Fabricación y montaje de vigas metálicas tipo cajón simple en acero estructural, para Bogotá y toda Colombia

Vigas Fabricadas Tipo Cajón Simple: Características, Diseño, Fabricación, Aplicaciones y Consideraciones Específicas para Proyectos en Colombia y Bogotá dentro de la Clasificación de Vigas Metálicas en Acero Armadas o Fabricadas.

Introducción a las Vigas Metálicas Fabricadas Tipo Cajón Simple

Las vigas metálicas fabricadas, también conocidas como vigas armadas o prefabricadas a medida, representan una solución estructural fundamental en la ingeniería civil y la construcción moderna. Dentro de esta amplia categoría, las vigas tipo cajón ocupan un lugar destacado debido a sus excepcionales propiedades mecánicas, especialmente su alta resistencia a la torsión.

El subtipo específico de "Cajón Simple" se refiere a una configuración geométrica particular, generalmente rectangular o cuadrada, formada por la unión soldada de placas de acero planas. Estas vigas son elementos estructurales diseñados y fabricados específicamente para cumplir con los requisitos de un proyecto particular, ofreciendo una alternativa versátil y eficiente a los perfiles laminados estándar en situaciones donde las cargas, las luces a salvar o las condiciones geométricas lo demandan.

Su naturaleza "fabricada" implica un proceso de manufactura controlado en taller, donde se cortan, ensamblan y sueldan placas de acero para conformar la sección transversal deseada. Esta metodología permite una optimización del diseño estructural, ajustando las dimensiones de las alas (placas superior e inferior) y las almas (placas laterales verticales) para resistir eficientemente los esfuerzos de flexión, cortante y torsión aplicados. La configuración de cajón simple, al ser una sección cerrada, confiere una rigidez torsional significativamente mayor en comparación con las secciones abiertas (como los perfiles I o H), lo cual es una ventaja determinante en aplicaciones como puentes, viaductos, pasarelas peatonales y estructuras industriales sometidas a cargas excéntricas o momentos torsores importantes.

En el contexto colombiano, y particularmente en ciudades con alta actividad constructiva como Bogotá, el uso de vigas cajón simple fabricadas en acero se ha incrementado, impulsado por la necesidad de soluciones estructurales eficientes para proyectos de infraestructura vial, edificaciones de grandes luces y complejos industriales. La capacidad de adaptar el diseño a las necesidades específicas, combinada con las ventajas inherentes del acero como material (alta resistencia, ductilidad, prefabricación, rapidez de montaje), posiciona a estas vigas como una opción técnica y económicamente viable para muchos desafíos de la ingeniería estructural contemporánea en el país.

Componentes Fundamentales de una Viga Cajón Simple

Una viga fabricada tipo cajón simple está constituida esencialmente por cuatro placas de acero principales, soldadas entre sí a lo largo de sus bordes longitudinales para formar una sección transversal cerrada y hueca:

• Ala Superior (Placa Superior): Es la placa horizontal ubicada en la parte superior de la sección. Resiste predominantemente los esfuerzos de compresión debidos a la flexión positiva (cuando la viga se curva hacia abajo) y tracción en flexión negativa. Su ancho y espesor se dimensionan en función de la magnitud de estos esfuerzos y para contribuir a la rigidez global de la viga.
• Ala Inferior (Placa Inferior): Es la placa horizontal situada en la parte inferior. Trabaja principalmente a tracción bajo flexión positiva y a compresión bajo flexión negativa. Similar al ala superior, sus dimensiones son críticas para la capacidad resistente de la viga.
• Almas (Placas Laterales Verticales): Son las dos placas verticales que conectan el ala superior con la inferior. Su función principal es resistir los esfuerzos cortantes verticales. Además, contribuyen significativamente a la rigidez torsional de la sección y ayudan a mantener la separación entre las alas. El espesor de las almas es determinado por el cortante actuante y por requisitos de estabilidad para prevenir el pandeo localizado.

La unión entre estas placas se realiza mediante cordones de soldadura continuos y de penetración completa o parcial, según los requerimientos del diseño. La calidad y la integridad de estas soldaduras son fundamentales para garantizar el comportamiento monolítico de la sección y su capacidad para transmitir los esfuerzos entre los diferentes componentes.

Descripción de Elementos Constitutivos

Proceso de Fabricación de Vigas Cajón Simple

La fabricación de vigas cajón simple es un proceso que requiere precisión, maquinaria especializada y personal cualificado. Se desarrolla típicamente en talleres metalmecánicos y sigue una secuencia de pasos controlados para asegurar la calidad y las tolerancias dimensionales especificadas en los planos de taller.

Etapas Clave del Proceso de Fabricación:

1. Recepción y Preparación del Material: Se reciben las placas de acero (generalmente laminadas en caliente) conforme a las especificaciones de material (grado de acero, dimensiones, certificados de calidad). Se realiza una inspección inicial y se preparan las superficies si es necesario.
2. Corte de Placas: Las placas se cortan a las dimensiones exactas requeridas para las alas y las almas. Los métodos de corte comunes incluyen oxicorte, plasma o corte láser, dependiendo del espesor de la placa y la precisión requerida. Es vital asegurar bordes rectos y limpios para facilitar el ensamblaje y la soldadura. En Bogotá, talleres especializados cuentan con maquinaria CNC (Control Numérico Computarizado) para optimizar este proceso.
3. Preparación de Bordes para Soldadura: Los bordes de las placas que serán unidos mediante soldadura se preparan adecuadamente. Esto puede implicar el biselado de los bordes para permitir una penetración completa de la soldadura, especialmente en uniones a tope o en esquina críticas.
4. Ensamblaje y Armado (Fit-up): Las placas cortadas se posicionan y se sujetan temporalmente en la configuración de cajón deseada. Se utilizan dispositivos de fijación, puntales temporales y puntos de soldadura (punteado) para mantener la geometría correcta y las tolerancias dimensionales durante el proceso de soldadura. La precisión en esta etapa es determinante para evitar distorsiones y asegurar la alineación de los componentes.
5. Soldadura: Se realizan los cordones de soldadura definitivos que unen las placas. Los procesos de soldadura más utilizados para estas aplicaciones incluyen:
   • Soldadura por Arco Sumergido (SAW - Submerged Arc Welding): Ideal para cordones largos y rectos, como las uniones longitudinales entre alas y almas. Ofrece alta deposición y buena calidad de soldadura.
   • Soldadura por Arco con Núcleo Fundente (FCAW - Flux Cored Arc Welding): Versátil y adecuada para diferentes posiciones de soldadura.
   • Soldadura por Arco Metálico con Gas (GMAW - Gas Metal Arc Welding, o MIG/MAG): Eficiente para espesores moderados y trabajos de detalle.
   La secuencia de soldadura se planifica cuidadosamente para minimizar las distorsiones inducidas por el calor. Se aplican técnicas como la soldadura balanceada o por pasos alternados.
6. Control de Calidad de Soldaduras: Se realizan inspecciones visuales y Ensayos No Destructivos (END) para verificar la calidad e integridad de las soldaduras. Los métodos comunes incluyen inspección por ultrasonido (UT), partículas magnéticas (MT), líquidos penetrantes (PT) y, en casos críticos, radiografía (RT). Esto asegura que las soldaduras cumplan con los estándares aplicables (como los referenciados en la normativa colombiana NSR-10 o estándares internacionales como AWS D1.1/D1.5).
7. Enderezado y Corrección de Distorsiones: Si se producen distorsiones significativas debido a la soldadura, se aplican métodos de enderezado mecánico o térmico (aplicación controlada de calor) para devolver la viga a las tolerancias dimensionales especificadas.
8. Acabado y Tratamiento Superficial: Se limpian las superficies, se eliminan escorias de soldadura y proyecciones. Posteriormente, se aplica el sistema de protección contra la corrosión especificado en el proyecto, que usualmente implica limpieza por chorreado abrasivo (granallado) seguido de la aplicación de capas de imprimante y pintura.
9. Inspección Final y Marcado: Se realiza una inspección dimensional final y se marca la viga con identificadores únicos para su trazabilidad y correcta ubicación en obra.

