Fabricación de vigas metálicas de acero de sección variable, armadas desde placas de acero en Bogotá, para toda Colombia

Vigas Armadas a Partir de Placas con Variación Geométrica Longitudinal o Sección Variable: Diseño Detallado, Proceso de Fabricación Especializado, Aplicaciones Estructurales Estratégicas, Ventajas Inherentes y Consideraciones Clave en Proyectos de Acero Estructural en Bogotá y Colombia.

Las estructuras metálicas representan una solución de ingeniería avanzada y eficiente para una vasta gama de proyectos de construcción. Dentro de este universo, las vigas metálicas armadas o fabricadas constituyen un componente esencial, permitiendo salvar luces significativas y soportar cargas considerables. Una subcategoría particularmente interesante y de alto rendimiento dentro de las vigas armadas es la conformada por aquellas fabricadas a partir de placas de acero, específicamente las que presentan una sección transversal variable a lo largo de su longitud.

Estas vigas, conocidas técnicamente como vigas armadas de sección variable, se distinguen por no mantener una geometría constante en toda su extensión. A diferencia de los perfiles laminados estándar (como las vigas IPE, HEA, o W) o incluso de las vigas armadas de sección constante (prismáticas), las vigas de sección variable adaptan sus dimensiones – usualmente la altura del alma y/o el ancho o espesor de las alas – en función de la distribución de los esfuerzos internos a los que estarán sometidas. El principio fundamental detrás de su concepción es la optimización estructural.

Principios Fundamentales y Justificación Técnica

La idea central que impulsa el uso de vigas armadas de sección variable es la eficiencia en el uso del material. En una viga simplemente apoyada sometida a cargas uniformemente distribuidas, por ejemplo, el momento flector es máximo en el centro del vano y disminuye hacia los apoyos, mientras que el esfuerzo cortante es máximo cerca de los apoyos y mínimo en el centro. Una viga prismática (sección constante) debe dimensionarse para resistir los máximos esfuerzos (momento máximo, cortante máximo) en los puntos donde ocurren, lo que implica que en otras zonas de la viga, el material está infrautilizado, ya que los esfuerzos actuantes son menores.

Las vigas de sección variable, en cambio, buscan ajustar su capacidad resistente a la demanda real a lo largo de su longitud. Esto se logra típicamente incrementando la altura de la viga (peralte) en las zonas de mayor momento flector y/o aumentando el espesor o ancho de las alas. Cerca de los apoyos, donde el momento flector es menor pero el cortante puede ser significativo, se puede reducir la altura de la viga, pero asegurando que el alma tenga la capacidad suficiente para resistir el cortante, a menudo mediante el uso de rigidizadores.

Esta adaptación geométrica permite:

• Reducción del peso propio: Al utilizar el material de manera más eficiente, se disminuye la cantidad total de acero necesaria, lo que se traduce en una estructura más ligera.
• Optimización de costos de material: Menos acero implica, generalmente, un menor costo directo de material. Sin embargo, este ahorro debe ponderarse con los costos de fabricación, que suelen ser mayores.
• Mayor eficiencia estructural: Se logra una relación resistencia/peso más favorable.
• Posibilidades arquitectónicas: La variación en la geometría puede ser aprovechada con fines estéticos, permitiendo formas más dinámicas o adaptadas a requerimientos espaciales específicos.

Constitución de una Viga Armada de Sección Variable

Una viga armada de sección variable se compone fundamentalmente de los mismos elementos que una viga armada prismática, pero con dimensiones que cambian:

• Alas (o patines): Son las placas superior e inferior que resisten la mayor parte del momento flector a través de esfuerzos axiales de compresión y tracción. En vigas de sección variable, el ancho y/o el espesor de las alas puede variar a lo largo de la longitud para ajustarse a la magnitud del momento flector.
• Alma: Es la placa vertical (o placas, en secciones tipo cajón) que conecta las alas. Su función principal es resistir el esfuerzo cortante y mantener la separación entre las alas. La altura del alma es el parámetro que más comúnmente varía en este tipo de vigas, siendo mayor en las zonas de alto momento flector. El espesor del alma también puede variar o requerir rigidización adicional.
• Rigidizadores: Son placas adicionales soldadas al alma y/o a las alas para mejorar su comportamiento frente a fenómenos de inestabilidad como el pandeo localizado del alma por cortante o compresión, o para introducir cargas concentradas. Pueden ser transversales (verticales) o longitudinales (horizontales). Su disposición y dimensionamiento son críticos en vigas de sección variable debido a los cambios geométricos y la optimización del espesor del alma.

Materiales Utilizados en Colombia

La fabricación de estas vigas en Colombia se realiza predominantemente con aceros estructurales que cumplen con normativas internacionales reconocidas, adaptadas o referenciadas por el Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente NSR-10. Los grados de acero más comunes para placas utilizadas en vigas armadas incluyen:

• ASTM A36: Un acero al carbono estructural de uso muy extendido, con una tensión de fluencia mínima (Fy) de 36 ksi (250 MPa). Es dúctil y soldable, adecuado para muchas aplicaciones estructurales.
• ASTM A572 Grado 50: Un acero de alta resistencia y baja aleación (HSLA), con una Fy mínima de 50 ksi (345 MPa). Ofrece una mejor relación resistencia/peso comparado con el A36, permitiendo secciones más esbeltas o soportar mayores cargas con el mismo peso. Es el preferido para elementos optimizados como las vigas de sección variable donde se busca maximizar la eficiencia.
• ASTM A992: Aunque más común en perfiles laminados W, también se puede encontrar en placas. Especifica límites tanto mínimos como máximos para la fluencia (50-65 ksi o 345-450 MPa) y una relación mínima entre resistencia última y fluencia, lo que mejora el comportamiento sísmico. Su uso en placas para vigas armadas es posible y ventajoso en zonas de amenaza sísmica como Bogotá.
• Aceros Resistentes a la Corrosión Atmosférica (ASTM A588, A242): Conocidos como aceros "corten" o patinables. Desarrollan una capa de óxido protectora estable bajo ciertas condiciones ambientales. Pueden ser una opción para vigas expuestas a la intemperie sin recubrimiento adicional, aunque su uso requiere consideraciones de diseño y detallado específicas.

La selección del grado de acero dependerá de los requisitos de resistencia, rigidez, ductilidad (especialmente importante en zonas sísmicas como Colombia), soldabilidad, tenacidad (resistencia a la fractura frágil, relevante en bajas temperaturas o cargas dinámicas) y consideraciones económicas.

A continuación, se presenta una visión general de los grados de acero más empleados en Colombia para estas aplicaciones:

Comparación Preliminar: Vigas de Sección Variable vs. Vigas Prismáticas

Para entender mejor las implicaciones de optar por una viga de sección variable, es útil contrastarla con una viga armada de sección constante (prismática) diseñada para la misma aplicación general.

