominal al cortante y φv es el factor de reducción (típicamente 0.90 o 1.00 dependiendo de la esbeltez del alma). La resistencia al cortante depende principalmente del área del alma (h*tw) y puede estar gobernada por la fluencia del alma por cortante o por el pandeo del alma por cortante (si es esbelta).
  • Aplastamiento del Alma (Web Crippling) y Pandeo Lateral del Alma (Web Sidesway Buckling): Estados límite relacionados con la aplicación de cargas concentradas o reacciones en los apoyos, que pueden causar fallas locales en el alma si no se disponen rigidizadores de apoyo adecuados.
  • Pandeo por Compresión del Alma (Web Compression Buckling): Si el alma es muy esbelta, la componente de compresión debida a la flexión puede causar pandeo.
• Estados Límite de Servicio: Relacionados con el desempeño y funcionalidad de la estructura bajo cargas de servicio (no mayoradas).
  • Deformaciones (Flechas): Las deflexiones verticales de la viga bajo cargas de servicio deben limitarse para evitar problemas funcionales (ej. daños a elementos no estructurales, mal funcionamiento de equipos) o estéticos (sensación de inseguridad). Los límites típicos se expresan como una fracción de la luz (ej. L/240, L/360) y dependen del tipo de carga (total, viva, inmediata) y del uso de la estructura.
  • Vibraciones: En estructuras susceptibles (pisos de grandes luces, puentes peatonales), se debe verificar que las vibraciones inducidas por el uso (personas caminando, maquinaria) no sean excesivas y generen inconfort.

Aspectos Clave en el Diseño de Sección Constante

• Selección Preliminar de Dimensiones: Se inicia estimando una altura (peralte) adecuada para la luz a salvar (reglas empíricas como L/15 a L/20 pueden ser un punto de partida) y se seleccionan dimensiones tentativas para alas y alma.
• Verificación de Esbeltez de Elementos (Compactancia): Se calculan las relaciones de esbeltez (b/t para alas, h/tw para alma) y se comparan con los límites establecidos en la normativa (NSR-10 / AISC) para clasificar la sección como compacta, no compacta o esbelta.
  • Secciones Compactas: Pueden desarrollar toda su capacidad plástica a flexión antes de que ocurra pandeo local.
  • Secciones No Compactas: Pueden alcanzar la fluencia en las fibras extremas, pero el pandeo local (inelástico) ocurre antes de desarrollar la plastificación completa. Su resistencia a flexión es menor que la plástica.
  • Secciones Esbeltas: El pandeo local (elástico) ocurre antes de alcanzar la fluencia. Su resistencia se ve significativamente reducida. Se suelen evitar en diseño sísmico para elementos principales.

  Para vigas armadas, el diseñador tiene la libertad de ajustar los espesores para lograr secciones compactas o no compactas según los objetivos del diseño, evitando generalmente las esbeltas para los elementos principales.

• Verificación de Pandeo Lateral Torsional (PLT): Es una verificación crucial para la resistencia a flexión. La capacidad (Mn) depende de la longitud no arriostrada (Lb). Si Lb es corta (menor que un límite Lp), la viga puede alcanzar su momento plástico (Mp) o de fluencia (My). Si Lb es intermedia (entre Lp y Lr), ocurre pandeo inelástico. Si Lb es larga (mayor que Lr), ocurre pandeo elástico. El diseño eficiente busca proporcionar arriostramientos laterales efectivos (a menudo a través del sistema de piso, vigas secundarias o arriostramientos específicos) a intervalos adecuados para maximizar la capacidad a flexión.
• Verificación de Cortante y Pandeo del Alma: Se calcula la resistencia a cortante nominal (Vn). Si el alma es esbelta (h/tw alto), la resistencia puede estar limitada por el pandeo por cortante. En estos casos, la normativa permite (y a veces exige) el uso de rigidizadores transversales (placas soldadas perpendicularmente al alma) para aumentar la resistencia al pandeo por cortante. Estos rigidizadores se espacian a lo largo de la viga según los requisitos de diseño. Aunque el objetivo es una viga "de sección constante", la adición de estos rigidizadores es común y necesaria en vigas altas y/o con cortantes elevados.
• Rigidizadores de Apoyo (Bearing Stiffeners): Son rigidizadores transversales colocados en los puntos de apoyo y bajo cargas concentradas significativas. Su función es prevenir el aplastamiento y pandeo local del alma debido a estas fuerzas concentradas. Son prácticamente obligatorios en vigas armadas en estas ubicaciones.
• Diseño de Soldaduras: Las soldaduras entre alas y alma deben diseñarse para transferir el flujo de cortante horizontal. Las soldaduras en conexiones (ej. a columnas) deben diseñarse para las fuerzas transferidas (momento, cortante, axial).
• Diseño de Conexiones: Las conexiones de las vigas armadas a otros elementos (columnas, otras vigas) son críticas. Pueden ser diseñadas como articuladas (solo transmiten cortante) o resistentes a momento (transmiten cortante y momento). Las conexiones pueden ser soldadas en taller/obra o atornilladas (usando pernos de alta resistencia, ej. A325 o A490 según clasificación ASTM, o sus equivalentes ISO). El diseño detallado de las placas de conexión, rigidizadores locales en la columna, y la disposición de pernos/soldaduras es fundamental, especialmente en zonas sísmicas como Colombia.

