Forjado de Acero Ligero: Viguetas de Forjado y Diafragma

Este artículo trata tres temas relacionados con el forjado en edificios de acero ligero: la verificación de las viguetas de forjado (joist), la generación automática de las viguetas de forjado dividiendo la losa de acero ligero en franjas y la comprobación del diafragma, es decir, de la transmisión de las fuerzas sísmicas y de viento por parte del forjado a los paneles. Para el diseño general de vigas y columnas consulte Diseño de Vigas y Columnas de Acero Ligero y, para las expresiones, Fundamentos Teóricos del Diseño de Acero Ligero. El artículo Ejemplo Resuelto: Edificio de Acero Ligero de Dos Plantas utiliza todas estas funciones paso a paso.

info

¿En qué ediciones? Los cálculos de acero ligero y las pestañas Acero Ligero de las ventanas Propiedades de la viga de atado (Hatıl Özellikleri) y Propiedades de la losa (Döşeme Özellikleri) están disponibles en la edición StatiCAD Ultimate.

1. Verificaciones de la vigueta de forjado (HCBTİE 4.8, 7.4, 7.5)

Las vigas de tipo Acero Ligero se verifican como viguetas de forjado. En la pestaña Acero Ligero de la ventana Propiedades de la viga de atado se encuentran los datos específicos de la vigueta de forjado. Los datos solo se utilizan en el tipo de viga Acero Ligero; los valores por defecto (0) quedan del lado de la seguridad.

Dato	Significado	Valor por defecto
Ala superior conectada continuamente al revestimiento	Si el revestimiento del forjado (OSB, contrachapado, chapa trapezoidal) está atornillado de forma continua al ala superior, no se produce pandeo lateral–torsional con momento positivo (vano, ala superior comprimida); Md+ resulta de las filas de pandeo local y distorsional.	Desactivado (Lb+ = longitud del elemento)
Separación del arriostramiento lateral del ala inferior Lb (mm)	Con momento negativo (zona de apoyo, ala inferior comprimida), separación de bloqueos, arriostramientos o revestimiento inferior.	0 = longitud del elemento
Tipo de apoyo	Automático: si en el extremo no hay columna y sí muro, se considera apoyo por asiento (se verifica el aplastamiento del alma); si hay columna, se considera conectado por el alma. También se puede elegir manualmente Por asiento o Conectado por el alma (escuadra; sin verificación de aplastamiento).	Automático
Longitud de apoyo ss (mm)	Longitud de asiento en el apoyo. HCBTİE 7.4(e) exige como mínimo 40 mm; si se introduce un valor menor se emite un aviso.	0 = 40 mm
Rigidizador del alma en el apoyo	Si se declara, en lugar del aplastamiento del alma se consideran válidas las condiciones de 7.4; para flexión + cortante se utiliza la Ec. 4.8.6.	No
Carga superior en el apoyo	Si sobre el apoyo hay un muro o un montante de la planta superior (dos fuerzas locales opuestas), el aplastamiento del alma se calcula con la expresión correspondiente.	No
Separación entre viguetas < 40 cm y al menos dos filas de arriostramiento	Segunda vía de HCBTİE 7.5: cuando la relación luz/canto supera 18 o la frecuencia queda por debajo de 8 Hz, esta declaración elimina el aviso de vibración.	No

En la selección múltiple, los campos que difieren entre las vigas seleccionadas aparecen indeterminados (casilla en gris, texto vacío, lista sin selección) y no se aplican mientras no se modifiquen. Los datos se guardan con el proyecto; los proyectos guardados antes de estos datos se abren con los valores por defecto.