La decisión entre utilizar una viga de sección variable o una prismática dependerá de un análisis integral que considere no solo el coste inicial del material, sino también los costes de diseño, fabricación, montaje, inspección y el ciclo de vida de la estructura, así como los requisitos específicos del proyecto (luces a salvar, cargas, limitaciones de peralte, estética, etc.). En proyectos de gran envergadura o donde la reducción del peso propio es crítica (por ejemplo, para reducir cargas sísmicas o cimentaciones), las vigas de sección variable a menudo resultan ser la solución más ventajosa a pesar de su mayor complejidad inicial.

El Proceso de Fabricación: Un Desafío Técnico Controlado

La materialización de una viga armada de sección variable es un proceso que exige precisión, maquinaria avanzada y personal altamente calificado. Se aleja de la relativa simplicidad de cortar y soldar placas rectas para vigas prismáticas. Las etapas clave en la fabricación, usualmente realizadas en talleres especializados en estructuras metálicas como los que operan en Bogotá y otras regiones de Colombia, incluyen:

1. Ingeniería de Detalle y Planos de Taller

Todo comienza con la ingeniería de detalle, donde los planos de diseño estructural se traducen en planos de taller extremadamente precisos. Estos planos deben definir:

• La geometría exacta de cada componente (placas de alas, placas de alma, rigidizadores), incluyendo las curvas o líneas inclinadas que definen la variación de la sección.
• Las dimensiones y tolerancias de corte para cada placa.
• Los tipos, tamaños y ubicaciones exactas de todas las soldaduras. Se deben especificar los procesos de soldadura (ej. SAW, FCAW, GMAW) y los electrodos o alambres a utilizar.
• La secuencia de ensamble y soldadura para controlar deformaciones.
• Los requerimientos de preparación de bordes para soldadura (biseles).
• La ubicación y detalle de los rigidizadores.
• Los requerimientos de precalentamiento si fuesen necesarios según el espesor del material y el proceso de soldadura.
• Las especificaciones para el control de calidad y ensayos no destructivos (END).
• Los requerimientos de limpieza, preparación de superficie y aplicación de recubrimientos protectores (pintura, galvanizado).
• La contraflecha (camber) de fabricación, si se requiere para compensar deformaciones futuras bajo cargas permanentes.

El uso de software CAD/CAM (Diseño y Fabricación Asistidos por Computadora) es fundamental en esta etapa para generar los patrones de corte y las instrucciones para las máquinas CNC (Control Numérico Computarizado).

2. Corte de Placas

Las placas de acero llegan al taller en dimensiones estándar y deben ser cortadas según las geometrías definidas en los planos de taller. Dada la naturaleza variable de las secciones, especialmente la altura del alma, los cortes a menudo no son rectos.

• Corte por Plasma CNC: Ideal para espesores medios y cortes no lineales con buena precisión y velocidad. Ampliamente utilizado para almas de sección variable.
• Oxicorte CNC: Adecuado para grandes espesores de acero al carbono. Puede ser más lento y generar una Zona Afectada por el Calor (ZAC) más amplia que el plasma.
• Corte Láser CNC: Ofrece la mayor precisión y una ZAC mínima, pero suele limitarse a espesores más delgados en comparación con el plasma o el oxicorte. Puede ser costoso para placas gruesas.
• Corte por Chorro de Agua: Menos común para estructuras primarias debido a su velocidad, pero útil para materiales sensibles al calor o cortes de muy alta precisión.

La precisión del corte es vital para asegurar un buen ajuste durante el ensamble y minimizar distorsiones durante la soldadura.

3. Preparación de Bordes

Las placas cortadas, especialmente aquellas que formarán uniones soldadas de penetración completa o parcial (como las uniones ala-alma), requieren una preparación de bordes (biselado). Esto se realiza mediante mecanizado, oxicorte con boquillas especiales o equipos de biselado portátiles. La forma del bisel (V, doble V, J, U) depende del tipo de unión, el espesor de las placas y el proceso de soldadura.

4. Ensamble y Armado (Fit-up)

Las placas cortadas y preparadas se ensamblan para formar la viga. Esta etapa es crítica y requiere:

• Plantillas y utillajes: Para posicionar correctamente las placas de alas y alma, manteniendo la geometría variable requerida y las alineaciones.
• Punteado (Tack Welding): Se aplican pequeños puntos de soldadura para mantener las piezas en su posición antes de la soldadura definitiva. El punteado debe ser realizado por soldadores calificados y ser compatible con el proceso de soldadura final.
• Verificación dimensional: Se realizan controles constantes para asegurar que la geometría ensamblada coincide con los planos de taller dentro de las tolerancias especificadas.

El armado de vigas de sección variable es más complejo que el de vigas prismáticas debido a las curvaturas o inclinaciones del alma y/o alas.

5. Soldadura

Es la etapa más crítica para la integridad estructural de la viga armada. Los procesos de soldadura deben ser seleccionados cuidadosamente y ejecutados por soldadores calificados bajo procedimientos de soldadura (WPS) previamente calificados.

• Soldadura por Arco Sumergido (SAW): Es el proceso preferido para las soldaduras longitudinales continuas que unen las alas al alma, debido a su alta tasa de deposición, penetración profunda y excelente calidad del cordón (protegido por fundente). Se utiliza a menudo en equipos automatizados o semiautomatizados que desplazan el cabezal de soldadura a lo largo de la viga. Adaptar estos sistemas a geometrías variables puede requerir equipos especializados.
• Soldadura por Arco con Núcleo Fundente (FCAW): Muy versátil, alta tasa de deposición, buena penetración. Adecuado para soldaduras en todas las posiciones, útil para rigidizadores, empalmes y reparaciones. Común en talleres colombianos.
• Soldadura por Arco Metálico con Gas (GMAW o MIG/MAG): Rápido y limpio, especialmente en espesores delgados a medios. Puede ser automatizado. Su uso en exteriores o condiciones de corriente de aire puede ser problemático si se usa protección gaseosa.
• Soldadura Manual por Arco Eléctrico (SMAW o "electrodo revestido"): Proceso manual muy flexible, usado para punteado, soldaduras cortas, rigidizadores, reparaciones y en campo. Requiere alta habilidad del soldador para asegurar calidad constante.

La secuencia de soldadura es crucial para controlar las deformaciones y tensiones residuales. A menudo se sueldan alternativamente las uniones ala-alma o se utilizan técnicas de soldadura balanceada.

A continuación, una comparativa de los procesos de soldadura relevantes:

6. Control de Deformaciones y Enderezado

El calor aportado durante la soldadura introduce tensiones residuales que pueden causar deformaciones (distorsiones angulares, pandeo, curvatura). Es esencial controlar estas deformaciones mediante:

• Una secuencia de soldadura adecuada.
• El uso de sujeciones y utillajes rígidos.
• Balanceo del calor aportado.