Ventajas y Desventajas Inherentes

Evaluar los pros y contras es esencial antes de decidir utilizar vigas armadas de sección constante.

La elección, por tanto, dependerá de un análisis técnico-económico comparativo para cada proyecto específico, considerando la luz, las cargas, la disponibilidad de perfiles laminados adecuados, los costos de material y fabricación, los plazos de entrega y la experiencia del fabricante y montador. En muchos proyectos de infraestructura y edificación singular en Colombia, las ventajas de la personalización y eficiencia estructural justifican su uso.

Aplicaciones Típicas y Ejemplos en el Contexto Colombiano

Las vigas armadas de sección constante encuentran un nicho de aplicación importante en Colombia, especialmente en proyectos donde las soluciones con perfiles laminados estándar resultan insuficientes o menos eficientes. Su capacidad para ser diseñadas a medida las hace ideales para una variedad de estructuras, incluyendo ejemplos notables en la capital, Bogotá, y en otras regiones del país.

Edificaciones Industriales y Bodegas

Este es uno de los campos de aplicación más frecuentes. Las naves industriales, centros de distribución y bodegas a menudo requieren cubrir grandes luces libres (vanos) para maximizar el espacio útil interior, libre de columnas. Las vigas armadas de sección constante son una solución común para las vigas principales de cubierta (cerchas o vigas maestras) y, en algunos casos, para vigas carrilera que soportan puentes grúa de gran capacidad.

• Vigas de Cubierta: Para luces superiores a 15-20 metros, las vigas armadas empiezan a ser competitivas frente a los perfiles laminados más pesados. Permiten lograr los peraltes necesarios para controlar las deformaciones sin un peso excesivo.
• Vigas Carrilera (Crane Girders): Soportan cargas móviles pesadas y cíclicas de los puentes grúa. El diseño debe considerar la fatiga y las cargas de impacto. Las vigas armadas permiten diseñar secciones robustas y rígidas, a menudo con alas superiores anchas y reforzadas para resistir las cargas de las ruedas del testero del puente grúa y el desgaste asociado.
• Mezanines y Plataformas: En instalaciones industriales, las plataformas o mezanines para equipos o almacenamiento pueden requerir vigas de gran capacidad que se resuelven eficientemente con secciones armadas.

En los parques industriales que rodean Bogotá y en otras zonas francas del país, es común observar estructuras con vigas armadas fabricadas en talleres metalmecánicos locales.

Puentes Vehiculares y Peatonales

Aunque los puentes de grandes luces a menudo emplean vigas armadas de sección variable (cajón o I) para optimizar material siguiendo el diagrama de momentos, las vigas armadas de sección constante también tienen su lugar:

• Puentes de Luces Cortas a Medias: Para puentes carreteros o ferroviarios de luces moderadas (ej. 20-40 metros), las vigas I armadas de sección constante pueden ser una solución económica y de fabricación relativamente sencilla, especialmente si se usan varias vigas paralelas soportando una losa de concreto.
• Puentes Peatonales: Son una aplicación muy visible, especialmente en entornos urbanos como Bogotá, donde cruzan avenidas importantes. Las vigas armadas permiten diseños arquitectónicamente interesantes y la esbeltez necesaria para salvar la luz requerida. A menudo se usan dos vigas paralelas o una viga cajón armada (formada por cuatro placas).
• Componentes de Puentes Mayores: Pueden usarse como vigas transversales (diafragmas) en puentes de vigas principales más complejas, o en tramos de aproximación.

Edificios Comerciales y de Oficinas

En edificios de varios pisos, aunque las vigas laminadas son predominantes, las vigas armadas de sección constante pueden ser necesarias en situaciones específicas:

• Vigas de Transición: Cuando es necesario eliminar columnas en pisos inferiores (ej. para crear grandes espacios abiertos en lobbies, salones de eventos o áreas comerciales), se requieren vigas de gran peralte y resistencia para transferir las cargas de las columnas superiores. Estas vigas de transición ("transfer girders") son frecuentemente ejecutadas como vigas armadas.
• Grandes Voladizos: Para elementos arquitectónicos singulares o para soportar fachadas especiales, los voladizos de gran longitud pueden requerir la rigidez y resistencia que ofrece una viga armada a medida.
• Luces Atípicas: En auditorios, centros de convenciones o áreas deportivas dentro de edificios, donde se necesitan grandes espacios diáfanos, las vigas armadas pueden ser la solución estructural para las vigas principales del techo o entrepisos.