Este proceso detallado asegura que las vigas cajón simple fabricadas cumplan con los altos estándares de calidad requeridos para estructuras seguras y duraderas, adaptándose a las exigencias de proyectos en toda Colombia.

Ventajas Inherentes de las Vigas Cajón Simple

La elección de vigas fabricadas tipo cajón simple se justifica por una serie de ventajas técnicas y funcionales que las hacen idóneas para ciertas aplicaciones estructurales:

• Elevada Rigidez Torsional: Esta es quizás la ventaja más significativa. La forma de sección cerrada proporciona una resistencia a la torsión muy superior a la de las secciones abiertas (como perfiles I, H o C) de peso similar. Esto es crucial en puentes curvos, puentes con cargas excéntricas, estructuras que soportan equipos vibratorios o cualquier aplicación donde los momentos torsores sean relevantes.
• Alta Capacidad de Carga Biaxial: Las vigas cajón simple presentan una buena capacidad para resistir flexión alrededor de sus dos ejes principales (horizontal y vertical), lo que las hace eficientes en situaciones con cargas complejas.
• Estabilidad de las Placas Comprimidas: Las almas verticales proporcionan un buen soporte a las alas, mejorando la estabilidad y resistencia al pandeo local de las placas sometidas a compresión, especialmente el ala superior en flexión positiva.
• Estética Limpia y Moderna: Las superficies planas y la forma cerrada ofrecen una apariencia visualmente atractiva y limpia, preferida en aplicaciones arquitectónicas expuestas como pasarelas peatonales, cubiertas de estadios o edificios emblemáticos.
• Superficies Exteriores Planas: Facilitan la aplicación de sistemas de protección contra la corrosión (pinturas) y simplifican las labores de inspección y mantenimiento de las caras exteriores.
• Menor Acumulación de Suciedad y Agua: Comparadas con secciones más complejas como las cerchas, las superficies lisas dificultan la acumulación de polvo, escombros o agua, lo que puede contribuir a una mayor durabilidad, especialmente en ambientes agresivos.
• Optimización del Material: Al ser fabricadas a medida, es posible ajustar los espesores de las alas y las almas a lo largo de la viga (vigas de sección variable) o en diferentes zonas de la sección transversal, optimizando el uso del acero según la distribución de esfuerzos.
• Capacidad para Albergar Servicios: El espacio interior hueco del cajón puede ser utilizado, en algunos diseños, para alojar conductos de servicios (eléctricos, comunicaciones, drenaje), protegiéndolos del ambiente exterior.

Valoración Cualitativa de Beneficios

Desventajas y Limitaciones a Considerar

A pesar de sus notables ventajas, las vigas cajón simple también presentan ciertas desventajas y desafíos que deben ser evaluados durante la fase de diseño y selección de la solución estructural:

• Mayor Costo de Fabricación: El proceso de fabricación es más complejo y laborioso que el simple uso de perfiles laminados estándar. Requiere más operaciones de corte, preparación de bordes, ensamblaje y, sobre todo, una cantidad considerable de soldadura, lo que incrementa los costos de mano de obra y de inspección.
• Inspección y Mantenimiento Interno Difícil: El interior de la viga cajón es un espacio confinado, lo que dificulta enormemente las labores de inspección de soldaduras internas (si existen) y la aplicación o mantenimiento de sistemas de protección contra la corrosión en las caras interiores. Es vital asegurar una buena protección inicial o prever accesos si el mantenimiento interno es necesario.
• Riesgo de Corrosión Interna: Si la viga no está perfectamente sellada o si se producen condensaciones internas, la corrosión en el interior puede progresar sin ser detectada fácilmente desde el exterior, comprometiendo la integridad estructural a largo plazo. Un diseño adecuado debe prever sistemas de drenaje y ventilación o un sellado hermético.
• Control de Distorsiones por Soldadura: El gran volumen de soldadura necesario puede inducir distorsiones significativas (deformaciones angulares, curvaturas) que requieren un control cuidadoso durante la fabricación y, potencialmente, procesos de corrección posteriores.
• Susceptibilidad al Pandeo Local de Placas: Las placas que componen la sección (alas y almas) son relativamente esbeltas y pueden ser susceptibles al pandeo local bajo compresión o cortante si no están adecuadamente dimensionadas o rigidizadas. El diseño debe verificar cuidadosamente estos estados límite.
• Complejidad en las Conexiones: Diseñar y ejecutar las conexiones de las vigas cajón simple a otros elementos estructurales (columnas, otras vigas, apoyos) puede ser más complejo que con secciones abiertas, especialmente si se requieren transferencias de momentos importantes o conexiones que involucren el interior del cajón.
• Mayor Peso Propio (Potencialmente): Aunque la fabricación permite optimizar el material, para resistir las mismas cargas de flexión y cortante que una viga I optimizada, una viga cajón puede requerir más acero debido a la necesidad de las dos almas y a consideraciones de estabilidad local, lo que podría incrementar el peso propio. Sin embargo, su eficiencia torsional puede compensar esto en muchos casos.

La ponderación de estas desventajas frente a las ventajas es un paso determinante en el proceso de diseño, donde se evalúa la idoneidad de la viga cajón simple para las condiciones específicas del proyecto en Colombia, considerando factores técnicos, económicos y de constructibilidad.

Comparativa entre Vigas Cajón Simple y Perfiles Abiertos (Tipo I o H)

La decisión entre utilizar una viga fabricada tipo cajón simple o un perfil laminado estándar de sección abierta (como los perfiles IPE, HEA, HEB, o perfiles W americanos) depende de múltiples factores relacionados con las cargas, la geometría, las condiciones de apoyo y los requisitos específicos del proyecto. Realizar una comparación directa ayuda a entender cuándo la viga cajón simple ofrece una solución superior.

Análisis Comparativo de Características Clave

De la comparación se desprende que las vigas cajón simple son preferibles cuando:

• La torsión es un esfuerzo dominante o significativo.
• Se requiere alta estabilidad lateral intrínseca sin necesidad de arriostramientos frecuentes del ala comprimida.
• La estética de una sección cerrada y limpia es un requisito arquitectónico.
• Las dimensiones requeridas no se encuentran en perfiles laminados estándar o se busca una optimización muy específica de la sección.
• Existen cargas biaxiales importantes.

