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Escuela Politcnica de Cuenca Unidad Temtica 11Arquitectura Tcnica Leccin 41

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BLOQUE TEMTICO 3UNIDAD TEMTICA 11

LECCION 41VIGAS Y PRTICOS

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INDICE:

1.- INTRODUCCIN

2.- TIPOLOGIA DE VIGAS

2.1- Vigas simples.2.2.- Vigas multiples.2.3.- Vigas reforzadas (perfiles con refuerzos):2.4.- Vigas o jacenas armadas.2.5.- Vigas o jacenas aligeradas (void).

3.- DISPOSICIONES CONSTRUCTIVAS:3.1.- Vigas apoyadas.3.2.- Brochal.3.3.- Disposicin Gerber de las vigas o correas.

3.4.- Formas de resolver la transmisin de las compresiones.3.5.- Vigas continuas.

4.- CAMBIOS DE PERFIL.

5.- EMPALME DE VIGAS.

6.- DETALLES.

7.- PRTICOS METLICOS

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1.- INTRODUCCIN

Las jacenas o vigas son elementos lineales en las que una dimension sobre lasotras dos. Su forma de trabajo es casi exclusivamente a flexion, por ello suelen adoptarforma de I, para tratar de obtener la maxima inercia y el mayor modulo resistente con elmaterial disponible, tratando de mejorar el rendimiento.

Las vigas son los elementos sustentantes horizontales, o como en las cubiertas,ligeramente inclinados, que reciben cargas verticales y las transmiten, trabajando aflexion a los pilares o apoyos.

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

Perfil simpleViga mltiple

De perfiles

Perfil reforzadoEn I

De alma llena

ArmadasEn cajn

De alma aligerada

Vigas

De celosa

2.- TIPOLOGIA DE VIGAS

2.1- VIGAS SIMPLES:

En vigas, siempre que sea posible, se utilizaran perfiles laminados IPN, pues sucosto de mano de obra es minimo, ya que en numerosas ocasiones ser suficiente con elcorte del perfil a la medida deseada.

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

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

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

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

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

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El paralelismo de las alas elimina todos los inconvenientes que en construccin yen montaje presentan los perfiles de alas ataluzadas, al tener que intercalar cuas deajuste para que la tornillera encaje correctamente.

Los perfiles simples laminados tiene laventaja sobre la viga armada, que para igualresistencia se coste es menor.

Las vigas constituidas por dos o msperfiles adosados, unidos a travs deelementos de unin, como presillas, tornillos,pasantes, etc., que solidaricen eficazmente losperfiles componentes se denominan vigas mltiples.

2.2.- VIGAS MULTIPLES:

Son las vigas constituidas por dos o mas perfiles I adosados, unidos a travs deelementos de union tales como perfiles, presillas, tornillos, pasantes, etc., que

solidaricen eficazmente los perfiles componentes, del modo en que se detalla acontinuacin.

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

2.3.- VIGAS REFORZADAS (PERFILES CON REFUERZOS):

La utilizacin de refuerzos, con chapa o pletina, en las estructuras metlicas es degran eficacia para conseguir ahorro de material.

Que un refuerzo sea economico o no, depende de los valores relativos de la chapa,el perfil y el cordn de soldadura.

El elemento de refuerzo mas utilizado es la chapa o platabanda.Se utilizan estos refuerzos cuando queramos mdulos resistentes (W) mayores que

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

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

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

indiferentemente adoptarse cualquierade las formas que se indican en lafigura siguiente, ya que las piezas selas dar fcilmente la vuelta y parasoldar, ya que a las piezas se lespuede dar fcilmente la vuelta parasoldar.

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

posible soldar en el techo, por lo que la disposicin ms conveniente es la que se indicaa continuacin.

En ocasiones hay quereforzar una viga por raznde la flecha y, entonces,puede ser ms adecuadodisponer el refuerzo slo enel ala inferior, ya que elmomento de inercia es casi elmismo que con dos chapassimtricas, y sin embargo lamano de obra es muchomenor. Adems si se trata deestructuras en servicio, esmucho mayor la ventajadesde el punto de vista de facilidad de ejecucin.

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

Puede darse mayor

resistencia a un perfil adaptandosu forma a la distrubucion demomentos flectores. Para ello sedan al perfil I los cortes que seindican en la primera figura,recomponiendolo como serepresenta en la figura insertada acontinuacin. Esta disposicin esmuy util en vigas simplementeapoyadas que deban recibir unacubierta de pequea pendiente, tal

como se detalla a continuacin.

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

2.4.- VIGAS O JACENAS ARMADAS:

Las vigas armadas estn formadas por varias pletinas o chapas, unidas concualquiera de los medios de unin: soldadura, roblones, angulares y tornillos.

