Vigas Tipo Celular: Fabricación, Propiedades, Diseño, Aplicaciones y Consideraciones Específicas dentro del Marco de las Vigas Alveolares y las Estructuras Metálicas Fabricadas en Bogotá y Colombia.

Las vigas metálicas representan un componente esencial en el ámbito de la construcción moderna, proporcionando la capacidad portante necesaria para una vasta gama de edificaciones y estructuras. Dentro de la gran familia de vigas metálicas, las armadas o fabricadas se distinguen por ser elementos diseñados y construidos a medida, optimizando el uso del material y adaptándose a requerimientos específicos que las vigas laminadas estándar podrían no satisfacer eficientemente. Una subcategoría particularmente interesante y de creciente relevancia dentro de las vigas fabricadas son las vigas alveolares o aligeradas, conocidas por su eficiencia estructural y su capacidad para vencer grandes luces con un peso propio reducido.

En este contexto, las Vigas Tipo Celular emergen como una variante sofisticada y altamente optimizada de las vigas alveolares. Se caracterizan fundamentalmente por poseer aberturas circulares (células) distribuidas uniformemente a lo largo del alma de la viga, a diferencia de las aberturas hexagonales típicas de las vigas casteladas (castellated beams), otra forma común de viga alveolar. Estas aberturas circulares no son meramente estéticas, sino el resultado de un proceso de fabricación ingenioso que busca maximizar la inercia de la sección transversal y, por ende, su resistencia a la flexión, manteniendo al mismo tiempo un peso relativamente bajo.

Proceso de Fabricación de las Vigas Celulares

La creación de una viga celular es un testimonio de la ingeniería aplicada a la optimización estructural. El proceso generalmente parte de un perfil de acero laminado estándar, comúnmente un perfil tipo I (como los perfiles IPE, HEA, HEB) o H. Los pasos subsiguientes son cruciales y definen la geometría final y las propiedades de la viga:

• Corte del Alma: El primer paso consiste en realizar un corte longitudinal a lo largo del alma del perfil original. Este corte no es recto, sino que sigue un patrón curvilíneo continuo y preciso, usualmente generado mediante oxicorte controlado por computador (CNC) o corte por plasma. El patrón de corte está diseñado para que, al separar las dos mitades resultantes (denominadas "Tees" estructurales), los semicírculos de una mitad coincidan con los de la otra.
• Desplazamiento y Ensamblaje: Una de las dos secciones en forma de T se desplaza longitudinalmente respecto a la otra. La magnitud de este desplazamiento determina el espaciamiento final entre las aberturas circulares.
• Soldadura: Las dos secciones T se vuelven a unir mediante soldadura continua a lo largo de las crestas del patrón de corte. Al soldar las secciones desfasadas, los semicírculos opuestos se alinean perfectamente, formando las características aberturas circulares en el alma de la nueva viga. Este proceso de soldadura debe ser de alta calidad para garantizar la integridad estructural de la viga compuesta.

El resultado es una viga con una altura (peralte) significativamente mayor que la del perfil original (típicamente incrementa entre un 40% y un 60%), lo que conlleva un aumento considerable del momento de inercia y del módulo de sección, propiedades directamente relacionadas con la resistencia a la flexión y la rigidez de la viga. Todo esto se logra sin añadir material adicional, e incluso con una ligera reducción debido al material eliminado en el proceso de corte, aunque la soldadura añade un peso mínimo.

Geometría Característica y Variaciones

La principal característica distintiva de las vigas celulares son sus aberturas circulares en el alma. La geometría de estas vigas se define por varios parámetros clave:

• Perfil Original: El tipo y tamaño del perfil laminado base (ej. HEA 300, IPE 400).
• Diámetro de las Aberturas (Do): El tamaño de los huecos circulares. Este diámetro suele estar limitado por la altura del alma del perfil original y las necesidades de resistencia en los montantes del alma (web posts) entre aberturas.
• Espaciamiento entre Aberturas (So): La distancia centro a centro entre huecos consecutivos. Este parámetro, junto con el diámetro, define la longitud de los montantes del alma.
• Altura Final de la Viga (H): La altura total de la viga celular fabricada, que es mayor que la del perfil original (Ho).
• Ancho de los Montantes del Alma (wp): La porción sólida del alma entre las aberturas, crucial para la resistencia al cortante y la estabilidad local.

Es posible generar una amplia gama de vigas celulares variando estos parámetros. Por ejemplo, se pueden fabricar vigas con aberturas de diferentes diámetros o espaciamientos no uniformes para optimizar la respuesta estructural en zonas de mayores o menores esfuerzos cortantes y momentos flectores. Además, el proceso permite crear vigas con contra flecha incorporada durante la fabricación, compensando deformaciones futuras bajo carga.