Estructuras Especiales

• Soportes de Equipos Pesados: En plantas industriales, refinerías o centrales energéticas, las estructuras que soportan equipos pesados, reactores o tuberías principales pueden diseñarse con vigas armadas robustas.
• Estructuras Offshore (Menor medida): Aunque menos común en Colombia continental, en plataformas marinas o estructuras costeras, la resistencia a ambientes agresivos y cargas elevadas puede requerir secciones armadas especiales.
• Refuerzo de Estructuras Existentes: Pueden fabricarse para complementar o reforzar vigas existentes que necesiten un aumento de capacidad.

Selección de Aplicaciones Comunes

La versatilidad de estas vigas se refleja en su adopción en diversos sectores de la construcción en Colombia.

Comparación con Vigas Armadas de Sección Variable

Es importante distinguir las vigas de sección constante de sus contrapartes de sección variable (a menudo llamadas vigas acarteladas o "haunched girders").

• Sección Constante: Mantiene la misma altura y dimensiones de alas en toda su longitud.
  • Ventajas: Fabricación más sencilla (cortes rectos, ensamble repetitivo), análisis estructural ligeramente más simple.
  • Desventajas: El material no se optimiza estrictamente según la distribución de momentos (que varía a lo largo de la viga). Puede resultar más pesada que una viga de sección variable para la misma luz y carga si la variación de momentos es muy pronunciada.
  • Uso típico: Cuando la simplicidad de fabricación es prioritaria, o cuando la variación de momentos no es tan grande, o para luces moderadas.
• Sección Variable: Generalmente aumenta su altura (peralte) en las zonas de mayores momentos flectores (típicamente en los apoyos o en el centro del claro, dependiendo de las condiciones de carga y apoyo) y la reduce en zonas de menores momentos.
  • Ventajas: Mayor optimización del material, ya que la sección se adapta mejor al diagrama de momentos flectores, resultando en vigas potencialmente más ligeras para grandes luces. Estética a veces preferida para puentes.
  • Desventajas: Fabricación más compleja (cortes curvos o inclinados para el alma, alas que pueden requerir curvado), análisis y detallado más complejos.
  • Uso típico: Puentes de grandes luces, cubiertas tipo pórtico donde se busca optimizar el peso y la eficiencia en los apoyos.

La elección entre sección constante y variable depende de un balance entre costo de material, costo de fabricación y requisitos estructurales y arquitectónicos del proyecto.

Transporte y Montaje

Las vigas armadas, especialmente las de gran tamaño, presentan desafíos logísticos:

• Transporte: Las dimensiones (longitud, altura, ancho) y el peso de las vigas pueden estar limitados por la capacidad de los vehículos de transporte, las regulaciones viales en Colombia (galibo, peso por eje, radios de giro) y las condiciones de acceso a la obra. A veces, vigas muy largas deben ser fabricadas en segmentos que se empalman en obra (mediante conexiones atornilladas o soldadas).
• Manejo en Taller y Obra: Se requieren grúas de capacidad adecuada para levantar y mover las vigas tanto en el taller como durante el montaje. Los puntos de izaje deben ser cuidadosamente diseñados para no sobreesforzar ni deformar la viga.
• Montaje: El montaje requiere planificación detallada (plan de izaje), personal calificado y equipos adecuados. La estabilidad de la viga durante el montaje, antes de que esté completamente conectada y arriostrada, es una consideración crítica de seguridad. Se utilizan arriostramientos temporales según sea necesario.
• Conexiones en Obra: Si las vigas se transportan en segmentos, las conexiones de empalme en obra deben realizarse con alta precisión y calidad, siguiendo los procedimientos especificados (apriete controlado de pernos de alta resistencia, soldadura en posición con control de calidad).

Sostenibilidad y Ciclo de Vida

El acero como material ofrece ventajas significativas en términos de sostenibilidad:

• Alto Contenido Reciclado: El acero estructural moderno tiene un alto porcentaje de contenido reciclado (a menudo superior al 80-90%), reduciendo la demanda de materia prima virgen y la energía asociada a su producción.
• Reciclabilidad al Final de la Vida Útil: Las estructuras de acero, incluyendo las vigas armadas, son 100% reciclables al final de su vida útil, sin pérdida de calidad. El acero puede ser fundido y reutilizado indefinidamente.
• Durabilidad: Con una protección anticorrosiva adecuada y un mantenimiento apropiado, las estructuras de acero pueden tener una vida útil muy larga.
• Potencial de Desmontaje y Reutilización: Si se diseñan con conexiones atornilladas, las vigas armadas pueden ser desmontadas y potencialmente reutilizadas en otras estructuras, fomentando la economía circular.
• Optimización del Material: La capacidad de diseñar vigas armadas a medida permite, en muchos casos, utilizar la cantidad justa de material necesaria, reduciendo el consumo de recursos en comparación con el uso de perfiles estándar sobredimensionados.

Considerar estos aspectos del ciclo de vida es cada vez más importante en los proyectos de construcción en Colombia, alineándose con objetivos de desarrollo sostenible.