Viga en celosía: tipos, ventajas y aplicaciones

Las vigas en celosía representan uno de los elementos estructurales más efectivos y versátiles en el ámbito de la ingeniería civil y la arquitectura. Constituidas por un conjunto de barras dispuestas en una configuración de red, estas vigas están diseñadas para ser sometidas exclusivamente a solicitaciones de esfuerzo axial, garantizando así una ligereza y una resistencia sin igual. Estas características las hacen ideales para una amplia gama de aplicaciones, desde puentes hasta edificios industriales, pasando por grandes cubiertas.

En este artículo exploraremos qué son las vigas en celosía, cuándo es oportuno utilizarlas y cómo diseñarlas correctamente. Descubriremos los principios básicos que rigen su funcionamiento, los diferentes tipos disponibles y las ventajas que ofrecen en comparación con otras soluciones estructurales.

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¿Qué son las vigas en celosía?

Las vigas en celosía son elementos estructurales formados por un conjunto de barras conectadas entre sí para crear una configuración de red. Esta configuración permite distribuir las fuerzas de manera óptima a lo largo de toda la estructura, haciéndola particularmente eficiente para soportar cargas pesadas y cubrir grandes luces sin necesidad de soportes intermedios.

Las barras que componen una viga en celosía pueden estar hechas de diversos materiales, incluyendo acero y madera, y están dispuestas de tal manera que forman triángulos, una configuración geométrica que ofrece la máxima estabilidad y resistencia.

Desde el punto de vista estático, se asume que los nodos de conexión entre las barras de una viga en celosía son del tipo “a bisagra” y que las cargas están constituidas por fuerzas concentradas aplicadas en los propios nodos. Esta configuración implica que las barras están sometidas exclusivamente a esfuerzo normal, eliminando así las solicitaciones de corte y momento dentro de los diversos componentes.

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¿Cuáles son las ventajas que ofrecen las vigas en celosía?

Las vigas en celosía representan una solución estructural altamente versátil y ventajosa en numerosos ámbitos de la ingeniería. En comparación con las vigas tradicionales de sección maciza, ofrecen una serie de beneficios significativos:

• ligereza estructural: la configuración en celosía permite obtener una estructura significativamente más ligera con la misma capacidad de carga. Esta característica se vuelve fundamental en aplicaciones donde el peso de la estructura es un factor determinante, como en el caso de estructuras sometidas a cargas sísmicas;
• eficiencia en el uso de materiales: la disposición triangular de las barras que componen la viga en celosía permite una mejor distribución de los esfuerzos, lo que permite aprovechar de manera más eficiente el material utilizado. Esto se traduce en secciones transversales más esbeltas y un menor consumo de materiales;
• versatilidad de uso: las vigas en celosía pueden ser diseñadas y fabricadas para satisfacer las necesidades de una amplia gama de aplicaciones, desde cubiertas de grandes luces hasta puentes, desde edificios residenciales hasta industriales y comerciales. Su geometría puede adaptarse fácilmente a los requisitos específicos del proyecto;
• prefabricación y montaje simplificados: las vigas en celosía pueden ser prefabricadas en fábrica, garantizando un control de calidad superior y reduciendo los tiempos de construcción en obra. Su montaje resulta rápido y sencillo;
• mantenimiento: las vigas en celosía son fácilmente inspeccionables y permiten identificar y resolver rápidamente cualquier problema estructural.

Aplicaciones de las vigas en celosía

Gracias a su eficiencia estructural y alta versatilidad, las vigas en celosía encuentran aplicación en diferentes ámbitos de la ingeniería y la arquitectura. Se utilizan principalmente para realizar:

• cubiertas de grandes luces en edificios industriales, instalaciones deportivas, hangares, espacios abiertos u otras estructuras en las que sea necesario cubrir amplias superficies sin soportes intermedios;
• tableros de puentes y viaductos para los cuales se requiere una alta resistencia y ligereza para superar obstáculos naturales o artificiales, como ríos, valles, carreteras, etc.;
• edificios residenciales y comerciales en los que sea necesario contener el peso total de la estructura para mejorar la resistencia a las solicitaciones sísmicas;
• estructuras temporales y modulares que sean capaces de garantizar una alta rapidez de montaje y desmontaje.

