Introducción a las Vigas Cajón

Un segmento estructural se denomina “Viga Cajón” cuando se trata de un elemento cuya sección transversal es hueca, y obtiene su resistencia o integridad estructural a través de larguerillos y un revestimiento (chapa o lámina de un material específico, generalmente aluminio como “piel” de la estructura, en aplicaciones aeronáuticas) logrando así la distribución de esfuerzos, esto implica que es una estructura semi-monocasco.

Cabe destacar que además de larguerillos y revestimiento, también posee cuadernas o refuerzos perpendiculares a la chapa y larguerillos, con el propósito de evitar larguerillos en voladizo demasiado largos, lo que daría lugar al pandeo o falla por esfuerzo cortante, especialmente si el revestimiento es muy flexible y no aporta demasiada rigidez a la viga.

En caso de que existiera una abertura, por muy pequeña que sea en el revestimiento, toda esa sección se consideraría inexistente pues tendería a fallar, es por esto que cuando existe una abertura en el mismo, por diseño, se refuerza el contorno de dicha área con el propósito de no inutilizar las secciones de revestimiento contiguas, y redirigir los esfuerzos alrededor de la abertura.

Generalmente se asume que una sección sin revestimiento funcional, afecta a las secciones contiguas hasta una distancia igual a su tamaño (o 1,5 veces su tamaño, diámetro o dimensión a partir del centro de la abertura), más allá de esta distancia los esfuerzos en la viga cajón permanecen libres de perturbación.

Para analizar una viga cajón con alguna abertura primero se analiza la viga completa “Sin la Abertura” (sección A-B-C-D):

Luego se analiza la sección “Donde Estaría la Abertura” (Sección B-C), asignando un valor de flujo cortante en la cara donde estaría la abertura, igual al de la misma cara en la sección sin la abertura, pero con sentido opuesto:

Habiendo obtenido estos dos análisis, se procede a realizar una suma algebraica entre los mismos, ya que el flujo cortante de la cara con la abertura es igual y opuesto al de la cara sin la abertura, da como resultado cero, la sección resultante de esta suma es la sección “Real” con la abertura, pues al no tener revestimiento en una cara, la misma tiene un flujo cortante igual a cero, y los flujos se redistribuyen entre las demás caras de la sección (sección A-B-C-D con la Sección B-C):

Posteriormente se realiza el análisis de las secciones adyacentes (Secciones C-D y A-B) a la sección perturbada por la abertura (generalmente se procede con el análisis de la sección final, en la punta de la viga por conveniencia, en este ejemplo la Sección C-D), colocando los flujos uno en función al otro hasta que todos estén en función a uno solo (en cada sección de manera separada):

Ahora se relaciona la sección con la abertura (Sección B-C), con la sección a analizar (Sección C-D) por medio de un corte longitudinal en la viga, esto con la finalidad de determinar el efecto de la perturbación o abertura en dicha sección adyacente:

Finalmente se suman algebraicamente los valores de los flujos en la sección completa sin perturbar (Sección A-B-C-D), con los valores de la sección adyacente perturbada (Sección C-D), para obtener los valores de la sección adyacente real (Sección C-D*):

Ya que la otra sección adyacente a la abertura se comporta de la misma manera, en este caso, no es necesario calcular los flujos en ella, y simplemente se le asignan los mismos:

Adicionalmente se pueden calcular los flujos cortantes en una cuaderna o costilla (Líneas A, B, C y D en la figura), por ejemplo la costilla C, con simplemente restar los flujos de la sección anterior (Sección C-D) con los flujos de la sección posterior (Sección B-C, viendo la viga desde la punta hacia la raíz o empotramiento):

Nota: Aunque parezca ilógico los valores de los flujos cortantes son menores en la sección con la abertura o perturbación, aunque tienden a concentrarse en algunas caras del revestimiento, los esfuerzos que esta sección no soporta son en su lugar distribuidos entre las secciones adyacentes dentro de la zona perturbada.