Viga de concreto: Cálculo, Tipos, Características

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La viga de concreto es un elemento estructural, cuya longitud es considerablemente mayor a sus otras dimensiones, tales como el peralte y la base. Las vigas que se construyen en concreto, son reforzadas con acero para lograr una resistencia en conjunto, a los esfuerzos que soportará la estructura.

Características en vigas de concreto

  • Son diseñadas para soportar cargas lineales, concentradas o uniformes. Pueden ser de un claro o continuas, en caso de tener varios tramos.
  • Las vigas de concreto deben reforzarse con acero, ya que el concreto por si solo no resiste la flexión de las cargas a las cuales será sometida la estructura.
  • El acero absorbe los esfuerzos generados por la tensión que impactan la estructura de la viga. Así como el concreto trabaja muy bien a compresión.
  • El refuerzo se coloca longitudinalmente y transversalmente a lo largo de toda la viga, permite cierto grado de flexión a la estructura para evitar daños.
  • Las barras de acero de refuerzo transversales evitan el pandeo a la vez que mantienen en su posición al acero longitudinal.

Tipos de vigas de concreto

Existen diferentes tipos de vigas de concreto para construcción. Por su modo de fabricación, pueden ser construidas en sitio o se pueden adquirir vigas prefabricadas, del material que se desee.

Las vigas que se construyen para una casa, suelen ser de forma rectangular, que asemejan a las que comúnmente se usan de madera. En la edificación de grandes estructuras se emplean otros tipo de secciones para las vigas, como es el caso de las vigas tipo I.

Clasificación de las vigas

Las vigas pueden ser clasificadas en base a varios criterios, tales como las cargas a las cuales será sometida la estructura, por la forma de su fabricación, tipo de refuerzo, tipo de soporte, material de fabricación o acorde a su dependencia.

Vigas I

Su forma obedece a que los puntos críticos, en donde se concentran los esfuerzos de compresión y tensión, que están ubicados en los extremos superior e inferior de la viga. 

La forma de las vigas tipo I, favorecen el ahorro de material, ya que en su parte central disminuye la sección significativamente, lo que se traduce en una disminución de la cantidad de material requerido.

Los puentes construidos con las vigas tipo I se fundamentan en las especificaciones del manual AASHTO (Standar Specification for Highway Bridges).

Existe una clasificación para las vigas Tipo I, que obedece a las propiedades de su sección. Estas pueden variar su área, inercia, peso, entre otras propiedades, que sirven para la realización del diseño de estructuras.

Vigas T

Son estructuras de hormigón armado conformadas por el alma y el ala, con sección transversal en forma de T.

Las vigas T se diferencian de las vigas I por no poseer el ala inferior. Sin embargo, cumplen una función estructural determinada en la edificación para la cual se diseñen.

Vigas de concreto preesforzado

Este tipo de vigas se diferencian de las vigas de concreto reforzado, debido a la menor cantidad de concreto que se emplea, el cual ronda de un 20% a 35% menos de material, son mas esbeltas y son construidas en menor tiempo.

Se emplean habitualmente en la construcción de edificios y puentes. Las vigas de concreto preesforzado son elementos estructurales de bajo costo inicial, mantenimiento económico y se construyen con rapidez.

Vigas rectangulares

En la construcción de una vivienda se suelen emplear vigas rectangulares vaciadas en sitio, debido a que su longitud es variable en relación al diseño de la casa.

Los tipos de viga que se construyen en una casa podemos encontrar:

  • Vigas sísmicas, que van a quedar bajo el nivel de terreno.
  • Las vigas de amarre, sobre nivel de ventanas y puertas.
  • De cierre o vigas de techo, finalizan el cerramiento y unen con la estructura de techo.

Todas las vigas van unidas a las columnas que soportan la vivienda, de manera tal, que el sistema trabaja en conjunto para dar soporte estructural a la construcción.

Para llevar a cabo los cálculos de materiales, se hace necesario establecer los parámetros iniciales mínimos requeridos para determinar todas las cantidades necesarias.

Fallas que pueden generarse en una viga de concreto

Existen muchas condiciones que pueden poner a prueba la capacidad de una estructura para resistir esfuerzos, sin que se vea afectada la seguridad de las personas. Una edificación puede verse sometida a múltiples fallas, que pueden ocurrir como consecuencia de sismos, incendios, entre otros.

Las vigas cumplen una función estructural, que contribuye a soportar una edificación ante cualquier perturbación que pueda representar un riesgo para la funcionabilidad de la estructura.

Tipos de fallas en vigas

Falla dúctil: la parte inferior de la viga se flexiona como consecuencia de la tracción, si los esfuerzos generados son grandes el concreto se fisura y es una clara advertencia de lo que le puede ocurrir a la estructura.

Falla frágil: la cara superior se ve acortada por la compresión, la flexión ocurre debido a un incremento de cargas, puede estar acompañado de fisuras y grietas que se generan por fuerzas de corte. 

 

Ejemplo de cálculo de viga de concreto para una casa – vigas de amarre y techo

Pasos para realizar el cálculo

Paso 1. Determinar la sección de la viga de amarre.