Si las deformaciones exceden las tolerancias permitidas por las normas (como las del AISC, referenciadas en NSR-10), puede ser necesario realizar un proceso de enderezado. Esto se hace habitualmente mediante la aplicación controlada de calor (enderezado por llama) o, menos frecuentemente, por medios mecánicos (prensado).

7. Colocación de Rigidizadores y Otros Detalles

Los rigidizadores transversales y longitudinales, así como placas de conexión, placas de apoyo u otros elementos, se sueldan a la viga principal una vez que las uniones principales ala-alma están completas o en una secuencia integrada. La soldadura de estos elementos también debe realizarse cuidadosamente para no introducir deformaciones excesivas.

8. Control de Calidad y Ensayos No Destructivos (END)

Un programa riguroso de control de calidad es indispensable durante todo el proceso de fabricación.

• Inspección Visual (VT): Es el método más común y fundamental. Se revisa el 100% de las soldaduras para detectar defectos superficiales (fisuras, porosidad, socavación, falta de fusión, tamaño incorrecto). También se verifica la geometría y dimensiones de la viga.
• Líquidos Penetrantes (PT): Para detectar discontinuidades superficiales abiertas (fisuras, poros) en materiales no porosos.
• Partículas Magnéticas (MT): Para detectar discontinuidades superficiales y subsuperficiales (hasta cierta profundidad) en materiales ferromagnéticos.
• Ultrasonido (UT): Método volumétrico para detectar discontinuidades internas (fisuras, inclusiones de escoria, falta de fusión, falta de penetración) en soldaduras y material base. Requiere personal altamente calificado para su ejecución e interpretación. Esencial para soldaduras críticas de penetración completa.
• Radiografía Industrial (RT): Método volumétrico que proporciona una imagen de las discontinuidades internas. Es costoso y requiere precauciones de seguridad radiológica. Se usa en juntas muy críticas.

La extensión y los métodos de END se especifican en el contrato, los planos o las normas aplicables (ej. AWS D1.1, referenciada en NSR-10), dependiendo de la criticidad de la viga y las juntas específicas. Para estructuras importantes en Colombia, especialmente puentes o edificaciones esenciales, los requerimientos de END suelen ser estrictos.

9. Limpieza y Preparación de Superficie

Una vez completada la fabricación y aprobada la inspección, la viga se somete a una limpieza para eliminar escoria de soldadura, salpicaduras, óxido, aceite y otros contaminantes. El método más común y efectivo es la limpieza por chorro abrasivo (sandblasting o granallado), que además genera un perfil de anclaje adecuado para el recubrimiento. El grado de limpieza (ej. SSPC-SP6, SP10) se especifica según el sistema de protección contra la corrosión a aplicar.

10. Aplicación de Recubrimientos

Para proteger la viga de acero contra la corrosión, especialmente en ambientes como el de Bogotá (urbano-industrial, con humedad moderada) o zonas costeras de Colombia (alta humedad y salinidad), se aplica un sistema de recubrimiento. Este puede consistir en:

• Imprimación rica en zinc: Inorgánica u orgánica, proporciona protección catódica.
• Capas intermedias: Epóxicas o de poliuretano, para construir espesor y barrera.
• Capa de acabado: Poliuretano, acrílica, etc., para resistencia a UV, color y estética.

Alternativamente, se puede optar por galvanizado en caliente, aunque puede ser logísticamente complicado para vigas muy grandes y la geometría variable podría generar distorsiones debido a las altas temperaturas del proceso. La selección del sistema de pintura y su aplicación deben seguir especificaciones estrictas para asegurar la durabilidad.

11. Marcado y Despacho

Finalmente, cada viga fabricada se marca de forma clara e indeleble con un identificador único que la relaciona con los planos de montaje. Luego se prepara para su transporte al sitio de obra, considerando los apoyos adecuados para evitar deformaciones durante el manejo y el transporte.

Consideraciones Detalladas de Diseño Estructural según NSR-10

El diseño de vigas armadas de sección variable es un proceso más complejo que el de elementos prismáticos y debe abordarse con rigor, siguiendo las directrices del Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente NSR-10, en particular su Título F (Estructuras Metálicas), el cual se basa en gran medida en las especificaciones del American Institute of Steel Construction (AISC). Las variaciones geométricas introducen particularidades en la verificación de los diferentes estados límite.

1. Análisis Estructural y Determinación de Esfuerzos

El primer paso es realizar un análisis estructural preciso para determinar la envolvente de diagramas de momento flector (M), esfuerzo cortante (V) y, si aplica, fuerza axial (P) y torsión (T) a lo largo de la viga. Para vigas de sección variable, es crucial obtener estos diagramas con buena resolución, ya que las propiedades de la sección cambian continuamente o por tramos. Métodos de análisis elástico de primer o segundo orden (considerando efectos P-Delta) son comúnmente empleados. El análisis por elementos finitos (FEA) puede ser muy útil para capturar con precisión la distribución de esfuerzos, especialmente en geometrías complejas o con cargas concentradas significativas.

2. Diseño a Flexión (Momento Flector)

La capacidad a flexión de una sección transversal dada debe calcularse considerando sus dimensiones específicas en esa ubicación. Los estados límite a verificar según NSR-10 / AISC incluyen:

• Fluencia del material (plastificación): Se verifica que la tensión máxima en las fibras extremas no exceda la tensión de fluencia (Fy), o se calcula el momento plástico (Mp) si la sección es compacta y se permite la plastificación. Para secciones de alas variables, el módulo de sección elástico (Sx) y plástico (Zx) cambia a lo largo de la viga.
• Pandeo Local del Ala (FLB - Flange Local Buckling): Las alas a compresión deben tener una relación ancho/espesor (b/t) que prevenga el pandeo local antes de alcanzar la fluencia o el pandeo lateral. Las secciones se clasifican como compactas, no compactas o esbeltas en función de estas relaciones (λ), lo que afecta la resistencia a flexión calculada (Mn). En vigas de sección variable, si el ancho o espesor del ala cambia, esta verificación debe realizarse en múltiples puntos o en la sección más crítica.
• Pandeo Local del Alma (WLB - Web Local Buckling): El alma también está sujeta a pandeo local debido a los esfuerzos de compresión por flexión. La relación altura/espesor (h/tw) del alma es el parámetro clave. La clasificación del alma (compacta, no compacta, esbelta) también influye en Mn. Dado que la altura 'h' es variable por definición en estas vigas, esta verificación es fundamental a lo largo de toda la longitud.
• Pandeo Lateral Torsional (LTB - Lateral-Torsional Buckling): Este es a menudo el estado límite que gobierna el diseño de vigas sin arriostramiento lateral continuo en el ala a compresión. La resistencia a LTB depende de la longitud no arriostrada (Lb), de las propiedades de la sección (Iy, J, Cw) y de la distribución del momento flector a lo largo de Lb (factor Cb). El cálculo de la resistencia a LTB (Mn) para vigas de sección variable es complejo porque las propiedades de la sección relevantes para LTB cambian dentro del segmento no arriostrado. Se pueden usar métodos aproximados conservadores, promedios ponderados de propiedades o análisis FEA específicos para LTB. La NSR-10/AISC proporcionan fórmulas detalladas que deben adaptarse cuidadosamente. El diseño de un sistema de arriostramiento lateral eficaz es crucial.

