Vigas Casteladas, Tipo Castillo o Almenadas: Fabricación, Características, Ventajas, Desventajas, Diseño, Aplicaciones y Consideraciones Específicas en Bogotá y Colombia, dentro del Marco de las Vigas Metálicas Alveolares o Aligeradas Fabricadas en Acero.

Introducción Profunda a las Vigas Casteladas: Origen y Concepto Fundamental

Las vigas casteladas, también conocidas por los nombres de vigas tipo castillo o vigas almenadas, representan una solución estructural ingeniosa dentro del universo de las vigas metálicas fabricadas en acero. Se clasifican como un tipo específico de viga alveolar o aligerada, caracterizadas por una serie de aberturas hexagonales u octogonales (aunque las hexagonales son las más comunes) dispuestas de forma regular a lo largo del alma de la viga. Su nombre evoca las almenas de los castillos medievales, dada la similitud visual que presentan sus aberturas con estos elementos defensivos.

Estas vigas no se laminan directamente en una acería con esta forma particular. En cambio, son el resultado de un proceso de fabricación posterior aplicado sobre un perfil de acero laminado estándar, usualmente un perfil tipo I (IPN, IPE) o tipo H (HEB, HEA). Este proceso transforma un perfil macizo y relativamente pesado en una estructura más ligera pero con una mayor altura (peralte) y, consecuentemente, una mayor inercia y rigidez flexional en comparación con el perfil original del que provienen, manteniendo un uso eficiente del material.

El concepto subyacente es optimizar la distribución del material de acero. Se reconoce que en una viga sometida a flexión, las tensiones máximas se concentran en las alas (superior e inferior), mientras que el alma trabaja principalmente a cortante y contribuye en menor medida a la resistencia a flexión. Al crear aberturas en el alma, se elimina material en zonas de menores tensiones de flexión, reduciendo el peso propio de la viga sin sacrificar significativamente su capacidad portante global, e incluso mejorándola en términos de rigidez por unidad de peso.

Proceso Detallado de Fabricación de Vigas Casteladas

La manufactura de una viga castelada es un proceso fascinante que combina corte preciso y soldadura estructural. Aunque existen variaciones, el método más extendido sigue una secuencia lógica:

• Selección del Perfil Base: Se elige un perfil laminado en caliente estándar (IPE, IPN, HEA, HEB u otro perfil W americano si aplica normativa específica) con las dimensiones y grado de acero adecuados según los requerimientos del diseño estructural. La selección inicial es determinante para las propiedades finales de la viga castelada.
• Trazado del Corte: Sobre el alma del perfil base se traza una línea de corte continua, típicamente en forma de zigzag o almenada. El patrón de corte más común es el hexagonal, que se logra con líneas de corte rectas inclinadas. También es posible generar patrones octogonales mediante cortes más complejos. La geometría de este corte (ángulo, longitud de los segmentos) definirá la forma y tamaño de las aberturas y el aumento final de la altura de la viga.
• Corte Longitudinal: Se procede a cortar el perfil a lo largo de la línea trazada. Este corte divide longitudinalmente el perfil original en dos mitades idénticas, cada una con un borde dentado o almenado. Los métodos de corte más utilizados son el oxicorte (corte por llama de gas) o el corte por plasma, por su capacidad para manejar los espesores de acero habituales en perfiles estructurales. El corte láser también es una opción para mayor precisión, aunque puede ser más costoso. La calidad y precisión del corte son vitales para asegurar un buen ajuste posterior.
• Desplazamiento y Reensamblaje: Una de las dos mitades se desplaza longitudinalmente respecto a la otra. La magnitud de este desplazamiento suele ser igual a la mitad de la longitud de un segmento horizontal del patrón de corte. Este desplazamiento provoca que los "dientes" o salientes de una mitad encajen en los valles o entrantes de la otra mitad.
• Alineación y Ajuste: Las dos mitades se alinean cuidadosamente de manera que las crestas de los dientes de una mitad se encuentren con las crestas de los dientes de la otra. Este alineamiento recompone la sección, pero ahora con una altura significativamente mayor que la del perfil original. Entre los segmentos verticales que ahora se forman (los montantes o postes del alma) quedan las aberturas hexagonales características.
• Soldadura Estructural: Se realiza la soldadura de unión entre las crestas que se han puesto en contacto. Esta es una operación crítica que debe garantizar la continuidad estructural y la transmisión de esfuerzos cortantes a través del alma recompuesta. Se utilizan procesos de soldadura adecuados para acero estructural (como SMAW, GMAW/MIG-MAG, FCAW o SAW), aplicando cordones de soldadura continuos y de penetración completa o parcial según especifique el diseño. La calidad de la soldadura es fundamental para la integridad y el comportamiento de la viga castelada. Usualmente se sueldan ambos lados de la unión alma-alma.
• Acabado y Tratamientos Opcionales: Una vez soldada, la viga puede requerir procesos de acabado como el esmerilado de soldaduras (si es necesario estética o funcionalmente), limpieza (granallado o chorreado abrasivo) y la aplicación de recubrimientos protectores contra la corrosión (imprimaciones, pinturas) o protección pasiva contra el fuego.

Este proceso resulta en una viga con una altura que puede ser aproximadamente 1.5 veces la altura del perfil original, mientras que su peso es ligeramente menor (debido al material eliminado en el corte, aunque se añade el peso del material de soldadura, el balance suele ser una ligera reducción o un peso similar con mucha mayor inercia).

Descripción del Patrón de Corte Hexagonal

El patrón de corte más emblemático para las vigas casteladas es el que genera aberturas hexagonales. Este se logra mediante un corte en zigzag continuo a lo largo del eje longitudinal del alma del perfil base. Las características de este corte son:

• Líneas Inclinadas: El corte se compone de segmentos de línea recta inclinados, usualmente a 60 grados respecto a la horizontal, aunque también son comunes ángulos de 45 grados.
• Segmentos Horizontales: Entre los segmentos inclinados se intercalan pequeños segmentos horizontales.
• Simetría: El patrón es simétrico respecto al eje medio longitudinal del alma.
• Resultado: Al cortar y desplazar una mitad respecto a la otra (una distancia igual a la longitud del segmento horizontal), los picos de los dientes triangulares formados por los cortes inclinados se encuentran y se sueldan. Esto crea montantes verticales (los postes del alma) y las aberturas hexagonales entre ellos.

La geometría precisa del hexágono (su altura, anchura y la relación entre ambas) y las dimensiones de los postes del alma dependen directamente de los parámetros del corte inicial (ángulo de inclinación, longitud de los segmentos) y del peralte original del perfil base.

