La ingeniería estructural ha cambiado mi mundo de muchas maneras, desde la construcción de rascacielos hasta la construcción de puentes que cruzan ríos enteros.
La columna de viga simple es una de las partes más importantes de muchos de estos edificios.
Esta parte de la estructura está sujeta tanto a carga axial como a momentos de flexión causados por fuerzas laterales o la excentricidad de la carga longitudinal al mismo tiempo.
Muchas de las maravillas de la ingeniería de hoy no serían posibles sin las columnas de vigas.
En este artículo, analizaré las columnas de vigas y hablaré sobre qué son, cómo funcionan y por qué son importantes.
Esta publicación es para cualquier persona, ya sea un nuevo estudiante de ingeniería o un ingeniero experimentado que quiera aprender algo nuevo.
Entonces, comencemos y descubramos qué son las columnas de vigas y qué hacen.
Introducción
Definicion formal:
Un miembro estructural está sujeto simultáneamente a carga axial y momentos flectores producidos por fuerzas laterales o la excentricidad de la carga longitudinal.
La columna de viga es una parte importante de la ingeniería que se utiliza para soportar edificios, puentes y otras estructuras.
En este artículo, veremos las diferentes formas en que se utilizan las columnas de vigas en proyectos de ingeniería y construcción.
¿Qué es una viga columna?
Una columna de viga es un miembro estructural que está hecho para soportar cargas en su eje longitudinal.
Se le puede llamar miembro de compresión, lo que significa que la mayor parte del peso recae sobre él cuando se comprime.
Una columna de viga puede soportar el peso de vigas, paredes, losas y otras estructuras.
Tipos de columnas de vigas
Hay muchos tipos diferentes de columnas de vigas que se utilizan en ingeniería.
Las columnas de vigas de acero laminado son un tipo común de columna que se utiliza en la construcción de acero.
Se fabrica enrollando placas de acero en una forma que puede sostener cargas cuando se presionan juntas.
- Columna de viga de hormigón armado: este tipo de columna de viga está hecha de hormigón y está reforzada con barras de acero.
Se utiliza para construir con hormigón armado y es una gran manera de mover cosas pesadas.
- Columna de vigas de madera: este tipo de columna de vigas está hecha de madera y se usa a menudo en la construcción residencial.
- Columna de viga compuesta: este tipo de columna de viga se fabrica combinando dos o más materiales, como acero y hormigón, para crear una estructura más resistente y duradera.
¿Por qué conformarse con menos cuando la columna de vigas te lo da todo?
¿Todavía es difícil de entender? Déjame cambiar un poco el punto de vista:
¿Estás harto de vigas aburridas y rectas que solo pueden hacer una cosa a la vez? ¡No mires a ningún otro lugar que no sea la columna de vigas! ¿Por qué usar una viga unidimensional simple cuando puede usar un miembro que hace todo?
Sí, la viga-columna es el triunfador de la ingeniería estructural porque puede manejar fácilmente tanto las cargas axiales como los momentos de flexión.
Entonces, ¿por qué elegir solo un tipo de carga cuando puedes tenerlas todas? Con la columna de viga versátil, puede aceptar la rareza de la carga longitudinal y agregar algo de fuerza lateral a su vida.
De acuerdo, solo fue una broma hecha para parecer un anuncio de televisión.
Ahora volvamos a la explicación.
Materiales Utilizados en Vigas-Columnas
Las vigas-columnas pueden estar hechas de piedra, madera, hormigón o acero, entre otras cosas.
En la construcción moderna, sin embargo, las columnas de acero en forma de H se utilizan a menudo porque son fuertes y rígidas.
Los lados de ala más largos de la columna en forma de H son más gruesos que la pieza central del alma, lo que la hace más capaz de resistir las fuerzas de compresión.
Los edificios modernos también suelen estar sostenidos por sistemas de vigas y columnas de hormigón armado.
Definición y diferencias
Definición de viga y columna
Una viga es una pieza de un edificio que está hecha para resistir cargas por flexión.
Por lo general, es plano y se sostiene en los extremos oa lo largo de su longitud.
La mayoría de los pisos, techos y puentes están sostenidos por vigas.
Por otro lado, una columna es una parte vertical de un edificio que está hecha para resistir principalmente cargas de compresión.
Por lo general, se usa para sostener un edificio u otra estructura y mover el peso a los cimientos.
Diferencias entre viga y columna
Hay algunas diferencias principales entre vigas y columnas.