La resistencia de diseño a flexión (φb*Mn, donde φb = 0.90 según LRFD/NSR-10) debe ser mayor o igual al momento flector requerido (Mu) en cada sección a lo largo de la viga.

3. Diseño a Cortante (Esfuerzo Cortante)

La resistencia a cortante es proporcionada principalmente por el alma de la viga. Los estados límite relevantes son:

• Fluencia del alma por cortante: Ocurre a un esfuerzo promedio de aproximadamente 0.6*Fy.
• Pandeo del alma por cortante: Para almas esbeltas, el pandeo inelástico o elástico puede ocurrir antes de la fluencia. La capacidad depende críticamente de la relación h/tw y de la presencia y espaciamiento de rigidizadores transversales.

La NSR-10/AISC permite considerar la contribución post-pandeo del alma mediante la "acción de campo de tracción" (Tension Field Action), siempre que la viga cumpla ciertos requisitos y tenga rigidizadores transversales adecuadamente diseñados y espaciados. En vigas de sección variable, la capacidad a cortante (Vn) cambia con la altura del alma (h) y su espesor (tw). La verificación (φv*Vn ≥ Vu, donde φv = 0.90 o 1.00 dependiendo del método) debe realizarse a lo largo de la viga, prestando especial atención a las zonas de mayor cortante (usualmente cerca de los apoyos) y a las zonas con menor altura de alma.

El diseño de los rigidizadores transversales (intermedios) es una parte integral del diseño a cortante para almas esbeltas. Deben tener la rigidez y resistencia suficientes para actuar como nodos en el campo de tracción y prevenir el pandeo del panel de alma. Su espaciamiento (a) es un parámetro clave en las fórmulas de resistencia a cortante.

4. Interacción de Flexión y Cortante

En secciones donde tanto el momento flector como el esfuerzo cortante son elevados (por ejemplo, en vigas continuas sobre apoyos interiores), puede ser necesario verificar la interacción entre ambos. La NSR-10/AISC generalmente no requiere una verificación explícita de interacción si el cortante requerido (Vu) es menor que un cierto porcentaje de la capacidad a cortante del alma (φv*Vn), pero para valores altos de cortante, la capacidad a flexión puede verse reducida. Esto es particularmente relevante en vigas optimizadas de sección variable donde se busca llevar al límite la capacidad del material.

5. Rigidizadores

Los rigidizadores juegan un papel crucial en las vigas armadas, especialmente en las de sección variable:

• Rigidizadores Transversales (o de Cortante): Se colocan verticalmente en el alma para aumentar la resistencia a pandeo por cortante. Su espaciamiento y dimensiones (ancho, espesor) se diseñan según los requisitos de la NSR-10/AISC. Son esenciales donde la acción de campo de tracción es necesaria.
• Rigidizadores de Apoyo (o de Carga): Se colocan en puntos de aplicación de cargas concentradas o reacciones de apoyo para prevenir el pandeo localizado del alma (web crippling) y la fluencia del alma (web yielding) bajo esas cargas. Deben diseñarse para transmitir la carga concentrada y a menudo consisten en placas a ambos lados del alma, soldadas al alma y a las alas.
• Rigidizadores Longitudinales: Placas horizontales soldadas al alma para aumentar la resistencia a pandeo por flexión o compresión axial en almas muy altas y esbeltas. Menos comunes que los transversales, pero pueden ser necesarios en vigas de gran peralte.

El diseño de los rigidizadores (dimensiones, soldaduras de conexión) debe seguir las especificaciones normativas detalladas.

6. Pandeo Localizado del Alma (Web Crippling y Web Yielding)

Bajo cargas concentradas o reacciones, el alma puede fallar localmente por plastificación (yielding) o por pandeo (crippling) antes de que se alcance la capacidad global de la viga. Estos estados límite deben verificarse en todos los puntos de aplicación de cargas significativas, y usualmente se controlan mediante el uso de rigidizadores de apoyo.

7. Efecto de "Shear Lag" (Rezagado por Cortante)

En vigas con alas muy anchas en relación con la luz o el espaciamiento de las almas (en secciones cajón), la distribución de tensiones normales en el ala debido a la flexión no es uniforme. Las partes del ala más alejadas del alma están menos tensionadas que las cercanas. Este fenómeno, conocido como shear lag, reduce la efectividad del ala y debe considerarse en el cálculo de la resistencia a flexión, usualmente mediante un "ancho efectivo" del ala. Puede ser relevante en vigas de sección variable si las alas se ensanchan significativamente en ciertas zonas.

8. Diseño a Fatiga

Para vigas sometidas a un gran número de ciclos de carga variable, como puentes carreteros, puentes ferroviarios o vigas carril de grúas puente, el diseño a fatiga es un aspecto crítico. Las tensiones cíclicas, incluso por debajo de la fluencia, pueden iniciar y propagar fisuras en detalles constructivos, especialmente en las soldaduras.

El diseño a fatiga según NSR-10/AISC implica:

• Identificar los detalles constructivos presentes en la viga (ej. soldaduras ala-alma, conexiones de rigidizadores, empalmes, agujeros).
• Clasificar cada detalle según las categorías de fatiga definidas en la norma (Categorías A, B, B', C, C', D, E, E').
• Determinar el rango de tensiones (Stress Range, Sr) esperado en cada detalle debido a las cargas vivas cíclicas.
• Calcular el número de ciclos esperado (N) durante la vida útil de la estructura.
• Verificar que el rango de tensiones admisible para cada categoría de detalle y número de ciclos es mayor que el rango de tensiones actuante.

En vigas de sección variable, los cambios de geometría pueden generar concentraciones de tensiones que son perjudiciales para la fatiga. Las transiciones suaves son preferibles a cambios abruptos. Las soldaduras en zonas de alta tensión y geometría variable requieren especial atención y un detallado cuidadoso para asegurar una buena categoría de fatiga.

9. Consideraciones Sísmicas (NSR-10 Título A y F)

Para estructuras ubicadas en zonas de amenaza sísmica, como Bogotá y gran parte de Colombia, el diseño debe cumplir requisitos adicionales para asegurar un comportamiento dúctil y estable bajo cargas sísmicas.