Geometría y Parámetros Característicos

Una viga castelada se define por varios parámetros geométricos clave, derivados del perfil original y del proceso de corte y soldadura:

• H: Altura total de la viga castelada (aproximadamente 1.4 a 1.6 veces la altura del perfil original, h).
• h: Altura del perfil original.
• b: Ancho de las alas (normalmente igual al del perfil original).
• t_f: Espesor del ala (normalmente igual al del perfil original).
• t_w: Espesor del alma (normalmente igual al del perfil original).
• a: Distancia entre los ejes de las aberturas (paso).
• h_o: Altura de la abertura hexagonal.
• s: Longitud del montante o poste del alma (la parte sólida entre aberturas).
• e: Excentricidad del cortante (si aplica en el análisis).
• Ángulo de Corte: El ángulo utilizado en el patrón de corte (e.g., 45° o 60°).

Estos parámetros son fundamentales para el análisis estructural y el diseño, ya que determinan las propiedades de la sección transversal (área, momento de inercia, módulo de sección) y también influyen en los posibles modos de fallo localizados en el alma.

Variaciones Geométricas: Aberturas Octogonales y Circulares

Aunque menos comunes que las hexagonales, es posible fabricar vigas alveolares con otros tipos de aberturas:

• Vigas con Aberturas Octogonales: Se obtienen mediante un patrón de corte más elaborado que incluye segmentos verticales además de los inclinados y horizontales. El proceso de fabricación es similar, pero el reensamblaje y soldadura pueden ser más complejos. Estas aberturas ofrecen una transición de esfuerzos potencialmente más suave en las esquinas.
• Vigas con Aberturas Circulares (Cellular Beams): Estas no son estrictamente "casteladas" en el sentido tradicional del corte y reensamblaje. Se fabrican generalmente cortando círculos directamente en el alma de un perfil o soldando dos perfiles T (cortados de un perfil I o H). Aunque comparten el concepto de aligeramiento y aumento de peralte, su proceso y comportamiento difieren ligeramente. Son otra categoría importante dentro de las vigas alveolares.

El enfoque de este texto se mantiene en las vigas casteladas tradicionales, predominantemente con aberturas hexagonales, que son ampliamente reconocidas y utilizadas en proyectos de construcción metálica en Colombia y a nivel mundial.

Ventajas Estructurales y Funcionales de las Vigas Casteladas

La popularidad de las vigas casteladas en la ingeniería estructural, incluyendo su aplicación en proyectos en Bogotá y otras ciudades colombianas, se debe a un conjunto atractivo de ventajas:

• Incremento Significativo de la Inercia y Rigidez: Al aumentar la altura de la sección (H > h) manteniendo el material de las alas alejado del eje neutro, el momento de inercia (I_x) de la viga castelada es considerablemente mayor que el del perfil original. Esto se traduce en una mayor rigidez a flexión, lo que permite cubrir luces (distancias entre apoyos) más grandes con la misma cantidad de acero o reducir las deformaciones (flechas) para una luz dada.
• Relación Rigidez/Peso Optimizada: A pesar del ligero aumento o mantenimiento del peso total respecto al perfil original, el incremento en rigidez es proporcionalmente mucho mayor. Esto resulta en una estructura muy eficiente en términos de rigidez por unidad de peso, una característica valiosa para reducir cargas muertas y optimizar el dimensionamiento de cimentaciones y columnas.
• Capacidad Portante a Flexión Aumentada: El mayor peralte también incrementa el módulo de sección elástico y plástico, lo que generalmente conduce a una mayor resistencia a la flexión en comparación con el perfil base, siempre y cuando no gobiernen otros modos de fallo asociados a las aberturas.
• Ahorro Potencial de Material (Acero): Para cubrir una determinada luz y soportar una carga específica, una viga castelada puede requerir menos peso de acero que una viga de alma llena de la misma capacidad. Esto puede traducirse en ahorros económicos en el costo del material, un factor relevante en el mercado de la construcción en Colombia. Sin embargo, este ahorro debe compararse con el costo adicional de fabricación.
• Facilidad para el Paso de Instalaciones: Las grandes aberturas en el alma son una de sus ventajas funcionales más apreciadas. Permiten el paso transversal de ductos de ventilación, tuberías de agua, bandejas portacables y otros servicios sin necesidad de aumentar la altura total del entrepiso o crear perforaciones adicionales que podrían debilitar una viga de alma llena. Esto optimiza el espacio vertical útil en edificaciones y simplifica la coordinación entre disciplinas (estructural, mecánica, eléctrica, sanitaria).
• Estética Arquitectónica: La apariencia regular y geométrica de las aberturas puede ser aprovechada por los arquitectos como un elemento expresivo en estructuras dejadas a la vista. Aportan una sensación de ligereza y tecnificación al diseño, siendo populares en cubiertas de grandes luces, centros comerciales, edificios industriales y coliseos.
• Versatilidad en Aplicaciones: Son adecuadas para una amplia gama de aplicaciones, desde vigas de piso y techo en edificaciones, hasta vigas principales en puentes ligeros, pórticos industriales, mezzanines y estructuras para parqueaderos.

Estas ventajas hacen que las vigas casteladas sean una opción competitiva y frecuentemente especificada en proyectos de estructura metálica en Colombia, donde la optimización de materiales y la integración de sistemas son consideraciones importantes.

Desafíos y Consideraciones en el Diseño y Comportamiento

A pesar de sus notables ventajas, el diseño y uso de vigas casteladas también presentan desafíos específicos que deben ser abordados cuidadosamente por los ingenieros estructurales:

• Concentración de Esfuerzos: Las esquinas de las aberturas hexagonales u octogonales son puntos de concentración de esfuerzos, especialmente bajo cargas cortantes y momentos flexionantes. Esto puede inducir fatiga bajo cargas cíclicas o iniciar plastificaciones localizadas bajo cargas estáticas elevadas. El diseño debe verificar estos esfuerzos y asegurar que permanecen dentro de límites admisibles.
• Modos de Fallo Complejos en el Alma: La presencia de las aberturas introduce modos de fallo potenciales que no existen o son menos críticos en vigas de alma llena. Estos incluyen:
  • Pandeo del Montante del Alma (Web Post Buckling): Los segmentos verticales sólidos entre las aberturas (postes) actúan como columnas cortas sometidas a compresión y cortante. Pueden pandearse bajo cargas elevadas, ya sea por flexión o por cortante.
  • Efecto Vierendeel: Las secciones T que se forman por encima y por debajo de las aberturas (compuestas por una porción del ala y una porción del alma) están conectadas por los montantes verticales. Bajo la acción del cortante global en la viga, se generan momentos flexionantes secundarios en estas secciones T y en los montantes, similar al comportamiento de una viga Vierendeel. Estos momentos secundarios deben ser considerados en el diseño.
  • Pandeo Lateral de la Cuerda Comprimida (Lateral Torsional Buckling): Similar a las vigas de alma llena, pero la geometría particular puede influir en la resistencia al pandeo lateral-torsional.
  • Abolladura del Alma (Web Crippling): Bajo cargas concentradas o reacciones en los apoyos, el alma (especialmente los montantes) puede sufrir abolladura local.
  • Fluencia por Cortante: El área resistente a cortante se reduce en la zona de las aberturas, debiendo verificarse la capacidad de los montantes.
  • Ruptura de Soldaduras: La integridad de las soldaduras que unen las dos mitades es fundamental. Una ejecución deficiente o un diseño inadecuado de la soldadura puede llevar a una falla prematura.
• Análisis Estructural Más Complejo: El cálculo de los esfuerzos y la verificación de los modos de fallo requiere métodos de análisis más sofisticados que los usados para vigas de alma llena. A menudo se emplean formulaciones específicas desarrolladas para vigas casteladas o se recurre a análisis por elementos finitos (FEM) para capturar con precisión la distribución de esfuerzos y los fenómenos de pandeo local.
• Deformaciones por Cortante: La flexibilidad adicional introducida por las aberturas puede incrementar las deformaciones debidas al esfuerzo cortante, lo cual puede ser relevante en vigas cortas y muy cargadas.
• Fabricación y Control de Calidad: El proceso de fabricación requiere maquinaria de corte precisa y soldadores calificados. Un control de calidad riguroso durante la fabricación es esencial para asegurar que las dimensiones, alineaciones y calidad de las soldaduras cumplen con las especificaciones del diseño. Esto es particularmente importante en Colombia, donde se debe asegurar el cumplimiento de la normativa de construcción sismo resistente NSR-10, incluyendo los requisitos para soldadura estructural.
• Protección Contra la Corrosión y el Fuego: La mayor superficie expuesta y la complejidad geométrica pueden hacer que la aplicación y mantenimiento de recubrimientos protectores sea más laboriosa y costosa. Las aberturas pueden acumular suciedad o humedad si no se diseñan detalles adecuados. La protección contra el fuego también requiere consideración especial alrededor de las aberturas.

