Guía de construcción de vigas metálicas para construcción y puentes modulares de acero

Contenido

1 Vigas metálicas para la construcción de edificios: respuesta directa y especificaciones básicas
2 Tipos de vigas metálicas utilizadas en proyectos de construcción
3 Cálculos de capacidad de carga y luz
4 Calidades de acero y selección de materiales para vigas
5 Vigas metálicas en la construcción de puentes modulares de acero
6 Sistemas de recubrimiento y protección contra la corrosión
7 Métodos de fabricación, soldadura y conexión.
8 Comparación de costos: vigas de acero frente a hormigón y madera
9 Mejores prácticas de instalación y consideraciones del sitio
10 Pautas de mantenimiento e inspección
11 Preguntas frecuentes

Vigas metálicas para la construcción de edificios: respuesta directa y especificaciones básicas

Las vigas metálicas, principalmente vigas en I laminadas en caliente, vigas en H (secciones de ala ancha) y vigas cajón soldadas, siguen siendo el elemento de carga estándar para edificios de varios pisos, cobertizos industriales y puente modular de acero vanos porque ofrecen una relación resistencia-peso que el hormigón y la madera no pueden igualar en secciones transversales comparables. Una viga de ala ancha W12x26, que pesa sólo 26 libras por pie lineal, soporta aproximadamente la misma carga de flexión que una sección de concreto que pesa de cuatro a cinco veces más.

Para un tramo de piso típico de 20 pies en una construcción comercial, los diseñadores comúnmente seleccionan vigas de W16x26 a W18x35 dependiendo de los requisitos de carga viva, mientras que las vigas de puentes modulares de acero para cruces de peatones y vehículos ligeros generalmente se encuentran en el rango de W24 a W36 con capacidades de luz de entre 40 y 120 pies por módulo. El resto de este artículo desglosa los tipos de vigas, cálculos de carga, sistemas de revestimiento, pasos de fabricación, comparaciones de costos y el papel específico que desempeñan las vigas metálicas en el ensamblaje de puentes prefabricados.

36.000 psi rendimiento mínimo, acero al carbono ASTM A36

50.000 Rendimiento mínimo en psi, grado de brida ancha A992

1,6x ganancia de fuerza cambiando A36 a A572 Grado 50

120 pies viga de puente modular típica máxima de un solo vano

Tipos de vigas metálicas utilizadas en proyectos de construcción

Los marcos de construcción combinan varias formas laminadas y fabricadas, cada una adaptada a un tramo, trayectoria de carga o detalle de conexión específicos. Seleccionar el perfil incorrecto es una de las causas más comunes de órdenes de cambio durante el montaje en acero.

Perfiles comunes de vigas de acero estructural y sus aplicaciones típicas en la construcción.
Perfil	Rango de profundidad	Aplicación típica	Costo relativo por tonelada
Forma de W (brida ancha)	4 a 44 pulgadas	Estructuras de piso y techo primario, columnas.	Línea de base
Forma de S (viga en I estándar)	3 a 24 pulgadas	Pistas de grúa, proyectos de modernización más antiguos	5 a 8 por ciento
Forma de C (canal)	3 a 15 pulgadas	Correas, vigas, marcos de bordes.	3 a 6 por ciento
Sección de caja HSS	2 a 20 pulgadas cuadradas/rectas	Columnas, marcos arquitectónicos expuestos.	15 a 25 por ciento
Viga de placa armada	18 a 96 pulgadas	Cubiertas de luces largas, tableros de puentes modulares de acero	30 a 45 por ciento

Las vigas de placa armada, soldadas a partir de placas de ala y alma en lugar de laminadas en un laminador, dominan los trabajos de luces largas donde se agotan las profundidades estándar del catálogo. Este es el perfil que se especifica con mayor frecuencia para las vigas principales de puentes de acero modulares, ya que los fabricantes pueden ajustar el espesor del ala sección por sección para que coincida con el diagrama de momento flector en lugar de usar una sección transversal constante para todo el tramo.

Cálculos de capacidad de carga y luz

La luz permitida para una viga determinada depende de tres factores: límite elástico del acero, módulo de sección del perfil y combinación de carga aplicada (carga muerta más carga viva, agregando viento o sísmica cuando sea relevante). Como regla de trabajo, los ingenieros dimensionan las vigas del piso a una profundidad de aproximadamente un tramo dividido por 20 para cargas vivas típicas de oficina de 50 libras por pie cuadrado, luego verifican la deflexión bajo el tramo dividido por 360 para acabados que son sensibles al movimiento.

