Viga (estructura)
Una viga es un elemento estructural que resiste principalmente cargas aplicadas lateralmente al eje de la viga (un elemento diseñado para soportar principalmente carga axial sería un puntal o columna). Su modo de deflexión es principalmente por flexión. Las cargas aplicadas a la viga dan como resultado fuerzas de reacción en los puntos de apoyo de la viga. El efecto total de todas las fuerzas que actúan sobre la viga es producir fuerzas cortantes y momentos flexionantes dentro de las vigas, que a su vez inducen tensiones internas, deformaciones y deflexiones de la viga. Las vigas se caracterizan por su forma de apoyo, perfil (forma de sección transversal), condiciones de equilibrio, longitud y su material.
Las vigas son tradicionalmente descripciones de elementos estructurales de construcción o ingeniería civil, donde las vigas son horizontales y soportan cargas verticales. Sin embargo, cualquier estructura puede contener vigas, por ejemplo, bastidores de automóviles, componentes de aviones, bastidores de máquinas y otros sistemas mecánicos o estructurales. En estas estructuras, cualquier elemento estructural, en cualquier orientación, que resista principalmente cargas aplicadas lateralmente al eje del elemento sería un elemento de viga.
Descripción general
Históricamente, las vigas eran vigas escuadradas, pero también son de metal, piedra o combinaciones de madera y metal, como una viga de listón. Las vigas transportan principalmente fuerzas gravitacionales verticales. También se utilizan para transportar cargas horizontales (por ejemplo, cargas debidas a un terremoto o viento o en tensión para resistir el empuje de la viga como viga de atado o (normalmente) la compresión como viga de collar). Las cargas soportadas por una viga se transfieren a columnas, muros o vigas, que luego transfieren la fuerza a miembros estructurales adyacentes en compresión y eventualmente al suelo. En la construcción de armazones livianos, las vigas pueden descansar sobre vigas.
Clasificación según soportes
En ingeniería, las vigas son de varios tipos:
- Simplemente soportado – un haz apoyado en los extremos que son libres de girar y no tienen resistencia de momento.
- Fijo o encastré (encastrated) – un haz apoyado en ambos extremos y restringido de la rotación.
- Overhanging – un simple rayo que se extiende más allá de su apoyo en un extremo.
- Doble sobresaliente – un simple haz con ambos extremos que se extiende más allá de sus soportes en ambos extremos.
- Continuo: un haz que se extiende sobre más de dos soportes.
- Cantilever – un haz de proyecto fijo sólo en un extremo.
- Trussed – una viga fortalecida agregando un cable o varilla para formar una tress.
- Beam en soportes de primavera
- Beam sobre la base elástica
Segundo momento de Área (Momento de inercia del Área)
En la ecuación de haz se utiliza para representar el segundo momento de área. Es comúnmente conocido como el momento de la inercia, y es la suma, sobre el eje neutral, de dA*r^2, donde r es la distancia del eje neutral, y dA es un pequeño parche de área. Por lo tanto, abarca no sólo cuánto área tiene la sección del haz en general, sino hasta qué punto cada pedazo de área es del eje, cuadrado. Cuanto más grande soy, más rígida es la viga en la curvatura, para un material dado.
Estrés
Internamente, las vigas sometidas a cargas que no inducen torsión o carga axial experimentan tensiones de compresión, tracción y corte como resultado de las cargas que se les aplican. Normalmente, bajo cargas de gravedad, la longitud original de la viga se reduce ligeramente para encerrar un arco de radio más pequeño en la parte superior de la viga, lo que produce compresión, mientras que la misma longitud de viga original en la parte inferior de la viga se estira ligeramente para encerrar una arco de mayor radio, por lo que está bajo tensión. Los modos de deformación en los que la cara superior de la viga está comprimida, como bajo una carga vertical, se conocen como modos de hundimiento y donde la cara superior está en tensión, por ejemplo sobre un soporte, se conoce como acaparamiento. La misma longitud original de la mitad de la viga, generalmente a medio camino entre la parte superior e inferior, es la misma que el arco radial de flexión, por lo que no está bajo compresión ni tensión, y define el eje neutro (línea de puntos en la viga). cifra). Por encima de los apoyos, la viga está expuesta a un esfuerzo cortante. Hay algunas vigas de hormigón armado en las que el hormigón está completamente comprimido con fuerzas de tracción tomadas por tendones de acero. Estas vigas se conocen como vigas de hormigón pretensado y se fabrican para producir una compresión mayor que la tensión esperada en condiciones de carga. Los tendones de acero de alta resistencia se estiran mientras se vierte la viga sobre ellos. Luego, cuando el hormigón ha curado, los tendones se sueltan lentamente y la viga queda inmediatamente bajo cargas axiales excéntricas. Esta carga excéntrica crea un momento interno y, a su vez, aumenta la capacidad de carga de momento de la viga. Se utilizan comúnmente en puentes de carreteras.