La precisión en el corte y la soldadura es vital. En Colombia, empresas especializadas en estructuras metálicas, particularmente en centros industriales como Bogotá, cuentan con la tecnología CNC necesaria para asegurar las tolerancias dimensionales requeridas para estas vigas.

Comparación Preliminar: Viga Celular vs. Viga de Alma Llena

Esta comparación inicial resalta la principal ventaja de las vigas celulares: obtener un rendimiento estructural superior (mayor resistencia y rigidez) para un peso similar o ligeramente inferior al del perfil base, lo cual es especialmente beneficioso en estructuras donde el peso propio es un factor crítico o donde se buscan grandes luces libres.

Ventajas Estructurales y Funcionales

El uso de vigas celulares en proyectos de construcción en acero ofrece una serie de beneficios técnicos y económicos que justifican su elección en diversas aplicaciones:

• Optimización de la Relación Resistencia-Peso: Como se mencionó, el aumento del peralte sin un incremento proporcional del peso resulta en una sección transversal mucho más eficiente para resistir momentos flectores. Esto permite cubrir luces mayores con la misma cantidad de acero (aproximadamente) o utilizar vigas más ligeras para una luz dada, en comparación con vigas de alma llena.
• Capacidad para Grandes Luces: La mayor rigidez y resistencia las hace ideales para salvar grandes distancias entre apoyos (columnas), lo que es muy deseable en edificios de oficinas, centros comerciales, bodegas industriales, parqueaderos y auditorios, donde se busca minimizar el número de columnas y maximizar el espacio útil diáfano. Proyectos en ciudades como Bogotá, con alta demanda de espacios flexibles, se benefician enormemente de esta característica.
• Reducción del Peso Propio Total de la Estructura: Al utilizar vigas más ligeras para una capacidad portante dada, se reduce el peso total de la superestructura de acero. Esta reducción tiene un efecto cascada positivo, disminuyendo las cargas transmitidas a las columnas y, fundamentalmente, a las cimentaciones. Esto puede llevar a ahorros considerables en el diseño y construcción de las fundaciones, un aspecto especialmente relevante en suelos con baja capacidad portante, como algunos encontrados en la sabana de Bogotá.
• Integración Eficiente de Servicios e Instalaciones: Las aberturas circulares en el alma proporcionan conductos naturales para el paso de tuberías (agua, sanitarias, protección contra incendios), ductos (aire acondicionado, ventilación), cableado eléctrico y de datos. Esta integración dentro del peralte de la viga, en lugar de por debajo de ella, permite reducir la altura total del entrepiso. Esta reducción puede significar un ahorro en la altura total del edificio, con la consiguiente disminución de costos en fachadas, cerramientos, y sistemas verticales, o permitir la inclusión de más pisos dentro de una restricción de altura máxima permitida por la normativa urbana.
• Flexibilidad Arquitectónica y Estética: La capacidad de lograr grandes luces libres otorga mayor libertad a los arquitectos en el diseño de los espacios interiores. Adicionalmente, la apariencia de las vigas celulares, con sus aberturas regulares, puede ser considerada estéticamente atractiva en sí misma, permitiendo dejarlas expuestas como parte del lenguaje arquitectónico del edificio, especialmente en estilos industriales o modernos.
• Potencial de Prefabricación y Montaje Rápido: Al ser elementos fabricados en taller bajo condiciones controladas, las vigas celulares pueden llegar a obra listas para su montaje, agilizando los tiempos de construcción. La precisión dimensional lograda en taller facilita las conexiones en sitio.

Estas ventajas hacen que las vigas celulares sean una opción competitiva frente a otras soluciones estructurales, como vigas de alma llena de gran peralte, vigas de celosía (cerchas) o incluso sistemas en concreto postensado, dependiendo de los requisitos específicos del proyecto.

Ventajas Detalladas de la Integración de Servicios

La optimización del espacio y la integración de servicios son, sin duda, dos de los motores más potentes para la adopción de vigas celulares en la edificación contemporánea, especialmente en edificios comerciales y de oficinas donde la eficiencia espacial y la flexibilidad para futuras adaptaciones son primordiales.