Estas chapas pueden tener las dimensiones que se quiera, tanto en ancho como enespesor.

Como vigas armadas se entienda, en contraposicin con las vigas laminadas,aquellas que se constituyen, ensamblan o arman partiendo de chapas o de chapas yangulares. Aunque tericamente la union de las chapas entre si puede hacerse porroblonado o tornilleria (iquierda) o por soldadura (derecha) puede decirse queactualmente solo se emplean las vigas armadas soldadas.

Para unas solicitacionesdeterminadas, siempre es posibleencontrar una viga armada de menorpeso que el perfil laminado quecorrespondera a esas solicitaciones.Sin embargo, aun con mayor peso, losperfiles laminados son siempre mseconmicos que las vigas armadas,debido al menor coste de fabricacin.

Por estas razones, en edificacin y construccin metlica en general, el empleo delas vigas armadas suele limitarse a casos especiales de grandes luces o de grandescargas.

Las vigas armadas tambin pueden fabricarse partiendo de perfiles I o H cortado a

la mitad del alma y vueltos a soldar intercalando una chapa entre las dos mitades, talcomo se muestra en la figura de la izquierda.

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Con esto se reducen los cordones de soldadura y se evita uno de los principalesinconvenientes que suelen presentar las vigas armadas y que consiste en que debido alefecto de la retraccin de la soldadura y del calentamiento localizado, las alas suelentomar la deformacin (ver figura) , salvo que se tomen precauciones especiales.

Para evitar el abollamiento del alma, en lospuntos donde existan cargas concentradas sobredicha jcena, se colocaran rigidizadores verticalesen ambos laterales, soldados al alma y alas de la

jcena, tal y como se detallan en el dibujosiguiente.

Condiciones de una viga armada

La seccin de una viga armada debe reunir diversas condiciones:- Suficiente resistencia a la flexin, determinada por su mdulo resistente.- Suficiente rigidez a la deformacin, determinada por su momento de inercia.- Capacidad de resistencia a las tensiones cortantes, determinada por el rea de

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

determinado por la relacin espesor/altura del alma.

En algunos casos, el canto total no debe sobrepasar un determinado valor. Laeleccin de las alas y el alma no debe implicar dificultades constructivas adicionales(espesores no habituales o demasiado elevados, dimensiones no comerciales, etc.).

Una viga ser eficiente si satisface todas esas condiciones con el mnimo peso, y

ser econmica si adems el coste de fabricacin es mnimo. Esto supone que, a veces,la viga ms econmica no es la de menor peso. Por ejemplo, puede fijarse el espesor delalma de una viga de manera que no sean necesarios rigidizadores con el mnimo espesoradmisible para ello, o con un espesor ms delgado y colocar rigidizadores.Seguramente, en este ltimo caso la viga pesara menos, pero la construccin y lasoldadura de los rigidizadores haran que fuese menos econmica que si se hubieseadoptado el espesor de alma mnimo para que stos no fuesen necesarios.

Formas ms usuales de vigas armadas.

Existen bsicamente dos formas de construccin de una viga armada: con un

alma y con dos almas (denominadas vigas de cajn). Las de un alma pueden ser dediversas formas, algunas de las cuales se detallan a continuacin.

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Si las vigas armadas tienen dos almas se denominan vigas cajn.

Diversas disposiciones de vigas armadas, pudiendo efectuarse la unin soldada oatornillada.

Disposiciones delos cordones desoldadura en alma yala.

En el clculo delas chapas queconstituyen las vigasarmadas, adems de la

comprobacin de las tensiones producidas por el momento flector mximo, que se

realiza para losperfiles laminados enal caso de que vayansoldadas, habr quecomprobar la tensintangencial mximadebida al esfuerzocortante mximo y los

cordones de soldadura que unen el alma y las alas.Hay que aadir, adems, que en las vigas as conformadas pueden darse

problemas de inestabilidad, que se plantean tambin en las vigas laminadas, pero que es

ms frecuente que se d en este tipo de vigas al ser de gran canto. Estos efectos seconocen con los nombres de:

Pandeo del alma; en los apoyos de vigas sobre muros o pilares se produce unaconcentracin de cargas y lo mismo sucede cuando sobre la viga acta una carga aislada(fig a). En las secciones que soportan estas compresiones existe el peligro de que elalma pueda pandear lateralmente (fig. b), aceptndose que la longitud del alma queresiste la carga concentrada es igual a veinte veces su espesor (fig c)

Abolladura del alma; puede producirse por las tensiones de compresin existentesen cualquier punto de la viga. La MBE-MV 103/1972 dice que: en vigas sometidas a

flexin simple o compuesta no ser necesario comprobar el alma a abolladura ni colocar

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ms rigidizadores que los exigidos en zonas de apoyo y en aquellas en que actencargas concentradas cuando:

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

0.016 para aceros A 52

La separacinde los rigidizadores,normalmente noexcede de la alturade la viga en losextremos y de vez ymedia a dos veceshacia el centro.Cuando no fueran

suficientes losrigidizadores

transversales se dispondrn, adems, rigidizadores longitudinales en la zonacomprimida.