El siguiente cuadro ilustra la relación para una serie común en forma de W bajo carga de piso uniforme, y muestra cómo la luz permitida crece con la profundidad de la viga con una carga fija de 50 psf.

Estas cifras asumen acero A992 Grado 50 con intervalos de arriostramiento estándar y son ilustrativos y no un sustituto de un cálculo estructural estampado. Las secciones más profundas no escalan linealmente con el peso. : pasar de W10 a W30 aproximadamente triplica la luz permitida y solo duplica el peso por pie, razón por la cual los techos de luces largas y las plataformas de puentes prefieren secciones más profundas y livianas en relación con la luz en lugar de apilar múltiples vigas poco profundas.

Calidades de acero y selección de materiales para vigas

La selección de grados afecta tanto el costo como el tamaño de la sección. Cuatro grados cubren la gran mayoría de los trabajos de construcción y fabricación de puentes modulares de acero.

Acero al carbono A36: rendimiento de 36 000 psi, el grado más común para ángulos, placas y miembros secundarios donde el ahorro de peso importa menos que el costo.
A992 Grado 50: rendimiento de 50 000 psi, el grado predeterminado para las formas en W laminadas en los Estados Unidos desde principios de la década de 2000, lo que brinda aproximadamente un 39 por ciento más de resistencia que el A36 a un precio unitario similar.
A572 Grado 50/60/65: acero de baja aleación de alta resistencia utilizado para vigas de placa y miembros de puentes con cargas pesadas, disponible con un rendimiento de hasta 65 000 psi.
Acero resistente a la intemperie (tipo A588): forma una capa de óxido estable que elimina los ciclos repetidos de pintura, ampliamente especificado para vigas de puentes de acero modulares expuestas en entornos rurales y de carreteras.

Ahorro de peso gracias a la selección de calidad del compuesto en todo un proyecto. En un marco de almacén de 30,000 pies cuadrados, cambiar las vigas primarias de A36 a Grado 50 generalmente reduce el tonelaje total de acero entre un 12 y un 18 por ciento, lo que reduce los costos de material y tiempo de grúa, aunque el precio por tonelada del Grado 50 es ligeramente más alto.

Vigas metálicas en la construcción de puentes modulares de acero

Un puente modular de acero se ensambla a partir de módulos prefabricados de vigas y paneles de plataforma que se atornillan o fijan entre sí en el sitio en lugar de soldarse como una estructura continua. El enfoque se remonta a los puentes de paneles militares y ahora cubre todo, desde cruces de peatones hasta puentes de desvío de autopistas de dos carriles clasificados para cargas legales de camiones.

Velocidad

Implementación rápida

Un puente modular de acero de un solo carril de 60 a 80 pies generalmente se puede erigir en dos a cuatro días una vez que los cimientos están listos, en comparación con varias semanas para un tramo de concreto moldeado in situ.

Capacidad

Clases de carga nominal

Las vigas de puente de acero basadas en paneles se clasifican comúnmente en clases de carga estándar hasta carga de carretera HL-93, adaptando la profundidad de la viga y el espesor del ala a la configuración del eje requerida.

Reutilizar

Reutilizabilidad

Los componentes atornillados de puentes modulares de acero se pueden desmontar y reubicar, una práctica común para puentes de desvío temporales y cruces en obras de construcción que se necesitan durante seis a dieciocho meses.

Encajar

Adaptabilidad del sitio

Los patrones de pernos estandarizados permiten que el mismo módulo de viga acomode extensiones de tramo agregando paneles intermedios, lo que reduce la necesidad de una viga diseñada a medida en cada cruce.

Las vigas principales en una plataforma de puente modular de acero casi siempre son vigas en forma de W profundas o vigas de placas soldadas dimensionadas para la luz nominal del panel, conectadas de extremo a extremo a través de placas de empalme atornilladas de alta resistencia en lugar de soldaduras de campo, ya que las conexiones atornilladas se pueden inspeccionar y verificar el torque mucho más rápido que las soldaduras durante un programa de instalación comprimido.

Sistemas de recubrimiento y protección contra la corrosión

El acero estructural sin recubrimiento pierde aproximadamente entre 0,001 y 0,005 pulgadas de espesor de sección por año en un ambiente industrial al aire libre típico, razón por la cual la selección del recubrimiento se trata como una decisión de diseño y no como una ocurrencia tardía, especialmente en vigas expuestas y vigas de puentes de acero modulares que se encuentran cerca de cruces de agua.