Un diseño responsable de vigas casteladas implica una comprensión profunda de estos fenómenos y la aplicación de criterios de diseño específicos, como los que se pueden encontrar en guías de diseño del AISC (American Institute of Steel Construction), Eurocódigo 3, o adaptaciones y verificaciones según la NSR-10 colombiana.

Metodologías de Diseño Estructural para Vigas Casteladas

El diseño de vigas casteladas requiere una aproximación que va más allá de las fórmulas simplificadas para vigas de alma llena. Se deben considerar tanto los comportamientos globales (flexión, cortante, pandeo lateral) como los locales (fenómenos en los postes y secciones T alrededor de las aberturas). Las normativas y guías de diseño proporcionan metodologías para abordar estos aspectos:

Consideraciones según Normativas Internacionales (AISC, Eurocódigo)

Aunque la normativa colombiana NSR-10 es la referencia principal en Colombia, a menudo se complementa o se basa en estándares internacionales reconocidos como los del AISC (EE.UU.) y los Eurocódigos (Europa) para aspectos específicos no cubiertos exhaustivamente o para metodologías de diseño avanzadas.

• AISC Design Guide 31 (Castellated and Cellular Beam Design): Esta guía es una referencia fundamental. Proporciona procedimientos detallados para el análisis y diseño de vigas casteladas y celulares, cubriendo:
  • Cálculo de propiedades de la sección transversal.
  • Resistencia a flexión, considerando la interacción con el pandeo local y lateral-torsional.
  • Resistencia a cortante, incluyendo el efecto Vierendeel y la capacidad de los postes.
  • Verificación del pandeo de los postes del alma (flexión y cortante).
  • Verificación de la abolladura del alma bajo cargas concentradas.
  • Consideraciones sobre la interacción de flexión y cortante.
  • Diseño de conexiones.
  • Recomendaciones para el detallado y fabricación.
• Eurocódigo 3 (EN 1993-1-1 y EN 1993-1-5): Aunque no se enfoca exclusivamente en vigas casteladas, proporciona los principios generales para el diseño de elementos de acero, incluyendo la verificación de secciones esbeltas, pandeo de placas (relevante para los postes) y pandeo lateral-torsional. Guías adicionales o anexos nacionales pueden ofrecer reglas específicas para vigas con grandes aberturas.

Adaptación y Verificación bajo la NSR-10 en Colombia

En Colombia, el diseño debe cumplir con los requisitos de la Norma Sismo Resistente NSR-10, particularmente el Título F - Estructuras Metálicas. Si bien la NSR-10 no contiene un capítulo dedicado exclusivamente a vigas casteladas con el nivel de detalle de la Guía AISC 31, sí establece los principios fundamentales y requisitos para el diseño de elementos de acero que deben ser aplicados:

• Materiales: Especifica los tipos de acero estructural permitidos y sus propiedades mecánicas (Fy, Fu). Usualmente se emplean aceros tipo ASTM A36, A572 Grado 50, o equivalentes, disponibles en el mercado colombiano.
• Estados Límite: El diseño se basa en estados límite de resistencia (agotamiento resistente, pandeo, fractura) y de servicio (deformaciones, vibraciones).
• Resistencia a Flexión: Se deben aplicar los criterios de la NSR-10 para determinar la resistencia nominal a flexión (Mn), considerando la clasificación de la sección (compacta, no compacta, esbelta) y el pandeo lateral-torsional (verificando Lb vs Lp y Lr). Para vigas casteladas, la clasificación de las secciones T y los postes, así como la determinación de las longitudes no arriostradas, requiere una interpretación cuidadosa.
• Resistencia a Cortante: La NSR-10 proporciona fórmulas para la resistencia a cortante del alma (Vn). En vigas casteladas, esta capacidad debe evaluarse en la zona de los postes, considerando el área reducida y los posibles modos de fallo (fluencia, pandeo por cortante). El efecto Vierendeel introduce momentos adicionales que también deben ser considerados, aunque la NSR-10 no lo formule explícitamente para este tipo de viga.
• Cargas Concentradas: Se deben verificar los estados límite de fluencia local del alma, pandeo lateral del alma, abolladura del alma y pandeo de componentes de la sección bajo cargas concentradas, adaptando los chequeos a la geometría de los postes.
• Combinaciones de Carga: Se deben utilizar las combinaciones de carga estipuladas en el Título B de la NSR-10, incluyendo cargas muertas, vivas, de viento y, de manera muy importante en Colombia, las cargas sísmicas.
• Requisitos Sísmicos: Dependiendo de la zona de amenaza sísmica (Baja, Intermedia, Alta) y del tipo de sistema estructural (pórticos resistentes a momento, sistemas arriostrados, etc.), la NSR-10 impone requisitos adicionales de ductilidad, diseño de conexiones, y relaciones de capacidad que deben ser considerados si las vigas casteladas forman parte del sistema de resistencia sísmica. Esto puede limitar su uso en ciertos sistemas o requerir detalles especiales. Por ejemplo, la formación de rótulas plásticas en las zonas de aberturas puede ser compleja de garantizar.
• Soldadura: El Título F de la NSR-10 remite a códigos como el AWS D1.1 (Código de Soldadura Estructural - Acero) para los requisitos de diseño, ejecución y control de calidad de las soldaduras, lo cual es crítico para las uniones alma-alma en vigas casteladas.