¿Cuáles son los componentes de una viga en celosía?

Las vigas en celosía se componen de una serie de elementos que trabajan juntos para formar una estructura resistente y ligera. Estos componentes pueden clasificarse de la siguiente manera:

1. corrientes: son los elementos que forman la espina dorsal de la viga y distribuyen las cargas a lo largo de la longitud del elemento. Se dividen en:
   • corriente superior: conjunto de barras horizontales situadas en la parte superior de la viga. Estos elementos están sujetos principalmente a compresión;
   • corriente inferior: conjunto de barras horizontales situadas en la parte inferior de la viga. Estos elementos están sujetos principalmente a tracción;
2. barras de pared: contribuyen a mantener la distancia entre la corriente superior y la inferior, garantizando que la estructura permanezca estable y rígida. Trabajan para contrarrestar las solicitaciones verticales y tangenciales, manteniendo inalterada la configuración de la viga. Las barras de pared se dividen, a su vez, en los siguientes elementos:
   • montantes: barras verticales que conectan la corriente superior con la inferior. Los montantes deben absorber las solicitaciones tangenciales que surgen con la flexión de las corrientes;
   • diagonales: barras inclinadas que conectan las corrientes. Las diagonales trabajan principalmente para absorber las fuerzas de tracción y compresión y contribuyen a mantener la estabilidad y rigidez de la estructura;
3. nodos: son los puntos de conexión entre las barras. Los nodos son cruciales para la transferencia de fuerzas entre las barras y deben ser diseñados para resistir altas solicitaciones sin provocar debilidades estructurales.

Componentes viga en celosía

¿Cómo funciona una viga en celosía?

El mecanismo resistente de la viga en celosía se basa en la capacidad de sus componentes para trabajar sinérgicamente para absorber y distribuir las fuerzas a través de las barras, que están sometidas exclusivamente a solicitaciones de tracción o compresión.

Las barras de pared, dependiendo de las solicitaciones a las que están sometidas, pueden dividirse en:

• puntales: barras sometidas a compresión;
• tirantes: barras sometidas a tracción.

Estos elementos están conectados en los nudos, que representan los puntos en los que las fuerzas se transmiten de una varilla a otra. Gracias a la disposición triangular de las barras, la viga en celosía es capaz de distribuir las fuerzas de manera eficiente, minimizando el riesgo de deformaciones. Este principio de funcionamiento permite a la viga en celosía cubrir grandes distancias con una reducida cantidad de material en comparación con una viga maciza.

Tipos de vigas en celosía

Las vigas en celosía se distinguen principalmente por su geometría y por el tipo de solicitaciones a las que están sometidas sus barras. A continuación, se presenta una lista de los principales tipos de vigas en celosía con una breve descripción de sus características y su comportamiento (suponiendo que estén sometidas a cargas gravitacionales):