Consideraciones de Diseño Estructural para Vigas Celulares

Si bien las vigas celulares ofrecen ventajas significativas, su diseño estructural es más complejo que el de las vigas de alma llena estándar y requiere una atención cuidadosa a ciertos modos de falla y comportamientos específicos asociados a la presencia de las aberturas en el alma. Los ingenieros estructurales que trabajan con estos elementos, incluyendo aquellos que desarrollan proyectos en Colombia, deben estar familiarizados con estos aspectos y utilizar metodologías de análisis y diseño apropiadas, a menudo apoyándose en normativas internacionales reconocidas (como las del AISC - American Institute of Steel Construction o Eurocódigos) adaptadas o referenciadas por la normativa sismorresistente colombiana (NSR-10).

Algunos de los fenómenos críticos a evaluar en el diseño de vigas celulares incluyen:

• Flexión Global: La viga en su conjunto debe resistir el momento flector máximo aplicado. El aumento del módulo de sección mejora esta capacidad, pero la presencia de aberturas puede influir en la plastificación de las secciones T (alas y porción del alma adyacente).
• Cortante Global y Local: La fuerza cortante debe ser transmitida a lo largo de la viga. En las zonas con aberturas, el cortante se transmite principalmente a través de los montantes del alma (web posts) entre las aberturas. Estos montantes deben ser verificados para resistir el cortante vertical. Además, puede desarrollarse un cortante horizontal en las secciones T superior e inferior.
• Acción Vierendeel: Las aberturas en el alma interrumpen la transmisión directa de esfuerzos cortantes a través de un campo diagonal de tensiones, como ocurre en un alma llena. En cambio, se genera un comportamiento similar al de un marco Vierendeel local alrededor de cada abertura. Esto induce momentos flectores secundarios en las secciones T superior e inferior y en los montantes del alma, que deben ser considerados en el diseño. La magnitud de estos efectos Vierendeel depende de la geometría de las aberturas y el nivel de carga cortante.
• Pandeo del Alma (Web Buckling): Los montantes del alma, al ser elementos relativamente esbeltos sometidos a compresión y cortante (debido a la acción Vierendeel y al cortante global), son susceptibles al pandeo. Existen diferentes modos de pandeo a considerar:
  • Pandeo por cortante del montante.
  • Pandeo por compresión axial del montante.
  • Pandeo lateral-torsional de la viga completa, influenciado por la menor rigidez torsional comparada con una viga de alma llena.
  • Pandeo local de las alas o del alma en las zonas comprimidas.
• Resistencia de la Soldadura: La soldadura que une las dos secciones T es crítica para la integridad de la viga. Debe diseñarse para resistir los esfuerzos cortantes longitudinales y las tensiones derivadas de la acción Vierendeel. La calidad de la ejecución de la soldadura es primordial.
• Concentración de Esfuerzos: Los bordes de las aberturas circulares son zonas de concentración de esfuerzos. Aunque la forma circular es generalmente mejor que esquinas agudas para mitigar esto, bajo cargas cíclicas o de fatiga, estas zonas podrían ser críticas.
• Deflexiones: Aunque las vigas celulares son más rígidas que el perfil original para el mismo peso, su rigidez suele ser menor que la de una viga de alma llena de igual peralte. Además, las deformaciones por cortante, magnificadas por la acción Vierendeel, pueden contribuir de manera más significativa a la deflexión total, especialmente en vigas cortas y con altas cargas. El cálculo de deflexiones debe considerar estos efectos adicionales. Las limitaciones de deflexión según el uso (por ejemplo, para evitar daños en elementos no estructurales o por confort humano) deben ser verificadas rigurosamente.
• Vibraciones: La menor masa y potencialmente menor rigidez en comparación con secciones de alma llena de igual peralte pueden hacer que las losas soportadas por vigas celulares sean más susceptibles a vibraciones inducidas por actividad humana (caminar, correr, equipos). Es importante realizar un análisis de vibraciones, especialmente en edificios de oficinas, residenciales, hospitales o laboratorios, siguiendo guías de diseño específicas.

El diseño detallado suele requerir el uso de software de análisis por elementos finitos (FEA) para capturar con precisión la distribución de esfuerzos, los efectos locales alrededor de las aberturas y los modos de pandeo complejos, especialmente para geometrías no estándar o condiciones de carga complicadas. Sin embargo, existen también métodos de diseño simplificados y fórmulas empíricas desarrolladas y validadas experimentalmente que están recogidas en guías de diseño especializadas.

