Vigas compuestas (composite beams): resistencia y rendimiento explicados

Una viga compuesta es un elemento constructivo que consiste típicamente en una losa de hormigón armado unida y apoyada en vigas de acero perfilado. Las vigas compuestas son más resistentes que la suma de sus partes y exhiben combinación favorable de características de resistencia de ambos materiales. Esto significa que una viga compuesta de acero y hormigón posee tanto la resistencia a compresión del hormigón como la resistencia a tracción del acero. Hay otros tipos de vigas compuestas que combinan diversos grados de hormigón con compuestos plásticos y madera. La viga compuesta de acero y hormigón armado es, sin embargo, la más usada.

Unir dos materiales disímiles para formar un compuesto no solo combina sus resistencias colectivas. Formar una unión entre materiales relevantes realza sus características físicas y hace el compuesto más fuerte que la suma de sus resistencias. En construcción a gran escala, acero y hormigón son las combinaciones más frecuentes. El hormigón aporta masa, rigidez y resistencia a compresión, reduciendo flecha y vibración en la losa. Los elementos de acero dan resistencia a tracción con excelentes relaciones resistencia-peso y tiempos de construcción rápidos.

Una de las partes más importantes de una viga compuesta son los puntos de fijación o conectores de corte (shear connectors) entre los dos materiales. La correcta conexión permite que los materiales actúen como unidad y da su resistencia inherente. Estos conectores son típicamente pernos soldados a las vigas de acero y embebidos en la losa de hormigón. El número y tamaño se calculan cuidadosamente como parte crítica del rendimiento mecánico del compuesto.

Una viga compuesta de hormigón y acero puede usar losas prefabricadas o coladas in situ. Las prefabricadas tienen ranuras o bolsillos que aceptan los pernos de fijación. Estos bolsillos se rellenan con hormigón al posicionar la losa. Fabricar in situ es más complejo y requiere lámina perfilada (deck) antes de verter hormigón. Esta lámina suele ser chapa ligera de acero con perfiles según aplicación.

La lámina se coloca sobre las vigas, y los conectores de corte se fijan a las vigas mediante "soldadura a través de chapa" (through-deck welding) o disparo (shot firing). Una vez la lámina en su sitio, se vierte hormigón y se añaden armaduras. La lámina sirve para contener el hormigón fresco y aporta resistencia al compuesto una vez fraguado.

Varios otros tipos de vigas compuestas se usan en construcción menor. Incluyen vigas de madera que soportan tiras de hormigón ligero como losas en casas de madera. Cajas compuestas de resina rellenas de hormigón se usan en puentes. Son fuertes, rápidas de fabricar, y relativamente ligeras, requiriendo mínima maquinaria pesada. Aunque muy distintas en materiales, todos estos elementos usan el mismo principio de resistencias compartidas que las vigas tradicionales de acero y hormigón.

Diferencia entre viga compuesta y viga sellada (sealed beam)

Como se mencionó, estructuras y edificios contienen amplia gama de tipos de vigas. Las compuestas son solo una de más de 20 usadas en construcción moderna. Pero quizás has visto "sealed beam" y te confunde. ¿Tiene algo que ver con construcción?

Resulta que las vigas selladas (sealed beams) no son del mundo de la construcción. Son un diseño de faro de automóvil con bombilla detrás de lente sellada en unidad autónoma. Eran el tipo antiguo que la mayoría de coches traían antes de 1990. Hoy encontrarás faros compuestos (composite beam headlamps) en vehículos: son específicos de marca/modelo, permitiendo reemplazar solo la bombilla si se funde. En contraste, había que reemplazar todo el faro sellado si fallaba.

Tipos de vigas de construcción

Ahora que sabemos que sealed beams no tienen conexión con construcción, repasemos los tipos más comunes. Se clasifican por características lógicas: condiciones de apoyo, materiales, geometría, formas de sección transversal y método de construcción.

Materiales y condiciones de apoyo

Las vigas compuestas caen en misma categoría que hormigón armado, acero y madera. La mayoría emparejan acero con hormigón armado, pero otros combinan compuestos plásticos y madera con hormigón. Otras vigas por materiales: acero puro, madera, hormigón armado.

Las vigas también se categorizan por cómo se apoyan. Vigas simplemente apoyadas descansan en apoyo fijo en un extremo y rodante en el otro, libres de rotar. Vigas fijas tienen apoyos en ambos extremos pero no rotan. Vigas voladizo (cantilever) se fijan a superficie vertical y se extienden. Comunes para miradores y balcones. Vigas continuas tienen más de dos apoyos a lo largo de su longitud.

Geometría y formas de sección transversal

Forma y geometría también juegan papel clave. Las de sección transversal suelen ser de hormigón armado, acero o mezcla. Diseños típicos: rectangular, T, L, recta, curva, cónica.

Método de construcción

Las vigas de hormigón pueden fabricarse mediante métodos específicos para mejor apoyo. Vigas coladas in situ se hacen en obra, mientras prefabricadas se hacen en fábrica antes del proyecto. También hay vigas pretensadas, con hilos metálicos pretensados dentro para mejorar rendimiento.

¿Qué espumas se usan para vigas compuestas?

Ya aprendiste sobre vigas compuestas y otros tipos en construcción. Pero otro tipo se usa en entornos de alto rendimiento: la viga sándwich (sandwich beam). Estructura típica en aeroespacial, automoción, naval y turbinas eólicas. Las vigas compuestas sándwich tienen beneficios: resistencia, fatiga, durabilidad, rigidez.

Construcción de vigas sándwich

Las vigas compuestas sándwich suelen consistir en núcleo interior de baja rigidez y densidad, emparejado con dos pieles exteriores y adhesivo fuerte. Las pieles exteriores a menudo contienen fibra de carbono o aluminio aeroespacial, pero pueden ser laminados de vidrio, termoplásticos reforzados con fibra de carbono o polímeros termoestables. Sus interiores de baja densidad son espumas de celda abierta o cerrada. Fabricantes eligen de variedad selectiva:

• Espuma Nomex
• Nido de abeja metálico (metal honeycomb)
• Espumas de polímero plástico

Espumas Nomex

Nomex es un polímero meta-arámido resistente a calor y llama, creado por DuPont en los 60. Presume resistencia a tracción de 340 MPa (~49.300 psi). Aguanta temperaturas hasta casi 370 °C (700 °F).

Espumas de polímero

Espumas de polímero plástico son populares para núcleos de vigas sándwich. Poliuretano, PVC, polietileno y poliestireno son los más usados. Como Nomex, crean interior de baja densidad.

Beneficios de vigas compuestas sándwich

Las vigas compuestas sándwich dan ventajas importantes en ingeniería. Al emparejar pieles exteriores rígidas con núcleos de baja densidad, entregan resistencia superior reduciendo peso total. Este diseño resulta en alta resistencia y rigidez a flexión relativas al peso. Según materiales, también ofrecen aislamiento térmico, resistencia a corrosión y estabilidad. También ofrecen gran capacidad de absorción de energía en colisiones (crashworthiness).