Las propiedades de los perfiles de acero, explicadas
Una guía práctica para entender los tipos de perfil de acero estructural, sus propiedades geométricas y cómo elegir el adecuado para vigas, pilares y barras de celosía. StructureCalcs incluye más de 2.600 perfiles de seis normas internacionales.
Qué son los perfiles de acero
Los perfiles de acero estructural son secciones normalizadas obtenidas por laminación en caliente o conformado en frío. En lugar de diseñar una sección distinta para cada viga y cada pilar, el ingeniero elige de un catálogo de formas predefinidas fabricadas con tolerancias estrechas. Esa normalización reduce mucho el coste y el plazo de fabricación, y garantiza un comportamiento estructural previsible.
Cada forma está optimizada para un papel estructural concreto. Los perfiles en I (también llamados en H o de ala ancha) son eficientes a flexión porque colocan el material lejos del eje neutro. Los perfiles huecos son eficientes a compresión y a torsión porque reparten el material de manera uniforme alrededor del centroide. Los angulares se usan en arriostramientos y uniones, donde la sencillez importa más que la eficiencia estructural.
Las calculadoras de StructureCalcs incluyen una biblioteca de más de 2.600 perfiles de seis normas internacionales: AS4100 (Australia), AISC (EE. UU.), EN10365 (Europa), BS4 (Reino Unido), JIS (Japón) e IS808 (India). Al elegir un perfil, todas sus propiedades se cargan solas y desaparecen los errores de transcripción.
Perfiles en I y de ala ancha (UB, UC, W, IPE, HEA)
Los perfiles en I son el caballo de batalla de la construcción metálica. Están formados por dos alas paralelas (las chapas horizontales superior e inferior) unidas por un alma vertical. Las alas resisten el momento flector (una comprimida y la otra traccionada) y el alma resiste el esfuerzo cortante.
Las vigas universales (UB) —los perfiles W de ala ancha en la práctica estadounidense o los IPE en la europea— son más altas que anchas. Ese canto grande les da un momento de inercia (Ix) elevado respecto al eje fuerte, lo que las hace muy eficientes como vigas. Un 310UB40.4 (perfil australiano de 40.4 kg/m) tiene Ix = 86.4 × 10⁶ mm⁴, lo que le permite salvar luces importantes con muy poca flecha.
Los pilares universales (UC) —perfiles W de ala ancha cuya anchura de ala es aproximadamente igual al canto, o HEA/HEB en la práctica europea— son más rechonchos. Sus alas más anchas dan un Iy mayor (momento de inercia respecto al eje débil) y un radio de giro mayor, lo que mejora la resistencia al pandeo. Un 310UC96.8 tiene casi el mismo canto que un 310UB40.4 pero pesa más del doble, porque sus alas son mucho más anchas.
Cuándo usar perfiles en I: vigas de forjado y de cubierta, dinteles, vigas de transferencia, vigas carrilera y, en general, cualquier barra que resista sobre todo flexión respecto a un eje. Usa perfiles UB para vigas (máximo Ix por kilo) y UC para pilares (máxima resistencia respecto al eje débil).
Perfiles en U (PFC, C, MC, UPE)
Los perfiles en U tienen sección en forma de C: un alma con las alas saliendo solo por un lado. En la práctica australiana y británica se llaman perfiles en U de alas paralelas (PFC) y en la estadounidense perfiles C o MC.
Su rasgo característico es la asimetría. El centroide y el centro de esfuerzos cortantes no coinciden, y ambos quedan descentrados respecto al alma. Eso significa que una carga aplicada en el centroide hará girar el perfil salvo que esté arriostrado lateralmente. Por eso los perfiles en U se emplean a menudo en pareja (adosados por el alma para formar una sección simétrica) o unidos a otros elementos que impidan la torsión.
Cuándo usar perfiles en U: correas de cubierta y de fachada, zancas de escalera, vigas de borde, entramados ligeros y como componentes de secciones armadas. Su dorso plano facilita atornillarlos a muros y pilares. En celosías, los perfiles en U adosados se usan a veces como cordones.
Perfiles huecos (RHS, SHS, CHS)
Los perfiles huecos estructurales tienen tres formas: rectangular (RHS), cuadrada (SHS) y circular (CHS). Se obtienen conformando chapa plana hasta formar un tubo y soldando la costura.