1.1 Verificaciones realizadas

• Flexión con signo: Los momentos positivo (vano) y negativo (apoyo) se envuelven por separado. Cada uno se compara con Md+ y Md−, calculados con su propia longitud de arriostramiento lateral y su coeficiente Cb (AISI S100 F2.1.1, HCBTİE 1.3). En voladizos y en tramos con arriostramiento intermedio se toma Cb = 1.
• Flexión + cortante simultáneos (HCBTİE 4.8.2): Se toman conjuntamente M y V de la misma sección y de la misma combinación. En el denominador se utiliza la resistencia a flexión Mdlo, excluido el pandeo lateral–torsional (en almas con rigidizadores, el menor valor junto con la resistencia distorsional).
• Aplastamiento del alma (HCBTİE 4.8.3): Como 4.8.3 no da una expresión para la resistencia, se calcula con TS EN 1993-1-3 6.1.7.2 (HCBTİE 1.3). En un apoyo intermedio (vigueta de acero ligero que continúa en la misma dirección), la solicitación es la suma de los cortantes de extremo de ambos lados. Las secciones con alma Sigma (Σ) y con r/t > 6, hw/t > 200 quedan fuera del alcance de estas expresiones; en ese caso se emite el aviso “no se pudo verificar”.
• Necesidad de rigidizador del alma (HCBTİE 7.4): En almas planas, si h/t > 180 o V > 0,8Vd se requiere un rigidizador intermedio.
• Flecha solo por sobrecarga (HCBTİE Tabla 7.1): Límite L/250. No se aplica al tipo de flecha en voladizo.
• Vibración (HCBTİE 7.5): Relación luz/canto ≤ 18 y estimación de la frecuencia natural de la vigueta de un solo vano ≥ 8 Hz.

nota

La página del informe de vigas de acero ligero incluye las filas de aplastamiento del alma, rigidizador del alma y vibración; las filas de geometría, solicitación, flexión, cortante y flecha muestran valores con signo (momento positivo/negativo). Los avisos del análisis comunican la necesidad de rigidizador del alma, la condición de vibración, el aplastamiento del alma no verificable, la longitud de apoyo inferior a 40 mm y, como información, la interacción momento + fuerza local de TS EN 1993-1-3 6.1.11. El tipo de apoyo automático se basa en la columna y el muro contiguos al extremo. Si no se reconoce la contigüidad (p. ej., en algunas columnas de acero ligero de sección poligonal), la viga se considera un voladizo (Cb = 1) y no se verifica el aplastamiento; en ese caso, elija manualmente el tipo de apoyo Por asiento.

2. Forjado de acero ligero: franjas y viguetas de forjado

Para convertir una losa rectangular en un forjado de acero ligero, utilice la pestaña Acero Ligero de la ventana Propiedades de la losa (solo visible al editar una única losa):

1. Marque la casilla Forjado de acero ligero; introduzca el perfil de la vigueta de forjado (de la lista de perfiles predefinidos, p. ej. CC C200x80x16x2), el material (vacío = S235), la separación máxima entre viguetas (mm), la dirección de las viguetas (paralela al eje X o Y), el tipo de revestimiento y la declaración de arriostramiento.
2. Marque la casilla Generar / renovar las franjas y las viguetas de forjado al aceptar y pulse Aceptar.

El programa divide el vano en partes iguales sin superar la separación indicada (p. ej., 4,0 m y 400 mm → 10 intervalos, 9 viguetas). Las viguetas se generan como vigas de atado de tipo Acero Ligero: ambos extremos articulados en M2 + M3, ala superior conectada al revestimiento (Sección 1), con el tipo de revestimiento y la separación entre viguetas asignados para la restricción al giro del revestimiento (kφ). La losa se divide, entre las viguetas, en franjas con las mismas propiedades (espesor, G, Q, material); las franjas y las viguetas se reúnen en el grupo de selección de la losa (si no hay grupo, se crea con el nombre de la losa).

• Regeneración: En la pestaña Acero Ligero de cualquiera de las franjas, modifique la definición y confirme con generar / renovar; se eliminan las franjas del mismo grupo y las viguetas generadas, se reconstruye la losa original y se divide con la nueva definición.
• Deshacer: Desmarque la casilla Forjado de acero ligero y confirme con generar / renovar; vuelve la losa original y se eliminan las viguetas generadas.
• Geometría: Los dos bordes paralelos a las viguetas deben ser paralelos a un eje (en la dirección X, los bordes inferior y superior; en la dirección Y, los bordes izquierdo y derecho); los otros dos bordes pueden ser inclinados. No se admiten losas poligonales (de tipo lámina).
• Carga: Para que las viguetas reciban G/Q × ancho de carga, en Ajustes generales del proyecto se recomienda la transferencia clásica de cargas y “las losas no forman parte de la rigidez del sistema”. Con transferencia como lámina o cuando las losas participan en la rigidez, las franjas reparten la carga entre las viguetas; si las viguetas de borde son flexibles, la carga se desplaza hacia las viguetas próximas a las columnas y el análisis emite un aviso.