Parámetros Clave en el Diseño Estructural

Aplicaciones Típicas de las Vigas Celulares

La combinación única de eficiencia estructural, capacidad para grandes luces y facilidad para integrar servicios hace que las vigas celulares sean una solución atractiva para una amplia variedad de proyectos de construcción. Su uso es particularmente prevalente en:

• Edificios Comerciales y de Oficinas: Permiten plantas libres amplias y flexibles, facilitan la distribución de sistemas HVAC y cableado bajo el suelo técnico o en el plenum, y optimizan la altura de entrepiso. En ciudades como Bogotá, donde el espacio de oficinas moderno es demandado, las vigas celulares son una opción técnica y económicamente viable.
• Centros Comerciales y Grandes Superficies: Las grandes luces son esenciales para crear espacios abiertos y atractivos para los compradores. La integración de servicios también es una ventaja importante.
• Edificios Industriales y Bodegas: Cuando se requieren grandes áreas sin columnas para operaciones logísticas o de manufactura, las vigas celulares pueden ser una solución eficiente para la cubierta o entrepisos.
• Parqueaderos o Estacionamientos: Las vigas celulares permiten maximizar el número de plazas de aparcamiento al minimizar el número de columnas y facilitan el paso de instalaciones de ventilación e iluminación. Su menor peso propio también beneficia el diseño de las rampas y la estructura general.
• Hospitales y Laboratorios: Estos edificios tienen una alta densidad de instalaciones (gases medicinales, sistemas de ventilación complejos, cableado especializado). La capacidad de pasar estos servicios a través de las vigas simplifica enormemente el diseño y reduce la altura de entrepiso, lo cual es crítico en edificios con equipamiento sofisticado y múltiples niveles.
• Centros Educativos y Auditorios: Para aulas magnas, salones de actos o polideportivos donde se necesitan grandes luces sin obstrucciones visuales.
• Puentes Peatonales y Pasarelas: Su relación resistencia-peso y su posible atractivo estético las hacen adecuadas para este tipo de estructuras.
• Refuerzo de Estructuras Existentes: En algunos casos, pueden utilizarse para reforzar o sustituir elementos existentes buscando aumentar la capacidad portante sin incrementar excesivamente las cargas muertas.

Aunque su uso en puentes vehiculares es menos común que el de las vigas cajón o vigas I de alma llena de gran peralte, existen aplicaciones y estudios que exploran su viabilidad, especialmente en puentes de luces medias.

La elección final de utilizar vigas celulares dependerá de un análisis comparativo que considere los requisitos específicos del proyecto (luces, cargas, altura disponible, densidad de instalaciones), los costos relativos de material, fabricación y montaje, y las capacidades de diseño y fabricación disponibles localmente, como las que se encuentran en el tejido industrial de Bogotá y otras ciudades principales de Colombia.

Comparación con Vigas Casteladas (Castellated Beams)

Dentro de la categoría de vigas alveolares, las vigas celulares a menudo se comparan con las vigas casteladas, ya que ambas se fabrican a partir de perfiles laminados mediante un proceso de corte y soldadura para aumentar el peralte y crear aberturas en el alma. Sin embargo, existen diferencias clave en su geometría, fabricación y comportamiento estructural.

• Forma de las Aberturas: La diferencia más visible es la forma de los huecos. Las vigas celulares tienen aberturas circulares, mientras que las vigas casteladas tienen aberturas típicamente hexagonales (aunque también existen variantes con aberturas octogonales).
• Proceso de Corte: El corte para vigas casteladas sigue un patrón en zigzag o almenado. Al separar y desfasar las dos mitades, los dientes del corte encajan y se sueldan, formando las aberturas hexagonales. El corte para vigas celulares es curvilíneo continuo.
• Concentración de Esfuerzos: Las esquinas agudas de las aberturas hexagonales en las vigas casteladas tienden a generar mayores concentraciones de esfuerzos en comparación con las aberturas circulares de las vigas celulares. Esto puede ser una desventaja bajo cargas de fatiga o en zonas sísmicas donde la ductilidad es importante. La geometría circular ofrece una transición más suave del flujo de esfuerzos.
• Eficiencia Estructural: Para un mismo aumento de peralte y peso, las vigas celulares suelen ofrecer una ligera ventaja en términos de momento de inercia y módulo de sección debido a la forma más eficiente de la abertura circular para la distribución del material lejos del eje neutro. Sin embargo, la diferencia puede no ser siempre significativa y depende de la geometría específica.
• Acción Vierendeel: Ambos tipos de vigas experimentan efectos Vierendeel, pero la distribución de momentos secundarios puede variar ligeramente debido a la forma de la abertura y la geometría del montante del alma.
• Pandeo del Montante: La forma y esbeltez de los montantes del alma difieren. En las vigas casteladas, los montantes suelen ser tramos rectos del alma original, mientras que en las celulares tienen bordes curvos. El análisis de pandeo debe considerar la geometría específica en cada caso.
• Paso de Instalaciones: Las aberturas circulares pueden ser más convenientes para el paso de tuberías y conductos redondos, permitiendo un sellado potentially más sencillo si es necesario. Las aberturas hexagonales ofrecen una mayor área abierta para un mismo peralte, lo que podría facilitar el paso de elementos rectangulares grandes, pero la forma puede ser menos óptima para conductos redondos.
• Estética: La preferencia estética entre aberturas circulares y hexagonales es subjetiva y depende del concepto arquitectónico.

