Viga HEA: características y diferencias con las vigas IPE

Cuando nos enfrentamos a un diseño estructural, los elementos que compondrán nuestro proyecto son muchos y para cada uno de ellos tendremos que seleccionar las mejores características geométricas, dimensionales y de rendimiento. Afortunadamente, existen específicos software de cálculo estructural que nos ofrecen una solución modular para cada desafío.

Entre los elementos estructurales más importantes encontramos sin duda la viga, disponible en el mercado en varias secciones y dimensiones según la magnitud de la estructura. Entre las vigas más eficientes encontramos sin duda las del grupo HE. Pero, ¿a qué deben sus altas prestaciones? ¿Cuántas tipologías existen y en qué se diferencian de los perfiles IPE? ¡Descubrámoslo juntos!

¿Qué se entiende por el término viga?

Con el término viga se indica un elemento estructural con una de las dimensiones predominantes, realizado en metal u otro material, destinado a transferir una solicitación, tendencialmente transversal a su eje geométrico, desde las secciones afectadas por la carga hasta los apoyos. Apoyos que aseguran la viga al contexto circundante y garantizan su equilibrio externo.

Otras características fundamentales de este elemento estructural son:

• longitud mayor que todas las demás dimensiones;
• capacidad de soportar cargas aplicadas en la dirección de su eje principal durante una cierta longitud, llamada luz, calculada entre dos apoyos.

Hemos visto cómo, en función de la configuración geométrico-espacial, y por ende también estructural, se distinguen varias tipologías de vigas como la viga a rodillo, viga voladiza o la viga de espesor.

Sin embargo, otra distinción se hace a priori en función de las características dimensionales y de la sección principal de las vigas mismas. Esta clasificación distingue las vigas en:

• Perfiles IPE: caracterizados por una sección en forma de I, también llamada de alas estrechas;
• Perfiles HE: tienen una sección en forma de H, llamada de alas anchas y veremos que se distinguen a su vez en HEA y HEB;
• Vigas UNP: caracterizadas por una sección en forma de U;
• Viga en L, C, Z o T;
• Viga rectangular hueca;
• Viga circular hueca.

De estas tipologías, las más comunes siguen siendo los perfiles IPE y HE, cuyo mayor uso se debe a su mayor eficiencia a cargas de flexión. La sección principal de estos dos perfiles, de hecho, nos hace notar cómo el material está concentrado en las alas, es decir, en las partes más distantes del centro de gravedad de la sección, aumentando así su rigidez a la flexión. Precisamente por esta razón, estas tipologías de vigas se utilizan comúnmente en los marcos de acero estructural para edificios y puentes.

¿Qué diferencia hay entre las vigas IPE, HE y UNP?

Como anticipábamos en el párrafo anterior, en función de la figura geométrica que mejor describe su sección, las vigas se distinguen en las tres siguientes categorías principales:

• Vigas IPE: en la sigla IPE, la I indica la forma de la sección mientras que PE significa Perfil Europeo e indica elementos de construcción en forma de barra o vigas con superficie interna de las alas paralela y dimensiones con tolerancias de producción. La versión más común en este grupo de elementos estructurales es el perfil IPE estándar. En estas vigas, la sección tiene, como decíamos, la forma de la letra mayúscula “I”, compuesta por dos alas “estrechas”, una superior y una inferior, unidas por una parte central. Su sección las hace particularmente adecuadas para soportar las solicitaciones a flexión y se utilizan ampliamente en la construcción de forjados.
• Vigas HE: las vigas HE también se llaman “de alas anchas” y su sección tiene la característica forma de una “H” mayúscula. Esta tipología de vigas se subdivide aún más en función del grosor de las alas, de ligeras a pesadas. A diferencia de las vigas IPE, su particular sección las hace resistentes a los momentos flectores y reduce el riesgo de colapso elástico, lo que hace que las vigas HE sean particularmente utilizadas para los cimientos.
• Vigas UNP: esta tipología de vigas se caracteriza por una sección en forma de “U” mayúscula y se utiliza principalmente en aplicaciones comerciales e industriales, así como en máquinas y equipos de construcción.

Perfiles IPE, HE, UNP

¿Qué hace que la viga HE sea más eficiente que las demás?

Para explicar por qué los perfiles con sección en H son los más eficientes, junto con los IPE, es indispensable hacer una breve introducción a la solicitación a la que las vigas, en general, deben responder: el momento flector.

Este tipo de solicitación es la que la viga sufre cuando una carga transversal la obliga a flexionarse, de ahí el nombre de momento flector. Tal solicitación induce claramente en la viga, esfuerzos que son de tracción y de compresión y que varían linealmente a lo largo de la sección del material. La fórmula que permite cuantificar tales esfuerzos a lo largo de una sección específica de la viga es la fórmula de Navier, según la cual el esfuerzo σ aumenta al aumentar el momento flector y al ir hacia el exterior de la sección. Justamente este concepto es importante para explicar la eficiencia de la forma en H de la viga.

¡Vayamos entonces a lo nuestro, y entendamos dónde reside «el secreto» de las vigas HE!

En la fórmula de Navier, otro término fundamental es el momento de inercia de superficie I. Esta cantidad se define por una integral de superficie y representa la resistencia de una superficie a rotar alrededor de un eje de rotación. Cuanto mayor es el momento de inercia, menores son los esfuerzos generados en la sección para un dado momento flector. Por lo tanto, el objetivo es que esta cantidad sea lo más grande posible, ¿y cómo lograrlo? ¡Para obtener un mayor momento de inercia, basta con distribuir el material disponible lo más lejos posible del centro de la sección, justo lo que ocurre en los perfiles HE!

