Reforzamiento de una viga de acero

1. Introducción

En ciertas ocasiones se originan cambios en la edificación provocando incrementos en las cargas actuantes. Esto trae como consecuencia que algunos elementos estén sometidos a acciones que puedan sobrepasar su diseño original, dando lugar a que sea necesario incrementar su capacidad mediante un refuerzo adicional.

Consideremos el caso de una viga de acero sometida a flexión simple a la cual se le incrementa la carga en 60 psf. La luz de la viga metálica W12x58 es de 14 pies.

Los datos geométricos de la sección, resistencia del acero y la carga total se muestran en la Fig. 1.

 

 

Sección    W12×58                              A := 17.0 · in²            lx := 475 · in^4

                                                              d := 12.25 · in           Sx := 78 · in³

                                                              T := 9.5 · in                fy := 50000 · psi

Carga total

q := 9.0 · kip/ft           L := 14 · ft

 

                                                Fig. 1 Datos generales

 

La tensión admisible de una sección es:

 

                                                              Fb := 0.6 · fy            Fb = 30000 · psi

 

El momento flector máximo para la carga total es:

 

                                                              M := 1/8 · q · L²       M = 220.5 · kip · ft

 

la tensión máxima en la fibra extrema de la sección es:

 

           fb := M/Sx                         fb = 33923.1 · psi                         fb/Fb = 1.1

            Check := if (fb > Fb, “N.G.” , “O.K.”)                              Check = “N.G.”

 

Dando como resultado que la sección es insuficiente para resistir las nuevas cargas.

 

2. La posibilidad de refuerzo

Existe la posibilidad de reforzar la viga con planchas de acero, sección canal o angulares soldadas al ala inferior, ya que en el ala superior generalmente no existe la posibilidad de reforzar por ese lado. No obstante, si se utilizan barras soldadas al alma, esta pueden ser colocadas arriba y abajo, manteniendo el centro de la sección a mitad de la altura de la viga.

Procederemos al reforzamiento de la sección metálica con cuatro barras de acero colocadas en las cuatro esquinas interiores, a cada lado del alma de la viga. En la Fig. 2 se muestran las 4 barras que localizamos a T/2 desde el centroide.

Las barras estarán soldadas a intervalos iguales a lo largo del elemento.

 

 

Fig 2. Distribución del refuerzo

Las barras tendrán un diámetro de db := 1 · in y un área de As := 0.79 · in² , de modo que el momento de inercia y el módulo de sección serán:

 

                Itotal := lx + 4 · As · (T/2)²                                        Itotal = 546.3 · in^4

                Stotal := Itotal/(d/2)                                                Stotal = 89.2 · in³

 

La tensión máxima en la fibra extrema sera: 

 

           fb := M/Stotal                    fb = 29666.5 · psi                         fb/Fb = 1

           Check := if (fb > Fb, “N.G.” , “O.K.”)                               Check = “O.K.”

 

Luego, el uso de 4 barras # 8 son suficientes para que la sección alcance la capacidad requerida para las cargas adicionales a que se somete la sección.

Ahora se analizará cómo fijar las barras a la viga metálica para lograr el trabajo conjunto entre la viga y las barras. Para ello se colocará a intervalos iguales longitudes pequeñas de soldadura que sujeten a la barra a lo largo de la viga.

 

3. La distribución de la soldadura a lo largo de la viga de acero

Haremos la siguiente consideración, las barras superiores están trabajando a compresión, luego entre los tramos de soldadura debe haber una distancia tal que la barra no falle por estabilidad. En las columnas, el espaciamiento entre estribos debe cumplir que sea igual o menor que 16 veces el diámetro de la barra longitudinal para cumplir el mismo tipo de fallo. Un análisis de la fórmula de Euler da resultados similares. Por tanto, usaremos un espaciamiento máximo de 16db.

 

            S := 16 · db                           S = 16 · in

 

Por otro lado, la soldadura deberá ser capaz de soportar una carga lateral que sea suficiente para mantener la barra en la posición. En las columnas de barras # 10 o menores se utilizan estribos de #3. En las esquinas se tendrán barras dobladas a 90 grados, luego la fuerza resultante de servicio será igual a:

 

            N := 0.11 · in² · 0.6 · 60000 · psi · 1/cos(45°)                 N = 5600.3 lb

 

La soldadura debe de soportar la carga N. En la Fig. 3 se muestra la soldadura de la barra a la sección metálica, semejante a la soldadura de las barras en la conexión de las barras en las ménsulas o brackets.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  Fig. 3 Soldadura

 

4. Aspectos a tener en cuenta al soldar

Considerando que la soldadura sea E70XX con 70000 psi de capacidad. Siendo lw la longitud de la soldadura, se tiene:

 

                                               Cortante admisible = 0.3*70000 psi = 21000 psi = Fw

                                               Dimensión de la soldadura = db/2

 

                                               N = Fw(db/2)lw

 

                                               Iw := N/(21000 · psi · db/2)                  Iw = 0.5 · in

 

Según el AISC la longitud mínima de la soldadura debe ser 4 veces la dimensión de la soldadura, se tiene:

 

                        Longitud mínima = 4*db/2 = 2 in

 

Después, se utilizarán soldaduras de f db/2 = ½ i con una longitud de 2 in.(Fig. 4) espaciadas a 16 in y en los extremos se utilizará una longitud de 5 in.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Fig. 4  Distribución de las soldaduras. Elevación. 

 

 

Dibujos estructurales: Eastern Engineering Group

© 2022 Este artículo ha sido escrito por Ernesto Valdes y publicado por Eastern Engineering Group. Todos los derechos reservados.