La elección entre viga celular y castelada dependerá de factores como los requisitos específicos de paso de instalaciones, consideraciones de fatiga, disponibilidad de fabricación especializada y, en algunos casos, preferencias estéticas o ligeras diferencias en la eficiencia estructural para una aplicación dada.

Comparativa Directa: Vigas Celulares vs. Vigas Casteladas

Materiales Utilizados y Normativa Aplicable en Colombia

Las vigas celulares se fabrican a partir de perfiles de acero estructural laminados en caliente. La selección del tipo de acero es un paso fundamental en el diseño y depende de los requisitos de resistencia, ductilidad, soldabilidad y tenacidad del proyecto, así como de las condiciones ambientales a las que estará expuesta la estructura.

En Colombia, la normativa sismorresistente NSR-10, en su Título F (Estructuras Metálicas), establece los requisitos para los materiales, el diseño y la construcción de estructuras de acero. Generalmente, se especifican aceros que cumplen con normas técnicas reconocidas internacionalmente, como las de la ASTM (American Society for Testing and Materials), adaptadas o adoptadas como Normas Técnicas Colombianas (NTC).

Los aceros comúnmente utilizados para perfiles estructurales que sirven de base para vigas celulares en Colombia incluyen:

• ASTM A36 / NTC 1920: Un acero al carbono estructural de uso muy extendido, con una resistencia a la fluencia mínima de 250 MPa (36 ksi). Es económico y tiene buena soldabilidad, pero su uso puede estar limitado en aplicaciones que requieran mayor resistencia o tenacidad, especialmente en zonas de alta sismicidad para ciertos elementos críticos.
• ASTM A572 Grado 50 / NTC 2015: Un acero de alta resistencia y baja aleación (HSLA), con una resistencia a la fluencia mínima de 345 MPa (50 ksi). Ofrece una mejor relación resistencia-peso que el A36, permitiendo secciones más ligeras. Es ampliamente utilizado en la construcción de edificios y puentes en Colombia.
• ASTM A992 / NTC 5700: Un acero estructural específicamente desarrollado para perfiles W (perfiles de ala ancha), con una resistencia a la fluencia controlada entre 345 MPa (50 ksi) y 450 MPa (65 ksi) y requisitos mejorados de ductilidad y soldabilidad. Es el material preferido para muchas aplicaciones estructurales en edificios, especialmente en sistemas sismorresistentes.
• Aceros con Requisitos de Tenacidad: Para estructuras expuestas a bajas temperaturas o sujetas a cargas de impacto o fatiga, o para elementos críticos en zonas sísmicas, la NSR-10 puede exigir aceros con requisitos específicos de tenacidad a la fractura (medida mediante ensayos Charpy V-Notch), como los especificados en ASTM A709 (para puentes) o aceros A572/A992 con sufijos que indican pruebas de tenacidad.

La elección del grado de acero impacta directamente en el dimensionamiento de la viga celular. Un acero de mayor resistencia permite, en principio, utilizar un perfil base más ligero o lograr una mayor capacidad portante para un mismo tamaño de viga fabricada. Sin embargo, el diseño también debe considerar la estabilidad (pandeo), que a menudo gobierna sobre la resistencia pura, especialmente en elementos esbeltos.

Además del material base, la soldadura utilizada para unir las secciones T debe ser compatible con el acero base y realizarse siguiendo procedimientos calificados (WPS) de acuerdo con códigos como AWS D1.1 (Código de Soldadura Estructural - Acero), referenciado en la NSR-10.

Grados de Acero Comunes para Perfiles Base en Colombia

La correcta especificación del material, siguiendo las directrices de la NSR-10 y considerando las condiciones particulares del proyecto en Colombia, es esencial para garantizar la seguridad y el desempeño adecuado de las vigas celulares a lo largo de la vida útil de la estructura.