Sistemas de recubrimiento para vigas de acero estructural e intervalos de servicio esperados.
Sistema de recubrimiento	Espesor típico de película seca	Intervalo esperado antes del mantenimiento
Galvanizado en caliente	3,4 a 4,5 milésimas de pulgada	25 a 40 años, exposición rural/suburbana
Acabado de poliuretano con imprimación epoxi.	8 a 12 mils en total	15 a 20 años antes de recubrir
Sólo imprimación rica en zinc	2 a 3 milésimas	8 a 12 años antes de repintar
Acero resistente a la intemperie (sin recubrimiento)	No aplicable	Más de 50 años, sin ciclo de repintado

La galvanización en caliente es la opción predeterminada para vigas de menos de 40 pies que se ajustan a un tanque de inmersión, mientras que los sistemas de epoxi/poliuretano aplicados en campo cubren vigas de placas más largas y secciones de puentes de acero modulares ensambladas que exceden las dimensiones del tanque.

Métodos de fabricación, soldadura y conexión.

La fabricación en taller de una viga metálica sigue una secuencia fija, y el orden es importante porque la perforación o soldadura fuera de secuencia introduce una distorsión que es costosa de corregir después del hecho.

Corte de bridas y placas de alma a medida mediante corte por plasma CNC o oxicombustible, con tolerancias de corte generalmente mantenidas en más o menos 1/16 de pulgada.
Ajuste y soldadura por puntos del alma a las bridas, comprobando su escuadra antes de comenzar la soldadura completa.
Soldadura completa, generalmente soldadura por arco sumergido para tramos largos y rectos sobre vigas de placa, que deposita el metal de soldadura más rápido y con menos defectos que la soldadura manual por arco metálico protegido.
Perforar o perforar orificios para pernos para placas de empalme en campo y ángulos de conexión, ubicados a partir de una plantilla de taller para garantizar el ajuste en campo.
Verificación y enderezamiento de la comba, ya que las vigas largas están precombadas hacia arriba para contrarrestar la deflexión por carga muerta una vez cargadas.
Preparación de superficies y aplicación de recubrimiento antes del envío.

Las conexiones de campo en marcos de edificios generalmente usan pernos de alta resistencia (grado A325 o A490) en lugar de soldadura de campo, ya que las conexiones atornilladas son más rápidas de instalar, más fáciles de inspeccionar para determinar el torque adecuado y funcionan de manera predecible tanto en marcos de edificios como en juntas de empalme de puentes de acero modulares.

Comparación de costos: vigas de acero frente a hormigón y madera

El costo del material por tonelada cuenta sólo una parte de la historia; El costo de instalación por pie cuadrado de área enmarcada es el número que realmente determina la selección de vigas en la mayoría de los proyectos.

Costo aproximado del marco instalado por sistema estructural, edificio comercial de mediana altura
Sistema	Costo instalado por pie cuadrado	Velocidad típica de erección	Eficiencia del tramo
Acero estructural en forma de W	$18 a $26	Construcción rápida y seca	Luces libres altas y más largas
Hormigón colado in situ	$16 a $24	Lento, requiere tiempo de curado	moderado
Viga de hormigón prefabricado	$20 a $28	moderado, crane-dependent	moderado to high
Madera pesada/laminada	$22 a $32	Construcción rápida y seca	moderado, shorter spans

El acero gana de manera más decisiva en proyectos con luces libres largas, calendarios ajustados o una necesidad de flexibilidad de renovación posterior, ya que quitar un muro de carga o agregar una abertura es sencillo con estructuras de acero atornilladas y mucho más disruptivo con hormigón fundido.

Mejores prácticas de instalación y consideraciones del sitio

Los problemas de montaje de estructuras de acero y conjuntos de puentes modulares de acero suelen deberse a un puñado de lagunas de planificación evitables, más que a defectos del material.

Confirme el soporte de la base antes de la entrega.

Verificar las elevaciones de los pilares o estribos con los planos de taller; un error de elevación de media pulgada en un extremo de una viga puede impedir que los orificios de los pernos se alineen en el empalme.

Haga coincidir la capacidad de la grúa con la carga individual más pesada

Las vigas de placas largas para tramos de puentes pueden superar las 15 toneladas por pieza; Confirme las tablas de radio y capacidad de la grúa antes del levantamiento, no en la mañana del montaje.

Apoye las vigas temporalmente hasta que se fije la plataforma.

