COMPRENDE

Campo técnico de la invención

La presente invención pertenece al sector técnico de la construcción, por ejemplo y sin carácter limitativo, a la construcción de edificios industriales, comerciales, residenciales, etc.

Más en concreto, la invención se refiere a una viga en cajón, para forjado del tipo plano mixto acero-hormigón, llamado “slim-floorVshallow-floor”, de la terminología técnica derivada del inglés, destinada a utilizarse en forjados y cubiertas de construcciones de edificios de plantas múltiples. Este tipo de forjados se caracterizan por quedar las vigas empleadas embebidas en el canto del propio forjado evitando descuelgues. La invención también se refiere a que dicha viga cajón tiene la particularidad de que las almas que la integran están conformadas en base a chapas cortadas en diente de sierra formando celosías con huecos entre los dientes, de tal modo que los dientes y los huecos son unos el negativo de los otros. Esto permite obtener dos almas con cada corte, optimizando el aprovechamiento del material y eliminando restos de chapa.

Estado de la técnica

En la construcción de edificaciones se está experimentando un incremento de la construcción mixta acero-hormigón al permitir combinar las ventajas del acero estructural y del hormigón, no solo en cuanto a capacidad resistente sino en lo que respecta a aspectos constructivos, funcionales y estéticos. Los forjados planos mixtos acero-hormigón del tipo “slim-floor”, formados por vigas de acero embebidas en el canto del forjado, se utilizan cada vez más al reunir ventajas sobre los sistemas constructivos convencionales como, por ejemplo, los formados por vigas descolgadas. Entre otras ventajas permiten reducir el canto total del forjado, aumentar el espacio útil entre forjados y facilitar la instalación de equipamiento técnico por debajo del forjado, al conseguir un techo liso o con nervios de mínimo descuelgue. Otras ventajas son la rapidez constructiva al no necesitar encofrados ni apeos y la resistencia al fuego inherente a la tipología constructiva.

Los forjados planos de acero-hormigón “slim-floor”, además de las vigas de acero, incorporan embebidos elementos que conforman el forjado, tales como: losas o prelosas de hormigón armado o pretensado, losas alveolares pretensadas, viguetas de hormigón armado o pretensado prefabricadas o ejecutadas “in situ”, viguetas metálicas o chapas de acero colaborante. En la viga metálica se vierte hormigón para formar una viga mixta. Si el forjado lleva capa de compresión (hormigón y/o armadura), el hormigonado se realiza conjuntamente (viga cajón y capa de compresión), garantizando el monolitismo viga-cajón/forjado, y la continuidad con el armado de reparto y de negativos, en su caso.

Existen diversas tipologías de vigas planas utilizadas en forjados del tipo “slim-floor” que vienen desarrollándose desde los años 70 del siglo pasado. Estas vigas suelen estar conformadas en base a perfiles comerciales con las desventajas que ello conlleva. Una de ellas es la necesidad de que dispongan de conectores entre las vigas para conformar los forjados. Otra desventaja adicional de emplear perfiles comerciales es la falta de versatilidad de estas vigas para poder adaptarse a las necesidades específicas del edificio o de la planta en construcción.

El dimensionamiento de vigas de forjado plano se puede plantear con los principios de las normas UNE-EN 1993-1-1 y UNE-EN 1994-1-1. La norma UNE-EN 1993-1- 1 :2013 presenta los procedimientos necesarios para la comprobación de los Estados Límites Últimos ELU y Estados Límites de Servicio ELS de dichas vigas en la etapa constructiva, antes del endurecimiento del hormigón.

La normativa vigente de estructuras mixtas UNE-EN 1994-1-1 :2011 no cubre explícitamente el dimensionamiento de vigas “slim-floor” ni tampoco la posibilidad de explorar el comportamiento mixto de una viga sin conectores de deslizamiento. Según la norma anterior para considerar un comportamiento mixto deben de existir necesariamente conectores entre el acero y el hormigón de la viga, pero la literatura científica y los ensayos realizados acreditan el comportamiento en sección mixta en este tipo de vigas, sin necesidad de dichos conectores, aunque, si se desea, también pueden llevarse a cabo realizaciones de la viga-cajón mixta de acuerdo con la invención, provistas también de conectores.