Los perfiles huecos tienen varias ventajas propias frente a los abiertos:
- Excelente resistencia a compresión: la forma cerrada reparte el material de manera uniforme alrededor del centroide y da un radio de giro alto en todas las direcciones. Eso elimina el problema de pandeo respecto al eje débil que arrastran los perfiles abiertos. Los CHS y los SHS tienen el mismo radio de giro respecto a cualquier eje.
- Resistencia a torsión muy superior: la sección cerrada resiste el giro mucho mejor que un perfil en I o en U. Es decisivo en barras con cargas excéntricas o acciones laterales.
- Buen aspecto: la forma limpia y cerrada resulta atractiva en estructuras vistas en aplicaciones arquitectónicas.
- Menos mantenimiento: la forma cerrada tiene menos superficie que pintar y ninguna cara interior donde se acumule humedad, lo que reduce el mantenimiento frente a la corrosión.
Cuándo usar perfiles huecos: pilares (sobre todo cuando manda el pandeo respecto a los dos ejes), barras de celosía (en especial las comprimidas), estructura metálica vista, estructuras a la intemperie y barandillas. En la calculadora de celosías los perfiles huecos van muy bien como propiedades de barra, porque su radio de giro alto evita el pandeo de las barras comprimidas.
Angulares (EA, UA, L)
Los angulares tienen sección en L, con dos alas que se encuentran en ángulo recto. Los angulares de lados iguales (EA o L) tienen las dos alas de la misma longitud; los de lados desiguales (UA) tienen una más larga que la otra.
Son los perfiles más sencillos y económicos. Se unen con facilidad atornillando por una de las alas, lo que los hace ideales para elementos estructurales secundarios donde priman la rapidez y la economía de fabricación. Sin embargo, son estructuralmente poco eficientes por su acusada asimetría: los ejes principales están girados 45° respecto a las alas y tienen un radio de giro muy pequeño respecto al eje principal menor.
Cuándo usar angulares: barras de arriostramiento en celosías y pórticos (donde trabajan sobre todo a esfuerzo axil), dinteles de huecos pequeños, angulares de apoyo de fábrica o de revestimiento, componentes de unión (casquillos, cartelas) y entramados ligeros. En celosías se usan mucho como barras de alma, solos o en pareja.
Propiedades clave: Ix e Iy
El momento de inercia (I) es la propiedad más importante para el cálculo de vigas. Mide con qué eficacia resiste a flexión la sección.
Ix (respecto al eje fuerte) determina la resistencia de la viga a la flexión en el plano vertical, la dirección de carga habitual. Una viga cargada verticalmente flecha menos y desarrolla tensiones más bajas cuanto mayor es Ix. Matemáticamente, I = ∫y² dA: la suma de cada elemento diferencial de área multiplicado por el cuadrado de su distancia al eje neutro. El material alejado del eje neutro aporta mucho más que el cercano.
Iy (respecto al eje débil) determina la resistencia a la flexión en el plano horizontal y es decisivo para las comprobaciones a pandeo lateral y para el cálculo de pilares. En los perfiles en I, Iy suele ser entre 5 y 20 veces menor que Ix, lo que refleja su gran eficiencia respecto a un solo eje.
Consecuencia práctica: si tu viga flecha demasiado, necesitas un perfil con más Ix. Duplicar el canto multiplica Ix aproximadamente por cuatro, por la relación con y². Por eso las vigas altas y ligeras (como un 530UB82 o un W21x44) suelen ser más eficientes como vigas de forjado que las bajas y pesadas (como un 310UC96.8).
Propiedades clave: los módulos resistentes elástico y plástico
El módulo resistente relaciona el momento flector con la tensión máxima de flexión en la sección. Hay dos versiones:
Estás leyendo la notación de AS 4100, que llama Z al módulo elástico y S al plástico. ⚠ Las tablas de EE. UU. (AISC) usan esas dos letras al revés, así que si estás consultando una de ellas, intercámbialas. Cambia la norma de cálculo en la parte superior de la página y todos los símbolos de abajo la siguen.
Módulo resistente elástico, Z: es I dividido por la distancia del eje neutro a la fibra más alejada (ymáx). La tensión elástica máxima de flexión vale σ = M / Z. La viga empieza a plastificar cuando esa tensión alcanza el límite elástico fy del material. Cuanto mayor sea, mayor momento puede soportar la viga antes de plastificar. (Se escribe Z en AS 4100, S en AISC, W_el en el Eurocódigo y Z_e en IS 800.)