nota

Si hay una definición pero no se han generado franjas y viguetas, el análisis emite un aviso. Las articulaciones de extremo definidas en vigas de acero y de acero ligero se aplican en la solución por elementos finitos; las viguetas de forjado generadas trabajan como vigas simplemente apoyadas.

tip

En cada hueco de puerta y ventana donde terminen las viguetas de forjado, coloque un dintel de acero ligero; de lo contrario, ese extremo de la vigueta queda sin apoyo, la solución por elementos finitos emite un aviso de rigidez singular y las viguetas resultan insuficientes.

3. Diafragma del forjado de acero ligero (TBDY 10.5 / HCBTİE 7.4)

En cada nivel de forjado que tenga una definición de forjado de acero ligero (Sección 2), el análisis comprueba que el forjado, actuando como diafragma, transmita las fuerzas sísmicas y de viento a los paneles verticales. Los datos se encuentran en el grupo Diafragma de forjado, en la parte inferior de la pestaña Propiedades de la losa › Acero Ligero (0 = valor por defecto):

• Resistencia unitaria a cortante del revestimiento vn (kN/m): La normativa no da un valor para el forjado. Si se deja en 0, se utiliza por analogía el valor del panel de muro de la Tabla 10.5 de TBDY (OSB de 11 mm 10,2; contrachapado de 12 mm 11,4 kN/m); con placa de yeso o revestimiento no definido no se verifica el revestimiento. Introduzca el valor de ensayo (TBDY Anexo 10.C) o del fabricante.
• Tornillo forjado → solera superior del panel inferior: Diámetro y separación (0 → 4,8 mm / 300 mm) y, opcionalmente, la resistencia a cortante del tornillo del fabricante Pnvs.

Un cambio realizado en una franja se propaga a todas las franjas de la familia al pulsar Aceptar (aunque no esté marcado generar / renovar). Se comprueba lo siguiente:

1. Fuerza en la línea de muro (TBDY 4.5.6.4, con D): Los paneles de la planta inferior y de la superior, en la misma dirección y a menos de 20 cm, forman una línea; F = cortante en la sección superior de los paneles de la planta inferior − cortante en la sección inferior de los paneles de la planta superior.
2. Cortante unitario del revestimiento: v = F/B (B: profundidad del forjado en la línea, TBDY Figura 10.11) ≤ φ·vn (sismo 0,60 / Ω 2,5; viento 0,65 / 2,0).
3. Colector (elemento de transferencia longitudinal): Fuerza axial a lo largo de la línea; aumenta si el muro no cubre toda la línea o si los muros superior e inferior están desalineados. Se compara con la resistencia a tracción y a compresión del perfil de la vigueta de forjado; se informa el número de tornillos necesario para el empalme.
4. Conexión forjado → panel inferior: Cortante de la sección superior del panel de la planta inferior (con D) ≤ n·Ps (TBDY 10.3.4). La conexión panel de la planta superior → forjado figura en la tabla de anclajes del panel (tipo de anclaje a cortante “tornillo”).
5. Fuerza de cordón: En cada familia de forjado, T = C = F·L/(8·B); se compara con la resistencia a tracción y a compresión del perfil de la vigueta de forjado y se informa el número de tornillos necesario para el empalme.
6. Hueco: Si el área del hueco supera el 3 % del área del forjado, este debe modelarse como elemento lámina (diafragma semirrígido) (HCBTİE 7.4(d)); la relación se calcula cuando están activadas las comprobaciones de irregularidad.