Detalles Constructivos y Conexiones

El diseño y la ejecución de las conexiones de las vigas celulares a otros elementos estructurales (columnas, otras vigas, losas) son tan importantes como el diseño de la propia viga. Las conexiones deben ser capaces de transmitir las fuerzas de diseño (momento flector, fuerza cortante, fuerza axial si existe) de manera segura y eficiente, y deben ser detalladas considerando la geometría particular de la viga celular.

Algunos aspectos relevantes en el diseño de conexiones para vigas celulares son:

• Conexiones a Cortante (Articuladas): Son las más comunes para vigas secundarias. Generalmente se realizan conectando el alma de la viga celular a la columna o a la viga principal mediante ángulos de conexión, placas de cortante (shear plates) o placas extremas (end plates) soldadas al alma. Es crucial asegurarse de que la conexión se realice en una zona del alma con suficiente capacidad, preferiblemente cerca de un montante o reforzando el alma si la conexión coincide con una abertura. No se debe soldar directamente al borde de una abertura.
• Conexiones a Momento (Rígidas o Semirrígidas): Se utilizan para transferir momentos flectores, típicamente en pórticos resistentes a momento. Estas conexiones son más complejas y costosas. Involucran la conexión tanto de las alas como del alma de la viga celular a la columna. Se pueden usar placas extremas atornilladas de peralte completo, conexiones soldadas directamente (requieren alta calificación y control), o combinaciones. La presencia de las aberturas en el alma complica el detallado, ya que se debe asegurar la transferencia de esfuerzos a través de la conexión sin generar concentraciones de esfuerzos indebidas o pandeos locales cerca de la conexión o de las aberturas adyacentes. Puede ser necesario añadir rigidizadores (stiffeners) en la viga celular o en la columna en la zona de la conexión.
• Refuerzos en los Apoyos: En los puntos de apoyo o donde se aplican cargas concentradas importantes, puede ser necesario añadir rigidizadores verticales en el alma de la viga celular para prevenir el pandeo o aplastamiento del alma (web crippling/yielding), especialmente si el apoyo coincide con un montante delgado o cerca de una abertura. Estos rigidizadores suelen ser placas soldadas al alma y a las alas.
• Interferencia con Aberturas: Se debe planificar cuidadosamente la ubicación de las conexiones para evitar interferencias directas con las aberturas del alma. Si una conexión debe ubicarse cerca de una abertura, puede ser necesario reforzar localmente el alma o incluso rellenar parcialmente la abertura con una placa de acero para proporcionar una superficie de conexión adecuada y restaurar la capacidad local.
• Conexión de la Losa: La losa de concreto (frecuentemente una losa compuesta sobre lámina colaborante o steel deck) se conecta a la viga celular mediante conectores de cortante (studs) soldados sobre el ala superior. Estos permiten que la viga de acero y la losa de concreto trabajen conjuntamente como una sección compuesta, aumentando significativamente la resistencia y rigidez de la viga bajo cargas gravitatorias. El diseño debe asegurar que haya suficiente espacio para la soldadura de los conectores y que su distribución sea la adecuada según el cálculo de la acción compuesta.
• Tolerancias de Fabricación y Montaje: Las tolerancias dimensionales en la fabricación de la viga celular y en la ejecución de las conexiones en taller y en obra son críticas para asegurar un ajuste adecuado y el correcto funcionamiento de las conexiones, especialmente las atornilladas.

El diseño de conexiones debe seguir las especificaciones de la NSR-10 Título F y las guías de diseño reconocidas (ej., AISC Steel Construction Manual y Seismic Design Manual). La colaboración entre el ingeniero estructural, el fabricante de las estructuras metálicas y el montador es esencial para lograr conexiones eficientes y seguras.

Fabricación, Transporte e Instalación

El proceso completo, desde la fabricación hasta la puesta en obra de las vigas celulares, requiere planificación y control de calidad.