• viga Warren: conocida también como viga Neville, este tipo se distingue por su simplicidad y eficiencia estructural. La configuración geométrica de este elemento no prevé el uso de montantes verticales, sino solamente de diagonales dispuestas de manera que formen triángulos isósceles o equiláteros. El corriente superior resulta comprimido, el inferior tenso, mientras que las diagonales consecutivas presentan esfuerzos alternados de compresión y tracción. En específico, las diagonales descendentes hacia la mitad de la viga están tensas, mientras que las ascendentes hacia la mitad están comprimidas;
• viga Howe: la geometría de este elemento se caracteriza por la presencia de montantes verticales y de diagonales ascendentes hacia la mitad de la viga. Los primeros están sujetos a tracción, mientras que los segundos están todos sujetos a compresión. El corriente superior resulta comprimido, mientras que el inferior tenso;
• viga Mohnié: este tipo es similar al anterior ya que se compone de montantes verticales y barras diagonales que, sin embargo, están dispuestas con un descenso hacia la mitad de la viga. Las solicitaciones de las barras de pared resultan, por lo tanto, invertidas en comparación con la viga Howe, con diagonales sujetas a tracción y montantes verticales sometidos a compresión. En cambio, los corrientes superior e inferior resultan sujetos respectivamente a compresión y tracción;
• viga Pratt: puede considerarse como la combinación entre las vigas de Howe y Mohnié. Está constituida por montantes verticales y barras diagonales que asumen alternativamente una configuración ascendente y descendente. Como ocurre en todos los esquemas, el corriente superior está sujeto a compresión, mientras que el inferior está sujeto a tracción. Las diagonales descendentes hacia la mitad del elemento están tensas, a diferencia de las ascendentes que están comprimidas. En cuanto a los montantes, los pares están sujetos a compresión, mientras que los impares resultan descargados;
• viga Nielsen: este tipo difiere de los anteriores ya que el corriente superior asume una configuración parabólica. Los montantes verticales están ausentes, por lo que las barras de pared están constituidas exclusivamente por elementos dispuestos en diagonal sujetos a tracción. El corriente superior curvilíneo está sujeto a un esfuerzo de compresión casi constante, mientras que el corriente inferior resulta tenso;
• viga parabólica invertida: a diferencia de la viga Nielsen, este tipo se caracteriza por la presencia de un corriente superior rectilíneo y de un corriente inferior de forma parabólica, sujetos respectivamente a esfuerzos constantes de tracción y compresión. Las barras de pared están constituidas por montantes verticales comprimidos y por diagonales tensas;
• viga con doble diagonal: es un sistema hiperestático que prevé el posicionamiento de dos diagonales, una ascendente y una descendente, entre dos montantes consecutivos. Se utiliza en los casos en que puede verificarse una inversión de las cargas, como ocurre por el viento o la acción sísmica. Esta configuración permite afrontar mejor las inversiones de los signos de las solicitaciones, con diagonales que pueden estar tensas o comprimidas dependiendo de las condiciones de carga.

Tipos de vigas en celosía y sus esfuerzos

¿Cómo se diseña una viga en celosía?

Diseñar una viga en celosía implica una serie de pasos que incluyen el análisis estructural y la determinación de las solicitaciones en los diversos componentes. A continuación se describen los pasos principales para el correcto diseño de una viga en celosía:

• define la geometría de la viga: comienza determinando la configuración de la viga en celosía que deseas diseñar, indicando claramente la disposición de los nudos y de las barras. Este paso será la base para el análisis posterior;
• identifica las cargas y los apoyos: procede con un análisis de las cargas para evaluar con precisión las acciones aplicadas sobre la viga. Define, además, las condiciones de apoyo que pueden influir en el equilibrio de la estructura;
• analiza las solicitaciones: determina la magnitud de los esfuerzos en las barras utilizando el método del equilibrio en los nudos o el método de secciones. El primero consiste en aplicar las ecuaciones del equilibrio estático (suma de fuerzas y momentos = 0) a cada nudo de la estructura para obtener las fuerzas axiales en los elementos. El segundo, en cambio, prevé «cortar» la viga a lo largo de una sección que atraviese no más de tres barras no convergentes en el mismo nudo. Luego se aplican las ecuaciones de equilibrio estático a la sección cortada para determinar la magnitud de las solicitaciones;
• diseño de la viga: sobre la base de las solicitaciones obtenidas, dimensiona los componentes de la viga en celosía de manera que cumplan con las verificaciones de resistencia y estabilidad, considerando los principales estados límite (resistencia última, deformaciones admisibles);
• verificaciones finales: verifica que las solicitaciones en los diversos componentes no superen las tensiones admisibles del material elegido. Posteriormente, verifica la estabilidad general de la estructura, prestando especial atención a los posibles fenómenos de pandeo (inestabilidad por compresión). Asegúrate de que la viga esté diseñada para evitar tales problemas, utilizando verificaciones adecuadas y factores de seguridad, que puedes encontrar dentro de los Eurocódigos para el diseño estructural.

El diseño de una viga en celosía puede resultar extremadamente complejo si se realiza manualmente. Para simplificar y mejorar este proceso, recomendamos el uso de un software de cálculo estructural avanzado. Gracias a la integración entre tecnología BIM y análisis FEM, esta herramienta facilitará el modelado de tus estructuras y te permitirá realizar análisis estructurales precisos y confiables que te ayudarán a evaluar el comportamiento de cada componente bajo diferentes condiciones de carga. Aprovecha una prueba gratuita de treinta días para descubrir todas las funcionalidades de este software y optimizar tu trabajo de diseño.