La capacidad portante de la viga está limitada en casi todos los casos por el pandeo del ala comprimida. Esto se produce solo cuando se ha alcanzado el límite de fluencia después de la igualación de las tensiones en todo el ala comprimida. Solo con fuertes arriostramientos laterales puede elevarse la tensión de borde soportada hasta la zona de endurecimiento del acero estructural. Al evaluar la capacidad portante debe tenerse en cuenta la distribución real de tensiones. Con la suposición de una distribución lineal de tensiones, la capacidad portante se subestimaría. Los fenómenos de inestabilidad deben examinarse especialmente.
Deducción de agujeros en elementos sometidos a flexión
En el lado traccionado de la viga actúa el debilitamiento de la sección como en las barras a tracción (rotura de la banda traccionada por la sección debilitada). Para el rechazo de orificios en este sentido rigen las mismas reglas que para una barra a tracción.
Como los agujeros rellenos con remaches en la zona comprimida de la viga influyen muy poco en la distribución de tensiones y deformaciones, y la capacidad portante está en la mayoría de los casos limitada por el pandeo lateral del ala comprimida, la magnitud del debilitamiento de la sección en vigas de secciones simétricas no influye de manera significativa en la carga portante. Por ello, ya F. Hartmann planteó la cuestión de si en las vigas simétricas es necesario siquiera tener en cuenta el debilitamiento por los agujeros. En secciones asimétricas (lado comprimido más resistente), la deducción por agujeros en el lado traccionado de la viga puede llegar a ser determinante para la capacidad portante. Bajo cargas repetidas con frecuencia, los agujeros tienen una influencia considerable, incluso cuando se encuentran a mayor distancia de las fibras extremas.
Hoy en el cálculo de la capacidad portante de la sección a flexión se utilizan la sección bruta y la sección neta (además de otros modos de rotura pertinentes). La rotura por sección bruta se produce en la parte de la sección que no está debilitada por orificios. La rotura por sección neta se produce en la sección debilitada por los orificios, y el área que se toma en consideración es el área bruta reducida por el área de todos los huecos.
Remaches en el cuello y en la cabeza
Al flexionar, además de las tensiones normales, aparecen también tensiones cortantes que, en las vigas con alas paralelas, son proporcionales a la fuerza transversal Q. En las secciones compuestas, las tensiones cortantes en las superficies de contacto entre los distintos perfiles laminados son absorbidas por los remaches que los unen. La distribución de las fuerzas cortantes T en el alma es parabólica, y en las alas casi lineal. En las vigas con alas pesadas, T en el alma difiere poco del valor medio Tm, que a menudo basta para una primera estimación.
Fig. 1
Los remaches del alma (fig. 1b) deben soportar conjuntamente la fuerza del alma TK < TH. La fuerza del alma entre las distintas chapas del ala es todavía menor y, para el caso de la fig. 1c, se distribuye entre un mayor número de remaches.
Continuación de la viga
La prolongación longitudinal de la chapa vertical es necesaria cuando la altura de la chapa es mayor que el ancho de las chapas disponibles. También puede ser necesaria en función de la fabricación y el transporte. Los empalmes y remaches en la prolongación longitudinal de un soporte deben absorber la misma fuerza TL que tendría una chapa no prolongada en la junta longitudinal. Como el debilitamiento por los orificios en el empalme es igual que en la chapa vertical, el espesor del empalme debe ser mayor o igual que el espesor del nervio.
Fig. 2 - Empalme longitudinal de la chapa vertical
La unión transversal sometida a carga de flexión puede cubrirse de diversas maneras mediante cubrejuntas. La fig. 3 muestra varias posibilidades de unión de taller, en la que solo se prolonga la chapa vertical. Si los cubrejuntas están solo entre los perfiles angulares del ala (fig. 3a), quedan franjas de chapa vertical sin cubrir por debajo de los perfiles angulares del ala. Entonces los perfiles angulares y los remaches en la zona de la unión de la chapa vertical quedan sometidos a cargas considerablemente mayores, por lo que este tipo de uniones debe limitarse a conexiones menos importantes con fuerzas pequeñas. Siempre debe darse preferencia a la unión totalmente cubierta. Los cubrejuntas especiales en los brazos verticales de los perfiles angulares absorben las tensiones longitudinales de esta franja, pero solo participan ligeramente en la transmisión de la fuerza transversal. Una cierta mejora en ello la aporta la fig. 3c. Para fuerzas grandes debe procurarse disponer cubrejuntas a toda la altura de la chapa vertical (fig. 3d), lo que supone que los perfiles angulares del ala deben interrumpirse. Los cubrejuntas adquieren el espesor del brazo del perfil angular; en perfiles angulares de gran espesor se emplean cuñas de nivelación para ahorrar en el espesor innecesario del cubrejunta.
Fig. 3 - Empalme transversal (de taller) de chapa vertical
Un empalme de chapa vertical sometido a carga por fuerza transversal: La viga en el punto de empalme está cargada solo con Q (M = 0). Para un empalme con separaciones iguales de los remaches (fig. 4) debe suponerse que las fuerzas en los remaches NiQ corresponden aproximadamente al elemento de superficie e*t de la junta del empalme, es decir, que las fuerzas en los remaches se distribuyen igual que las tensiones cortantes a lo largo de la altura de la viga, NiQ = e*t*τi = e*Ti. No obstante, al dimensionar se calcula con una distribución uniforme entre los n remaches, NiQ = Q/n.
Fig. 4 - Continuación de la chapa vertical con distribución del esfuerzo cortante
Fig. 5 muestra la unión de taller de la chapa vertical (los ángulos de refuerzo y las láminas se prolongan en otro punto).