Existen vigas cajón con largueros laterales con orificios (DE202015104628U1 y CN203429885U). El practicar orificios para fabricar las almas laterales desaprovecha mucho material y encarece el coste de estas vigas. Además, las almas no forman un ángulo de 90° con ambas chapas superior e inferior a las que van soldados (CN203429885U), teniendo un peor comportamiento mecánico y un coste de producción mayor. También la chapa superior sobresale del lateral del alma, (CN203429885U) e, incluso, los laterales presentan ángulos de plegamiento en sus bases (W003100185A1 ), que los hacen más propensos a colapsar en situaciones de sobre-esfuerzo vertical. La menor resistencia de las vigas descritas en el estado de la técnica a tensiones de fuerzas verticales es evidente al presentar (CN203429885U) incluso orificios en la chapa superior. También existen vigas cajón con laterales con aperturas y refuerzos con barras de acero útiles en caso de incendio (EP1690999A2), pero, de nuevo, la chapa superior sobresale de las paredes laterales y la unión entre la chapa superior y las almas se hace por acoplamiento macho-hembra entre sus respectivas escotaduras y salientes, en forma de dientes trapezoidales, complementarios, lo que facilita el que colapsen antes, en caso de aumento de fuerzas verticales porque este tipo de acoplamiento ofrece menos rigidez que el propuesto por la presente invención y, además, las barras de refuerzo de material resistente al fuego se disponen de forma distinta a la propuesta en la invención, no soldadas, aparte de necesitar juntas entre las vigas cajón.

Otras vigas cajón descritas en el estado de la técnica (NL8700070A), necesitan que se practiquen los dientes trapezoidales en ambas chapas, superior e inferior y que las mismas se plieguen, lo que supone un sobrecoste, para soldarse por los bordes menores de los dientes trapezoidales. Este tipo de vigas presenta menor resistencia a las fuerzas de tensión verticales, al no disponer de una chapa inferior de mayor anchura y tampoco poder acoplarse a los forjados sin elementos de conexión, por la misma razón. Este mismo problema, la ausencia de una chapa inferior de mayor anchura que confiere por una parte mayor resistencia a las tensiones de fuerzas verticales y, por otra, sirve de apoyo para los elementos de forjado, sin necesidad de dotar a la viga de elementos de conexión, se observa también en RU2677188C1 Los anteriores problemas existentes en el estado de la técnica se resuelven con la viga cajón y el forjado mixto de acero-hormigón que la comprende, de la presente invención.

Descripción resumida de la invención

Con objeto de abordar los problemas y desventajas existentes en el estado de la técnica anteriormente mencionados, la invención proporciona una viga en cajón, para forjados planos mixtos metal-hormigón que comprende:

• una primera chapa metálica longitudinal, inferior;

• una segunda chapa metálica longitudinal, superior, de menor anchura que la primera chapa y paralela a la misma; y

• dos almas metálicas verticales, paralelas entre sí, dispuestas una distancia en la que su cara exterior sobresale ligeramente respecto al borde de la chapa superior, para facilitar la soldadura. A efectos de la presente descripción, se entiende que las dos almas verticales sobresalgan ligeramente respecto al borde de la chapa superior, en que ésta se apoye sobre parte del ancho o grosor de dichas almas, dejando parcialmente sin cubrir el resto de dicho ancho o grosor de las almas verticales. Ello implica que se forme un ángulo entre ambos bordes, el de la chapa superior y los de las almas verticales, que se utiliza para facilitar la soldadura. El fluido metálico de la soldadura rellena dicho ángulo o escalón entre los susodichos bordes. Además, al ser la chapa inferior más ancha, las almas quedan retranqueadas de su borde, dejando espacio suficiente para apoyar los elementos del forjado. Las almas están cortadas con forma de dientes separados por alveolos, de forma que los dientes y los alveolos tienen las mismas dimensiones.

