Dimensionamiento de vigas y cabeceras de ingeniería

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Una vez calculadas las cargas que actúan sobre las vigas estructurales, el siguiente paso es dimensionar y seleccionar la viga apropiada.

por Paul Fisette – © 2003

En la Parte 1, «Cálculo de cargas en cabeceras y vigas», aprendimos cómo rastrear trayectorias de carga y convertir cargas de techo, pared y piso en libras por pie lineal de viga de soporte. Sabemos cómo medir las fuerzas que actúan sobre una viga, ahora usaremos esta información para elegir el material estructural apropiado para resistir las cargas. Compararemos el rendimiento y el costo de la madera aserrada, LVL, Timberstrand, Parallam y Anthony Power Beam en varias aplicaciones diferentes.

Dimensionamiento simplificado mediante tablas

No importa qué material especifiquemos , las vigas deben proporcionar resistencia, rigidez y resistencia al corte adecuadas. La capacidad estructural de las vigas de madera aserrada y de ingeniería se predice mediante cálculos matemáticos. Las fórmulas que determinan la luz y el tamaño permitidos de una viga se basan en una serie de variables como especies, grado, tamaño, límite de deflexión y tipo de carga. Puede hacer estos cálculos usted mismo o puede utilizar tablas de tramos. Los expertos técnicos han calculado muchas combinaciones de estas variables y presentan una variedad de soluciones en forma de tablas de tramos.

Las tablas de tramos de madera aserrada son herramientas convenientes. Simplemente busca la distancia que necesitas recorrer; Haga coincidir la carga por pie de viga con los valores apropiados de Fb (resistencia) y E (rigidez) enumerados; y bang: ¡tienes un ganador! Las tablas de valores son fáciles de usar, pero tienen limitaciones. No proporcionan resultados precisos. La mayoría de las tablas de vigas solo muestran valores para tramos de pies enteros como 110 ″, 120 ″, etc. Y aunque las tablas de tramos proporcionan datos limitados, son muy largas. Los datos de diseño estructural de madera de American Forest & Paper Association proporcionan recomendaciones de tramo para vigas de madera maciza aserrada de hasta 32 pies, pero la tabla ocupa 140 páginas. El WSDD es un libro extremadamente útil (WSDD cuesta $ 20. Llame al 800-890-7732). Consígalo para su biblioteca de referencia. Las tablas WSDD solo enumeran valores para vigas de madera maciza con límites de deflexión de L / 360. Pero puede engañar a las tablas WSDD para que le den valores para vigas dobles o triples de 2 por con otros límites de deflexión. Simplemente haga lo siguiente:

Los fabricantes de madera de ingeniería se apresuran a señalar que sus productos proporcionan resistencia y rigidez superiores. Las afirmaciones son básicamente ciertas, pero usted paga por el rendimiento mejorado. Las características de reducción de resistencia como nudos, grado y pendiente de la veta se controlan durante el proceso de fabricación para que el producto final represente un uso más eficiente de la fibra de madera. La madera de ingeniería es consistente de una pieza a otra porque cada pieza está hecha más o menos igual. Independientemente del producto que especifique, el rendimiento estructural está controlado por la resistencia (Fb) y la rigidez (E). Un producto LVL que tiene un Fb de 3100 llevará más carga que un producto LVL con un Fb de 2400. Por lo tanto, tenga cuidado al comparar productos. Todos estos productos de alto rendimiento son rentables en algunas aplicaciones. Y, a veces, hacen o deshacen un diseño.

Las mesas extensibles para madera de ingeniería se utilizan de manera muy similar a las de madera aserrada. Los códigos de construcción permiten reducciones en las cargas vivas basadas en la duración de la carga.Por ejemplo, un techo está sujeto a una carga completa de nieve solo un pequeño porcentaje de tiempo durante el transcurso de un año, por lo que esto se tiene en cuenta en el cálculo de la carga del techo. Por lo general, cada fabricante aplica automáticamente estas reducciones y etiqueta claramente la aplicación apropiada en las diversas tablas para pisos y condiciones del techo. Tenga cuidado: algunos fabricantes exigen que ajuste la pendiente de las cargas de su techo. En otras palabras, algunos fabricantes no basan las cargas del techo en una proyección horizontal, sino que basan las cargas en la longitud real de la viga. Mire cuidadosamente la literatura antes de asignar cargas de techo por pie de viga cumbrera o cabecera. Por lo general, los valores de corte se incorporan en las tablas y también se dan las longitudes de apoyo requeridas en los extremos de las vigas. Las tablas se limitan a tramos de pies enteros, pero los valores se pueden interpolar para longitudes fraccionarias. Las tablas que se utilizan para dimensionar la madera de ingeniería son proporcionadas por los fabricantes de forma gratuita.

Para dimensionar las vigas y los cabezales de ingeniería se comienza con la carga por pie de viga. Con la madera de ingeniería, utiliza valores de carga viva y carga muerta. La carga viva determina la rigidez y la carga total se utiliza para determinar la resistencia. Los pasos de dimensionamiento son:

Case House

Hay una lista increíblemente larga de opciones a considerar al especificar vigas o cabezales aserrados y de ingeniería. He tratado de simplificar el proceso eligiendo varios materiales populares y dimensionándolos para una caseta. Las aplicaciones y los intervalos seleccionados son arbitrarios, pero comunes. Ciertamente hay muchos escenarios de carga diferentes a los demostrados. Debe verificar las condiciones de carga para cada aplicación antes de dimensionar vigas y cabezales. Sin embargo, este ejercicio le dará una idea de cómo se comparan la madera aserrada, LVL, Parallam, Timberstrand y Anthony Power Beam en varias aplicaciones.