Pandeo del ala;cuando existe muchacarga concentradapuede pandear tambinel ala que se encuentracomprimida. Paraevitarlo se disponen,entre dos rigidizadoressucesivos, refuerzos deforma triangular o deescuadra (fig a).Tambin debenponerse rigidizadores

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

2.5.- VIGAS O JACENAS ALIGERADAS (VOID):

Son vigas de alma aligerada. Cuando pueda adoptarse el canto que se estime masconveniente, y cuando la flexion predomine sobre el esfuerzo cortante, es decir se tratede luces grandes y de cargas moderadas, las soluciones de vigas aligeradas puedenresultar muy economicas. En la figura siguiente vemos varios tipos de ellas, asi como suproceso constructivo.

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En la primera figura sedetalla la linea de corte de unaviga IPN para posteriormenteconfeccionar una viga Void.

Se corta el perfil, se desplazaun vano una de las mitades yse vuelve a soldar, con lo cualobtenemos la viga de la figuracentral. Se las conoce con elnombre de vigas alveoladas ovigas Void (del ingles Void =vacio, hueco).

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

anterior, peraltado con interposicin de suplementos de chapa, se denomina voidperaltada

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

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

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

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

A esta clase de vigas se las ha dadodiversas denominaciones: Vigas alveoladas,vigas void, en panal de abeja, etc. Cuando existeinterposicin de elementos de chapa se obtienenvigas con aligermaientos octogonales.

La confeccion de estas vigas no es muycostosa si se realiza en serie, en el taller ypresentan ventajas sobre el perfil inicial deprocedencia.

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

Estos tipos de vigas son particularmenteadecuados para la realizacin de estructurasligeras, solicitadas por cargas uniformes ocargas concentradas poco importantes, sobretodo cuando la eleccion de perfil estacondicionada por la flecha mas que por lastensiones, como sucede frecuentemente en loselementos de forjado de piso y cubiertas.

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

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

rigidizadores.Cegaremos elhueco sobre el

que incide lacarga puntual ylos dos de loslados. Lospodemos cegarcon chapa

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

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

Union de forjado apoyado conviga void.

Cuando un forjado, de viguetasmetalicas o de hormign, se apoyaencima de una viga Void, no esnecesario tapar los huecos, puesto queno existe carga puntual importante, yaque la carga esta uniformementerepartida, tal como se indica en la

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

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

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

soldado a las zonas macizas de la viga void.

3.- DISPOSICIONES CONSTRUCTIVAS:

3.1.- Vigas apoyadas:

Para materializar en la prctica una articulacin, puede hacerse como se indica en

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

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Si se trata de una estructura roblonada o atornillada, puede hacerse como se indicaen la siguiente figura.

Cuando se trata de carreras de mayor importancia, pueden adoptarse lasdisposiciones de las siguientes figuras.

Debe tenerse en cuenta que la unin del angular, tanto a la viga como al elementoque la sustenta, ya sea viga o soporte, debe hacerse en el caso en que como medio deunin se emplee la soldadura, nicamente con los cordones que se indican en las dos

figuras anteriores de estructuras soldadas, y no con los horizontales superior e inferior.De esta forma puede producirse la deformacin del angular tal y como se ve en lasiguiente figura, consiguindose as que la transmisin del momento flector seaprcticamente nula. Si la unin fuese roblonada o atornillada en vez de ser soldada,tendra por su misma naturaleza suficiente deformabilidad, sin contar adems con lapropia del angular.

3.2.- Brochal

Es la unin de dos perfiles a travs de sus almas, con la condicin de no sercolineales.

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

En los dibujos siguientes se detallan los casos de vigas embrochaladas siguientes:- Embrochalado entre vigas metalicas del mismo canto.- Embrochalado entre vigas metalicas de distinto canto.- Embrochalado en continuidad entre vigas metalicas del mismo canto.- Embrochalado en continuidad entre vigas metalicas de distinto canto, con

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

que la viga secundaria).-

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3.3.- Disposicin Gerber de las vigas o correas

La disposicin Gerber tiene por objeto disminuir el momento PL2/8 con que secalcularan las vigas o correas si estuviesen simplemente apoyadas en los extremos. Esadisminucin de momentos lleva consigo la disminucin de seccin, y por tanto, de pesoy costo del material; sin embargo, la mayor mano de obra necesaria, puede contrarrestarla economa del material.