Fig. 5
Flexión con fuerza normal: Las vigas que están sometidas simultáneamente a momentos de flexión y fuerzas normales se dimensionan según los mismos principios y bajo el supuesto de una distribución lineal de tensiones. Con la deducción completa de los remaches en ambas alas, la sección útil y la posición de la línea neutra no dependen del caso de carga, de modo que las tensiones debidas a M y N pueden sumarse simplemente. La solicitación de los remaches en el empalme se obtiene por superposición de las fuerzas de los casos parciales de carga M, resp. N.
Apoyo y unión del soporte
Aquí se considerará solo la más habitual de las numerosas soluciones. Al evaluar, siempre debe pensarse en las fuerzas complementarias que se obtienen a partir de las desviaciones de los cálculos de resistencia más o menos idealizados.
El apoyo simple de un soporte sobre el cordón superior de otro elemento estructural entra en consideración cuando se dispone de una gran altura constructiva. El caso normal es una unión rígida con remaches o pernos. En la fig. 6 se muestra el apoyo normal de correas continuas en I en la construcción de edificios, que también evita el taladrado en las alas estrechas de las I. En cada caso los soportes deben asegurarse contra el vuelco así como contra las fuerzas transversales (fig. 7 y 8). En la construcción de puentes los soportes suelen emparejarse (fig. 9); apoyo fijo del soporte longitudinal sobre el soporte transversal (fig. 10). Los soportes deben rigidizarse, cuando las fuerzas de apoyo sean mayores, con angulares encastrados o perfiles soldados (fig. 8 a 10). En el caso de soportes compuestos, la carga debe transmitirse al alma.
Fig. 6 - Fijación de correas
Fig. 7 y 8
Fig. 9 y 10
Unión del alma: En la fig. 11 y 12 se muestran uniones de vigas I, que se utilizan en la construcción como uniones normales. El recorte recibe un gran redondeo para evitar el agrietamiento del alma de la viga. El empotramiento elástico de la unión del alma aporta un cierto aumento de la capacidad portante. Las deformaciones descritas son, sin embargo, inocuas bajo una carga predominantemente estática, como por ejemplo en puentes antiguos.
Fig. 11. - Uniones normales de la viga I con sección extrema perpendicular
Fig. 12 - Uniones normales con extremos recortados de la viga I
Las uniones rígidas a flexión se ejecutan cuando se requiere una unión sin cambio de ángulo (apoyos continuos, esquinas rígidas de pórticos) o cuando existe peligro de fallo por fatiga bajo carga variable, especialmente en puentes ferroviarios. Pueden utilizarse láminas de continuidad, uniones rígidas a flexión. esquinas rígidas a flexión, esquinas de pórtico.
- Láminas para continuidad – Si es necesario conectar apoyos que yacen en un mismo plano, entonces se unen ambas alas superiores con una lámina o pletina de continuidad. Así, los remaches de la unión quedan libres de esfuerzos de tracción y se evitan grandes deformaciones.
Fig. 13 - Unión con lámina para continuidad
Fig. 14 - Unión de las vigas longitudinales a) del puente de autopista; b) del puente ferroviario
- Uniones rígidas al flexionamiento – Este tipo de unión se encuentra en las ménsulas macizas de las pasarelas de los puentes de carretera. Para momentos menores, su chapa vertical se une solo de dos en dos entre los angulares de arriostramiento del elemento principal. El momento introducido se distribuye a través del arriostramiento a toda la altura del elemento principal, es decir, se introduce en sus alas como un sistema de fuerzas.
Fig. 15 y 16
- Ángulos rígidos a la flexión – Los ángulos rígidos a la flexión entre columnas y vigas secundarias en la edificación deben construirse de modo que el ángulo sea invariable y no se produzcan sobreesfuerzos locales. Uniones fiables en los ángulos se obtienen, por ejemplo, según la fig. 16 cuando se utilizan chapas de ala o según la fig. 100 cuando el momento de empotramiento en las alas de la columna se recibe como un par de fuerzas.
- Ángulos del marco – En marcos poligonales, la prolongación puede realizarse en el punto de quiebre si la diferencia de ángulo es pequeña; las barras unidas se cubren con ataduras como barras de tracción y de compresión. Las fuerzas de giro se concentran en el punto de quiebre y deben ser absorbidas por rigidizadores. En la fig. 101 obsérvese la diferencia en el cubrimiento de la prolongación y el arriostramiento, según el sentido del momento flector y de las fuerzas de desviación. En caso de fuerzas grandes y una diferencia de ángulo considerable, se evita que la prolongación llegue a una parte fuertemente curvada del marco. Las prolongaciones junto a los ángulos del marco permiten una mejor forma constructiva y facilitan la fabricación. Ejemplos con prolongaciones universales remachadas a ambos lados del punto de quiebre se muestran en la fig. 102a y en la fig. 102b, en la que el ángulo consta de una parte soldada. En la fig. 103 se muestra la unión rígida a flexión del montante del marco con la traviesa continua.
Fig. 17a
Fig. 17b
Uniones oblicuas: En las uniones consideradas hasta ahora, las almas estaban mutuamente perpendiculares. Si, sin embargo, el ángulo no es recto, entonces los angulares (fig. 18) se giran; en ángulos muy agudos se utilizan calzos en cuña. Utilícense cubrejuntas de continuidad y piezas de apoyo en cada caso como en las uniones rectas. Las chapas de unión dobladas (fig. 19) están sometidas a una gran excentricidad y a fuerzas suplementarias considerables. La ejecución de uniones oblicuas se facilita cuando se emplean placas de unión soldadas (fig. 20).
Fig. 18
Fig. 19
Fig. 20