• Fabricación en Taller: Como se describió anteriormente, la fabricación implica corte CNC (plasma o oxicorte), ensamblaje preciso y soldadura de alta calidad. Los talleres de estructuras metálicas, como los que operan en Bogotá y otras regiones industriales de Colombia, deben contar con el equipo adecuado y personal calificado. El control de calidad durante la fabricación incluye la verificación dimensional (peralte, diámetro y espaciamiento de aberturas, rectitud, contra flecha si se especificó), la inspección de soldaduras (visual, ensayos no destructivos como ultrasonido o partículas magnéticas si se requiere) y la preparación de superficies para protección anticorrosiva.
• Protección Anticorrosiva: Al igual que otras estructuras de acero, las vigas celulares requieren un sistema de protección contra la corrosión adecuado al ambiente de exposición. Esto usualmente implica limpieza de la superficie (chorreado abrasivo) y aplicación de pinturas (imprimación y capas de acabado) en el taller. La selección del sistema de pintura debe considerar la durabilidad requerida y la compatibilidad con la protección contra el fuego si es necesaria.
• Transporte: Las vigas celulares, debido a su mayor peralte, pueden ser más voluminosas que los perfiles originales. La logística de transporte desde el taller hasta la obra debe planificarse considerando las dimensiones de las vigas, las rutas disponibles, las restricciones de gálibo y peso en carreteras, y la necesidad de permisos especiales si aplica. Es importante asegurar las vigas adecuadamente durante el transporte para evitar daños.
• Manejo en Obra: Se requiere equipo de izaje adecuado (grúas) con capacidad suficiente para manejar el peso y las dimensiones de las vigas. Los puntos de izaje deben seleccionarse cuidadosamente para no dañar la viga ni sobrecargar localmente el alma o las alas. A menudo se utilizan eslingas y balancines para asegurar una elevación estable y controlada.
• Montaje: El montaje sigue procedimientos similares a los de otras vigas de acero. Se izan a su posición final y se realizan las conexiones provisionales (generalmente atornilladas) para asegurar la estabilidad. Luego, se realizan las conexiones definitivas (apriete final de tornillos o soldadura en sitio, si aplica). El montaje debe seguir una secuencia planificada para garantizar la estabilidad de la estructura en todas sus fases. La verticalidad, alineación y nivelación de las vigas deben verificarse antes de completar las conexiones.
• Seguridad en el Montaje: Se deben seguir estrictas normas de seguridad durante el manejo e instalación de estas vigas, incluyendo el uso de equipos de protección personal, aseguramiento contra caídas, y procedimientos seguros de izaje.

La eficiencia en la fabricación y el montaje es clave para la competitividad económica de las vigas celulares. La prefabricación en taller permite un mayor control de calidad y puede acelerar significativamente el cronograma de construcción en comparación con soluciones que requieren más trabajo en sitio.

Aspectos Logísticos y de Montaje

Análisis de Costos y Sostenibilidad

La decisión de utilizar vigas celulares en un proyecto también debe considerar el análisis económico y los aspectos de sostenibilidad.

• Costos de Material: Aunque el proceso de fabricación utiliza un perfil base, la eficiencia estructural lograda (mayor resistencia y rigidez por unidad de peso) puede llevar a una reducción en la cantidad total de acero requerida para la estructura en comparación con el uso de vigas de alma llena para cubrir las mismas luces y cargas. Esto puede generar ahorros en el costo del material base.
• Costos de Fabricación: La fabricación de vigas celulares es un proceso que añade valor y, por lo tanto, tiene un costo adicional en comparación con el simple suministro de perfiles laminados. Este costo incluye el corte, la soldadura, el manejo adicional y el control de calidad. Este sobrecosto de fabricación debe ser compensado por los ahorros en material o por otras ventajas.
• Costos de Montaje: La potencial reducción del peso de las vigas puede facilitar el montaje y reducir los requerimientos de grúas, aunque el mayor volumen puede ser un factor. La prefabricación y la precisión suelen agilizar el montaje, reduciendo costos de mano de obra y tiempo en obra.
• Costos Indirectos (Ahorros): Aquí es donde las vigas celulares a menudo muestran ventajas significativas:
  • Ahorro en cimentaciones debido al menor peso propio de la estructura.
  • Ahorro en altura de edificio debido a la integración de servicios, reduciendo costos de fachada, particiones, sistemas verticales, etc.
  • Mayor flexibilidad espacial, que puede tener un valor económico a largo plazo.
• Análisis de Ciclo de Vida: Considerando todos los factores (material, fabricación, montaje, ahorros indirectos, mantenimiento), las vigas celulares pueden ser una solución económicamente competitiva, especialmente para proyectos con grandes luces, alta densidad de instalaciones o restricciones de altura.

Desde la perspectiva de la sostenibilidad:

• Eficiencia de Material: Utilizan el acero de manera más eficiente, reduciendo la cantidad total de material necesario y, por lo tanto, la energía incorporada y las emisiones asociadas a su producción.
• Reciclabilidad: El acero es un material altamente reciclable. Al final de la vida útil del edificio, las vigas celulares pueden ser recuperadas y recicladas casi en su totalidad.
• Reducción de Residuos: La fabricación precisa en taller minimiza los residuos de material en comparación con ajustes extensivos en obra. El material removido durante el corte (pequeños semicírculos) también puede ser reciclado.
• Construcción Ligera: La reducción del peso propio disminuye el impacto en el sitio y los requerimientos de cimentación, lo que puede ser beneficioso en términos ambientales.
• Durabilidad: Con una protección anticorrosiva adecuada, las estructuras de acero son muy duraderas, contribuyendo a la longevidad del edificio.