Al tener un perfil complementario, es posible obtener las dos almas de una viga cortando un único trozo de chapa de acero, sin desperdicio ninguno de material. El corte puede hacerse por cualquier método conocido en el estado de la técnica: láser, plasma, lanza térmica, chorro de agua, cizallado, etc. Esto implica un ahorro de material, evita la generación de residuos y las vigas producidas tienen mayor resistencia a un menor coste de material. La geometría más adecuada para conseguir estas ventajas es un corte en diente de sierra trapezoidal, pero otras formas geométricas pueden ser igualmente apropiadas (rectangulares, semicirculares truncadas, etc... ). Basta con que los elementos alveolares dispongan de una base inferior continua apta para ser soldada sobre la chapa inferior de la viga-cajón y que los elementos alveolares tengan una superficie sustancialmente recta en su parte opuesta a la base, de suficiente longitud, que permita su soldadura rígida y robusta con la chapa superior de la propia viga-cajón.

Preferiblemente la viga es de acero, en concreto de chapa de acero S-355 JR. El acero es el metal normalmente utilizado en la construcción de edificios, pero otros materiales metálicos pueden ser igualmente utilizados sin departir del ámbito de protección de la presente invención.

La soldadura de las almas laterales por sus bordes superior e inferior a las chapas respectivas, superior e inferior, se puede llevar a cabo por métodos conocidos en el sector de la siderurgia. Por ejemplo: soldadura en arco eléctrico, soldadura láser, soldadura por haz de electrones, por ultrasonidos, por fricción, por fusión, etc....

Las almas alveolares están colocadas de forma que ambos perfiles ¡guales y complementarios están soldados a la chapa superior, es decir, a la chapa más estrecha, por el lado menor de los dientes trapezoidales. Esto produce una viga de mayor resistencia, debido a que la chapa más ancha se coloca en la parte inferior de la estructura de la viga y la parte del alma que presenta un perfil continuo se soldaría por su base inferior, sobre dicha chapa más ancha, ofreciendo mayor resistencia a la flexión y tracción debida a las cargas verticales. Además, esta geometría facilita el relleno del hormigón en todo el volumen de la viga-cajón y la colocación de barras transversales por los alveolos, garantizando el comportamiento de viga mixta.

Preferiblemente, las almas laterales están dispuestas de forma que presentan un decalaje o desfase entre los alveolos de ambas almas, esto es, los de un alma respecto a los de la otra. Es decir, al ser vistas las vigas de lado, los alveolos de un alma coinciden con los dientes de la otra alma y viceversa. De esta forma se consigue una distribución más homogénea de los esfuerzos y deformaciones a lo largo de la viga, y que el vertido del hormigón rellene adecuadamente el interior del cajón. Sin embargo, las almas pueden estar colocadas de forma que los alveolos de una coincidan transversalmente con los alveolos de la otra alma, dejando espacios diáfanos entre los dientes trapezoidales, en ambos lados.

Otra realización de la invención es aquélla en que las almas laterales alveolares están soldadas en sentidos opuestos. Una de las almas laterales, con los lados menores de los dientes, en un ejemplo, como forma trapezoidal, soldados en la chapa inferior y la otra alma lateral alveolar paralela, soldada en sentido opuesto, con los lados menores de los dientes, en este mismo ejemplo, con forma también trapezoidal, aunque podría ser cualquier otra forma, soldados sobre la chapa superior. En esta otra realización, también las almas pueden estar decaladas o desenfiladas.

Otro aspecto de la invención aporta una viga según la invención y un núcleo de hormigón situado entre la primera y la segunda chapa y las almas. El vertido del hormigón se hace de forma que el mismo sobresalga de la viga cajón.

Otro aspecto de la invención aporta un forjado plano que comprende una pluralidad de vigas según la invención, diferentes tipos de encofrados, o elementos prefabricados apoyados en los bordes de las chapas inferiores de las vigas, y un vertido de hormigón que solidariza el conjunto, incluyendo el interior de la viga cajón. Las vigas de la invención soportan en su chapa inferior forjados de 15-60 cm de espesor. Una vez colocados los elementos del forjado se vierte el hormigón, recubriendo y rellenado la viga cajón completamente. En el caso de que el forjado lleve capa de compresión, el hormigonado de esta capa y el de la viga se hacen simultáneamente.