• Capacidad de Disipación de Energía: Dependiendo del sistema estructural y del nivel de desempeño sísmico requerido, algunos elementos pueden necesitar capacidad para incursionar en el rango inelástico de forma estable. Esto impone requisitos más estrictos sobre las relaciones ancho/espesor (pandeo local), arriostramiento lateral (LTB) y detallado de conexiones.
• Requisitos de Material: Puede requerirse acero con tenacidad garantizada (ensayos Charpy) y control de la relación Fu/Fy (como ASTM A992).
• Conexiones: Las conexiones deben diseñarse para acomodar las rotaciones inelásticas esperadas o ser más resistentes que los miembros que conectan (diseño por capacidad).
• Vigas de Sección Variable en Pórticos Resistentes a Momento: Su uso como vigas principales en pórticos sísmicos especiales (SMF) o intermedios (IMF) es complejo y requiere justificación cuidadosa, ya que la ubicación de las rótulas plásticas y su comportamiento pueden ser menos predecibles que en vigas prismáticas. A menudo se prefieren secciones prismáticas para las zonas de potencial formación de rótulas.

10. Deflexiones y Vibraciones (Estados Límite de Servicio)

Además de los estados límite últimos (resistencia), las vigas deben cumplir con los estados límite de servicio, principalmente el control de deflexiones y vibraciones.

• Deflexiones: Las deflexiones bajo cargas de servicio (permanentes y vivas) deben limitarse para evitar daños a elementos no estructurales (muros, fachadas), asegurar el correcto funcionamiento de equipos (grúas) y por razones estéticas o de confort del usuario. Los límites típicos (ej. L/240, L/360, L/500) dependen del tipo de carga y la aplicación. El cálculo de deflexiones en vigas de sección variable requiere integrar la curvatura (M/EI) a lo largo de la longitud, considerando la variación del momento de inercia (I).
• Contraflecha (Camber): A menudo se especifica una contraflecha de fabricación para compensar la deflexión debida a las cargas permanentes (peso propio, acabados), resultando en una viga aproximadamente horizontal bajo estas cargas.
• Vibraciones: En estructuras susceptibles a vibraciones inducidas por el uso (pasarelas peatonales, pisos de oficinas, gimnasios), es necesario verificar que la frecuencia natural de la viga o del sistema de piso esté fuera de los rangos problemáticos y que la amplitud de la vibración sea aceptable. La rigidez (EI) variable afecta la frecuencia natural.

A continuación, se resumen algunos de los estados límite clave a verificar según NSR-10/AISC para vigas armadas de sección variable:

El diseño de estas vigas requiere un conocimiento profundo de la normativa y un cuidadoso balance entre la optimización del material y la seguridad estructural frente a todos los posibles modos de falla.

Ventajas Inherentes y Desafíos Asociados a las Vigas de Sección Variable

La elección de vigas armadas de sección variable para un proyecto estructural no es trivial y debe basarse en una evaluación ponderada de sus beneficios frente a sus inconvenientes. Comprender a fondo ambos aspectos es crucial para tomar decisiones de ingeniería informadas, especialmente en el contexto de la construcción en Colombia.

Ventajas Significativas

1. Optimización del Material y Reducción de Peso: Es la ventaja primordial. Al adaptar la sección transversal a la magnitud de los esfuerzos internos (principalmente momento flector), se elimina material en las zonas donde no es estrictamente necesario. Esto conduce a una reducción significativa del peso total de la viga en comparación con una viga prismática de igual capacidad en los puntos críticos. Esta reducción de peso tiene efectos cascada positivos:

   • Menores costos de material (acero).
   • Menor carga muerta sobre columnas y cimentaciones, lo que puede llevar a ahorros en estos elementos.
   • Menores fuerzas sísmicas (ya que la masa es menor), un factor importante en Colombia.
   • Facilidades relativas en transporte y montaje (aunque la geometría puede complicar el manejo).

2. Eficiencia Estructural Incrementada: Directamente relacionado con lo anterior, se logra una mayor eficiencia estructural, medida como la relación resistencia/peso. Se obtiene el rendimiento requerido con la mínima cantidad de material posible, lo cual es un principio fundamental del buen diseño de ingeniería.

3. Capacidad para Salvar Grandes Luces: La optimización permite diseñar vigas capaces de cubrir vanos (luces) más grandes de manera económica que las secciones prismáticas estándar. Al aumentar el peralte en la zona central donde el momento es máximo, se incrementa enormemente el brazo de palanca interno y, por tanto, la resistencia a flexión, sin penalizar excesivamente el peso total.

4. Flexibilidad Arquitectónica y Estética: La forma variable de estas vigas puede ser un elemento arquitectónico en sí mismo. Permite crear estructuras con líneas más dinámicas, elegantes o adaptadas a contornos específicos del proyecto. En estructuras donde la viga queda expuesta, como puentes, cubiertas de estadios o edificios singulares, la forma puede seguir la "lógica estructural" de manera visible, aportando valor estético.

5. Adaptación a Requerimientos de Gálibo: En ciertas aplicaciones, como pasos superiores o inferiores en vías, o en edificios con requerimientos de altura libre variable, la capacidad de reducir el peralte de la viga en zonas específicas (ej. cerca de los apoyos) puede ser ventajosa para cumplir con las restricciones de gálibo vertical.

6. Potencial Reducción de Costo Total (en ciertos casos): Aunque la fabricación es más costosa, el ahorro significativo en material, sumado a los posibles ahorros en cimentaciones y montaje, puede hacer que el costo total del proyecto sea competitivo o incluso inferior al de una solución con vigas prismáticas, especialmente en estructuras de gran escala o luces muy largas.

Desafíos y Desventajas a Considerar

1. Mayor Complejidad de Diseño: El análisis y dimensionamiento son considerablemente más complejos. Requieren cálculos detallados en múltiples secciones, verificación de estados límite que dependen de la geometría variable (LTB, pandeo local del alma), y un diseño cuidadoso de transiciones y rigidizadores. Esto implica mayor tiempo y costo de ingeniería.

2. Costos de Fabricación Elevados: Este es a menudo el principal factor disuasorio. La fabricación requiere:

   • Cortes de placas no estándar (curvos o inclinados), que son más lentos y requieren maquinaria CNC precisa.
   • Mayor tiempo y precisión en el ensamble (fit-up) debido a la geometría variable.
   • Procedimientos de soldadura posiblemente más complejos, especialmente si se requiere automatización adaptativa.
   • Mayor necesidad de control de deformaciones y posibles procesos de enderezado.
   • Mano de obra más especializada y experimentada.

   Todo esto incrementa las horas-hombre y el costo unitario de fabricación en comparación con vigas prismáticas.

3. Inspección y Control de Calidad Más Intensivos: Dada la criticidad de las soldaduras y la geometría, se requiere un plan de inspección más riguroso, incluyendo un mayor porcentaje de ensayos no destructivos (END), especialmente en las zonas de transición y alta concentración de esfuerzos. Esto aumenta los costos asociados al aseguramiento de la calidad.