En la práctica del diseño en Colombia, es común que los ingenieros utilicen la NSR-10 como marco general y recurran a guías como la AISC 31 para los chequeos específicos de los modos de fallo propios de las vigas casteladas, asegurando que los niveles de seguridad y los factores de resistencia (φ) sean consistentes con la filosofía de la NSR-10.

Análisis por Elementos Finitos (FEM)

Dada la complejidad geométrica y los múltiples modos de interacción, el análisis mediante el Método de los Elementos Finitos (FEM) es una herramienta poderosa y cada vez más accesible para el diseño de vigas casteladas. Permite:

• Modelar con precisión la geometría de las aberturas y los postes.
• Obtener una distribución detallada de los esfuerzos (Von Mises, principales, cortantes) e identificar zonas de concentración.
• Realizar análisis de pandeo lineal (eigenvalue buckling) para determinar las cargas críticas y los modos de pandeo de los postes y de la viga completa.
• Llevar a cabo análisis no lineales (geométricos y de material) para evaluar la capacidad última real de la viga, considerando plastificación y grandes deformaciones.
• Simular el comportamiento bajo cargas específicas, incluyendo cargas concentradas o combinaciones complejas.
• Validar los resultados de métodos analíticos simplificados.

El uso de FEM requiere experiencia en modelado, selección adecuada de tipos de elementos (shell o sólidos), definición correcta de condiciones de contorno y cargas, e interpretación crítica de los resultados. Es especialmente útil para geometrías no estándar, condiciones de carga complejas o cuando se requiere un nivel de precisión muy alto.

Aplicaciones Típicas y Ejemplos en el Contexto Colombiano

Las vigas casteladas encuentran un amplio espectro de aplicaciones en la construcción metálica en Colombia, aprovechando sus ventajas de eficiencia estructural y funcionalidad. Algunos ejemplos notables incluyen:

• Cubiertas de Grandes Luces: Son una opción muy popular para soportar cubiertas de bodegas industriales, centros de distribución logística, coliseos deportivos, hangares de aviación y grandes superficies comerciales (como supermercados o almacenes de cadena). Permiten salvar distancias considerables (20, 30 metros o más) sin apoyos intermedios, creando espacios interiores diáfanos. La ligereza relativa ayuda a reducir las cargas sísmicas en la estructura. Proyectos de este tipo son comunes en las zonas industriales alrededor de Bogotá, Medellín, Cali y Barranquilla.
• Vigas de Entrepiso en Edificaciones: Se utilizan como vigas principales o secundarias en sistemas de entrepiso, especialmente cuando se requiere integrar instalaciones (aire acondicionado, redes eléctricas, sanitarias) dentro del peralte de la viga para ahorrar altura libre o altura total del edificio. Esto es valioso en edificios de oficinas, centros comerciales, hospitales y parqueaderos en altura, donde la optimización del espacio vertical es clave. En Bogotá, con restricciones de altura en ciertas zonas, esta puede ser una ventaja significativa.
• Mezzanines y Plataformas Industriales: Para la creación de niveles intermedios en bodegas o naves industriales (mezzanines para oficinas, almacenamiento ligero o áreas de proceso), las vigas casteladas ofrecen una solución eficiente para soportar las cargas requeridas sobre luces moderadas.
• Puentes Peatonales y Vehiculares Ligeros: En pasarelas peatonales sobre avenidas o quebradas, o en puentes para tráfico vehicular ligero, las vigas casteladas pueden proporcionar la rigidez necesaria con un peso estructural reducido y una estética agradable.
• Estructuras para Parqueaderos: En edificios dedicados a parqueaderos, permiten optimizar las luces entre columnas para facilitar la circulación y el estacionamiento de vehículos, a la vez que facilitan el paso de instalaciones de iluminación, ventilación y sistemas contra incendio.
• Pórticos Estructurales: Pueden usarse como elementos horizontales (dinteles) en pórticos de acero, tanto en edificaciones como en estructuras industriales, contribuyendo a la rigidez lateral del conjunto.
• Refuerzos Estructurales: En ocasiones, se pueden emplear para reforzar estructuras existentes, buscando aumentar la capacidad o rigidez de vigas existentes sin añadir un peso excesivo.

La elección de vigas casteladas en un proyecto específico en Colombia dependerá de un análisis comparativo con otras alternativas (vigas de alma llena, cerchas, vigas alveolares de otros tipos), considerando factores como las luces a cubrir, las cargas actuantes, los requisitos de paso de instalaciones, las consideraciones estéticas, los costos de material y fabricación, y las exigencias de la normativa NSR-10, especialmente en lo referente al desempeño sísmico.

Factores que Impulsan su Uso en Colombia

• Disponibilidad de Perfiles Base: En Colombia existe una buena disponibilidad de perfiles laminados tipo IPE, HEA, etc., que sirven como materia prima.
• Capacidad de Fabricación Local: Varias empresas metalmecánicas en Bogotá y otras ciudades principales cuentan con la tecnología (equipos de corte CNC, soldadura calificada) y la experiencia para fabricar vigas casteladas de alta calidad.
• Necesidad de Optimización Estructural: La búsqueda de soluciones estructurales eficientes en costo y material es una constante en el sector de la construcción colombiano.
• Desarrollo de Grandes Proyectos: El crecimiento en infraestructura logística, comercial y deportiva demanda soluciones para cubrir grandes luces.
• Conciencia sobre Integración de Servicios: La importancia de coordinar e integrar las redes de instalaciones desde las fases de diseño es cada vez mayor.

Materiales: Aceros Estructurales Utilizados en Colombia

La materia prima fundamental para la fabricación de vigas casteladas es el acero estructural laminado en caliente. En Colombia, los aceros utilizados deben cumplir con las especificaciones del Título F de la NSR-10, que a su vez hace referencia a normas técnicas reconocidas, principalmente las de la ASTM (American Society for Testing and Materials).

Los tipos de acero más comúnmente empleados para perfiles que luego serán transformados en vigas casteladas son:

• ASTM A36: Es el acero al carbono estructural más básico y tradicional. Tiene un límite de fluencia (Fy) mínimo de 36 ksi (250 MPa) y una resistencia última a la tracción (Fu) en el rango de 58-80 ksi (400-550 MPa). Es ampliamente disponible y económico, adecuado para muchas aplicaciones donde las solicitaciones no son extremadamente altas. Su soldabilidad es buena.
• ASTM A572 Grado 50: Es un acero de alta resistencia y baja aleación (HSLA). Ofrece un límite de fluencia mínimo significativamente mayor, de 50 ksi (345 MPa), y una resistencia última mínima de 65 ksi (450 MPa). Permite diseñar elementos más esbeltos o soportar mayores cargas con el mismo tamaño de perfil en comparación con el A36. Es muy utilizado en la construcción metálica moderna en Colombia por su buena relación resistencia/peso y buena soldabilidad. Es una elección frecuente para vigas casteladas que buscan optimizar el peso.
• ASTM A992: Este acero está específicamente diseñado para perfiles estructurales W (americanos), aunque sus propiedades son muy similares a las del A572 Grado 50. Tiene un Fy en el rango de 50-65 ksi (345-450 MPa) y un Fu mínimo de 65 ksi (450 MPa). Ofrece un control más estricto sobre la relación Fy/Fu y una mejor ductilidad, lo cual es favorable para diseño sísmico. Si se importan perfiles W o se especifican sus propiedades, este acero es relevante.
• Aceros Equivalentes bajo Normas Europeas (EN): Si se utilizan perfiles europeos (IPE, HEA, HEB), los aceros equivalentes serían el S275 (similar en fluencia al A36 pero con mejor tenacidad) o el S355 (similar en fluencia al A572 Grado 50 / A992). La NSR-10 permite el uso de aceros bajo otras normativas siempre que se demuestre su equivalencia y cumplimiento de requisitos.