Compresión en el colector y en el cordón: Como la fuerza del diafragma cambia de signo con el sentido del sismo y del viento, la fuerza del colector y del cordón debe resistirse tanto a tracción como a compresión. La resistencia a compresión Pd es la resistencia a compresión del perfil de la vigueta de forjado obtenida con el MAE; la longitud de pandeo es la separación de las viguetas de forjado (la separación máxima entre viguetas de la Sección 2; 400 mm si no se ha introducido). El informe indica “Td = …, Pd = … (Lb = …)” y, para el empalme, “ek yeri ≥ n vida” (empalme ≥ n tornillos); como no se conoce la posición del empalme, el número de tornillos se da para la fuerza máxima. En el tramo del colector que salva un hueco, sin muro debajo, la longitud de pandeo del eje fuerte es igual a la luz del hueco; verifique este tramo aparte.

nota

Los resultados figuran en el informe, al final de la sección de diseño de vigas de acero ligero, bajo el título Diafragma de forjado de acero ligero (si se han generado las viguetas), los resúmenes por nivel en la página del diafragma de forjado, las insuficiencias en los avisos del análisis y en la lista de control del proyecto (TBDY 10.5 / HCBTİE 7.4). En los niveles cuyas losas son todas de acero ligero no se realizan las verificaciones del diafragma de forjado de hormigón armado (TBDY M.7.11).

4. Desfase del eje de la viga y fuerza axial compuesta

Si en Ajustes generales del proyecto está marcada la opción Tener en cuenta los valores Offset1 y Offset2 en la matriz de rigidez del sistema o Tener en cuenta las excentricidades en la matriz de rigidez del sistema con eje definido, el eje de la viga se modela por debajo del eje del nudo. Como el diafragma rígido o los apoyos coartan el desplazamiento axial de los nudos, el perfil se comporta como una sección compuesta que trabaja junto con un ala infinitamente rígida y recibe una fuerza axial que en realidad no existe.

El programa descuenta esta parte de la fuerza axial de cada caso de carga en el diseño de las vigas de acero ligero, como en las vigas de hormigón armado; el momento no cambia, es decir, el perfil soporta el momento total sin la contribución compuesta. Por ello no es necesario desactivar las casillas de desfase. El estado de la casilla Offset1 y Offset2 se guarda con el proyecto; los proyectos antiguos que no contienen este dato se abren con la casilla marcada. En las tablas de resultados de vigas de elementos finitos sigue apareciendo la fuerza axial bruta. Esta misma corrección se aplica también a las vigas de acero pesado (laminado en caliente). Para las expresiones, consulte el artículo Fundamentos Teóricos.

5. Preguntas frecuentes

En la vigueta de forjado recibo el aviso “aplastamiento del alma no verificable”. La sección queda fuera del alcance de las expresiones de TS EN 1993-1-3 6.1.7.2 (alma Sigma, r/t > 6 o hw/t > 200). Elija una sección C, Z, U o C+ o declare un rigidizador del alma en el apoyo.

En la vigueta de forjado no se calcula nunca el aplastamiento del alma. Puede que, con el tipo de apoyo automático, se haya considerado “conectado por el alma” por haber una columna en el extremo, o que no se haya reconocido la contigüidad del extremo. Si la vigueta se apoya sobre un muro, elija el tipo de apoyo Por asiento en la pestaña Acero Ligero.

¿Cómo se elimina el aviso de vibración? HCBTİE 7.5 exige una relación luz/canto ≤ 18 y una frecuencia natural ≥ 8 Hz. Elija un perfil de mayor canto, reduzca la luz o, reduciendo la separación entre viguetas por debajo de 40 cm y aplicando al menos dos filas de arriostramiento, marque esa declaración.

Los momentos de las viguetas de forjado generadas son muy distintos entre sí. Si las losas participan como lámina en la rigidez del sistema, el revestimiento reparte la carga entre las viguetas; si las viguetas de borde son flexibles, la carga se desplaza hacia las viguetas próximas a las columnas. Para diseñar con el ancho de carga, seleccione en Ajustes generales del proyecto la transferencia clásica de cargas y no incluya las losas en la rigidez del sistema.

La verificación del revestimiento del diafragma resulta insuficiente. El valor vn por defecto se toma por analogía de la tabla de paneles de muro. Para diafragmas con tacos o con separación de tornillos de borde reducida, introduzca el valor de ensayo o del fabricante en el grupo Diafragma de forjado; si la conexión resulta insuficiente, reduzca la separación de los tornillos.