Por otro lado, los perfiles abiertos son generalmente más económicos y rápidos de implementar cuando la flexión alrededor del eje fuerte y el cortante son los esfuerzos predominantes, la torsión es despreciable y la estabilidad lateral puede ser garantizada mediante arriostramientos adecuados. La facilidad de conexión y mantenimiento también juega a favor de los perfiles abiertos en muchas aplicaciones convencionales en edificaciones y estructuras industriales en Colombia.

Consideraciones de Diseño Estructural para Vigas Cajón Simple

El diseño de vigas fabricadas tipo cajón simple debe abordar una serie de aspectos específicos más allá de la simple verificación de resistencia a flexión y cortante. La normativa colombiana de diseño sismorresistente NSR-10, en su Título F (Estructuras Metálicas), junto con referencias internacionales como AISC (American Institute of Steel Construction) o Eurocódigo 3, proporcionan las bases para estos cálculos.

Aspectos Críticos en el Diseño:

• Resistencia a Flexión: Se debe calcular la capacidad resistente a flexión considerando el momento plástico o el pandeo elástico/inelástico del ala comprimida, dependiendo de la esbeltez de la placa del ala y las condiciones de arriostramiento.
• Resistencia a Cortante: La capacidad a cortante es proporcionada principalmente por las almas. Se debe verificar la fluencia por cortante y el pandeo por cortante de las placas del alma. El uso de rigidizadores transversales puede ser necesario para aumentar la resistencia al pandeo por cortante en almas esbeltas.
• Resistencia a Torsión: Se debe calcular la capacidad resistente a torsión, que se compone de torsión uniforme (St. Venant) y torsión no uniforme (alabeo). En secciones cerradas como el cajón simple, la torsión uniforme suele ser dominante y la resistencia es alta. Se deben verificar los esfuerzos cortantes combinados (debidos a cortante vertical y torsión) en las almas y las alas.
• Interacción de Esfuerzos: En la mayoría de las aplicaciones reales, la viga estará sometida a una combinación de flexión, cortante, torsión y, posiblemente, carga axial. El diseño debe verificar la sección bajo la acción combinada de estos esfuerzos utilizando las fórmulas de interacción apropiadas especificadas en los códigos de diseño.
• Pandeo Local de Placas: Es fundamental verificar la estabilidad de cada una de las placas que componen la sección (ala superior, ala inferior, almas) bajo los esfuerzos de compresión o cortante a los que están sometidas. Los códigos clasifican las placas según su relación ancho/espesor (esbeltez) y definen límites para prevenir el pandeo local antes de alcanzar la resistencia deseada. Si las placas son muy esbeltas, puede ser necesario reducir su resistencia de diseño o añadir rigidizadores longitudinales.
• Pandeo Global: Aunque intrínsecamente estables al pandeo lateral-torsional, las vigas cajón largas y esbeltas pueden ser susceptibles al pandeo global en flexión si no están adecuadamente arriostradas en el plano perpendicular al de la flexión principal.
• Diseño de Rigidizadores:
  • Rigidizadores Transversales (Atiesadores de Alma): Placas soldadas perpendicularmente a las almas y alas, usualmente en los apoyos y en puntos de aplicación de cargas concentradas. Sirven para transferir cargas, prevenir el pandeo del alma por cortante y la plastificación o abolladura del alma bajo cargas concentradas. También ayudan a mantener la forma de la sección transversal.
  • Rigidizadores Longitudinales: Placas soldadas longitudinalmente a las almas o alas para aumentar su rigidez y prevenir el pandeo local en placas muy esbeltas sometidas a compresión. Son menos comunes en cajones simples de dimensiones moderadas, pero pueden ser necesarios en vigas de gran peralte o con alas muy anchas.
• Diseño de Conexiones: Las conexiones (empalmes en campo, conexión a columnas, apoyos) deben diseñarse para transmitir la totalidad de los esfuerzos actuantes (axiales, cortantes, momentos flectores y torsores). Las conexiones en vigas cajón pueden requerir detalles específicos, como diafragmas internos en los puntos de conexión para distribuir las cargas y evitar la distorsión de la sección.
• Fatiga: En estructuras sometidas a cargas cíclicas, como puentes o vigas carrilera para grúas, el diseño por fatiga es un aspecto primordial. Se deben evaluar los rangos de esfuerzo en los detalles críticos (especialmente soldaduras) y asegurar que la vida útil a fatiga sea adecuada. Las soldaduras longitudinales continuas y de buena calidad son generalmente favorables desde el punto de vista de la fatiga en comparación con otros detalles.
• Consideraciones de Servicio: Verificar las deformaciones (flechas) bajo cargas de servicio para asegurar que se mantengan dentro de los límites admisibles y no afecten la funcionalidad o apariencia de la estructura.

Lista de Verificación para Diseño

Aplicaciones Típicas de las Vigas Cajón Simple en Colombia

Las propiedades únicas de las vigas cajón simple las hacen adecuadas para una variedad de aplicaciones estructurales en el contexto colombiano, donde las condiciones geográficas, sísmicas y de desarrollo urbano plantean desafíos específicos.

• Puentes Carreteros y Ferroviarios: Son una solución común para puentes de luces medias a largas, especialmente aquellos con trazados curvos o esviados (no perpendiculares a los apoyos), donde la rigidez torsional es esencial para controlar las deformaciones y distribuir las cargas eficazmente. En Colombia, con su topografía montañosa, los puentes con geometrías complejas son frecuentes, haciendo de las vigas cajón una opción atractiva.
• Pasarelas Peatonales: La combinación de capacidad para salvar luces considerables, rigidez torsional (importante para controlar vibraciones inducidas por peatones) y estética limpia hace que las vigas cajón simple sean muy utilizadas en pasarelas urbanas y rurales. En ciudades como Bogotá, se pueden observar numerosos ejemplos de pasarelas metálicas que emplean este tipo de vigas.
• Viaductos Urbanos: Para soluciones viales elevadas en entornos urbanos, las vigas cajón ofrecen peraltes estructurales relativamente contenidos y una apariencia menos intrusiva que otras soluciones como las cerchas. Su capacidad para adaptarse a trazados curvos es también una ventaja en corredores viales complejos.
• Cubiertas de Grandes Luces: En edificaciones como coliseos, centros de convenciones, hangares o naves industriales que requieren cubrir grandes áreas sin apoyos intermedios, las vigas cajón pueden ser una solución eficiente, a menudo formando parte de sistemas estructurales más complejos como pórticos o arcos.
• Vigas Carrilera para Grúas Puente: En instalaciones industriales o portuarias, las vigas que soportan los rieles de las grúas puente están sometidas a cargas móviles pesadas, a menudo excéntricas, y a fatiga. La robustez y la rigidez torsional de las vigas cajón las hacen adecuadas para esta aplicación demandante.
• Estructuras Offshore (Adaptado): Aunque menos común en la configuración "simple", el concepto de cajón es ampliamente utilizado en plataformas marinas por su resistencia y flotabilidad (si están selladas).
• Elementos de Soporte en Edificaciones Especiales: Pueden usarse como vigas de transferencia de cargas importantes en edificios o como elementos principales en estructuras singulares con requisitos arquitectónicos o funcionales específicos.