La elección del grado de acero impacta directamente en el diseño:

• Un acero de mayor resistencia (como el A572 Grado 50) permite reducir potencialmente el tamaño del perfil base necesario, lo que podría llevar a una viga castelada final más ligera y económica en términos de material, aunque el costo por tonelada del acero de alta resistencia es ligeramente mayor.
• La ductilidad y tenacidad del acero son importantes, especialmente para estructuras ubicadas en zonas de amenaza sísmica Intermedia o Alta en Colombia, y para asegurar un comportamiento adecuado alrededor de las concentraciones de esfuerzo en las aberturas.
• La soldabilidad es crucial. Todos los aceros mencionados (A36, A572, A992, S275, S355) tienen buena soldabilidad utilizando los procedimientos adecuados definidos en AWS D1.1.

Es responsabilidad del ingeniero estructural especificar claramente el tipo y grado de acero en los planos y especificaciones del proyecto, y del fabricante asegurar que se utiliza el material certificado correspondiente.

Detalles Críticos de Fabricación y Control de Calidad

La transformación de un perfil laminado estándar en una viga castelada robusta y confiable depende críticamente de la precisión y calidad del proceso de fabricación. Descuidar estos aspectos puede comprometer la integridad estructural y la seguridad.

Precisión en el Corte

• Tecnología de Corte: El uso de equipos de corte controlados numéricamente (CNC), como plasma de alta definición u oxicorte CNC, es altamente recomendable. Estos sistemas aseguran que el patrón de corte (zigzag hexagonal u otro) se siga con gran precisión y repetibilidad, lo cual es esencial para un buen ajuste al reensamblar las dos mitades.
• Calidad del Borde Cortado: El proceso de corte debe dejar un borde limpio, con mínima escoria y dureza superficial aceptable. Una superficie irregular o con defectos puede dificultar la soldadura y crear puntos de inicio de fisuras. Puede ser necesario un ligero esmerilado o preparación de los bordes antes de soldar.
• Tolerancias Dimensionales: Se deben establecer y controlar tolerancias estrictas en las dimensiones del patrón de corte y en la rectitud general de las piezas cortadas. Desviaciones excesivas impedirán un alineamiento correcto y pueden introducir tensiones residuales indeseadas.

Calidad de la Soldadura Alma-Alma

La soldadura que une las dos mitades a lo largo de las crestas del corte es, sin duda, el aspecto más crítico de la fabricación. Debe ser tratada como una soldadura estructural primaria.

• Proceso de Soldadura: Deben emplearse procesos de soldadura precalificados o calificados según AWS D1.1 (o norma aplicable), como SMAW (electrodo revestido), GMAW (MIG/MAG), FCAW (alambre tubular) o SAW (arco sumergido). La elección dependerá del espesor del alma, la posición de soldadura y el equipamiento del taller.
• Personal Calificado: Las soldaduras deben ser realizadas por soldadores calificados y certificados para el proceso, material y posición correspondientes. La habilidad del soldador es crucial para obtener cordones uniformes, con buena penetración y libres de defectos.
• Especificaciones de Soldadura (WPS): Se debe seguir un Procedimiento de Soldadura Especificado (WPS) detallado, que indique el tipo de metal de aporte, parámetros eléctricos (voltaje, amperaje, velocidad), precalentamiento (si es necesario, especialmente para aceros de alta resistencia o espesores grandes), técnica de soldeo y criterios de aceptación.
• Tipo y Tamaño del Cordón: El diseño estructural debe especificar el tipo de soldadura (e.g., a tope de penetración completa, de filete) y el tamaño requerido para transmitir los esfuerzos cortantes y momentos Vierendeel entre las mitades. A menudo se especifican cordones continuos a ambos lados de la unión.
• Inspección y Ensayos No Destructivos (END): Es fundamental implementar un plan de inspección de soldaduras. Esto incluye inspección visual (VT) del 100% de las soldaduras para verificar perfil, tamaño y ausencia de defectos superficiales. Adicionalmente, se deben realizar ensayos no destructivos (END) en un porcentaje de las uniones críticas (o el 100% si el diseño lo exige). Los métodos comunes son Partículas Magnéticas (MT) o Líquidos Penetrantes (PT) para detectar discontinuidades superficiales, y Ultrasonido (UT) o Radiografía (RT) para detectar defectos internos en soldaduras de penetración completa. Los criterios de aceptación deben basarse en AWS D1.1.

Control de la Geometría Final

• Alineación: Durante el ensamblaje y antes de la soldadura final, se debe verificar cuidadosamente la alineación de las dos mitades. Los ejes de las almas deben ser colineales y las alas deben quedar paralelas.
• Peralte (Altura): Se debe controlar que la altura final (H) de la viga castelada corresponda a la especificada en el diseño, dentro de las tolerancias admitidas.
• Rectitud y Contraflecha: Las vigas casteladas, como cualquier viga de acero, deben cumplir requisitos de rectitud longitudinal. Si el diseño especifica una contraflecha (curvatura inicial para compensar deformaciones futuras), esta debe ser verificada. El proceso de corte y soldadura puede inducir distorsiones que necesiten ser corregidas.
• Dimensiones de Aberturas y Postes: Verificar que las dimensiones finales de las aberturas y los postes sólidos (montantes) se correspondan con las del diseño, ya que afectan directamente el análisis de esfuerzos y pandeo local.

Un programa robusto de aseguramiento y control de calidad (QA/QC) en el taller de fabricación es indispensable. En Colombia, las empresas metalmecánicas serias que fabrican elementos estructurales como vigas casteladas suelen tener sistemas de gestión de calidad implementados y personal certificado para inspección (e.g., inspectores de soldadura CWI).

Diseño y Detallado de Conexiones

Las conexiones de las vigas casteladas a columnas u otras vigas requieren una atención especial debido a la geometría interrumpida del alma.