Módulo resistente plástico, S: representa la capacidad plástica completa de la sección, con la tensión igual a fy en todos los puntos (por encima y por debajo del eje neutro plástico). El momento plástico vale Mp = fy × S. En los perfiles en I suele ser entre un 10 y un 15 % mayor que el elástico, y su cociente es el factor de forma. Las normas modernas (AS 4100, AISC LRFD, Eurocódigo 3) usan el módulo plástico en las secciones compactas. (Se escribe S en AS 4100, Z en AISC, W_pl en el Eurocódigo y Z_p en IS 800.)
Consecuencia práctica: al dimensionar una viga a resistencia necesitas que el módulo plástico S sea al menos el momento flector de cálculo dividido por el producto del coeficiente de minoración y el límite elástico: M* / (φ fy) en AS 4100, Mu / (φ fy) en AISC LRFD. Búscalo en las tablas de propiedades, o dibuja o coloca la sección en la calculadora de secciones, que calcula los dos módulos, y comprueba esa desigualdad.
Área de la sección y radio de giro
El área de la sección (A) es el área total de la sección de acero, medida en mm² o en in². Determina:
- Capacidad axil: en barras de celosía y pilares, el esfuerzo axil máximo antes de plastificar vale Ny = fy × A.
- Peso propio: masa por unidad de longitud = A × densidad del acero (7.850 kg/m³). De ahí sale la carga de peso propio de la viga.
- Rigidez axil: vale EA/L y se usa en las matrices de rigidez de las celosías.
El radio de giro (r) vale √(I/A) y se mide en mm o en pulgadas. Es la propiedad clave para el pandeo de pilares. La esbeltez de un pilar es L/r, donde L es la longitud de pandeo. A mayor esbeltez, más propenso al pandeo y menor capacidad.
En los pilares, el radio de giro crítico suele ser ry (respecto al eje débil), porque el pandeo se produce respecto al eje de menor I y, por tanto, de menor r. Por eso los perfiles UC (con alas más anchas y ry mayor) se prefieren como pilares frente a los UB, que tienen un ry pequeño por sus alas estrechas.
En la calculadora de celosías, el área A es la propiedad de sección principal, porque las barras de celosía solo llevan esfuerzo axil. Al elegir un perfil de acero, A se rellena sola.
Cómo elegir el perfil adecuado: un marco de decisión
La elección del perfil depende del papel estructural de la barra:
- Vigas de forjado (manda la flexión): usa perfiles UB / W / IPE. Maximiza el Ix por kilo de acero. Empieza por el perfil más ligero que cumpla el límite de flecha y comprueba después la capacidad a momento y a cortante.
- Pilares (manda el pandeo): usa perfiles UC / HEA / HEB o SHS/CHS. Maximiza el radio de giro mínimo. En pilares cortos (poca esbeltez) casi cualquier forma vale; en pilares altos y esbeltos, los CHS o los SHS son los más eficientes.
- Cordones de celosía (axil y algo de flexión): usa perfiles UB, angulares dobles o perfiles huecos según el tipo de celosía. En celosías pesadas son habituales los cordones UB; en las ligeras se prefieren los perfiles huecos.
- Barras de alma de celosía (solo axil): usa angulares (por economía), CHS o RHS (por eficiencia a compresión), o pletinas (en barras que solo trabajan a tracción, como los arriostramientos).
- Arriostramiento (solo tracción): usa angulares, redondos o pletinas. Como no hay riesgo de pandeo, lo óptimo es el perfil más ligero que dé el área suficiente.
La calculadora de vigas y la calculadora de celosías permiten comparar perfiles a toda velocidad: cambia la selección en el desplegable y mira cómo se actualizan los resultados al instante.
Para seguir leyendo
Sigue aprendiendo sobre perfiles de acero y análisis estructural:
- Calculadora de vigas: elige entre más de 2.600 perfiles y observa cómo afectan al comportamiento de la viga.
- Calculadora de celosías: elige perfiles para los grupos de barras.
- Perfiles de acero: normas y guía de selección: tratamiento detallado de las normas internacionales y de las estrategias de elección.
- ¿Qué es una viga?: entiende los tipos de viga para elegir mejor el perfil.
- Entender los diagramas de cortante y de momento: aprende a leer los diagramas que fijan las exigencias del perfil.