Contexto de Aplicación en el Entorno Colombiano

La versatilidad en el diseño y la fabricación a medida permite que las vigas cajón simple se adapten a los requerimientos particulares de estos y otros proyectos en el diverso panorama constructivo de Colombia.

Materiales Empleados en la Fabricación: Aceros Estructurales

La selección del tipo de acero es un aspecto fundamental en el diseño y fabricación de vigas cajón simple. Las propiedades mecánicas del acero, como su límite de fluencia (Fy) y su resistencia última a la tracción (Fu), determinan directamente la capacidad resistente de la viga. Además, la ductilidad, la tenacidad (resistencia a la fractura frágil) y la soldabilidad son características importantes a considerar.

En Colombia, los aceros estructurales utilizados deben cumplir con las especificaciones establecidas en la normativa NSR-10, que a su vez suele referenciar estándares internacionales reconocidos, principalmente los de la ASTM (American Society for Testing and Materials).

Aceros Estructurales Comúnmente Utilizados:

• ASTM A36: Es el acero al carbono estructural más común y económico. Posee un límite de fluencia mínimo de 36 ksi (aproximadamente 250 MPa). Es adecuado para muchas aplicaciones de edificación e infraestructura donde las solicitaciones no son extremadamente altas. Tiene buena ductilidad y soldabilidad. Sin embargo, para elementos optimizados o sometidos a grandes esfuerzos, su menor resistencia puede llevar a secciones más pesadas.
• ASTM A572 Grado 50: Es un acero de alta resistencia y baja aleación (HSLA). Ofrece un límite de fluencia mínimo de 50 ksi (aproximadamente 345 MPa). Permite diseñar secciones más ligeras y esbeltas en comparación con el A36 para la misma capacidad de carga. Es ampliamente utilizado en puentes y estructuras importantes en Colombia por su buena relación resistencia-peso y buena soldabilidad. Existen otros grados dentro de la especificación A572 (Grados 42, 55, 60, 65), pero el Grado 50 es el más frecuente.
• ASTM A992: Específicamente desarrollado para perfiles estructurales laminados tipo W, pero sus propiedades (Fy entre 50 y 65 ksi, o 345-450 MPa, y un ratio Fu/Fy controlado) lo hacen también una referencia para placas usadas en fabricación si se cumplen requisitos de composición química y tenacidad. Ofrece un control más estricto sobre las propiedades.
• ASTM A709: Es una especificación que cubre aceros al carbono y de alta resistencia y baja aleación destinados específicamente a puentes. Incluye varios grados (36, 50, 50W -resistente a la corrosión atmosférica-, 70W, HPS 50W, HPS 70W, HPS 100W) con requisitos adicionales de tenacidad (resistencia a la fractura) para asegurar el comportamiento adecuado en estas estructuras críticas, especialmente en climas fríos o bajo cargas de impacto y fatiga. El uso de grados A709 es común en proyectos de puentes importantes en Colombia.
• Aceros Resistentes a la Corrosión Atmosférica (Tipo "Corten"): Como ASTM A588 o A709 Grado 50W. Estos aceros desarrollan una pátina de óxido superficial estable que protege el material base de una corrosión más profunda. Son utilizados en ambientes donde la protección mediante pintura es difícil de mantener o se busca una estética particular. Requieren ciclos de humedad y sequedad para formar la pátina protectora.

La selección del grado de acero adecuado implica un balance entre la resistencia requerida (que afecta el tamaño y peso de la viga), la tenacidad (especialmente para estructuras sometidas a impacto, fatiga o bajas temperaturas), la soldabilidad (que afecta el proceso de fabricación) y el costo del material. Para proyectos en Bogotá, dadas las condiciones de altitud y clima templado, la tenacidad a bajas temperaturas puede no ser tan crítica como en otras regiones, pero sigue siendo un factor a considerar según la importancia de la estructura.

Propiedades Relevantes de Aceros Comunes

Nota: Los valores de Fy y Fu son mínimos especificados. Los valores reales suelen ser ligeramente superiores. Las propiedades exactas dependen del espesor de la placa.

Soldadura en Vigas Cajón Simple: Procesos y Control de Calidad

La soldadura es el corazón del proceso de fabricación de una viga cajón simple. La integridad estructural de la viga depende críticamente de la calidad y resistencia de las uniones soldadas que conectan las alas y las almas. La selección del proceso de soldadura adecuado y la implementación de un riguroso control de calidad son esenciales.

Procesos de Soldadura Predominantes:

• Soldadura por Arco Sumergido (SAW): Es altamente productivo y proporciona soldaduras de alta calidad con buena penetración. El arco eléctrico y el metal fundido están cubiertos por una capa de fundente granular ("sumergido"), que protege la soldadura de la atmósfera. Ideal para las largas soldaduras longitudinales en posición plana o horizontal que unen las alas a las almas. Requiere maquinaria específica (tractores de soldadura).
• Soldadura por Arco con Núcleo Fundente (FCAW): Utiliza un electrodo tubular continuo que contiene fundente en su interior. Puede ser autoprotegido o requerir un gas de protección adicional (dual shield). Es más versátil que SAW en términos de posición de soldadura y es ampliamente utilizado para uniones en esquina, soldaduras de rigidizadores y reparaciones. Ofrece buenas tasas de deposición.
• Soldadura por Arco Metálico con Gas (GMAW / 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 un proceso rápido y limpio, adecuado para una amplia gama de espesores, aunque puede ser sensible a corrientes de aire. Muy utilizado para soldaduras de menor tamaño, punteado y ensamblaje.
• Soldadura Manual por Arco Eléctrico con Electrodo Revestido (SMAW / "Electrodo"): Aunque menos productivo que los anteriores para grandes volúmenes, sigue siendo importante para accesos difíciles, reparaciones menores o en talleres con equipamiento más básico. Requiere alta habilidad del soldador para obtener calidad consistente.

La elección del proceso depende del tipo de unión (a tope, en esquina, de filete), el espesor del material, la posición de soldadura, los requisitos de productividad y calidad, y el equipamiento disponible en el taller de fabricación en Colombia.

Control de Calidad de la Soldadura:

Un programa de aseguramiento y control de calidad (QA/QC) es vital. Incluye:

1. Calificación de Procedimientos de Soldadura (WPS): Antes de iniciar la producción, se deben desarrollar y calificar Procedimientos de Especificación de Soldadura (WPS) según códigos como AWS D1.1 o D1.5 (para puentes). Un WPS detalla todas las variables esenciales: tipo de material base, electrodo/alambre, gas de protección, parámetros eléctricos (voltaje, amperaje, velocidad), tipo de junta, posición, precalentamiento (si es necesario), tratamiento térmico post-soldadura (raro en estos aceros), etc. La calificación se realiza mediante pruebas mecánicas en probetas soldadas.
2. Calificación de Soldadores y Operarios: Todo personal que realice soldaduras debe estar calificado para el proceso y posición específicos que ejecutará, demostrando su habilidad mediante pruebas prácticas según los códigos aplicables.
3. Inspección Durante el Proceso: Supervisión continua para asegurar que se sigue el WPS, incluyendo la correcta preparación de juntas, limpieza entre pasadas, control de temperatura de precalentamiento e interpase (si aplica).
4. Inspección Visual (VT): Es el método de control más básico y fundamental. Se realiza al 100% de las soldaduras para detectar discontinuidades superficiales como fisuras, falta de fusión, socavación, porosidad excesiva, tamaño incorrecto del cordón, etc.
5. Ensayos No Destructivos (END / NDT): Se aplican para detectar discontinuidades internas o superficiales no visibles. La extensión y el tipo de END dependen de la criticidad de la unión y las especificaciones del proyecto.
   • Ultrasonido (UT): Muy utilizado para detectar discontinuidades internas (fisuras, falta de fusión, inclusiones de escoria) en soldaduras de penetración completa, como las uniones alas-alma.
   • Partículas Magnéticas (MT): Detecta discontinuidades superficiales y sub-superficiales en materiales ferromagnéticos. Eficaz para fisuras superficiales.
   • Líquidos Penetrantes (PT): Detecta discontinuidades abiertas a la superficie en cualquier material (aunque aquí siempre es acero). Útil para verificar la superficie después de reparaciones o en zonas de geometría compleja.
   • Radiografía Industrial (RT): Proporciona una imagen de la estructura interna de la soldadura. Es efectiva pero más costosa, lenta y requiere precauciones de seguridad radiológica. Se reserva para puntos muy críticos.
6. Control Dimensional Post-Soldadura: Verificar que las dimensiones finales de la viga estén dentro de las tolerancias especificadas, controlando deformaciones y distorsiones.

La normativa colombiana NSR-10 establece requisitos mínimos para el control de calidad de soldaduras en estructuras metálicas, a menudo haciendo referencia a los criterios de aceptación de AWS.

Aspectos Relevantes en Soldadura de Cajones

Protección Contra la Corrosión

El acero estructural, si no se protege adecuadamente, es susceptible a la corrosión, especialmente en ambientes húmedos, industriales o marinos. Las vigas cajón simple, con sus grandes superficies expuestas, requieren un sistema de protección contra la corrosión bien diseñado y aplicado para garantizar su durabilidad a largo plazo.

Consideraciones Específicas para Vigas Cajón:

• Superficies Exteriores: Son relativamente fáciles de proteger. El sistema típico incluye:
  1. Preparación de Superficie: Es el paso más importante. Generalmente se requiere limpieza por chorreado abrasivo (granallado) hasta un grado especificado (ej. SSPC-SP10/NACE No. 2 - Metal Casi Blanco, o SSPC-SP6/NACE No. 3 - Comercial) para eliminar óxido, calamina y contaminantes, y generar un perfil de anclaje adecuado para la pintura.
  2. Capa de Imprimante: Se aplica inmediatamente después de la limpieza. Suele ser un imprimante rico en zinc (inorgánico u orgánico) que proporciona protección galvánica, o un imprimante epóxico inhibidor de la corrosión.
  3. Capa(s) Intermedia(s): Frecuentemente epóxicas de alto espesor, para construir la barrera protectora y aumentar el espesor total del sistema.
  4. Capa de Acabado: Proporciona la resistencia a la intemperie (rayos UV), resistencia química (si es necesario) y el color final deseado. Comúnmente se usan poliuretanos o polisiloxanos por su durabilidad y retención de color y brillo.
• Superficies Interiores: Representan un desafío mayor.
  • Opción 1: Sellado Hermético: Si la viga puede ser sellada herméticamente (lo cual es difícil de garantizar a largo plazo), la corrosión interna puede ser limitada por la falta de oxígeno y humedad. Sin embargo, cualquier fallo en el sellado puede atrapar humedad.
  • Opción 2: Protección Interna Completa: Aplicar el mismo sistema de pintura que en el exterior. Esto es costoso y muy difícil de realizar e inspeccionar debido al acceso limitado (espacio confinado).
  • Opción 3: Protección Parcial o Nula con Ventilación/Drenaje: A veces se opta por no pintar el interior o aplicar solo un imprimante básico, pero asegurando una buena ventilación y drenaje para evitar la acumulación de humedad y condensación. Se deben diseñar aberturas de drenaje en los puntos bajos y posibles puntos de ventilación. Esta opción requiere una evaluación cuidadosa del ambiente interno esperado.
  • Opción 4: Uso de Acero Intemperizante (Corten): Si se usa acero tipo A588 o A709W, la protección interior puede no ser necesaria si se garantiza que no habrá acumulación de agua. Sin embargo, la pátina protectora requiere ciclos de mojado y secado que pueden no ocurrir uniformemente en el interior.
• Ambiente de Exposición: El sistema de protección debe ser seleccionado según la categoría de corrosividad ambiental (según ISO 12944 u otras normas) del lugar de instalación. Ambientes industriales, marinos o de alta humedad (como algunas zonas de Colombia) requerirán sistemas más robustos y duraderos que ambientes rurales secos. Bogotá, aunque es una ciudad grande, tiene una corrosividad atmosférica generalmente moderada, pero la contaminación puede crear microclimas más agresivos.
• Mantenimiento: Todos los sistemas de pintura tienen una vida útil limitada. Se debe planificar un programa de inspección y mantenimiento periódico para retocar daños y reaplicar el sistema cuando sea necesario, especialmente en las superficies exteriores accesibles.

La correcta especificación y aplicación del sistema de protección contra la corrosión es una inversión necesaria para asegurar la vida útil proyectada de la estructura, evitando costosas reparaciones futuras.

Rigidizadores en Vigas Cajón Simple: Tipos y Funciones

Los rigidizadores, también conocidos como atiesadores, son elementos de placa soldados a las vigas cajón simple para mejorar su comportamiento estructural. Su función principal es controlar fenómenos de inestabilidad (pandeo) en las placas que componen la sección y ayudar a distribuir cargas concentradas. El diseño y disposición de los rigidizadores son aspectos cruciales, especialmente en vigas de grandes dimensiones o sometidas a cargas elevadas.

Tipos Principales de Rigidizadores:

• Rigidizadores Transversales (Atiesadores de Alma): Son placas verticales soldadas perpendicularmente al eje longitudinal de la viga, conectando las dos almas y, a menudo, también las alas superior e inferior. Se ubican típicamente en:
  • Apoyos: Para transmitir las reacciones de apoyo a las almas y prevenir el pandeo o aplastamiento del alma en esa zona.
  • Puntos de Aplicación de Cargas Concentradas: Para distribuir la carga aplicada (por ejemplo, desde vigas secundarias o equipos) a las almas y evitar el pandeo local bajo la carga.
  • A lo Largo de la Luz (Intermedios): Si las almas son esbeltas (alta relación peralte/espesor), se colocan rigidizadores transversales intermedios para aumentar la resistencia al pandeo por cortante del panel del alma entre rigidizadores. El espaciamiento se determina según los requisitos de los códigos de diseño.
  Estos rigidizadores también ayudan a mantener la forma rectangular de la sección transversal, evitando su distorsión bajo cargas torsionales o transversales. En algunos casos, pueden actuar como diafragmas completos si conectan las cuatro placas del cajón.
• Rigidizadores Longitudinales: Son placas o perfiles pequeños soldados longitudinalmente a las placas principales (generalmente las almas o el ala comprimida). Su función es:
  • Aumentar la Resistencia al Pandeo del Alma: En vigas de gran peralte, un rigidizador longitudinal horizontal en el alma (típicamente a una fracción de la altura desde el ala comprimida) puede incrementar significativamente la capacidad de resistencia al pandeo por flexión o cortante.
  • Aumentar la Resistencia al Pandeo del Ala Comprimida: En alas anchas y relativamente delgadas sometidas a alta compresión, se pueden usar rigidizadores longitudinales para subdividir el ancho del ala en paneles más pequeños y estables, previniendo el pandeo local.
  El uso de rigidizadores longitudinales añade complejidad a la fabricación y es más común en vigas cajón de grandes dimensiones, como las utilizadas en puentes de gran luz.
• Diafragmas: Son placas transversales que conectan todos los elementos de la sección (ambas alas y ambas almas), formando un marco rígido interno. Proporcionan una excelente rigidez transversal y son muy efectivos para:
  • Mantener la forma de la sección transversal, especialmente bajo torsión.
  • Distribuir cargas concentradas o momentos torsores aplicados localmente.
  • Facilitar las conexiones, actuando como puntos de transferencia de carga robustos.
  Se suelen colocar en los apoyos, en puntos de cambio de geometría y en ubicaciones intermedias en vigas largas o sometidas a torsión significativa. Pueden ser macizos (placas completas) o aligerados (con aberturas para acceso o reducción de peso).

Funciones Específicas de los Rigidizadores

El diseño adecuado de los rigidizadores (dimensiones, espaciamiento, detalles de soldadura) es esencial para asegurar el comportamiento previsto de la viga cajón simple y debe seguir las prescripciones de los códigos de diseño estructural aplicables en Colombia, como la NSR-10 y sus documentos de referencia.

Transporte y Montaje de Vigas Cajón Simple

Una vez fabricadas en el taller, las vigas cajón simple deben ser transportadas al sitio de la obra y montadas en su posición final. Estas operaciones logísticas y constructivas presentan particularidades que deben ser consideradas desde la fase de diseño.

Consideraciones de Transporte:

• Dimensiones y Peso: Las vigas cajón, especialmente las destinadas a puentes o grandes luces, pueden ser elementos de gran tamaño y peso. Las dimensiones máximas transportables están limitadas por la normativa vial (ancho, alto, largo de la carga), la capacidad de los vehículos de transporte (camabajas, tractomulas especiales) y las restricciones de gálibo en la ruta (puentes, túneles, cableado aéreo). La topografía y la infraestructura vial de Colombia pueden presentar desafíos significativos para el transporte de piezas muy grandes.
• Planificación de Rutas: Es necesario realizar un estudio detallado de la ruta desde el taller de fabricación hasta la obra, identificando posibles obstáculos y obteniendo los permisos necesarios para el transporte de cargas extradimensionadas. Esto puede influir en la decisión de fabricar la viga en segmentos más cortos que serán empalmados en obra.
• Puntos de Apoyo y Sujeción: Durante el transporte, la viga debe ser apoyada y sujetada adecuadamente en el vehículo para evitar daños por vibraciones, impactos o flexiones excesivas. Los puntos de apoyo deben coincidir preferiblemente con rigidizadores o zonas reforzadas.
• Segmentación de la Viga: Si las limitaciones de transporte impiden trasladar la viga completa, se diseña y fabrica en segmentos. Esto implica la necesidad de diseñar y ejecutar empalmes en obra (generalmente atornillados o soldados), lo cual añade complejidad y costo al montaje. La ubicación de los empalmes se elige en zonas de menores esfuerzos o donde el montaje sea más factible.

Consideraciones de Montaje (Erección):

• Equipos de Izaje: El montaje requiere grúas de capacidad adecuada para levantar y posicionar las vigas o segmentos. La selección de la grúa (móvil telescópica, de celosía, grúa torre) depende del peso de la pieza, el radio de alcance necesario y las condiciones de acceso en el sitio de obra. En entornos urbanos densos como Bogotá, el espacio para la ubicación y operación de grúas puede ser limitado.
• Puntos de Izaje: La viga debe contar con puntos de izaje claramente definidos y diseñados para soportar las cargas durante el levantamiento. Estos pueden ser orejas de izaje temporales soldadas o pernos pasantes en agujeros previstos. La estabilidad de la viga durante el izaje es crítica; a menudo se requieren balancines o eslingas múltiples para controlar la orientación y evitar giros o flexiones no deseadas.
• Arriostramiento Temporal: Una vez posicionada, pero antes de completar las conexiones definitivas, la viga puede ser inestable. Se requiere un plan de arriostramiento temporal para asegurar su estabilidad lateral y torsional hasta que forme parte del sistema estructural definitivo.
• Ejecución de Empalmes en Obra: Si la viga se monta por segmentos, la ejecución de los empalmes es una operación crítica.
  • Empalmes Atornillados: Requieren precisión en la fabricación de los agujeros y el uso de pernos de alta resistencia (ej. ASTM A325 o A490) apretados al torque o tensión especificados. Son generalmente preferidos por su rapidez y menor dependencia de las condiciones climáticas.
  • Empalmes Soldados: Requieren condiciones controladas en obra (protección contra viento y lluvia), soldadores calificados y un riguroso control de calidad (inspección visual, END). Pueden ofrecer una mayor rigidez y continuidad estética, pero son más lentos y costosos.
• Tolerancias de Montaje: Se deben respetar las tolerancias de alineación, nivelación y aplome especificadas en los planos de montaje.
• Seguridad: El montaje de estructuras metálicas pesadas es una operación de alto riesgo. Se debe contar con un plan de izaje detallado, personal capacitado y cumplir estrictamente con todas las normativas de seguridad y salud en el trabajo vigentes en Colombia.

Factores Logísticos y Constructivos Clave

La planificación integrada entre diseño, fabricación, transporte y montaje es esencial para el éxito de proyectos que utilizan vigas cajón simple, asegurando que estas soluciones estructurales eficientes puedan ser implementadas de manera segura y económica en el contexto colombiano.

Aspectos Económicos y de Costo

La evaluación económica es un factor determinante en la selección de cualquier solución estructural. Las vigas fabricadas tipo cajón simple, si bien ofrecen ventajas técnicas significativas, suelen implicar un costo inicial de fabricación superior al de los perfiles laminados estándar. Sin embargo, un análisis completo debe considerar el costo total del ciclo de vida.