• Conexiones a Cortante (Simples): Son las más comunes. Usualmente se realizan mediante ángulos de conexión o platinas de cortante fijadas al alma de la viga castelada. Es preferible ubicar estas conexiones en la zona de los postes sólidos (montantes) para tener un respaldo directo del alma. Si la conexión coincide con una abertura, se requiere un análisis cuidadoso o el uso de rigidizadores o placas de refuerzo para transferir la carga adecuadamente al poste adyacente o a las alas.
• Conexiones a Momento (Rígidas): Si la viga castelada forma parte de un pórtico resistente a momento, la conexión debe ser capaz de transmitir tanto cortante como momento flector. Esto es más complejo. Las opciones incluyen:
  • Reforzar la zona de conexión: Soldar placas de refuerzo en el alma (cubriendo una o más aberturas) y/o rigidizadores transversales para crear una sección localmente sólida capaz de resistir los altos esfuerzos de la conexión.
  • Usar secciones de transición: Intercalar un tramo corto de viga de alma llena (del perfil original o uno adecuado) en el extremo de la viga castelada donde se realizará la conexión a momento.
  • Diseñar conexiones extendidas que se fijen directamente a las alas y al alma reforzada.
  El diseño de conexiones a momento en vigas casteladas, especialmente bajo cargas sísmicas según NSR-10, es un desafío y requiere análisis detallado, a menudo con FEM, para asegurar un comportamiento dúctil y evitar fallas prematuras en la conexión o en la viga adyacente.
• Rigidizadores de Apoyo: En los puntos de apoyo (sobre columnas o muros) y bajo cargas concentradas significativas, es fundamental colocar rigidizadores transversales soldados al alma y a las alas. Estos rigidizadores previenen la abolladura del alma (web crippling) y el pandeo local del alma (web sidesway buckling) en los postes cercanos al apoyo. Deben diseñarse para resistir la reacción o la carga concentrada.
• Continuidad en Empalmes: Si se requiere empalmar dos tramos de viga castelada para lograr longitudes mayores, el empalme debe diseñarse para garantizar la continuidad de la resistencia a flexión y cortante. Usualmente se realizan con placas de empalme atornilladas o soldadas a las alas y al alma (preferiblemente en la zona de un poste).

El detallado de las conexiones debe ser claro y preciso en los planos estructurales, indicando todos los componentes (placas, pernos, soldaduras), sus dimensiones, materiales y ubicaciones exactas respecto a las aberturas de la viga.

Consideraciones de Costo: Material vs. Fabricación

Evaluar la conveniencia económica de usar vigas casteladas requiere comparar su costo total instalado con el de otras alternativas estructurales (vigas de alma llena, cerchas).

• Ahorro en Material (Peso): Como se mencionó, una viga castelada puede lograr la misma rigidez o resistencia que una viga de alma llena más pesada. El ahorro potencial en el costo del acero (calculado por peso) es una de las principales motivaciones económicas. Este ahorro es más significativo cuanto mayor es la luz a cubrir y más importante es la rigidez en el diseño.
• Costo de Fabricación: Este es el contrapeso al ahorro de material. El proceso de corte, manipulación, ensamblaje y soldadura implica mano de obra calificada, consumo de energía, consumibles de soldadura y tiempo de taller. Este costo adicional de fabricación puede ser significativo y debe ser cuantificado con precisión por la empresa metalmecánica.
• Costos Indirectos:
  • Ingeniería: El diseño de vigas casteladas puede requerir un esfuerzo de ingeniería ligeramente mayor debido a los chequeos adicionales.
  • Transporte: Aunque más ligeras para una misma rigidez, pueden ser más voluminosas (mayor peralte), lo que podría afectar la logística y costos de transporte, especialmente para elementos muy largos.
  • Montaje: El montaje en obra suele ser similar al de vigas de alma llena, pero la manipulación de piezas de gran peralte requiere grúas adecuadas. La facilidad para pasar instalaciones puede reducir tiempos y costos en fases posteriores.
  • Recubrimientos: La mayor superficie y complejidad geométrica pueden incrementar el costo de aplicación de pinturas o protección contra el fuego.

La decisión económica final depende del balance entre el ahorro de material y el costo adicional de fabricación y otros indirectos. En general:

• Las vigas casteladas tienden a ser más competitivas para luces largas (donde el ahorro de peso es sustancial) y cuando la rigidez (control de deformaciones) es un factor dominante en el diseño.
• Son ventajosas cuando el paso de instalaciones a través de las vigas permite reducir la altura total del entrepiso, generando ahorros en cerramientos, fachadas y volumen a climatizar.
• La competitividad depende fuertemente del costo relativo del acero vs. la mano de obra en el mercado local (e.g., en Colombia). Una mano de obra de fabricación eficiente y competitiva favorece su uso.
• Para luces cortas o diseños dominados por la resistencia a cortante, una viga de alma llena estándar suele ser más económica.

Es recomendable solicitar cotizaciones específicas a talleres metalmecánicos en Colombia para comparar el costo de vigas casteladas frente a alternativas para las condiciones particulares de cada proyecto.

Sostenibilidad y Aspectos Ambientales

En el contexto actual de la construcción sostenible, evaluar el impacto ambiental de las soluciones estructurales es cada vez más relevante. Las vigas casteladas presentan características interesantes desde esta perspectiva:

• Eficiencia en el Uso del Material: Su principal ventaja ambiental radica en la optimización del uso del acero. Al lograr mayor rigidez y resistencia con menos material (en comparación con una viga de alma llena de rendimiento similar), se reduce la demanda de extracción de materias primas (mineral de hierro, carbón) y la energía asociada a la producción de acero. Esto se traduce en una menor huella de carbono incorporada en el elemento estructural.
• Reducción del Peso Propio: La disminución del peso propio de las vigas tiene efectos beneficiosos en cascada: reduce las cargas sobre columnas y cimentaciones (permitiendo potencialmente su optimización y menor uso de concreto y acero en ellas) y disminuye las fuerzas sísmicas que la estructura debe resistir (importante en Colombia).
• Reciclabilidad del Acero: Como todos los elementos de acero estructural, las vigas casteladas son 100% reciclables al final de la vida útil del edificio. El acero puede ser fundido y reutilizado indefinidamente sin perder sus propiedades, cerrando el ciclo de vida del material y evitando la generación de residuos de demolición. La industria siderúrgica en Colombia y a nivel mundial utiliza una proporción significativa de chatarra reciclada en su producción.
• Durabilidad y Vida Útil: Con una protección adecuada contra la corrosión, las estructuras de acero, incluyendo las vigas casteladas, ofrecen una larga vida útil, reduciendo la necesidad de reemplazos prematuros y el consumo de recursos asociado.
• Fabricación y Residuos: El proceso de fabricación genera recortes de acero (el material eliminado del alma). Sin embargo, estos recortes son directamente reciclables dentro del mismo taller o por la industria siderúrgica, minimizando los residuos enviados a vertedero. El consumo energético del corte y la soldadura debe considerarse, pero puede optimizarse con tecnología eficiente.
• Potencial de Desmontaje y Reutilización: Si las conexiones son atornilladas, las vigas casteladas pueden ser desmontadas al final de la vida útil del edificio y potencialmente reutilizadas en otras estructuras, extendiendo aún más su ciclo de vida y conservando la energía incorporada en su fabricación inicial.