4. Potenciales Concentraciones de Tensión: Los cambios en la geometría (por ejemplo, en la transición de peralte del alma o en el cambio de espesor de las alas) pueden generar concentraciones de tensión si no se diseñan con transiciones suaves. Esto es particularmente crítico para el comportamiento a fatiga.

5. Manejo, Transporte y Montaje: Aunque más ligeras, las vigas de sección variable pueden ser más difíciles de manipular, transportar y montar debido a su forma no uniforme y, a menudo, a sus grandes dimensiones. Requieren planificación logística cuidadosa, equipos de izaje adecuados y procedimientos de montaje específicos para garantizar la estabilidad durante la erección.

6. Análisis de Pandeo Lateral Torsional (LTB) Complejo: Calcular de forma precisa la resistencia a LTB de un segmento no arriostrado con sección variable es un desafío analítico. A menudo se recurre a métodos conservadores o a análisis por elementos finitos, lo que añade complejidad al diseño.

7. Reparaciones y Modificaciones Más Difíciles: Si se requieren reparaciones o modificaciones futuras en la estructura, intervenir sobre una viga de sección variable puede ser más complejo que sobre una viga prismática estándar.

Un resumen comparativo ayuda a visualizar estos puntos:

Aplicaciones Típicas donde Brilla la Sección Variable

Las ventajas de las vigas armadas de sección variable las hacen particularmente adecuadas para ciertas tipologías estructurales donde la optimización, las grandes luces o la estética son factores determinantes. Algunos ejemplos notables, relevantes también para proyectos en Colombia, incluyen:

• Puentes Carreteros y Ferroviarios: Especialmente para luces medias a largas (ej. 30m a 100m o más). Las vigas principales (longitudinales) se diseñan a menudo con peralte variable, máximo en el centro del vano (o sobre los apoyos intermedios en puentes continuos) y mínimo en los estribos. Esto optimiza el uso de acero y puede contribuir a una estética más esbelta. Puentes importantes en Colombia seguramente incorporan esta tecnología.

• Cubiertas de Grandes Luces: Para edificaciones como coliseos deportivos, centros de convenciones, hangares de aviación, grandes bodegas industriales o centros comerciales, donde se requieren amplios espacios interiores libres de columnas. Las vigas principales de cubierta pueden ser de sección variable para cubrir eficientemente vanos que pueden superar los 50 o 60 metros. La reducción de peso es crucial para estas estructuras de gran envergadura.

• Vigas Carril para Grúas Puente de Alta Capacidad: Las vigas que soportan los rieles de grúas puente en naves industriales o patios están sometidas a cargas móviles pesadas y concentradas, que además son cíclicas (relevancia de la fatiga). El uso de sección variable permite optimizar la viga para los altos momentos flectores y las reacciones concentradas, adaptando la resistencia a lo largo de su longitud.

• Pórticos de Edificios Industriales o Comerciales: En pórticos de gran luz, las vigas (dinteles) pueden ser de sección variable, usualmente con mayor peralte en las conexiones con las columnas (zonas de momento negativo) y menor peralte en el centro del vano (momento positivo). Esto optimiza la estructura del pórtico y puede permitir reducir la altura total de la edificación.

• Estructuras Arquitectónicamente Singulares: En proyectos donde la estructura metálica queda expuesta y forma parte integral del lenguaje arquitectónico, la capacidad de moldear la forma de la viga según las necesidades resistentes puede ser explotada para lograr efectos visuales específicos. Ejemplos pueden encontrarse en terminales de transporte, museos o edificios culturales en ciudades como Bogotá.

• Pasarelas Peatonales de Diseño Especial: Para pasarelas de cierta longitud o con un diseño arquitectónico distintivo, las vigas de sección variable pueden ofrecer soluciones elegantes y eficientes.

A continuación, un resumen de estas aplicaciones:

En el contexto específico de Bogotá y Colombia, la prevalencia de amenaza sísmica intermedia a alta refuerza la ventaja de la reducción de peso que ofrecen estas vigas. Sin embargo, también exige un diseño y detallado sísmico cuidadoso, así como un control de calidad de fabricación y montaje muy estricto, para asegurar el desempeño esperado durante un evento sísmico. La disponibilidad de talleres metalmecánicos con la capacidad técnica (equipos CNC, soldadores calificados, sistemas de calidad) para fabricar estas vigas complejas es un factor determinante en la viabilidad de su uso en proyectos locales.

Aspectos Prácticos Clave: Calidad, Logística, Mantenimiento y Costos en el Contexto Colombiano

Más allá del diseño y la fabricación inicial, la implementación exitosa de vigas armadas de sección variable en proyectos de construcción, particularmente en un entorno como el colombiano, requiere una atención meticulosa a los aspectos prácticos relacionados con el aseguramiento de la calidad, la logística de transporte y montaje, el mantenimiento a largo plazo y un análisis realista de los costos involucrados.

Aseguramiento y Control de Calidad (QA/QC) Integral

Si bien el control de calidad durante la fabricación es fundamental (como se describió anteriormente), el aseguramiento de la calidad (QA) es un proceso más amplio que abarca todo el ciclo de vida del proyecto, desde la selección de materiales hasta la entrega final. Para vigas de sección variable, dada su complejidad y criticidad, el plan de QA/QC debe ser particularmente robusto.

• Trazabilidad de Materiales: Es esencial mantener registros completos que permitan rastrear cada placa de acero utilizada hasta su certificado de origen (certificado de molino o MTR - Mill Test Report). Esto garantiza que el material cumple con las especificaciones requeridas (grado, propiedades mecánicas, composición química). En Colombia, verificar la conformidad con NSR-10 y las normas ASTM referenciadas es primordial.
• Calificación de Procedimientos y Personal: Todos los procedimientos de soldadura (WPS - Welding Procedure Specification) deben estar calificados de acuerdo con códigos reconocidos (ej. AWS D1.1). Los soldadores y operadores de soldadura que trabajen en la viga deben estar calificados para los procesos, materiales y posiciones específicas que ejecutarán (WPQR - Welder Performance Qualification Record). La documentación de estas calificaciones debe estar disponible y vigente.
• Inspección en Proceso: Además de la inspección final, realizar inspecciones en puntos clave durante la fabricación (ej. después del corte, después del armado, durante la soldadura) ayuda a detectar problemas tempranamente y evitar costosos retrabajos.
• Documentación y Registros: Mantener un dossier de calidad completo es vital. Este debe incluir MTRs, certificados de calificación de WPS y soldadores, registros de inspección visual, reportes de END, registros de control dimensional, informes de aplicación de recubrimientos, etc. Esta documentación es crucial para la aceptación final por parte del cliente o la interventoría y para futuras referencias.
• Interventoría o Supervisión Externa: En proyectos importantes en Colombia, es común la figura de la interventoría, que realiza una supervisión independiente del proceso de fabricación y montaje para asegurar el cumplimiento de las especificaciones contractuales y normativas. Su rol es especialmente relevante para elementos complejos como estas vigas.