- Capacidad de carga: las vigas se fabrican principalmente para transportar cargas dobladas, mientras que las columnas se fabrican principalmente para transportar cargas comprimidas.
Debido a esto, las vigas tienden a ser más fuertes cuando se doblan y más débiles cuando se comprimen, mientras que las columnas tienden a ser más fuertes cuando se comprimen y más débiles cuando se doblan.
- Orientación: las vigas suelen estar a los lados y las columnas suelen estar en la parte superior.
- Condiciones de apoyo: Las vigas suelen estar apoyadas en sus extremos oa lo largo de su longitud, mientras que las columnas suelen estar apoyadas en su base y en su parte superior.
- Forma de la sección transversal: las vigas suelen ser cuadradas, circulares o en forma de I, mientras que las columnas suelen ser cuadradas, circulares o rectangulares.
Conceptos clave y diferencias
Una columna de viga es una pieza de un edificio que está hecha para soportar cargas axiales y de flexión.
Se utiliza cuando es necesario mover cargas pesadas desde la estructura hasta la cimentación.
La viga columna va desde la subestructura hasta la superestructura.
Es una parte clave para mover el peso desde la parte superior del edificio hasta los cimientos.
Diferencias entre columnas de vigas, vigas y columnas
Estas son las diferencias más importantes entre columnas de vigas, vigas y columnas:
- Capacidad de carga: una columna de viga está hecha para soportar cargas axiales y de flexión, mientras que una viga está hecha principalmente para soportar cargas de flexión y una columna está hecha principalmente para soportar cargas axiales.
Una columna es un miembro de compresión vertical, mientras que una viga es un miembro de compresión horizontal.
Una columna de viga conecta la base con la capa superior, que puede ser horizontal o vertical.
En cuanto a la forma de la sección transversal, una viga suele ser cuadrada, circular o en forma de I, mientras que una columna suele ser cuadrada, circular o rectangular.
La sección transversal de una columna de viga puede tener cualquier forma, pero generalmente es una combinación de formas cuadradas y redondas.
- Uso: las vigas se usan principalmente para soportar pisos, techos y puentes, mientras que las columnas se usan principalmente para soportar el peso de un edificio u otra estructura.
Las columnas de vigas se utilizan en edificios que necesitan transferir cargas axiales y de flexión a los cimientos.
Conexión viga-columna
Las conexiones viga-columna mantienen juntas vigas y columnas en una estructura.
En este artículo, veremos los diferentes tipos de conexiones viga-columna y cómo ayudan a mantener un edificio seguro y estable.
Tipos de conexiones viga-columna
Según la rigidez de la conexión, existen dos tipos principales de conexiones viga-columna: conexiones flexibles y conexiones rígidas.
- Conexión flexible: en una conexión flexible, que también se denomina conexión simple o conexión con pasador, no hay transferencia de momento entre las partes que están conectadas.
Mueve fuerzas axiales o cortantes, pero no momentos.
Las conexiones flexibles se utilizan a menudo en estructuras donde las conexiones entre vigas y columnas tienen que lidiar con pequeños giros o vueltas.
- Conexión rígida: Una conexión rígida, también llamada conexión fija o resistente a momento, transfiere tanto cortante como momento entre las partes que están conectadas.
Las conexiones rígidas se utilizan cuando la conexión entre una viga y una columna tiene que soportar grandes torsiones o fuerzas de torsión.
Conexiones especiales
Para uniones torcidas, vigas excéntricas a columnas y conexiones a almas de columnas, se pueden usar conexiones simples.
Estas conexiones se consideran especiales.
Al hacer las secciones de la viga más pequeñas, las conexiones simples pueden tener más resistencia a la unión.
Esto se puede hacer cortando agujeros en el alma de la viga o cortando parte de las alas de la viga (sección de alma reducida).
Factores que influyen en el diseño de la conexión viga-columna
El tipo de conexión viga-columna utilizada depende de varios factores, como la cantidad de peso que puede soportar la estructura, los requisitos de diseño estructural y las propiedades de los materiales.
Algunas de las cosas que afectan cómo se hacen las conexiones viga-columna son:
- Capacidad de Carga: La conexión viga-columna debe tener suficiente capacidad de carga para resistir las fuerzas y momentos que puedan actuar sobre ella.
- Requisitos para el diseño estructural: el diseño de la conexión viga-columna debe cumplir con el código de construcción y las especificaciones del proyecto para el diseño estructural.
