¿Qué es el cálculo del haz?

El cálculo de la viga es la medición de la tensión y la desviación de una viga estructural cuando se le aplica una carga determinada. Muchos factores contribuyen a la capacidad de una viga para resistir la flexión, como las características de la viga, la carga y los soportes. Calcular el desplazamiento de carga de una viga simple utilizando la ecuación de viga de Euler-Bernoulli es sencillo, pero en la mayoría de las aplicaciones prácticas, se utiliza el software de viga. Los cálculos de vigas se utilizan para garantizar la seguridad y evitar la construcción excesiva en una variedad de disciplinas, como la construcción y la aeronáutica.

Es necesario calcular la capacidad de carga de la viga para construir estructuras con los materiales más livianos y económicos al tiempo que se cumplen los requisitos de seguridad y se mantiene la calidad estética de la estructura. Toda la disciplina de la ingeniería estructural se dedica a este análisis y diseño, asegurando que los techos no colapsen bajo el peso de la nieve, que los estacionamientos subterráneos estén seguros cuando el tráfico circula por encima y que los rascacielos construidos a lo largo de las fallas cumplan con los requisitos de seguridad contra terremotos. El cálculo de vigas también tiene sus aplicaciones en ingeniería mecánica, cuando se prueba la resistencia de carga de partes individuales de una máquina, como la carga que puede soportar un ala de avión antes de desarrollar tensiones potencialmente peligrosas. Finalmente, los arquitectos deben considerar la deformación de la viga al construir y renovar casas con construcción de postes y vigas y al considerar el impacto visual de pisos, techos y balcones caídos.

Uno de los factores más importantes al calcular la capacidad de carga de una viga es la elección de los materiales. Por lo general, las vigas están hechas de madera, acero, hormigón armado o aluminio. Cada material tiene una tendencia diferente a deformarse elásticamente, llamado módulo de elasticidad, que se refiere a la capacidad del material para volver a su lugar. En su punto de fluencia, el material se deformará plásticamente, manteniendo la deformación después de eliminar la fuerza aplicada.

La forma de la sección transversal de la viga es la segunda característica que se considera en el cálculo de la viga. Las vigas pueden ser rectangulares, redondas o huecas, además de tener muchos tipos de flanqueo, como vigas en I, vigas en Z o vigas en T. Cada forma tiene un momento de inercia diferente, también conocido como segundo momento de área, que predice la rigidez de un haz.

La fuerza por unidad de longitud es otro parámetro utilizado en el cálculo de la viga, y depende del tipo de carga. Las cargas muertas simplemente son el peso de la estructura, y las cargas impuestas o vivas son las fuerzas a las que la estructura estará expuesta de forma intermitente, como nieve, tráfico o viento. La mayoría de las cargas son estáticas, pero se debe prestar especial atención a las cargas dinámicas, terremotos, olas y huracanes, que aplican fuerza de forma repetitiva durante un período prolongado. Se puede distribuir una carga, generalmente de manera uniforme o asimétrica, como nevadas o un montón de tierra. También puede concentrarse en un punto, centralmente o en varios intervalos.

Las condiciones de contorno para el cálculo del haz dependen del tipo de soporte del haz. Una viga podría simplemente apoyarse en ambos extremos, como una viga del piso entre dos muros de carga. Puede estar en voladizo o apoyado en un extremo, como un balcón o un ala de avión. Las condiciones de contorno se aplican a todos los puntos a lo largo de la longitud de la viga.

La relación entre la desviación de una viga y una carga estática se describe mediante la ecuación de viga de Euler-Bernoulli. Otra ecuación, la ecuación del haz de Euler-Lagrange, describe esta relación para una carga dinámica, pero debido a la complejidad de su aplicación, normalmente se usan aproximaciones estáticas. Se puede derivar la desviación, los momentos de flexión y la fuerza de corte de una viga dada una carga aplicada. En un entorno práctico, las tablas de carga se utilizan para resumir esta información y enumeran materiales comunes que cumplen los requisitos de seguridad para una carga conocida. Para aplicaciones más complicadas, las calculadoras de haz están disponibles en los sitios web de la compañía y como complementos para el software de diseño asistido por computadora (CAD).