Viga hiperestática: la ingeniería de los puentes
Podríamos fácilmente afirmar que, entre la viga de un pórtico en un edificio convencional y un puente, solo hay un salto de escala. Pero, ¿sabes el por qué? La clave está en el concepto de la estática en elementos estructurales. Por ello, en este artículo, descubriremos qué es la hiperestaticidad, una viga hiperestática y cuál es su uso en las diferentes modalidades de puentes.
Foto: Elrincondelingeniero.com
¿Qué es la hiperestaticidad?
La hiperestaticidad es la condición de aquel elemento estructural cuya “ecuación de fuerzas” dentro la estática está en equilibrio, pero con la particularidad de que no es posible determinar las fuerzas internas y/o las reacciones que posee. De esta forma, se puede hablar de tres tipos de hiperestaticidad en elementos estructurales:
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La hiperestaticidad interna es aquella que se produce cuando a partir de las ecuaciones no es posible determinar los esfuerzos internos de la estructura.
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La hiperestaticidad externa se da cuando las ecuaciones no permiten conocer las fuerzas de reacción de dicha estructura a otra similar, o al suelo.
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La hiperestaticidad total es aquella que se produce cuando una estructura presenta al mismo tiempo las dos condiciones anteriores, es decir, es interna y externamente hiperestática.
¿Cuáles son los métodos de cálculo en las estructuras hiperestáticas?
Como has podido comprobar, para ver el tipo de hiperestaticidad es necesario llevar a cabo una serie de cálculos para determinar las fuerzas de reacción internas y externas. A continuación, te mostramos los métodos que se pueden emplear:
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Método matricial de la rigidez
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Método de Cross
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Teoremas de Castigliano
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Teoremas de Mohr
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Teorema de los tres momentos
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Principio de los trabajos virtuales
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Método de flexibilidad
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Método de pendiente-deflexión
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¿Qué son las vigas hiperestáticas?
Después de conocer qué es la hiperestaticidad, podemos descubrir qué son las vigas hiperestáticas. Pues bien, se trata de un elemento resistente horizontal que presenta más condiciones de contorno (restricciones) de los estrictamente necesarios. Esto quiere decir, que este tipo de vigas no se puede calcular a través de su fórmula de equilibrio, sino que es necesario optar por las ecuaciones constitutivas de su material.
Es la condición que suele aparecer en la construcción tradicional por pórticos, en acero, hormigón o madera. Ya que el armado, hormigonado, u apernado a los pilares restringe todas las posibilidades de traslación o rotación del elemento estructural.
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Vigas hiperestáticas en puentes
Más allá de su presencia en el mundo de la construcción tradicional, el concepto de hiperestaticidad en una viga es la base, y la forma más segura, para cubrir horizontalmente una luz con un elemento rígido, es decir, salvar un vacío con un puente. Aunque no lo parezca, un elemento tan complejo de la ingeniería como un puente, tiene su base teórica en la lógica de una viga hiperestática. A pesar de ello, dentro de la categoría de puentes, podemos encontrar una gran variedad de tipologías basadas en el mismo principio:
1. Puente recto
En este tipo de puentes, el camino de rodadura del móvil coincide con la estructura resistente principal. En otras palabras, se puede decir que son un tipo de puente viga que emplea la flexión generalizada para la función estructural y de rodamiento a la hora de transmitir las cargas.
2. Puente en arco
En este caso, el gran elemento resistente o viga, tiene forma de arco para salvar la luz en cada uno de los casos. Por lo que, es necesario que sostenga un elemento horizontal capaz de conectar ambos extremos manteniendo la continuidad.
3. Puentes atirantados o colgantes
Se trata de aquellos puentes en los cuales el plano horizontal que salva los dos extremos están sostenidos por una serie de tirantes o cables colgantes, los mismos que sirven de soporte al tablero por donde circulan los vehículos.
4. Viga Gerber
Si hay un elemento que resulta complicado de clasificar dentro de las categorías de vigas hiperestáticas en puentes es la Viga Gerber. Esta estructura fue diseñada por el ingeniero alemán Heinrich Gerber (1832-1912), quien la patentó en 1866. Este tipo de viga ha sido utilizada en una gran cantidad de puentes desde finales del siglo XIX hasta la actualidad.
La particularidad de este tipo de viga hiperestática reside en que está compuesta por varios vanos y rótulas, que permiten, que a pesar de que la viga en sí se apoye como un elemento hiperestático, las cargas internamente se distribuyan de forma isostática por los distintos perfiles que componen la viga a manera de celosía.
Así podemos entender cómo, a pesar de la forma que se le dé al elemento estructural, el fundamento es siempre el mismo. Ya sea que estemos hablando de una viga en un edificio residencial con una luz de 5 metros, o un inmenso puente entre dos orillas de un río.
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