Usando tablas de span, he dimensionado varios elementos estructurales para 2 condiciones climáticas. Un conjunto de elementos se encuentra en un clima de carga de nieve de 50 libras y el otro en un clima sin nieve de 20 libras. Ambas cargas se tratan como cargas vivas. Las aplicaciones son: (ver diagramas y cálculos para cada condición)

Una vez que determiné las cargas, dimensioné y fijé el precio de las vigas que se requieren para transportar las cargas. Consideré cinco condiciones diferentes para ver cómo se comparan las opciones entre sí.

Consideraciones

La madera aserrada tiene sus limitaciones. Su resistencia a la flexión suele ser sólo la mitad de la de los productos de madera sintética. Como resultado, no cubre grandes distancias, viene en tamaños de hasta 2 × 12 y no siempre se encuentran disponibles calidades estructurales seleccionadas. Los grados estructurales seleccionados se ordenan especialmente en muchas ubicaciones. Además, no todas las especies están fácilmente disponibles. Por ejemplo, el abeto de Douglas es difícil de comprar en algunos mercados del este. Pero en general, para tramos cortos, la madera aserrada es difícil de superar.

La madera laminada enchapada (LVL) es fuerte, rígida y versátil. Abarca largas distancias. Pude usar LVL para cada aplicación en la case-house. Normalmente, LVL tiene un grosor de 1 ¾ ”y una profundidad de 7 ¼” hasta 18 ″. Para ajustar el potencial de carga de una viga LVL, simplemente agregue otra capa al lado de la viga. El trabajo es un factor. Se necesita tiempo para laminar varias capas de LVL. Pero la ventaja es que 2 trabajadores generalmente pueden manejar el peso de cada laminado mientras se ensambla. LVL se lleva como un artículo de stock en la mayoría de los aserraderos y es familiar para la mayoría de los funcionarios y diseñadores de códigos de construcción.

Anthony Power Beam (APB) es relativamente nuevo en el mercado de vigas estructurales posicionado para competir con LVL y Parallam. APB es un producto de vigas laminadas que viene en anchos de 3 1 / 2ö y 5 1 / 2ö para adaptarse a los espesores de pared estándar de 2 × 4 y 2 × 6. Las profundidades varían de 7 ¼ ”a 18 ″, coincidiendo con las profundidades de las vigas I estándar. También hay una versión más ancha de 7ö disponible en profundidades de hasta 28 7/8 ″. APB requiere muy poca mano de obra porque viene «completamente ensamblado», pero es bastante pesado. El cabezal de garaje de 18 pies para nuestra casa pesa 380 libras. APB es un producto nuevo y su penetración es algo limitada, por lo que puede busque un proveedor local Llame directamente a Anthony Forest Products para encontrar un distribuidor.

Parallam, fabricado por Trus Joist MacMillan (TJM), define virtualmente el término: madera de torones paralelos (PSL). El PSL es un conjunto de hebras largas y delgadas de chapa de madera pegadas para formar tramos continuos de vigas. La fibra de madera utilizada es fuerte y rígida. Varios anchos de 1 ¾ ”- 7 ″ están disponibles en profundidades de 9 ¼” – 18 ″. Las dimensiones de Parallam son compatibles con otros productos de madera de ingeniería como vigas en I y LVL. Parallam ha existido por un tiempo, pero aún así, no todos los tamaños están disponibles en todas las regiones. Es mejor planificar su diseño con bastante anticipación. Como APB, Parallam viene completamente ensamblado y es comparativamente pesado. Es una buena opción para tramos despejados largos donde la madera aserrada no es práctica.

TimberStrand FrameWorks Header, una madera laminada (LSL) fabricada por TJM, es la última entrada en la competencia de cabeceras y vigas estructurales. LSL se fabrica mediante la conversión de fibra de álamo y álamo de bajo valor en material estructural de alta calidad. Los valores Fb y E ciertamente no son rival para APB, LVL y PSL, pero el rendimiento de TimberStrand es impresionante. Funcionó para la mayoría de las aplicaciones en nuestra casa de casos. Vale la pena señalar que la aplicación del cabezal de la puerta del garaje de 18 pies empujó a TimberStrand más allá de su límite estructural. TimberStrand Header viene solo en anchos de 3 ½ ”en profundidades que van desde 4 3/8 ″ a 18 ″. Este producto es nuevo y los distribuidores no quieren almacenar inventario. Es una opción rentable para muchas aplicaciones, pero puede ser muy difícil de encontrar.

Comparación de productos

La Tabla 1 consolida los datos de carga, tamaños y costos para todos los aplicaciones. Los tramos de cabecera son típicos de una ventana y una puerta de patio. El tramo de la cumbrera estructural representa el tamaño de una gran sala familiar. El tramo de la viga se basa en el tamaño de una sala de juegos de tamaño medio. Y el encabezado de la puerta del garaje se basa en una apertura de la puerta del garaje para 2 automóviles.

Haga clic para ver la Tabla 1

Todas las ilustraciones se proporcionan por cortesía de Journal of Light Construction.