En las vigas con sección en H, de hecho, el material disponible se utiliza de manera más eficiente, colocándolo preferentemente en las alas, las cuales soportan la mayor parte de los esfuerzos ya que, como hemos dicho anteriormente, los esfuerzos debidos al momento flector son máximos hacia el exterior de la sección.

¿Cuál es la diferencia entre una viga HEA y una viga HEB?

Como se mencionó anteriormente, los perfiles HE se dividen aún más en función del grosor de las alas que puede ser ligero, normal o pesado. Esta importante característica se indica en la sigla del perfil precisamente a través de una tercera letra. Más específicamente:

• HEA es la versión ligera
• HEB es la versión normal

Luego hay una tercera versión, HEM, que es aquella en la que el grosor de las alas es pesado.

HEA, HEB, HEM

Prendiendo como ejemplo la imagen arriba mencionada, para un perfil HEA con dimensiones de hasta 300 mm, la altura “h1” es inferior al ancho de las alas “b”. Superada esta dimensión, la altura del perfil aumenta mientras que el ancho de las alas se mantiene constante en 300 mm.

Para el perfil HEB, hasta la dimensión de 300 mm, la altura “h1” y el ancho de las alas “b” son iguales. Al igual que con el perfil HEA, superada esta dimensión, la altura del perfil aumenta mientras que el ancho de las alas se mantiene constante en 300 mm.

En el caso de los perfiles HEM, la altura “h1” es mayor que el ancho de las alas “b”.

En cuanto al momento de inercia, que, como hemos dicho, expresa la resistencia de un cuerpo a rotar alrededor de un eje de rotación, a igualdad de esta magnitud, el perfil HEA es el más ligero. Sus dimensiones serán superiores al perfil HEB y sobre todo en comparación con las del perfil HEM.

Todos los perfiles del grupo HE son particularmente adecuados para construcciones metálicas grandes y complejas como: naves industriales, polideportivos, edificios comerciales y administrativos, etc.

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Puntos clave del artículo

• La viga es un elemento estructural con una dimensión predominante, diseñado para transferir cargas transversales a los apoyos.
• Entre los principales tipos de viga encontramos IPE (alas estrechas), HE (alas anchas: HEA, HEB, HEM), UNP (en U) y otras secciones específicas (L, C, Z, T, rectangulares y circulares huecas).
• Las vigas HE se distinguen por su resistencia a los momentos flectores y por su mayor capacidad portante en comparación con otros perfiles.
• Las vigas HEA, con alas anchas, pero más delgadas, están diseñadas para garantizar ligereza y resistencia óptima, resultando ideales para construcciones ligeras pero estables.
• Las vigas HE se utilizan para naves industriales, edificios comerciales, polideportivos y estructuras metálicas complejas.

Preguntas frecuentes sobre las Vigas HEA

¿Por qué los perfiles HE se consideran más eficientes en comparación con otros tipos de vigas?

Los perfiles HE (y también los IPE) se consideran eficientes gracias a su capacidad para resistir el momento flector, es decir, la solicitación que se produce cuando una carga transversal hace flexionar la viga. Su forma en «H» (o «I» para IPE) permite maximizar el momento de inercia de superficie (I) de la sección. Un momento de inercia mayor significa que, para un dado momento flector, los esfuerzos generados en la sección serán menores. La forma en H permite distribuir el material lo más lejos posible del centro de la sección, concentrándolo sobre todo en las alas, que son las partes más solicitadas por la flexión.

¿Qué es el momento flector y cómo influye en la elección del tipo de viga?

El momento flector es la solicitación que sufre una viga cuando se somete a una carga transversal que la dobla. Esta solicitación induce esfuerzos de tracción y compresión que varían linealmente a lo largo de la sección de la viga. La fórmula de Navier cuantifica estos esfuerzos, demostrando que aumentan con el incremento del momento flector y con la distancia desde el centro de la sección. Para resistir momentos flectores elevados, es preferible utilizar vigas con un alto momento de inercia, como los perfiles HE e IPE, que concentran el material en las alas para maximizar la resistencia a la flexión.

¿En qué tipos de construcciones se utilizan comúnmente los perfiles HE?

Los perfiles HE, gracias a su robustez y versatilidad, se utilizan ampliamente en construcciones metálicas grandes y complejas, como naves industriales, pabellones deportivos, edificios comerciales y administrativos, y otras estructuras que requieren alta resistencia y estabilidad.

¿Qué se entiende por «momento de inercia» y por qué es importante en la elección de una viga?

El momento de inercia es una propiedad geométrica de la sección transversal de una viga que representa su resistencia a rotar alrededor de un eje. Cuanto mayor sea el momento de inercia, mayor será la resistencia de la viga a la flexión para una determinada solicitación.

Es un factor crucial en el diseño estructural porque influye directamente en los esfuerzos y las deformaciones dentro de la viga. Por esto, es importante elegir un tipo de viga (por ejemplo, HE o IPE) que maximice el momento de inercia, de modo que se reduzcan los esfuerzos y se garantice la estabilidad de la estructura.

¿Cuáles son los principales materiales con los que se fabrican las vigas HEA?

Las vigas HEA se fabrican generalmente en acero estructural, un material que garantiza alta resistencia mecánica y excelentes propiedades de durabilidad. Algunas variantes pueden ser galvanizadas para mejorar la resistencia a la corrosión, especialmente en ambientes húmedos o agresivos.