Componentes del Costo:

• Costo del Material: El costo del acero en placas (por kilogramo o tonelada) es la base. Aceros de mayor resistencia o con propiedades especiales (como los resistentes a la corrosión) tendrán un costo unitario superior. La optimización del diseño para minimizar el peso total de acero es clave.
• Costo de Fabricación: Este es a menudo el componente diferencial más importante. Incluye:
  • Corte de placas (mano de obra, consumibles, amortización de maquinaria).
  • Preparación de bordes (biselado).
  • Ensamblaje y armado (mano de obra, dispositivos de sujeción).
  • Soldadura (mano de obra de soldadores calificados, consumibles -electrodos, alambres, fundente, gases-, energía eléctrica). La gran cantidad de soldadura en vigas cajón incrementa significativamente este costo.
  • Inspección y Control de Calidad (personal de inspección, equipos de END, tiempo asociado).
  • Manejo de materiales dentro del taller.
  • Costos indirectos del taller (administración, energía, mantenimiento de instalaciones).
• Costo del Tratamiento Superficial: Incluye la preparación de superficie (granallado) y la aplicación del sistema de pintura especificado (materiales y mano de obra). Sistemas más complejos y duraderos implican un costo inicial mayor.
• Costo de Transporte: Depende de la distancia, el tamaño y peso de las vigas, la necesidad de vehículos especiales y permisos. La segmentación para el transporte incrementa el costo de montaje.
• Costo de Montaje: Incluye el alquiler de grúas, personal de montaje, equipos auxiliares, arriostramiento temporal y la ejecución de empalmes en obra (pernos de alta resistencia, soldadura en sitio, inspección).
• Costo de Diseño e Ingeniería: El diseño de vigas fabricadas puede ser más complejo y requerir más horas de ingeniería que el uso de perfiles estándar.

Factores que Influyen en la Competitividad Económica:

• Necesidad de Rigidez Torsional: Si la torsión es un factor crítico, el sobrecosto de la viga cajón puede ser justificado al evitar soluciones alternativas más complejas o menos eficientes (ej. uso de múltiples vigas I arriostradas).
• Grandes Luces y Cargas Elevadas: Para luces muy largas o cargas muy pesadas, la optimización que permite la fabricación a medida puede resultar en un peso total de acero menor que el requerido con perfiles estándar disponibles, compensando parcialmente el mayor costo de fabricación por kilo.
• Repetitividad: Si el proyecto incluye un gran número de vigas idénticas o muy similares, se pueden lograr economías de escala en la fabricación (uso de plantillas, automatización parcial de soldadura SAW).
• Requisitos Arquitectónicos: Si la estética limpia de la viga cajón es un requisito del diseño arquitectónico, su costo se compara con el de otras soluciones que cumplan ese requisito (ej. revestimientos).
• Costos de Mantenimiento a Largo Plazo: Aunque el mantenimiento interno es difícil, las superficies externas lisas pueden facilitar el mantenimiento de la pintura a largo plazo comparado con estructuras más complejas como cerchas. Un buen sistema de protección inicial puede reducir los costos de mantenimiento futuros.
• Disponibilidad de Perfiles Laminados Grandes: En Colombia, la disponibilidad de perfiles laminados de muy gran tamaño puede ser limitada o requerir importación, lo que puede hacer más competitiva la opción de fabricación local de vigas cajón.

En resumen, aunque la fabricación de vigas cajón simple es intrínsecamente más costosa por unidad de peso que el uso de perfiles laminados, su elección puede justificarse económicamente en proyectos donde sus ventajas técnicas (torsión, optimización, estética) se traducen en un mejor rendimiento global, una reducción de la complejidad en otros aspectos del diseño (arriostramientos) o una mayor durabilidad. Es necesaria una evaluación caso por caso, considerando todos los factores relevantes en el contexto específico del proyecto en Colombia.

Sostenibilidad y Consideraciones Ambientales

La sostenibilidad en la construcción es un aspecto cada vez más relevante, y la elección de materiales y sistemas estructurales tiene un impacto significativo. Las vigas fabricadas tipo cajón simple, al estar hechas de acero, comparten las características generales de este material en términos de sostenibilidad, pero también presentan aspectos particulares.

Aspectos Positivos desde la Perspectiva Ambiental:

• Alta Tasa de Reciclaje del Acero: El acero es uno de los materiales de construcción más reciclados del mundo. Al final de la vida útil de la estructura, las vigas cajón pueden ser desmontadas y el acero recuperado para ser fundido y reutilizado en la producción de nuevo acero, cerrando el ciclo de vida del material. La industria siderúrgica utiliza un alto porcentaje de chatarra de acero en sus procesos (especialmente en hornos de arco eléctrico), lo que reduce la necesidad de extraer mineral de hierro virgen y disminuye el consumo de energía y las emisiones asociadas.
• Durabilidad y Larga Vida Útil: Si están bien diseñadas, fabricadas y protegidas contra la corrosión, las estructuras de acero, incluidas las vigas cajón, pueden tener una vida útil muy larga (50, 75, 100 años o más), lo que reduce la necesidad de reemplazo y el consumo de recursos a largo plazo.
• Potencial de Optimización del Material: La naturaleza fabricada de estas vigas permite optimizar la sección transversal, ajustando los espesores de las placas según los esfuerzos requeridos. Esto puede llevar a un uso más eficiente del material y a una reducción del peso total de la estructura en comparación con soluciones menos optimizadas, lo que a su vez reduce el impacto ambiental asociado a la producción y transporte del acero.
• Prefabricación en Taller: La fabricación en un entorno controlado de taller permite optimizar los procesos, reducir la generación de residuos, controlar mejor las emisiones y minimizar las perturbaciones en el sitio de la obra (menos ruido, polvo, tráfico asociado a la construcción in situ).
• Potencial de Desmontaje y Reutilización: Aunque menos común que el reciclaje, las estructuras de acero atornilladas (o incluso las soldadas si se cortan cuidadosamente) tienen el potencial de ser desmontadas y los componentes principales (como las vigas cajón) podrían ser reutilizados en otras estructuras si sus condiciones y propiedades son adecuadas.

Desafíos y Consideraciones Ambientales:

• Energía Incorporada y Emisiones de CO2 en la Producción de Acero: La producción de acero, especialmente a partir de mineral de hierro (ruta del alto horno), es un proceso intensivo en energía y genera emisiones significativas de gases de efecto invernadero (principalmente CO2). Aunque el reciclaje mitiga parte de este impacto, la huella de carbono inicial del acero es considerable.
• Consumo de Energía y Recursos en la Fabricación: El proceso de fabricación de las vigas cajón (corte, soldadura, manejo) consume energía eléctrica y otros recursos (gases de soldadura, consumibles). La eficiencia energética de los talleres de fabricación es un factor relevante.
• Uso de Recubrimientos y Pinturas: Los sistemas de protección contra la corrosión, aunque necesarios para la durabilidad, a menudo contienen Compuestos Orgánicos Volátiles (COV) que pueden ser liberados durante la aplicación y el curado, contribuyendo a la contaminación del aire. La tendencia es hacia pinturas con bajo contenido de COV o base agua, pero su aplicación y durabilidad deben ser evaluadas. La eliminación de pinturas antiguas durante el mantenimiento o al final de la vida útil también requiere manejo adecuado.
• Transporte: El transporte de vigas pesadas y voluminosas desde el taller a la obra genera emisiones asociadas al consumo de combustible de los vehículos. Optimizar la logística y, si es posible, utilizar talleres cercanos al sitio de construcción puede reducir este impacto.
• Impacto del Fin de Vida (si no se recicla/reutiliza): Aunque altamente reciclable, si por alguna razón el acero no se recupera al final de la vida útil (lo cual es raro), su disposición en vertederos ocuparía espacio y representaría una pérdida de recursos valiosos.

