Los elementos estructurales esbeltos sometidos a compresión, como los pilares o el alma de las secciones metálicas, sufren un fenómeno llamado pandeo. Consiste en la aparición de desplazamientos transversales a la dirección de la compresión a lo largo de la pieza. En este post veremos cómo mitigar sus efectos mediante el uso de rigidizadores.
¿Qué es la abolladura?
Para comprender el fenómeno del pandeo partiremos de una sección metálica de una viga genérica, la cual estará sometida a un esfuerzo de compresión. Este esfuerzo lo genera la carga aplicada en la parte superior y la reacción del apoyo en la parte inferior.
Podemos apreciar cómo las alas no se ven sometidas a cortante, soportando la totalidad del esfuerzo el alma. Por lo tanto, esta pieza central la podemos considerar como perteneciente a una viga biapoyada, o en una situación intermedia entre empotrada-apoyada. Debido a este conjunto de factores, es susceptible de sufrir pandeo. La deformación producida por este fenómeno se denomina abolladura.
Por lo tanto, el elemento resistente es el alma. Si aislamos el alma, obviando las alas, y aplicamos la carga en su parte superior, nace el eje de flexión. La sección resistente es por lo tanto el grosor del alma, encontrándose alrededor de 2 cm en los perfiles comerciales comunes en edificación.
La inercia obtenida respecto a este eje de flexión es muy pequeña, por consiguiente, la flexión es muy grande. Este estado de la estructura es muy proclive al pandeo, por lo que pueden surgir abombamientos en la pieza.
La solución se encuentra en la colocación de rigidizadores. Estos elementos son piezas metálicas colocadas en dirección transversal al alma, cuyo fin es aumentar la inercia de su eje de flexión. La inercia de la sección con rigidizadores es muy diferente respecto a la sección sin ellos, a pesar de que la sección añadida es pequeña. La nueva inercia será la suma de la inicial del alma, la del rigidizador, cuyo centro de gravedad está desplazado del eje de flexión, y el término propio obtenido del teorema de Steiner. Estos dos nuevos sumandos son los responsables de que la inercia resultante pueda ser entre 4 y 10 veces mayor a la inicial.
Cálculo de la inercia sin rigidizador
$$ I𝑎=1/12×b×2^3 $$
Estimación de la inercia con rigidizador
$$ Irig≃10Ia $$
¿Dónde se colocan los rigidizadores?
Es común que los rigidizadores se coloquen en las inmediaciones de los apoyos, donde la estructura está sometida a un fuerte esfuerzo cortante que se transmite como compresión al alma de la viga. Cuanto mayor es esa compresión (cuanto más cerca de apoyo) más juntos deberán de estar colocados los rigidizadores.
Ejemplos de estructuras reales
Ejemplo 1
En la fotografía podemos observar la viga metálica de un puente, y cómo se han dispuesto rigidizadores trapezoidales en los encuentros entre las alas y el alma. Estas piezas no son continuas, sino que se interrumpen en la parte central del alma, ahorrando así material. Estos refuerzos están dispuestos a lo largo de toda la viga.
Ejemplo 2
Al igual que en el ejemplo anterior, se muestra una viga fabricada por piezas. En este caso podemos diferenciar entre dos tipos de rigidizadores. Los primeros están colocados en los extremos de las alas, en dirección transversal a éstas, con el fin de aportar rigidez en esta parte de la sección. Los segundos se encuentran sobre el canto del alma, a diferencia del caso anterior, estos sí son continuos de extremo a extremo del canto. Como podemos observar, la distancia entre ellos es del orden del canto del alma.
Ejemplo 3
El tercer ejemplo se trata de un puente, en el que podemos apreciar el gran canto que poseen las alas de la viga en contraposición a la sección de los rigidizadores, considerablemente más finos. El canto del rigidizador ocupa casi todo el ala, asegurando así la protección frente a abolladuras.
Ejemplo 4
En el último ejemplo, se pone el acento en el apoyo de las vigas metálicas de canto variable de un puente. Este apoyo ejerce una reacción, por lo tanto se convierte en el punto más susceptible de sufrir pandeo, y por ende, abolladura. Se disponen rigidizadores a ambos lados del apoyo, sobre una lámina de neopreno para resolver el encuentro. Así pues, se evita la deformación en la zona crítica de la sección de la viga.
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