La herramienta principal para el análisis estructural de las vigas es la ecuación del haz Euler–Bernoulli. Esta ecuación describe con precisión el comportamiento elástico de las vigas delgadas donde las dimensiones transversales de la sección son pequeñas en comparación con la longitud del rayo. Para las vigas que no son esbeltas hay que adoptar una teoría diferente para tener en cuenta la deformación debido a las fuerzas de corte y, en casos dinámicos, la inercia rotatoria. La formulación del haz adoptado aquí es la de Timoshenko y ejemplos comparativos se pueden encontrar en NAFEMS Benchmark Challenge Número 7. Otros métodos matemáticos para determinar la deflexión de las vigas incluyen "método de trabajo virtual" y el "método de deflexión de pendiente". Los ingenieros están interesados en determinar las deflecciones porque el haz puede estar en contacto directo con un material frágil como el vidrio. Las deflecciones de haz también se minimizan por razones estéticas. Una viga visiblemente agitada, incluso si estructuralmente segura, es antiestética y para ser evitada. Un rayo más rígido (modulo alto de elasticidad y/o uno de segundo momento superior de área) crea menos deflexión.
Los métodos matemáticos para determinar las fuerzas de la viga (fuerzas internas de la viga y las fuerzas que se imponen sobre el soporte de la viga) incluyen el "método de distribución de momentos", el método de fuerza o flexibilidad y el método de rigidez directa..
Formas generales
La mayoría de las vigas en edificios de hormigón armado tienen secciones transversales rectangulares, pero una sección transversal más eficiente para una viga es una I o H que normalmente se ve en la construcción de acero. Debido al teorema de los ejes paralelos y al hecho de que la mayor parte del material está alejado del eje neutro, el segundo momento del área de la viga aumenta, lo que a su vez aumenta la rigidez.
An I-beam es sólo la forma más eficiente en una dirección de doblado: arriba y abajo mirando el perfil como un I. Si el haz está doblado lado a lado, funciona como un H donde es menos eficiente. La forma más eficiente para ambas direcciones en 2D es una caja (una cáscara cuadrada); la forma más eficiente para doblar en cualquier dirección, sin embargo, es una cáscara cilíndrica o tubo. Para la flexión unidireccional, I o ancho rayo de brida es superior.
Eficiencia significa que para el mismo área transversal (volumen de haz por longitud) sometida a las mismas condiciones de carga, el haz desvía menos.
Otras formas, como L (ángulos), C (canales), T- viga y doble T o tubos, también se utilizan en construcción cuando hay requerimientos especiales.
Arrendadoras y puntales
Este sistema proporciona refuerzo horizontal para zanjas pequeñas, lo que garantiza la instalación segura de los servicios públicos. Está diseñado específicamente para funcionar junto con láminas de acero para zanjas.
Pared delgada
Una viga de paredes delgadas es un tipo de viga (estructura) muy útil. La sección transversal de las vigas de paredes delgadas está formada por paneles delgados conectados entre sí para crear secciones transversales cerradas o abiertas de una viga (estructura). Las secciones cerradas típicas incluyen tubos redondos, cuadrados y rectangulares. Las secciones abiertas incluyen vigas en I, vigas en T, vigas en L, etc. Las vigas de paredes delgadas existen porque su rigidez a la flexión por unidad de área de sección transversal es mucho mayor que la de secciones transversales sólidas como una varilla o barra. De esta forma se pueden conseguir vigas rígidas con un peso mínimo. Las vigas de paredes delgadas son particularmente útiles cuando el material es un laminado compuesto. Librescu realizó un trabajo pionero en vigas de paredes finas laminadas compuestas.
La rigidez torsional de una viga está muy influenciada por la forma de su sección transversal. Para secciones abiertas, como las secciones en I, se producen deflexiones de alabeo que, si se restringen, aumentan considerablemente la rigidez torsional.