Sin embargo, también hay aspectos a considerar:

• Energía de Fabricación Adicional: El proceso de corte y soldadura consume energía adicional en comparación con el uso directo de un perfil laminado.
• Recubrimientos: La necesidad de recubrimientos protectores (pinturas, galvanizado) implica el uso de otros materiales y procesos químicos, que tienen su propio impacto ambiental. La mayor superficie de las vigas casteladas puede incrementar este impacto.

En resumen, la eficiencia en el uso del acero y la reciclabilidad son puntos fuertes de las vigas casteladas desde la perspectiva de la sostenibilidad. Un análisis de ciclo de vida completo (LCA) permitiría cuantificar de forma más precisa su impacto ambiental comparativo en un proyecto específico en Colombia, considerando todas las fases desde la extracción hasta el fin de vida.

Comportamiento Bajo Cargas Sísmicas: Consideraciones para Colombia

Colombia es un país con zonas de amenaza sísmica significativa (Intermedia y Alta). Por lo tanto, el comportamiento de los elementos estructurales bajo cargas sísmicas es una consideración primordial, regida por la NSR-10.

El uso de vigas casteladas en sistemas de resistencia sísmica requiere una evaluación cuidadosa:

• Sistemas Dúctiles (Pórticos Resistentes a Momento - PRM): La NSR-10 exige que las vigas y columnas en PRM (con capacidad de disipación especial DMO o moderada DMI) sean capaces de desarrollar rótulas plásticas dúctiles en zonas predefinidas (usualmente los extremos de las vigas) para disipar la energía sísmica. La presencia de aberturas en las vigas casteladas complica la formación controlada y estable de estas rótulas. La plastificación tiende a concentrarse en las secciones T sobre y bajo las aberturas y en los postes, y los modos de fallo locales (pandeo de postes, efecto Vierendeel) pueden ser frágiles y limitar la ductilidad general. Por esto, el uso de vigas casteladas como elementos primarios en PRM dúctiles es poco común y requiere justificaciones y diseños muy detallados, a menudo respaldados por análisis no lineales y pruebas experimentales que demuestren la capacidad de rotación plástica requerida. Puede ser más viable reforzar extensamente los extremos o usar tramos de viga de alma llena en las zonas de rótula potencial.
• Sistemas Arriostrados (Pórticos Concéntricos o Excéntricos): En sistemas arriostrados, las vigas suelen trabajar principalmente a flexión bajo cargas gravitacionales y como colectoras de cargas horizontales. Si la viga no forma parte directa del mecanismo de disipación de energía (como en pórticos con arriostramientos concéntricos - PAC), su uso puede ser más factible, siempre que se diseñe para permanecer esencialmente elástica bajo las combinaciones de carga sísmica o para resistir las fuerzas transmitidas por los arriostramientos. Se debe verificar cuidadosamente la estabilidad de los postes y las conexiones bajo las cargas axiales y momentos inducidos.
• Diafragmas de Entrepiso: Las vigas casteladas pueden funcionar bien como parte del sistema de diafragma de entrepiso (junto con la losa), transmitiendo las fuerzas inerciales horizontales hacia los sistemas de resistencia sísmica (pórticos o muros). Su alta rigidez puede ser beneficiosa para el comportamiento del diafragma.
• Peso Reducido: La ventaja del menor peso propio de las vigas casteladas (para una rigidez dada) es beneficiosa sísmicamente, ya que reduce las fuerzas inerciales generadas durante un terremoto (F = m*a).
• Conexiones: Las conexiones deben diseñarse para resistir las fuerzas sísmicas amplificadas según la NSR-10 y para acomodar las derivas (desplazamientos laterales) del edificio sin fallar prematuramente. El detallado sísmico de las conexiones a vigas casteladas es crítico.

En la práctica colombiana, es más frecuente ver vigas casteladas en sistemas de cubierta o en entrepisos donde no son el elemento principal de disipación sísmica, o en zonas de amenaza sísmica baja. Su uso en sistemas PRM en zonas de amenaza alta requiere un escrutinio muy riguroso y justificaciones sólidas del cumplimiento de los requisitos de ductilidad de la NSR-10.

Comparación con Otras Vigas Alveolares y Alternativas

Las vigas casteladas pertenecen a la familia de las vigas alveolares o aligeradas, pero existen otras variantes y alternativas estructurales.

La elección entre estas opciones dependerá de los requisitos específicos del proyecto:

• Para maximizar la rigidez con aumento moderado de peralte y facilitar instalaciones, las vigas casteladas y celulares son excelentes opciones. Las casteladas suelen ofrecer mayor incremento de rigidez que las celulares para el mismo perfil base.
• Si la suavidad en la transición de esfuerzos y una estética particular son deseadas, las vigas sinusoidales pueden ser consideradas.
• Para luces cortas a moderadas donde la simplicidad y el costo de fabricación inicial son primordiales, las vigas de alma llena son la opción estándar.
• Para luces muy grandes (e.g., > 30-40 metros) donde la ligereza es absolutamente crítica, las cerchas suelen ser la solución más eficiente, aunque con mayor peralte y complejidad de fabricación.

En muchos proyectos en Colombia, especialmente en el rango de luces de 15 a 30 metros para cubiertas y entrepisos, las vigas casteladas ofrecen un balance atractivo entre eficiencia estructural, funcionalidad y costo total instalado.

Mantenimiento e Inspección

Como cualquier elemento estructural de acero, las vigas casteladas requieren un programa de inspección y mantenimiento periódico para asegurar su durabilidad y desempeño a largo plazo.

• Inspección de Recubrimientos: Verificar periódicamente el estado de la protección anticorrosiva (pintura, galvanizado). Buscar signos de corrosión, especialmente en las zonas de las soldaduras alma-alma, bordes de las aberturas y puntos de acumulación de humedad o suciedad. Realizar retoques o repintados según sea necesario, siguiendo las recomendaciones del fabricante del recubrimiento. La frecuencia dependerá del ambiente de exposición (e.g., industrial, marino, urbano como Bogotá).
• Inspección de Soldaduras Críticas: Aunque la inspección inicial durante la fabricación es la más importante, en inspecciones periódicas de la estructura (especialmente después de eventos significativos como un sismo fuerte), se debe prestar atención visual a las soldaduras alma-alma. Buscar cualquier signo de fisuración o deformación. En estructuras críticas, podría considerarse una reinspección con END en puntos seleccionados si hay sospechas.
• Verificación de Deformaciones y Pandeo: Inspeccionar visualmente las vigas para detectar deformaciones excesivas (flechas), signos de pandeo local en los postes del alma o pandeo lateral-torsional de la viga completa. Comparar con las deformaciones esperadas si es posible.
• Estado de las Conexiones: Revisar el estado de las conexiones atornilladas (apriete de pernos, corrosión) y soldadas (fisuras, corrosión). Verificar la integridad de los rigidizadores de apoyo.
• Limpieza: Las aberturas pueden acumular polvo, escombros o nidos de aves si la estructura está expuesta. La limpieza periódica puede ser necesaria para mantener la estética y prevenir la acumulación de humedad.
• Daños Accidentales: Inspeccionar por posibles daños debidos a impactos (e.g., de vehículos en parqueaderos, de equipos en zonas industriales) que puedan haber afectado la integridad de la viga.