La viga cajón puede incluir acero en barras corrugadas dispuestas longitudinalmente para solventar necesidades adicionales en caso de incendio. Estas barras corrugadas, preferiblemente, se sueldan a pletinas dispuestas en el interior del cajón, que disponen de rebajes o alojamientos de dimensiones adecuadas para el correcto alojamiento y soldadura de las barra, para fijar sus posiciones. Aprovechando los alveolos de las almas laterales, sea cual sea su disposición (paralela o alternada), se puede disponer una armadura transversal mediante barras corrugadas, preferiblemente, que mejoren el comportamiento mixto, acero-hormigón, de la sección.

Por último, en otra realización de la invención, las vigas cajón pueden disponer de aberturas simétricas en sus chapas superior e inferior, a las que se sueldan estructuras tubulares huecas, dispuestas en paralelo a las almas alveolares. Estas estructuras tubulares permiten disponer en su seno todo tipo de instalaciones, tales como cableados, tuberías, etc... Las barras corrugadas que mejoran la resistencia al fuego de la vigas-cajón de la presente invención, pueden soldarse también en los laterales de estas estructuras tubulares verticales.

Breve descripción de las figuras

A continuación, se describe una realización de la invención, a título de ejemplo y sin ánimo de constituir limitación alguna al ámbito de protección de la presente invención. En la descripción se hace referencia a las siguientes figuras, en las que:

La Figura 1 muestra una vista en perspectiva de una viga metálica según una realización de la presente invención.

La Figura 2 muestra una vista de sección transversal de la viga metálica mostrada en la Figura 1 .

La Figura 3 muestra una vista de alzado de la viga metálica mostrada en la Figura 1 .

La Figura 4 muestra un detalle del perfil de corte complementario de las almas de la viga de la Figura 1 obtenido de un solo trozo de chapa de 300 mm de anchura.

La Figura 5 muestra un detalle de forjado plano según una realización de la presente invención. 5A con capa de compresión (40) y 5B, sin capa de compresión.

Descripción detallada de la invención

La Figura 1 muestra una vista en perspectiva de una viga metálica (10) según una realización de la presente invención. La viga 10 está hecha de chapa de acero S355- JR cortada y soldada para formar una viga de cajón para forjados planos mixtos acero- hormigón. La viga (10) comprende una chapa inferior de acero longitudinal (12) de 600 mm anchura y 12 mm de espesor y 4.6 m de longitud, una chapa superior de acero longitudinal (14) de 314 mm de anchura, 10-15 mm de espesor y 4.6 m de longitud, paralela a la chapa (12) (ver Figura 2). La viga (10) comprende dos almas alveolares laterales (16, 18), paralelas, de 220-365 mm de altura, 6-10 mm de espesor y 4.6 m de longitud. Las almas alveolares se sueldan por ambos lados (superior, con dientes trapezoidales e inferior, base continua) a ambas chapas, de forma que las caras externas de las almas laterales sobresalen ligeramente de los bordes de la chapa superior, facilitando la soldadura (Figura 2). Las dos almas son paralelas entre sí y perpendiculares a las chapas, superior e inferior, a las que van soldadas, de forma que los bordes laterales (20) de la chapa inferior (12) sobresalen de las almas laterales (16, 18) para dar apoyo al forjado o elementos prefabricados, en uso (Ver Figura 5) y los bordes laterales de la chapa superior (14) quedan ligeramente retranqueados de los extremos laterales de las almas (16, 18). Como se observa en la Figura 3, las almas laterales alveolares (16, 18) tienen un perfil complementario (22, 24) una a otra, en forma de dientes (26) trapezoidales. De esta forma se aprovecha al máximo la chapa utilizada para fabricar las almas.

En la Figura 3 se puede observar que las almas (16, 18) han sido soldadas de forma que el perfil cortado (22, 24) de las almas (16, 18) está soldado por los bordes de los dientes (26) con la chapa superior (14), de forma que hay un desfase o decalaje entre los dientes de cada alma (16, 18), es decir, que mirados de lado, los dientes (26) de un alma lateral coinciden con el hueco entre los dientes (26) del alma lateral del lado opuesto y viceversa. De esta forma se produce, por una parte, un aprovechamiento completo de la chapa utilizada para fabricar las almas y, por otra, cuando las almas laterales están decaladas, se consigue una mejor distribución de resistencias a las fuerzas verticales. El decalaje de las almas además facilita que el hormigón rellene completamente el interior del cajón, porque siempre hay salida para el aire atrapado durante el hormigonado.