Una viga de acero no arriostrada casi no tiene resistencia al pandeo por torsión lateral; Los tirantes temporales o los tirantes diagonales permanecen en su lugar hasta que los tirantes permanentes o la plataforma unan el marco.

Apriete los pernos según las especificaciones, no al tacto

Las conexiones atornilladas de alta resistencia requieren llaves dinamométricas calibradas o verificación de giro de tuerca; Los pernos con poco torque son la principal causa de deslizamiento de las conexiones en estructuras modulares atornilladas.

Verifique la inclinación y la alineación antes del atornillado final

Las vigas adyacentes en un tablero de puente de múltiples módulos deben inspeccionarse para determinar la coincidencia de elevación antes de apretar completamente las placas de empalme, ya que forzar miembros desalineados crea tensión residual.

Pautas de mantenimiento e inspección

Un intervalo de inspección documentado extiende la vida útil de la viga mucho más allá de sus supuestos de diseño originales, particularmente para vigas expuestas y estructuras modulares de puentes de acero sujetas a cargas de tráfico y ciclos climáticos.

Frecuencia de inspección recomendada por tipo de estructura y exposición.
Tipo de estructura	Inspección visual	Inspección detallada/de revestimiento
Estructura interior del edificio	Cada 5 años	Cada 10 a 15 años
Marco expuesto exterior	Cada 2 años	Cada 5 a 7 años
Puente modular de acero, peatonal.	Anualmente	Cada 3 a 5 años
Puente modular de acero, apto para vehículos	Anualmente	Cada 2 años

Los elementos prioritarios durante cualquier inspección incluyen el torque de los pernos en las conexiones de empalme, el espesor de la película de recubrimiento en los extremos de la viga donde el agua tiende a acumularse y cualquier pérdida de sección visible en los puntos de apoyo donde la viga hace contacto con una base o pilar.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la diferencia entre una viga en I y una viga en H?

Una viga en I (forma de S) tiene alas que se estrechan en espesor hacia los bordes y un ancho de ala más angosto en relación con la profundidad, mientras que una viga en H (ala ancha en forma de W) tiene alas de caras paralelas que son más anchas y más gruesas, lo que le da un módulo de sección más alto y una mejor resistencia al pandeo lateral para la misma profundidad total. Las vigas de puentes y edificios modernos utilizan casi exclusivamente formas en W.

¿Cuánto suele durar un puente modular de acero?

Un puente modular de acero con revestimiento adecuado o de acero resistente a la intemperie se diseña comúnmente para una vida útil de 50 a 75 años, y los componentes de soporte y los paneles de la plataforma a veces se reemplazan o mejoran a mitad de ese período sin reemplazar las vigas principales.

¿Se pueden cambiar el tamaño o reforzar las vigas metálicas después de la instalación?

Sí. Los métodos comunes incluyen atornillar placas de cubierta adicionales a las alas, agregar una viga suplementaria junto a la existente o instalar columnas de soporte intermedias para acortar el tramo efectivo, todo lo cual requiere una revisión estructural de los puntos de conexión y de apoyo antes de comenzar el trabajo.

¿Para qué clase de carga debe clasificarse un puente modular de acero?

Los cruces de peatones y carritos de golf generalmente están clasificados para una carga viva de unos pocos cientos de libras por pie cuadrado, mientras que cualquier puente abierto a camiones o vehículos de emergencia debe estar clasificado para una clase de carga de carretera reconocida que coincida con el vehículo más pesado que se espera que cruce, lo que determina directamente la profundidad requerida de la viga y el espesor del ala.

¿Es mejor galvanizar o pintar las vigas estructurales expuestas?

La galvanización generalmente dura más y requiere menos mantenimiento para vigas que se ajustan a las dimensiones del tanque de inmersión, mientras que los recubrimientos epóxicos y de poliuretano aplicados en campo son la opción práctica para vigas de placa de gran tamaño y secciones de puentes de acero modulares ensambladas que no pueden sumergirse como una sola pieza.

¿Cuánto peso puede soportar una viga de piso de edificio estándar?

Depende completamente de la profundidad, el nivel y la luz, pero como referencia aproximada, una viga W16x26 en acero Grado 50 que abarca 20 pies generalmente puede soportar una carga uniforme en el rango de 40 a 50 libras por pie cuadrado de área de piso tributario antes de que regulen los límites de deflexión o flexión, lo que cubre la mayoría de las cargas vivas de ocupación de oficinas.