Un plan de mantenimiento bien definido, adaptado a las condiciones de uso y exposición de la estructura en Colombia, contribuirá a maximizar la vida útil y la seguridad de las vigas casteladas.

Tendencias Futuras y Potencial de Innovación

Si bien las vigas casteladas son una tecnología madura, aún existen áreas de investigación y desarrollo que podrían influir en su uso futuro, incluso en el contexto colombiano:

• Optimización Topológica y de Forma: El uso de herramientas computacionales avanzadas, como la optimización topológica, podría llevar a nuevos patrones de corte y formas de abertura aún más eficientes, adaptados a distribuciones de carga específicas. Esto podría ir más allá de los hexágonos y octógonos regulares, buscando minimizar el peso para una rigidez o resistencia dada, o reducir las concentraciones de esfuerzo.
• Materiales Avanzados: La aplicación del concepto de castelación a perfiles fabricados con aceros de ultra-alta resistencia (UHSS) podría permitir soluciones aún más ligeras y esbeltas, aunque esto plantearía desafíos en cuanto a soldabilidad, control de pandeo y disponibilidad en mercados como el colombiano.
• Fabricación Aditiva (Impresión 3D en Metal): Aunque actualmente es costosa para elementos estructurales grandes, la fabricación aditiva podría, en el futuro, permitir crear geometrías de alma optimizadas directamente, sin necesidad del proceso de corte y soldadura, eliminando las soldaduras críticas y permitiendo formas muy complejas.
• Vigas Híbridas: Combinar diferentes materiales, por ejemplo, usando polímeros reforzados con fibra (FRP) para reforzar localmente las aberturas o los postes, podría mejorar el comportamiento ante pandeo o fatiga.
• Integración con Monitoreo de Salud Estructural (SHM): Incorporar sensores (fibras ópticas, sensores de deformación) durante la fabricación o instalación de vigas casteladas podría permitir un monitoreo continuo de su estado de esfuerzos y detectar posibles daños o degradación a lo largo del tiempo.
• Normalización y Software de Diseño: Un mayor desarrollo y estandarización de las metodologías de diseño en normativas locales (como futuras actualizaciones de la NSR-10) y la incorporación de módulos específicos para vigas casteladas en software de análisis y diseño estructural de uso común en Colombia facilitarían su adopción y asegurarían una aplicación más consistente y segura.
• Refuerzo Inteligente de Aberturas: Investigaciones sobre formas óptimas de reforzar los bordes de las aberturas (e.g., con collarines, cambios locales de espesor) para mitigar la concentración de esfuerzos y mejorar la resistencia a fatiga y la ductilidad, especialmente relevante para aplicaciones sísmicas o bajo cargas dinámicas.

La adopción de estas innovaciones en Colombia dependerá de factores como la investigación local, la transferencia tecnológica, la evolución de las normativas y la demanda del mercado de la construcción por soluciones cada vez más eficientes y sofisticadas.

Recomendaciones Finales para Proyectos en Colombia

Al considerar el uso de vigas casteladas en un proyecto de construcción metálica en Bogotá o cualquier otra región de Colombia, se sugiere tener en cuenta los siguientes puntos clave:

• Análisis Comparativo Temprano: Evaluar desde las fases iniciales del diseño si las ventajas de las vigas casteladas (luces, rigidez, paso de instalaciones) justifican su potencial mayor complejidad y costo de fabricación frente a alternativas como vigas de alma llena o cerchas, considerando las condiciones específicas del proyecto.
• Selección de Fabricante Calificado: Trabajar con empresas metalmecánicas colombianas que demuestren experiencia comprobada en la fabricación de vigas casteladas, que cuenten con tecnología de corte precisa (preferiblemente CNC) y procesos de soldadura y control de calidad certificados (según AWS D1.1 y NSR-10). Solicitar referencias y visitar talleres si es posible.
• Diseño Estructural Detallado: Asegurar que el diseño sea realizado por ingenieros estructurales con experiencia en este tipo de elementos. El diseño debe abordar explícitamente todos los modos de fallo potenciales (flexión, cortante, pandeo de postes, Vierendeel, pandeo lateral, etc.) utilizando metodologías reconocidas (e.g., AISC Design Guide 31) y cumpliendo todos los requisitos aplicables de la NSR-10 (materiales, cargas, combinaciones, requisitos sísmicos, factores de seguridad).
• Especificaciones Claras: Los planos y especificaciones técnicas deben ser muy claros en cuanto a:
  • Perfil base (tipo, dimensiones, grado de acero ASTM o equivalente).
  • Geometría exacta del patrón de corte y de las aberturas resultantes.
  • Dimensiones finales de la viga castelada (H, a, s, etc.).
  • Requisitos de tolerancias dimensionales y de fabricación.
  • Especificaciones completas de las soldaduras alma-alma (tipo, tamaño, proceso, WPS, requisitos de END).
  • Detalles de conexiones, rigidizadores y cualquier refuerzo necesario.
  • Requisitos de protección anticorrosiva y/o contra fuego.
• Coordinación Interdisciplinaria: Aprovechar la ventaja del paso de instalaciones requiere una coordinación temprana y continua entre los diseñadores estructurales, arquitectos e ingenieros de instalaciones (mecánicas, eléctricas, hidráulicas) para asegurar que las rutas de ductos y tuberías sean compatibles con la ubicación de los postes y aberturas.
• Supervisión de Fabricación y Montaje: Implementar una supervisión técnica adecuada durante la fabricación en taller y el montaje en obra para verificar el cumplimiento de las especificaciones, la calidad de las soldaduras, la correcta manipulación y el aplome de los elementos.
• Consideraciones Sísmicas Rigurosas: Si el proyecto se ubica en zonas de amenaza sísmica Intermedia o Alta, evaluar críticamente la idoneidad de las vigas casteladas para la función estructural que desempeñarán, especialmente si forman parte del sistema principal de resistencia sísmica. Documentar detalladamente el cumplimiento de los requisitos de ductilidad y capacidad de la NSR-10 si aplica.

Siguiendo estas recomendaciones, las vigas casteladas, tipo castillo o almenadas pueden ser una solución estructural muy eficaz y valiosa para una gran variedad de proyectos de construcción metálica en el entorno colombiano, contribuyendo a la optimización de los diseños y a la creación de espacios funcionales y arquitectónicamente interesantes.