A continuación, se detallan pasos clave en el control de calidad durante la fabricación, aplicables en talleres colombianos:

Transporte y Logística

El transporte de vigas armadas de sección variable, especialmente si son de gran tamaño, desde el taller de fabricación hasta el sitio de obra presenta desafíos logísticos particulares, especialmente en entornos urbanos densos como Bogotá o en geografías montañosas como las de Colombia.

• Dimensiones y Peso: Aunque optimizadas en peso, estas vigas pueden ser muy largas y tener peraltes considerables, superando las dimensiones estándar permitidas para el transporte por carretera.
• Planificación de Rutas: Se requiere un estudio detallado de la ruta, considerando restricciones de altura (puentes, cables), ancho (calles, túneles), capacidad portante de puentes y carreteras, y radios de giro. Puede ser necesario obtener permisos especiales de transporte.
• Equipos de Transporte Especializados: A menudo se necesitan camiones de plataforma baja (lowboys), módulos de transporte pesado autopropulsados (SPMT) o configuraciones especiales con ejes direccionales para manejar piezas largas y pesadas.
• Horarios Restringidos: En ciudades como Bogotá, el transporte de cargas sobredimensionadas suele estar restringido a horarios nocturnos o de bajo tráfico para minimizar el impacto en la movilidad.
• Manejo y Carga/Descarga: Se requieren grúas de capacidad adecuada y personal experimentado tanto en el taller para la carga como en la obra para la descarga, utilizando puntos de izaje diseñados para tal fin y eslingas o balancines apropiados para evitar daños o deformaciones en la viga.

Montaje (Erección)

El montaje de vigas de sección variable exige una planificación detallada y precauciones específicas:

• Plan de Izaje: Se debe desarrollar un plan de izaje detallado (rigging plan) que especifique la grúa a utilizar, su ubicación, capacidad, configuración de eslingas/balancines, puntos de izaje en la viga, secuencia de levantamiento y condiciones de viento admisibles.
• Estabilidad Durante el Izaje: Las vigas largas y esbeltas, especialmente las de sección variable, pueden ser susceptibles a inestabilidad (pandeo lateral) durante el izaje si no se manejan correctamente. El uso de balancines (spreader beams) ayuda a controlar la actitud de la pieza.
• Arriostramiento Temporal: Una vez colocada en su posición final pero antes de completar todas las conexiones permanentes, la viga puede requerir arriostramientos temporales para asegurar su estabilidad, especialmente contra el pandeo lateral torsional (LTB). Estos arriostramientos deben ser diseñados y forman parte integral del plan de montaje.
• Conexiones en Sitio: Las conexiones de la viga a las columnas u otras vigas (empalmes) se realizan en sitio, generalmente mediante pernos de alta resistencia o, menos frecuentemente, soldadura en campo. La precisión en la fabricación es crucial para asegurar que las conexiones alineen correctamente. Se deben seguir los procedimientos de apriete de pernos especificados (ej. método de giro de tuerca, DTI, calibración de llave).
• Seguridad: El montaje de estructuras metálicas es una actividad de alto riesgo. Se deben implementar medidas de seguridad rigurosas, incluyendo planes de prevención de caídas, delimitación de áreas de trabajo, comunicación efectiva y personal capacitado. La normativa colombiana en seguridad y salud en el trabajo (SST) es aplicable.

Mantenimiento y Durabilidad

Una vez en servicio, las vigas de sección variable requieren un programa de inspección y mantenimiento para asegurar su durabilidad a largo plazo.

• Inspecciones Periódicas: Se deben realizar inspecciones visuales regulares (anuales o bianuales, dependiendo de la estructura y su ambiente) para verificar el estado del sistema de protección contra la corrosión, buscar signos de daño, deformación, o problemas en las conexiones.
• Enfoque en Zonas Críticas: Las inspecciones deben prestar especial atención a las soldaduras (especialmente en zonas de transición geométrica), los puntos de apoyo, las conexiones y las áreas donde pueda acumularse humedad o suciedad.
• Mantenimiento del Recubrimiento: El sistema de pintura o galvanizado es la primera línea de defensa contra la corrosión. Debe ser inspeccionado y reparado o repintado según sea necesario, siguiendo las recomendaciones del fabricante y las buenas prácticas. La durabilidad del recubrimiento dependerá del ambiente (industrial, marino, urbano) y de la calidad de la aplicación inicial.
• Monitoreo Estructural: En estructuras muy importantes o con cargas críticas (como puentes), pueden implementarse programas de monitoreo más avanzados (ej. instrumentación con sensores) para evaluar el comportamiento a largo plazo.
• Registro de Mantenimiento: Mantener un historial de las inspecciones y trabajos de mantenimiento realizados es importante para la gestión de la vida útil de la estructura.

Análisis de Costos en el Contexto Colombiano

Evaluar el costo real de utilizar vigas de sección variable en Colombia requiere considerar múltiples factores más allá del precio del acero por tonelada.

• Costo del Acero: El precio de las placas de acero (A36, A572 Gr 50) fluctúa en el mercado internacional y local. El ahorro en peso puede ser significativo, pero debe compararse con el costo por tonelada de los grados requeridos.
• Costo de Diseño: La ingeniería de detalle para estas vigas es más costosa debido a su complejidad.
• Costo de Fabricación: Es significativamente mayor que para vigas prismáticas debido a la mano de obra especializada, maquinaria CNC, mayor tiempo de proceso, y soldaduras más complejas. Los costos de los talleres en Bogotá o principales ciudades industriales reflejarán esta complejidad.
• Costo de QA/QC: La necesidad de inspecciones más rigurosas y END incrementa los costos asociados al aseguramiento de la calidad.
• Costo de Transporte: Los costos de transporte especializado para piezas sobredimensionadas pueden ser elevados, dependiendo de la distancia y la ruta.
• Costo de Montaje: Puede requerir grúas de mayor capacidad o por más tiempo, y procedimientos más complejos, impactando el costo de montaje.
• Costos Indirectos: Considerar los ahorros potenciales en cimentaciones y otros elementos estructurales debido al menor peso.
• Costo de Ciclo de Vida: Incluir los costos esperados de inspección y mantenimiento a lo largo de la vida útil de la estructura.

Factores clave que influyen en el costo final en Bogotá y Colombia:

La decisión final sobre el uso de vigas armadas de sección variable debe surgir de un análisis técnico-económico comparativo con otras alternativas (vigas prismáticas, cerchas, etc.), considerando todos estos factores dentro de las particularidades del proyecto y el contexto colombiano.