En la figura 4 se puede observar la geometría de los dientes trapezoidales (26) de una realización particular de la invención, los cuales tienen una altura de 220 mm desde el borde de la chapa, tienen un borde superior de 100 mm de ancho, los lados de los dientes tienen una anchura de 80 mm y la base continua de las almas tiene una altura de 80 mm hasta la base del diente trapezoidal, siendo la anchura de la base del diente de 160 mm, con lo que estas almas se pueden fabricar a partir de una chapa de 300 mm de anchura, sin desperdicio de material. Esto es debido a que las almas tienen perfiles geométricamente ¡guales y complementarios.

La Figura 5A muestra un forjado plano (30) utilizando las vigas metálicas de la invención descritas anteriormente, con capa de compresión (40). La viga se coloca con la chapa más ancha (12) en la parte inferior, para que los bordes de la chapa inferior más ancha (12) sirvan de apoyo a las losas de hormigón prefabricadas (32). Una vez colocadas todas las vigas y las losas, se procede a verter hormigón HA-25- F/12/1 sobre todo el conjunto, para crear una capa de hormigón (36), que se prolonga de manera continua por los huecos de las almas al interior de las vigas, formando vigas de cajón mixtas con armadura de acero y núcleo de hormigón (36). Se dispone una armadura transversal (42) a través de los alveolos. En el interior del cajón se representa la armadura longitudinal (34) necesaria en caso de incendio. Dicha armadura longitudinal está compuesta de barras corrugadas de diferentes diámetros (34) apoyadas y soldadas sobre traviesas (38) que presentan escotaduras de dimensiones adaptadas a los perfiles de las barras (34). Además, se representan también barras transversales (42) que atraviesan la viga cajón a través de las escotaduras de las almas alveolares, tanto en caso de disposición en paralelo de las escotaduras de las almas, como cuando dichas almas están contrapeadas y las escotaduras de los alveolos, decaladas.

La Figura 5B muestra un forjado plano (30) sin capa de compresión.

Cabe mencionar que para las realizaciones de la viga cajón, según la presente invención, arriba descritas, se han realizado las comprobaciones de cálculo de las resistencias exigidas por la normativa en vigor, es decir el Código Técnico de la Edificación/ Seguridad Estructural/Acciones en la Edificación (CTE-SE-AE), Código Técnico de la Edificación/ Seguridad Estructural/ Acero (CTE-SE-A), Instrucción de Acero Estructural (EAE) e Instrucción de Hormigón Estructural (EHE-08).

Dichas comprobaciones de cálculo realizadas son el estado límite de servicio de flechas bajo cargas permanentes, estado límite de servicio de flechas bajo cargas totales, estado límite de servicio de tensiones en el hormigón, estado límite de servicio de tensiones en el acero, estado límite último de flexión en sección mixta, estado límite último de cortante en sección mixta y situación de incendio con R90. En todas las comprobaciones se han utilizado los coeficientes de seguridad adecuados para los materiales y para las cargas. Tras realizar las comprobaciones, se puede concluir que ambas realizaciones de vigas cumplen con los criterios de resistencia y seguridad exigidos por la normativa vigente y por lo tanto son una solución viable para la construcción de forjados planos en edificios de vahas plantas.

Con las vigas cajón ensayadas de acero según la invención (N20+5 y N30+10), se obtienen flechas de carga permanente que oscilan entre 7,91-12,14 mm, con la viga cajón sin relleno de hormigón y de 4.08-5.77 mm con la viga cajón rellena de hormigón HA-25-F/12/I. Se puede dar contraflecha (ligera curvatura, convexa, que se realiza en una viga o cercha para compensar cualquier flecha prevista cuando soporte un peso) a la viga metálica en el momento de su fabricación. Asimismo, según el tipo de viga empleada, las tensiones críticas en la chapa superior oscilan entre los 160-170 N/mm ²