La sección de las vigas de una casa generalmente son figuras rectangulares. Se calcula el área de un rectángulo:

A = B x H

Paso 2. Determinar la sección de la viga de techo.

Igualmente aplica la formula anterior para las vigas de techo:

A = B x H

Paso 3. Determinar las longitudes y volumen de mezcla requerido.

La longitud se obtiene de sumar el perímetro de las paredes exteriores y las paredes internas de carga, tanto para la viga de amarre, como para la viga de techo.

El volumen de concreto se obtendrá de multiplicar el área por la longitud.

V = A x L

Paso 4. Establecer las constantes de rendimiento para materiales.

Los materiales para construir la viga, poseen rendimientos teóricos-empíricos que sirven para realizar una estimación aproximada de trabajo.

  • Cemento
  • Arena
  • Piedra o gravilla
  • Barras de acero
  • Alambre para amarre de acero
  • Clavos
  • Madera para encofrado
Material Rendimiento estimado
Cemento 8.50 sacos / m3  ; desperdicio 6%
Arena 0.06 m3 / Saco de cemento  ; desperdicio 10%
Piedra 0.11 m3 / Saco de cemento  ; desperdicio 10%
Barras de acero longitud / 9 metros  (si son barras de 30 pies)

Cuadro de estimaciones de rendimientos de material.

 

Ejemplo para una viga de concreto de 0.10 m de base y 0.30 m de altura.

Paso 1. Multiplicar la base por la altura para obtener el área de la sección rectangular.

A = B x H

A = 0.10m  x 0.30m

A = 0.03 m2

Paso 2. Se aplica la misma fórmula, en este caso la sección es la misma, entonces el área es igual.

A = B x H

A = 0.10m  x 0.30m

A = 0.03 m2

Paso 3. Obtener los volúmenes de mezcla de concreto.

V = A x L

Para la viga de amarre, se ha medido la longitud = 50.76 metros

Vamarre = 0.03m2 x 50.76m

Vamarre = 1.52 m3

Para la viga de techo, se ha medido la longitud = 35.03 metros

Vtecho = 0.03m2 x 35.03m

Vtecho = 1.05m3

Paso 4. Una vez se conocen los volúmenes de mezcla requeridos, entonces se pueden estimar las cantidades de materiales. Para efectos del ejemplo, se utilizaran los valores para rendimiento establecidos en la tabla superior.

Para vigas de amarre

Sacos de cemento = Volumen mezcla * cantidad de sacos por m3 * desperdicio

Sacos de cemento = 1.52 x 8.5×6% = 13.7 se redondea a 14 unidades

Arena = 0.06 por saco de cemento * desperdicio

Arena = 0.06×14*10%

Arena = 0.9 m3

Piedra = 0.11×14*10%

Piedra = 1.69 m3

Para vigas de techo

Sacos de cemento = 8.5 x 1.05 x 1.06

Sacos de cemento = 9.4 sacos, se redondea  a 10 unidades

Arena = 0.06 x 10 x 1.10

Arena = 0.66 m3

Piedra = 0.11×10*10%

Piedra = 1.21 m3

El cuadro resumen a continuación, se presenta con cantidades redondeadas.

 

Criterios generales para diseño de vigas de concreto

Los métodos utilizados para el análisis de vigas varían en relación al tipo de material del que son elaboradas las vigas. Sin embargo, existen principios fundamentales que rigen el diseño de vigas.

En una sección transversal de la viga existen fuerzas internas normales y tangenciales a la sección. Los componentes normales a la sección se conocen como esfuerzos de flexión, cuya función es resistir los momentos flectores que actúen sobre la sección. Los componentes tangenciales se les conocen como esfuerzos cortantes, cuya función es la de resistir fuerzas transversales o cortantes.

Resistencia a flexión

Los métodos que se utilizan para determinar los esfuerzos y deformaciones unitarias que ocurren en la estructura de las vigas de concreto puede hacerse mediante el método de esfuerzos elásticos y sección no fisurada, así como también se puede realizar a través del método de esfuerzos elásticos y sección fisurada.

Aspectos generales en el diseño de vigas 

Protección de concreto para el refuerzo

Para evitar daños en el acero por corrosión o fuego, se debe dejar un recubrimiento mínimo de concreto por la parte exterior del acero más expuesto.

Dimensiones del concreto

Las vigas de concreto reforzado brindan la ventaja de tener gran adaptabilidad a diferentes espacios. Las dimensiones de una viga pueden ser múltiples, desde anchas y de poca altura hasta delgadas y altas.

Una viga de concreto reforzada puede ser construida ancha, de poca altura y con gran cuantía de acero para lograr un ahorro en costo de materiales.

Selección y espaciamiento de las barras de acero

Los tamaños más usuales de barras de acero oscilan entre las N°3 y las N°11.  La cantidad máxima de barras que pueden colocarse en una viga de determinado ancho va a depender del diámetro de la barra y el espaciamiento de las mismas.

 

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