Análisis teórico de vigas rectangulares de acero rellenas de hormigón con paredes desiguales y pretensado

Por qué importan vigas más fuertes y ligeras

Los puentes modernos y las estructuras de gran luz deben soportar un tráfico cada vez más pesado sobre valles y ríos más anchos, al mismo tiempo que mantienen controlados los costes de construcción y el uso de materiales. Sin embargo, las vigas largas tienden a deformarse por su propio peso y por la carga, lo que puede llevar a los ingenieros a sobredimensionar con acero y hormigón adicionales. Este artículo explora un nuevo tipo de viga que combina acero, hormigón y pretensado incorporado para que los materiales trabajen de forma más eficiente, permitiendo que las estructuras conserven rigidez y seguridad sin volverse excesivamente pesadas.

Una nueva mezcla de acero, hormigón y pretensado

Los investigadores se centran en una viga formada por una caja rectangular de acero hueca cuyas paredes no tienen el mismo espesor. La placa inferior es más gruesa, la superior más fina y los laterales son relativamente ligeros. El espacio hueco en la parte inferior de la caja puede rellenarse parcial o totalmente con hormigón. En el interior de la caja, las armaduras de acero se tensan antes de poner la viga en servicio; este tirante incorporado, llamado pretensado, hace que la viga curve ligeramente hacia arriba y ponga gran parte de la sección en compresión suave. El objetivo es reducir el agrietamiento del hormigón y retrasar la deformación permanente cuando la viga se cargue posteriormente por tráfico u otras fuerzas.

Poniendo a prueba la nueva viga

Para entender el comportamiento de esta viga híbrida, el equipo construyó y probó diez vigas reales de tres metros de longitud. Todas tenían la misma geometría exterior de acero pero diferían en dos aspectos clave: cuánto de la caja se llenó con hormigón (desde vacía, hasta un tercio, la mitad, dos tercios y completamente llena) y cuánto pretensado se aplicó (niveles bajo y alto). Las vigas se doblaron usando un montaje estándar de cuatro puntos que crea una zona de momento puro en la mitad, permitiendo a los investigadores centrarse en la resistencia a la flexión más que en el cortante. Midieron con cuidado la deformación, cuándo empezó a agrietarse el hormigón, cuándo el acero comenzó a fluir y cómo se distribuyeron las deformaciones a lo largo de la profundidad de la sección.

Qué revelaron los experimentos

Las medidas mostraron que el pretensado es muy eficaz para contener las grietas: en las condiciones probadas, la carga necesaria para iniciar el agrietamiento del hormigón se duplicó o más en algunas vigas. Aumentar el relleno de hormigón elevó por lo general la resistencia máxima a la flexión, con el mejor rendimiento alrededor de un relleno de dos tercios en los ensayos, ofreciendo aproximadamente un 50% más de capacidad última que una caja de acero vacía. Sin embargo, rellenar más allá de ese punto no mejoró la resistencia bajo cargas extremas; el hormigón adicional añade peso y puede agrietarse, por lo que no siempre contribuye a soportar mayor flexión. Las pruebas también confirmaron que la viga se deforma de forma simple, casi lineal, a través de su profundidad incluso cuando partes del acero y del hormigón empiezan a rendir, lo que respalda el uso de la teoría clásica de vigas en el diseño.

De los datos de prueba a fórmulas de diseño

A partir de los experimentos, los autores desarrollaron expresiones matemáticas que predicen dos magnitudes de gran interés para los diseñadores: el momento de fisuración (el nivel de flexión al que el hormigón se agrieta por primera vez) y el momento último (la máxima flexión que la viga puede soportar). Estas fórmulas tienen en cuenta la geometría de la sección, la resistencia del acero y del hormigón, el nivel de pretensado y cuánto de la caja está rellena. Se contrastaron tanto con las pruebas físicas como con detalladas simulaciones por ordenador y se encontró que coinciden muy de cerca en promedio. Con estas herramientas, los ingenieros pueden variar de forma continua en teoría el relleno de hormigón y el pretensado, en lugar de fiarse únicamente de casos discretos ensayados, para buscar combinaciones que maximicen el rendimiento o minimicen el uso de materiales.

Encontrar el punto óptimo en el relleno de hormigón y el pretensado

El análisis revela tendencias orientativas claras. Siempre que el relleno de hormigón se mantenga por debajo de aproximadamente el 60% de la profundidad interior, el hormigón debería permanecer sin fisurar durante el servicio normal para vigas similares a las estudiadas. Más allá de ese umbral, rellenar más puede reducir en realidad la resistencia a la fisuración, aunque siga añadiendo peso. Cuando se ignora la contribución de las chapas internas para simplificar el modelo, la teoría predice que la resistencia última a la flexión alcanza su pico en una relación de relleno de alrededor del 41%, lo que pone de manifiesto que existe una cantidad intermedia óptima de hormigón en lugar de la regla simple «más es mejor». El pretensado sigue elevando el momento de fisuración, pero en las condiciones específicas de ensayo no cambia de forma significativa la resistencia última porque las armaduras de pretensado alcanzan sus límites antes. Usar tirantes más resistentes en diseños futuros podría extender el beneficio del pretensado también al rango de cargas extremas.

Qué implica esto para los puentes del futuro

Para el lector, la conclusión clave es que, al equilibrar cuidadosamente cuánto hormigón se coloca dentro de una caja de acero conformada y cuán fuertemente se tensan las armaduras internas, los ingenieros pueden crear vigas que resistan mucho mejor la flecha y la fisuración sin recurrir simplemente al aumento de masa. El estudio proporciona fórmulas listas para el diseño que indican rangos seguros de relleno de hormigón y muestran cuánto pretensado merece la pena. En términos prácticos, esto significa que los puentes de gran luz y estructuras similares podrían volverse más ligeros, más eficientes en el uso de materiales y más duraderos, manteniendo al mismo tiempo exigentes requisitos de seguridad y funcionalidad.

Cita: Su, Q., Zhang, Z. & Li, S. Theoretical analysis of prestressed unequal-walled rectangular concrete-filled steel beams. Sci Rep 16, 8712 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41341-5

Palabras clave: vigas de acero rellenas de hormigón, estructuras pretensadas, ingeniería de puentes, optimización estructural, vigas compuestas