- Propiedades de los materiales: El diseño debe tener en cuenta la resistencia y rigidez de los materiales utilizados en la conexión viga-columna.
Máximo momento y diseño
En el diseño estructural, la capacidad de una estructura para resistir momentos de flexión es una parte clave para garantizar que se mantenga estable.
Momento máximo
Las ecuaciones y fórmulas del momento de flexión se utilizan para calcular cuánto se puede doblar una viga.
El momento máximo es el momento más alto que puede tener una estructura bajo un determinado caso de carga.
Es importante recordar que el caso más importante para el diseño puede no ser siempre el momento máximo.
Debido a cómo interactúan las fuerzas de flexión y axiales o de torsión, un caso de carga diferente con un valor de momento más bajo puede terminar siendo el caso más importante para el diseño.
Momentos de diseño
Momentos de diseño y momentos máximos no son lo mismo.
Los momentos de diseño se calculan observando los requisitos del código y los factores de seguridad, mientras que los momentos máximos se calculan observando los resultados de un análisis.
Los momentos de diseño tienen en cuenta cosas como las propiedades del material, los factores de seguridad y las combinaciones de cargas según lo que dice el código.
Los momentos de diseño son muy importantes para asegurarse de que la estructura pueda soportar las cargas que se le imponen y todavía tenga suficiente espacio para la seguridad.
Considere las siguientes cosas para determinar el momento de diseño:
- Propiedades del material: al calcular el momento de diseño, se tienen en cuenta el límite elástico y el módulo de elasticidad de la viga.
- Combinaciones de carga: el momento de diseño se determina utilizando la lista del código de construcción de las diferentes combinaciones de carga.
- Factores de seguridad: el momento de diseño incluye factores de seguridad para garantizar que la estructura pueda manejar cargas superiores a las cargas máximas esperadas.
Diseño de columnas de vigas
Las vigas-columnas son miembros estructurales que están comprimidos a lo largo y doblados a lo ancho.
En los edificios, se utilizan para mover el peso de la viga superior a los cimientos.
Para diseñar una viga-columna, debe calcular cuánto peso hay sobre ella y qué tamaño tiene.
Puede hacer esto con un software como la Calculadora de vigas/columnas de Autodesk Inventor o a mano usando fórmulas de libros de texto de ingeniería civil o sitios web como CivilJungle.com o Civicconcepts.com.
Cálculo de cargas en una viga-columna
El primer paso para hacer una estructura viga-columna es calcular cuánto peso se está poniendo sobre la viga y la columna.
La mayoría de las veces, las cargas se aplican en los extremos de las columnas, lo que provoca esfuerzos de compresión axial.
A veces, las fuerzas axiales, las fuerzas transversales y los momentos de flexión pueden actuar sobre una columna (p. Ej., vigas-columnas).
Al dividir la distribución de carga real por la longitud de la viga, puede encontrar la carga uniformemente distribuida en kilonewtons por metro.
Cálculo del tamaño de la viga y la columna.
Después de calcular cuánto peso hay en la viga-columna, debe calcular qué tan grandes deben ser la viga y la columna en función de cuánto peso hay en cada una.
Por ejemplo, el volumen de hormigón para una viga de 230 mm x 450 mm, excluyendo el espesor de la losa, sería de 0,23 x 0,60 x 1 = 0,138 m3 y pesaría 0,138 x 2400 = 333 kg.
De la misma manera, el peso total de una columna cuya longitud suele ser tres veces el ancho de su sección transversal más pequeña se puede encontrar sumando los pesos de todas sus partes.
Conexión viga-columna
Una conexión viga-columna es donde una viga y una columna se juntan en un edificio.
Está formado por la junta y las partes de las vigas, columnas y losa que están junto a la junta.
Dependiendo de la rigidez de la conexión, existen diferentes tipos de conexiones viga-columna.
Una conexión flexible, que también se denomina conexión simple o articulada, transfiere fuerzas cortantes o axiales, pero no momentos.
Una conexión rígida, que también se denomina conexión resistente a momento o conexión fija, mueve tanto cortante como momento entre las partes que están conectadas.
Para uniones torcidas, vigas excéntricas a columnas y conexiones a almas de columnas, se pueden usar conexiones simples.
Momento de flexión máximo
Cuando se aplica una fuerza exterior a una viga-columna, lo que hace que se doble y eventualmente se rompa, es cuando el momento de flexión es máximo.
Cuando se utilizan soportes articulados para sostener una viga continua, se producen momentos de acaparamiento en los soportes intermedios y momentos de hundimiento en los vanos.