La optimización del diseño para usar la menor cantidad de material posible, junto con la alta reciclabilidad del acero, posiciona a las vigas celulares como una opción con atributos de sostenibilidad favorables dentro de la construcción metálica.

Mantenimiento e Inspección

Al igual que cualquier elemento estructural de acero, las vigas celulares requieren un plan de inspección y mantenimiento periódico para asegurar su integridad y desempeño a largo plazo. Aunque el acero estructural, si está adecuadamente protegido, es muy duradero, existen aspectos específicos a considerar para las vigas celulares:

• Inspección de la Protección Anticorrosiva: Es fundamental verificar el estado del sistema de pintura o galvanizado, especialmente en zonas críticas como las soldaduras, los bordes de las aberturas y las áreas de conexión. Se debe buscar cualquier signo de corrosión (óxido), desprendimiento de la pintura o daño mecánico al recubrimiento. Las inspecciones deben ser más frecuentes en ambientes agresivos (industriales, marinos, alta humedad).
• Inspección de Soldaduras: Aunque la inspección principal se realiza durante la fabricación, inspecciones visuales periódicas de las soldaduras longitudinales que unen las secciones T pueden detectar fisuras o defectos que pudieran desarrollarse con el tiempo, aunque esto es poco común en estructuras bien diseñadas y fabricadas bajo cargas estáticas. En estructuras sujetas a fatiga o cargas sísmicas importantes, la inspección de soldaduras críticas puede ser más rigurosa.
• Verificación de Deformaciones: Inspeccionar visualmente en busca de deformaciones excesivas, pandeos locales en el alma o las alas, o cualquier otro signo de comportamiento anómalo. Comparar las deflexiones medidas (si es posible) con las esperadas puede ser útil.
• Inspección de Conexiones: Revisar el estado de los pernos (apriete, corrosión), soldaduras de conexión y placas. Asegurarse de que no haya movimientos relativos inesperados o signos de sobrecarga.
• Estado de los Bordes de las Aberturas: Inspeccionar los bordes de las aberturas circulares en busca de posibles fisuras por fatiga (muy raro en edificios, más relevante en puentes o estructuras con cargas cíclicas) o daños mecánicos.
• Limpieza: Mantener las vigas limpias de acumulación de polvo, residuos o humedad puede ayudar a prevenir la corrosión y facilita la inspección visual. Las aberturas pueden ser puntos donde se acumule suciedad si no se consideran en el diseño de limpieza.
• Daños por Impacto o Modificaciones: Verificar si ha habido daños por impacto de vehículos o equipos (especialmente en parqueaderos o zonas industriales) o si se han realizado modificaciones no autorizadas (como perforaciones adicionales) que puedan comprometer la integridad de la viga.

La frecuencia y el alcance de las inspecciones dependerán del tipo de estructura, su uso, la agresividad del ambiente y los requisitos normativos o del propietario. Generalmente, se recomienda una inspección visual general anual o bianual, y inspecciones más detalladas cada 5-10 años o después de eventos significativos (sismos, incendios, impactos).

El mantenimiento consistirá principalmente en la reparación de la protección anticorrosiva donde sea necesario (limpieza localizada, aplicación de retoques de pintura) y la corrección de cualquier otro defecto menor encontrado durante la inspección. Las reparaciones estructurales mayores solo deberían ser necesarias en caso de daño accidental o errores de diseño/construcción, y deben ser diseñadas por un ingeniero calificado.

Puntos Clave para la Inspección de Vigas Celulares

Un programa de mantenimiento bien ejecutado, basado en inspecciones regulares, es esencial para maximizar la vida útil de las estructuras que incorporan vigas celulares y para garantizar que continúan cumpliendo su función de manera segura y eficiente a lo largo del tiempo. La facilidad de acceso para inspección, que puede ser parcialmente facilitada o dificultada por la presencia de instalaciones pasando a través de las aberturas, debe considerarse durante la fase de diseño.

La adopción de vigas celulares en proyectos de construcción en acero en Colombia, incluyendo desarrollos significativos en Bogotá, representa una apuesta por la eficiencia estructural y la optimización del diseño. Su correcta especificación, diseño detallado, fabricación precisa, montaje cuidadoso y un mantenimiento adecuado aseguran que estas innovadoras soluciones aporten todos sus beneficios a lo largo de la vida útil de la edificación.