Si consideramos la viga o correa como pieza continua (hiperesttica) apoyada enlas cerchas o vigas intermedias, y en las secciones de momentos nulos colocamosarticulaciones, queda dividida en tramos isostticos en que unos apoyan en los voladizosde los otros. El nmero de articulaciones ser igual al nmero de apoyos menos dos.

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

Con una adecuada disposicin se consigue igualar los momentos de apoyo y los delos tramos centrales. Si el nmero de tramos fuese impar, se consigue una completasimetra, tal como se detalla en la figura siguiente.

Los tramos extremos quedan constituidos por una viga suspendida (fig. anteriorizquierda) o por una viga con brazo en voladizo (fig. anterior derecha). En cualquiercaso, si la luz entre cerchas o apoyos es constante, los tramos extremos tienen mayormomento, por lo que habr que reforzar la viga en dichos tramos.

Las articulaciones o rtulas se realizan uniendo con una pletina ambos extremosde vigas. Dicha pletina ya viene unida mediante soldadura o tornillos al extremo de una

de las vigas, y mediante tornillos se une al otro, tal como se indica a continuacin.

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Cuando se utilizan estas vigas en forjados, existe el inconveniente de que puedemanifestarse una grieta en el piso, a menos que se deje prevista una junta.

3.4.- Formas de resolver la transmisin de las compresiones:

Cuando a una jcena le acometen vigas por ambos laterales, y stas son de distintocanto, es necesario transmitir las tracciones y compresiones que generan las dos vigaslaterales, tal como se muestra en la siguiente figura:

En el caso en que las compresiones nosean excesivamente grandes, en la figura siguiente se detalla un sistema muy sencillo deefectuar la transmisin de compresiones., mediante una cartela que enlace las alasinferiores de ambas vigas.

3.5.- Vigas continuas:

Para conseguir la continuidad entre dos vigas embrochaladas a otra, una por cadalateral, es necesario lograr una correcta transmisin de esfuerzos (tracciones,compresiones y cortante) entre ambos laterales.

Si las vigas de ambos laterales son del mismo canto, no existe ninguna dificultaden la transmisin de compresiones, puesto que sus alas inferiores estan enfretadas. Si loscantos son distintos, es necesario colocar conectores de compresiones.

En las dos figuras siguientes se detalla la transmisin de todos los esfuerzos. Lachapa superior, de tamao necesaria, es la encargada de transmitir las traccionesproducidas por el momento flector negativo, con soldadura trabajando a cortante. Loscordones de soldadura verticales, que unen las dos almas, absorben el esfuerzo cortante.No existen compresiones puesto que el canto de ambas vigas es igual.

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

transmisin de tracciones.

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En caso de necesitar conector de compresiones, la solucion se detalla en el dibujosiguiente: conector de tracciones, concector de compresiones y soldadura vertical paracortantes.

4.- CAMBIOS DE PERFIL:

Si en alguna ocasin interesaadaptar el perfil a la leyes demomentos flectores, puede resultarinteresante utilizar diferentesperfiles en diversas zonas de lamisma viga. Para que el cambio sehaga sin brusquedad y sin efecto deentalla, conviene adoptarsoluciones similares a la siguiente.La reduccion se efectua de talmodo que las caras exteriores delas alas de ambos perfiles quedenenrasadas, tal como se observa enlos detalles 1 y 2.

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

que es la zona donde el momento flector es minimo. La inclinacin del empalme ser de60 grados. Ambas vigas tambien pueden cortarse verticales, soldadas a tope y colocarlespletinas soldadas lateralmente.

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6.- DETALLES:

Detalle constructivo del enlace de un soporte metlico formado por 2 UPN y unaviga Void.

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A continuacin se puedenobservar detalles de soportes quearrancan desde encima dediversos tipos de jcenasmetlicas. Ntese que en todos

ellos se han colocado cartelas derigidizacin uniendo las alassuperiores e inferiores de las

jcenas.

Detalle constructivo de launin de un soporte colgado deuna jcena armada, mediantesoldadura, angulares y tornillosde alta resistencia, capaces desoportar las fuertes traccionesque pueda producir el soporte.

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A continuacin se disponen diversos detalles constructivos de uniones soldadas yatornilladas.

Detalle de unin viga-pilar. Detalle unin viga-pilar.

Detalle unin viga-pilar.

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