Muy cerca de los apoyos intermedios se encuentran los puntos de contraflexión.
Es posible que el punto de máximo momento esté donde se aplica el mayor momento primario.
Momentos de diseño y momentos máximos
Los momentos de diseño se calculan observando los requisitos del código y los factores de seguridad, mientras que los momentos máximos se calculan observando los resultados de un análisis.
Al diseñar momentos, se tienen en cuenta muchas cosas, como las propiedades del material, los factores de seguridad y las combinaciones de carga.
Los momentos máximos solo tienen en cuenta las cargas que se aplican a una estructura, no los requisitos de seguridad o de código.
Relación de esbeltez
En ingeniería civil, la relación de esbeltez es la relación entre la longitud de una columna y su dimensión lateral más pequeña.
Para averiguarlo, divida la longitud efectiva de la columna por su radio de giro.
La relación de esbeltez se usa para calcular cuánto peso puede soportar una columna antes de doblarse.
Si la relación de esbeltez es menor o igual a 12, las columnas se consideran cortas.
Si es más de 12, las columnas se consideran largas o delgadas.
Las columnas cortas se controlan por su largo y ancho, mientras que las columnas largas y delgadas se controlan por sus proporciones de largo a ancho.
Uniones de vigas/columnas
Sugerencia: Active el botón de subtítulos si lo necesita. Elija "traducción automática" en el botón de configuración, si no está familiarizado con el idioma hablado. Es posible que primero deba hacer clic en el idioma del video antes de que su idioma favorito esté disponible para la traducción.
Usos de la columna de vigas
Puentes:
Las columnas de vigas a menudo se usan para construir puentes porque pueden manejar los momentos de flexión causados por el peso de los vehículos, así como las fuerzas laterales causadas por el viento y los terremotos.
También se pueden fabricar para adaptarse a diferentes luces y cargas, lo que las convierte en una buena opción para puentes de luz corta y larga.
Edificios grandes y altos:
Las columnas de vigas a menudo se usan en edificios altos porque pueden soportar pesos pesados y resistir las fuerzas del viento y los terremotos.
También son excelentes para edificios altos porque se pueden hacer con diferentes longitudes y diámetros.
Esto ayuda a distribuir el peso de manera más uniforme y hace que el edificio sea más estable en su conjunto.
Estructuras industriales:
Debido a que pueden contener equipos y maquinaria pesados, las columnas de vigas a menudo se usan en edificios industriales como fábricas y almacenes.
En este tipo de edificios, las columnas de vigas a menudo se usan para soportar las armaduras del techo y mover el peso desde el techo hasta los cimientos.
Estructuras residenciales:
Las columnas de vigas también se utilizan en edificios residenciales, especialmente para las paredes y los cimientos de los sótanos.
También se pueden usar como columnas de soporte en planos de planta abiertos para ayudar a mantener estables los pisos superiores.
Proyectos de infraestructura:
Las columnas de vigas se utilizan con frecuencia en proyectos de infraestructura como túneles, presas y muros de contención.
En los túneles, las columnas de vigas sostienen el techo y las paredes.
En las represas, ayudan a distribuir el peso del agua de manera uniforme a lo largo de la estructura.
Las columnas de vigas se pueden usar en muros de contención para detener las fuerzas laterales causadas por la presión del suelo y el agua.
Conclusión
A medida que finalizamos nuestra mirada a las columnas de vigas, está claro que estas partes de construcción son muy importantes en el mundo de la ingeniería.
Desde los cimientos de nuestros edificios hasta las carreteras que conectan nuestras ciudades, las columnas de viga brindan a muchas de las estructuras que usamos todos los días el soporte y la estabilidad que necesitan.
Pero las columnas de vigas también son interesantes porque nos dan una visión única de cómo la forma y la función funcionan juntas.
La forma en que se fabrica y coloca una columna de vigas puede tener un gran efecto en la apariencia y el tacto de un edificio en su conjunto.
Debido a esto, podemos pensar en las columnas de vigas no solo como herramientas útiles, sino también como una parte importante de la ingeniería como arte y ciencia.
Así que la próxima vez que pase por un rascacielos o cruce un puente, tómese un momento para apreciar la columna de viga simple que ayuda a que todo sea posible.
Enlaces y referencias
Introducción al diseño de columnas de acero o elementos comprimidos
Detalle Construcción con Acero
Uso Estructural del Concreto
Compartir en…