Sostenibilidad, Innovación y Perspectivas Futuras en Vigas de Sección Variable

El desarrollo y aplicación de vigas armadas de sección variable no se detiene en las prácticas actuales. Consideraciones de sostenibilidad, avances tecnológicos en fabricación y diseño, y la continua búsqueda de optimización impulsan la evolución de estos elementos estructurales. Explorar estas dimensiones añade una capa final de comprensión sobre su relevancia, también en el panorama de la construcción en Colombia.

Contribución a la Construcción Sostenible

Aunque la producción de acero es intensiva en energía y emisiones de carbono, el uso optimizado del material inherente a las vigas de sección variable contribuye positivamente a la sostenibilidad de los proyectos de varias maneras:

• Reducción del Consumo de Recursos: Al requerir menos cantidad de acero para lograr la misma o superior performance estructural en comparación con alternativas prismáticas, se reduce la demanda de materias primas (mineral de hierro, carbón) y la energía asociada a su extracción y procesamiento.
• Menor Impacto del Transporte: Un menor peso total de la estructura metálica se traduce en menos viajes de transporte desde el taller a la obra, disminuyendo el consumo de combustible y las emisiones asociadas.
• Potencial de Desmontaje y Reutilización: Las estructuras metálicas, incluidas estas vigas, tienen un alto potencial de ser desmontadas al final de la vida útil del edificio o puente. Los componentes pueden ser reutilizados en nuevas estructuras o, como mínimo, reciclados. El acero es uno de los materiales de construcción más reciclados del mundo, y su reciclaje consume significativamente menos energía que la producción primaria.
• Eficiencia Energética en Edificios: En aplicaciones como cubiertas de grandes luces, la optimización estructural puede permitir diseños que favorezcan la entrada de luz natural o la integración de sistemas de energías renovables, contribuyendo indirectamente a la eficiencia energética del edificio.
• Durabilidad y Ciclo de Vida: Cuando se diseñan, fabrican y protegen adecuadamente contra la corrosión, las estructuras de acero ofrecen una larga vida útil con requisitos de mantenimiento relativamente predecibles, lo que contribuye a la sostenibilidad económica y ambiental a largo plazo.

Para maximizar estos beneficios en Colombia, es importante fomentar el uso de aceros producidos con tecnologías más limpias (cuando estén disponibles), optimizar aún más el diseño para minimizar el desperdicio de material en la fabricación, y planificar desde la fase de diseño la futura desmontabilidad y reciclabilidad de la estructura.

Innovaciones en Diseño y Fabricación

La tecnología sigue avanzando, ofreciendo nuevas herramientas y enfoques para el diseño y fabricación de vigas armadas de sección variable:

• Optimización Topológica y Paramétrica: Herramientas de software avanzado permiten realizar optimizaciones topológicas que sugieren la distribución ideal del material dentro de un volumen de diseño dado, basándose en las cargas y condiciones de apoyo. Esto puede llevar a formas estructurales aún más eficientes y orgánicas que las tradicionales vigas de peralte variable lineal o parabólico. El diseño paramétrico permite explorar rápidamente múltiples variaciones geométricas y evaluar su rendimiento.
• Fabricación Aditiva (Impresión 3D de Metales): Aunque todavía en etapas tempranas para componentes estructurales de gran tamaño, la fabricación aditiva (como WAAM - Wire Arc Additive Manufacturing) ofrece el potencial futuro de crear geometrías complejas y optimizadas directamente, capa por capa, con una mínima generación de residuos. Podría revolucionar la fabricación de nodos complejos o secciones altamente personalizadas.
• Soldadura Láser Híbrida: Combina la alta velocidad y baja distorsión de la soldadura láser con la mayor tolerancia al gap de la soldadura GMAW, ofreciendo potenciales ventajas en velocidad y calidad para la fabricación de vigas armadas.
• Monitoreo de Salud Estructural (SHM): La integración de sensores (fibra óptica, MEMS) en las vigas durante la fabricación o instalación permite monitorizar su comportamiento en tiempo real (tensiones, deformaciones, vibraciones, corrosión) a lo largo de su vida útil. Esto facilita el mantenimiento predictivo y la evaluación continua de su integridad.
• Nuevos Materiales y Aceros Avanzados (AHSS): La investigación continua en metalurgia produce aceros con relaciones resistencia/peso aún mayores y mejores propiedades de tenacidad y soldabilidad. La aplicación de estos aceros avanzados en vigas armadas podría permitir diseños todavía más ligeros y eficientes.
• Integración con BIM (Building Information Modeling): El uso de modelos BIM detallados que incluyen la información completa de la viga (geometría, materiales, soldaduras, acabados) facilita la coordinación entre diseño, fabricación y montaje, reduce errores y optimiza el flujo de trabajo. La información del modelo puede alimentar directamente a las máquinas CNC y a los sistemas de gestión de producción.

Reflexiones Finales sobre su Idoneidad

Las vigas armadas a partir de placas de sección variable representan una solución de alto rendimiento dentro del abanico de posibilidades que ofrece el acero estructural. Su principal atractivo radica en la inteligencia de su concepto: adaptar la forma a la función resistente, logrando una eficiencia material que a menudo justifica su mayor complejidad y costo inicial en proyectos donde las grandes luces, la optimización del peso o consideraciones estéticas son preponderantes.

En el contexto colombiano, con su diversidad geográfica, sus desafíos sísmicos y su creciente desarrollo de infraestructura y edificación, estas vigas tienen un nicho claro. Son particularmente relevantes para:

• Proyectos de infraestructura vial y ferroviaria (puentes).
• Grandes recintos públicos y privados (coliseos, centros comerciales, bodegas logísticas).
• Proyectos industriales con requerimientos específicos (naves con grúas puente pesadas).
• Edificaciones emblemáticas donde la estructura es parte visible del diseño arquitectónico.

Sin embargo, su implementación exitosa depende críticamente de la existencia de una cadena de valor bien establecida: ingenieros estructurales con la pericia necesaria para su diseño detallado, talleres metalmecánicos con la tecnología y la mano de obra calificada para su fabricación precisa, y empresas de montaje con la experiencia y los equipos para su instalación segura. La calidad en cada una de estas etapas no es negociable.

La decisión de emplear vigas de sección variable debe ser el resultado de un análisis técnico-económico riguroso y comparativo para cada proyecto específico. No son una solución universal, pero cuando se aplican en el contexto adecuado, ofrecen beneficios sustanciales en términos de eficiencia, rendimiento y posibilidades de diseño.

La continua evolución de las herramientas de diseño, las técnicas de fabricación y los materiales, junto con un enfoque creciente en la sostenibilidad, sugiere que las vigas armadas de sección variable seguirán siendo una opción valiosa y tecnológicamente relevante para la ingeniería estructural en Colombia y en el mundo, permitiendo materializar proyectos cada vez más ambiciosos y eficientes.