Para mejorar el perfil de sostenibilidad de proyectos que utilizan vigas cajón simple en Colombia, se pueden tomar medidas como: especificar acero con alto contenido reciclado, optimizar el diseño para minimizar el peso, seleccionar talleres de fabricación con buenas prácticas ambientales y de eficiencia energética, utilizar sistemas de pintura de bajo impacto ambiental, planificar la logística de transporte eficientemente y asegurar planes para el reciclaje o reutilización al final de la vida útil de la estructura.

Balance Sostenibilidad: Acero vs. Alternativas

La comparación de la sostenibilidad de las vigas cajón de acero con alternativas como vigas de concreto (prefabricado o in situ) o madera laminada es compleja y depende de muchos factores (límites del sistema analizado, métricas consideradas - CO2, energía, agua, etc.-, durabilidad, fin de vida).

• Concreto: Tiene una huella de carbono significativa debido a la producción de cemento, pero puede ser muy durable. El reciclaje del concreto es posible (como árido), pero no cierra el ciclo como el acero. Las vigas de concreto suelen ser más pesadas, incrementando cargas en cimentaciones y transporte.
• Madera Laminada (Glulam): La madera es un recurso renovable y almacena carbono durante su crecimiento. Su procesamiento requiere menos energía que el acero o el concreto. Sin embargo, requiere manejo forestal sostenible, puede ser susceptible a la humedad y organismos si no se protege, y su resistencia y rigidez son menores, limitando las luces alcanzables o requiriendo secciones mayores. La durabilidad en exteriores puede ser un desafío.

La elección más sostenible dependerá de las prioridades del proyecto, las condiciones locales (disponibilidad de materiales, clima), la vida útil requerida y un análisis de ciclo de vida (ACV) si se requiere una evaluación detallada.

Innovaciones y Tendencias Futuras

Aunque el concepto básico de la viga cajón simple es maduro, la investigación y el desarrollo continúan buscando mejoras en su diseño, fabricación y rendimiento.

• Aceros de Ultra-Alta Resistencia (UHSS): El uso de aceros con límites de fluencia aún mayores (superiores a 690 MPa / 100 ksi) permite reducir significativamente el peso de las estructuras. Sin embargo, su uso requiere consideraciones especiales en cuanto a soldabilidad, tenacidad a la fractura y diseño por pandeo, ya que las secciones resultan más esbeltas.
• Secciones Híbridas: Combinación de diferentes grados de acero dentro de la misma sección (ej. alas de mayor resistencia, almas de resistencia moderada) para optimizar aún más el uso del material según la distribución de esfuerzos.
• Diseño Optimizado por Computadora: Uso de algoritmos de optimización topológica o de forma para encontrar geometrías de viga cajón no convencionales (ej. con formas orgánicas, espesores variables de forma continua) que minimicen el peso para una capacidad de carga dada. Esto requiere capacidades avanzadas de fabricación (corte y soldadura robotizada).
• Técnicas de Fabricación Avanzadas:
  • Soldadura Láser o Híbrida Láser-Arco: Ofrecen alta velocidad, baja distorsión y penetración profunda, mejorando la productividad y la calidad.
  • Fabricación Aditiva (Impresión 3D en Metal): Aunque todavía en etapas tempranas para componentes estructurales de gran tamaño, la fabricación aditiva podría permitir crear geometrías complejas, optimizadas y con características integradas (ej. rigidizadores internos) de manera más eficiente en el futuro.
• Monitoreo de Salud Estructural (SHM): Incorporación de sensores (fibra óptica, sensores de deformación, acelerómetros) dentro o sobre las vigas cajón durante la fabricación o instalación para monitorear su comportamiento en tiempo real a lo largo de su vida útil. Esto permite detectar daños incipientes (fatiga, corrosión), optimizar las inspecciones y validar los modelos de diseño.
• Materiales Compuestos: Aunque fuera del alcance de "vigas metálicas", existen desarrollos en vigas cajón híbridas acero-concreto (con losa de concreto colaborante) o incluso investigaciones en cajones totalmente de materiales compuestos (FRP) para aplicaciones específicas donde el bajo peso o la resistencia a la corrosión son primordiales.
• Enfoque en la Resiliencia: Diseño de vigas y conexiones para resistir eventos extremos (sismos severos, explosiones, impacto) con capacidad de deformación post-elástica y manteniendo un nivel de funcionalidad, un aspecto relevante para infraestructura crítica en zonas sísmicas como gran parte de Colombia.

Estas tendencias apuntan hacia vigas cajón más ligeras, eficientes, duraderas, inteligentes y resilientes, adaptadas a los crecientes desafíos de la ingeniería estructural moderna.

Recomendaciones Finales para Proyectos en Colombia

Al considerar el uso de vigas fabricadas tipo cajón simple en proyectos dentro de Colombia, es importante tener en cuenta las siguientes recomendaciones:

• Cumplimiento Normativo Estricto: Asegurar que el diseño, los materiales, la fabricación y el montaje cumplan o excedan los requisitos de la Norma Sismorresistente Colombiana (NSR-10), en particular el Título F (Estructuras Metálicas) y el Título A (Requisitos Generales de Diseño y Construcción Sismorresistente).
• Selección Cuidadosa del Taller de Fabricación: Contratar talleres metalmecánicos con experiencia comprobada en la fabricación de vigas cajón, que cuenten con la maquinaria adecuada (corte CNC, equipos de soldadura SAW/FCAW/GMAW), personal calificado (soldadores homologados) y un sistema de gestión de calidad robusto (certificación ISO 9001 puede ser un indicador). La capacidad de realizar END internamente o mediante terceros calificados es esencial.
• Diseño Detallado y Planos de Taller Precisos: Invertir en un diseño estructural detallado que considere todos los aspectos críticos (resistencia, estabilidad, fatiga, conexiones, rigidizadores) y generar planos de taller completos y precisos que no dejen lugar a ambigüedades durante la fabricación.
• Especificación Clara del Sistema de Protección Contra la Corrosión: Definir claramente el sistema de pintura o protección requerido, incluyendo la preparación de superficie, tipos de recubrimiento, espesores de película seca y criterios de aceptación, considerando el ambiente de exposición específico en Colombia (costa, interior, zona industrial, etc.). Prestar especial atención a la estrategia para las superficies internas.
• Planificación Integral de Logística y Montaje: Considerar las limitaciones de transporte y las condiciones del sitio de obra desde las etapas iniciales del diseño para definir la posible necesidad de segmentación y planificar adecuadamente las operaciones de izaje y montaje, incluyendo la seguridad.
• Aseguramiento de Calidad en Todas las Etapas: Implementar un plan de aseguramiento de calidad que cubra desde la recepción de materiales, pasando por el control durante la fabricación (especialmente soldadura) y el tratamiento superficial, hasta la inspección final y el montaje en obra. La supervisión técnica calificada es fundamental.
• Considerar el Contexto Local: Adaptar el diseño y las especificaciones a las condiciones particulares de Colombia, como la sismicidad, las condiciones ambientales (humedad, temperatura), la disponibilidad de materiales y la capacidad de la industria local.

La implementación exitosa de vigas fabricadas tipo cajón simple en Colombia requiere una combinación de buen diseño ingenieril, fabricación de alta calidad, planificación logística cuidadosa y supervisión rigurosa, aprovechando las ventajas de esta solución estructural para crear infraestructura segura, eficiente y duradera.