Introducción.
Al plantearnos el diseño para la construcción industrial se piensa en un soporte estructural económico y versátil y, habitualmente, los candidatos son el acero y el hormigón armado. El acero es un material adecuado ya que, a pesar de su elevada densidad, presenta una alta resistencia mecánica por unidad de peso, lo que permite construir estructuras con vanos de grandes luces y capaces de soportar grandes cargas. Tanto el acero como el hormigón se prestan a los prefabricados: se pueden crear estructuras completas en taller, en condiciones controladas, para posteriormente ser erigidas en obra en un plazo reducido y empleando una mano de obra que no precisa de cualificación elevada si se emplean uniones atornilladas.
En el diseño de las estructuras se debe tener en cuenta el cumplimiento de varios factores:
Estabilidad: la estabilidad de una estructura es la que garantiza que dicha estructura, entendida en su conjunto como un sólido rígido, cumple las condiciones de la estática, al ser solicitada por las acciones exteriores que pueden actuar sobre ella
Resistencia: obliga a que no se superen las tensiones admisibles del material y a que no se produzca rotura en ninguna sección.
Deformación: implica que las desviaciones del material respecto de su posición de diseño se mantengan acotada dentro de unos límites
Existen varias configuraciones básicas estructurales que proporcionan un espacio interior sin pilares intermedios como son:
Estructuras rígidas (pórticos rígidos y celosías rígidas).
Estructuras articuladas de vigas y pilares.
Cubiertas sustentadas por tirantes.
Cubiertas en Arco.
Es muy habitual encontramos en la construcción industrial con edificios de una única altura, en muchas ocasiones, adicionando en parte de la planta un nivel intermedio destinado a tareas administrativas y uso del personal, para lo que se hace uso de la primera de las configuraciones anteriores.
El objetivo de este documento es el ofrecer una visión general y dar a conocer las peculiaridades del uso de las estructuras de acero de sección variable en la edificación industrial.
Sistema de naves de sección variable.
Se denomina así a un sistema estructural compuesto por naves porticadas a dos o más aguas fabricados, mediante perfiles armados con alas y alma construidos a partir de chapas de distintos espesores de acero, cuya sección varía tanto en el canto del alma, como en el ancho de las alas.
En muchas ocasiones se precisan soluciones diáfanas, evitando pilares intermedios que limiten la flexibilidad en la organización de la actividad. En esos casos es conveniente evitar el uso de los perfiles simples normalizados laminados y acudir a otras soluciones más complejas tales como las naves de cerchas y las de sección variable.
Los aceros admitidos en el documento CTE DB SE-A son los establecidos en la norma UNE EN 10025 (Productos laminados en caliente de acero no aleado, para construcciones metálicas de uso general), así como los aceros establecidos por las normas UNE-EN 10210-1:1994 relativa a Perfiles huecos para construcción, acabados en caliente, de acero no aleado de grado fino y en la UNE-EN 10219-1:1998, relativa a secciones huecas de acero estructural conformados en frío. Lo más habitual es utilizar el acero S275JR, si bien es conveniente, en ciertas circunstancias, tener en cuenta la posibilidad del uso del acero S355JR, de mayor resistencia y precio algo más elevado. En la figura 1, se muestra un pórtico típico de sección variable.
Fig. 1. Pórtico de sección variable
Basado en mi experiencia de trabajo en este campo resulta recomendable hacer uso de este tipo de naves cuando las luces superan los 25 metros buscando separaciones rentables entre pórticos, comprendidas, habitualmente entre 8 y 11 metros.
Particularidades de las naves de sección variable.
Las entregas a cimentación suelen ser articuladas, lo que representa una gran ventaja en el cálculo de la cimentación al evitarse momentos, ya que, en este tipo de edificaciones el fallo por estabilidad de la cimentación suele ser un factor crítico. La rigidez de los pórticos se confía en la unión con los dinteles. Este hecho, por el contrario, suele suponer un mayor desplazamiento horizontal de la cubierta que debe tenerse en cuenta en el cálculo.
Es habitual, encontrar estas uniones ejecutadas mediante 4 pernos situados entre sí a distancias inferiores a 150 mm y colocados en el interior del recinto que delimitan las alas, ya que es una unión más simple que la colocación de un bulón engrasado, más acorde con la hipótesis de momento nulo, ya que permite la suportación provisional del pilar sin necesidad de arriostramiento y no requiere un mantenimiento, ya que se asume, del lado de la inseguridad, que los momentos absorbidos por esta configuración serán escasos. Idealmente, sería conveniente la asignación del momento que realmente se genera para cada combinación, pero no todos los programas de cálculo permiten integrar las uniones en el análisis de la estructura. En realidad, esto sería deseable para todas las uniones de la estructura, si bien, en muchas ocasiones se simplifica asumiendo uniones perfectamente rígidas o articuladas. En la figura 2 se aprecia este tipo de anclajes. Es frecuente la disposición elevada de las placas respecto a la coronación de cimentación, lo que permite la regulación en altura gracias a la disposición de doble tuerca, rellenando, a posteriori el hueco con mortero cementoso de nivelación (grout).
Fig. 2. Unión de pilar de sección variable a cimentación
Pero la mayor ventaja de la geometría variable radica en que se consigue un mayor aprovechamiento del material para las cargas que soporta, ya que se busca que la forma del pórtico se adapte a las diferentes leyes de momentos que se generan para cada una de las diferentes combinaciones de cálculo que a las que obligan la normativa aplicada y las especificaciones de diseño. Con esto se consiguen unas leyes de tensiones bastante planas y que, por tanto, repercuten en un alto aprovechamiento del material.
Fig. 3. Aprovechamiento del material en la sección variable
Suele tratarse de estructuras prefabricadas en taller y atornilladas en obra, normalmente con tornillos de alta resistencia. Dados los elevados esfuerzos que pueden presentarse en las mismas, especialmente en la unión de cabeza de pilar, su cálculo es ineludible. En la siguiente figura puede verse el proceso de atornillado de una de estas uniones mediante llave dinamométrica calibrada, en este caso, al tratarse de una unión intermedia de dintel, se realiza a nivel de suelo.
Fig. 4. Atornillado de Uniones
Los espesores de chapa habituales son 6, 8, 10,12, 14, 16, 18, 20, 25 y 30 mm. El proceso de armado, como se aprecia en la figura 5 se efectúa en mesas especiales. El carácter triangular de las almas permite un mayor aprovechamiento del material al extraer 2 almas de cada chapa de partida.
Fig. 5. Fabricación de pilar de sección variable
La erección de este tipo de estructuras no requiere excesivos medios técnicos y suele ser bastante segura ya que los pórticos se suelen montar en el suelo y, es frecuente, subirlos en pares ya cosidos por la estructura secundaria de correas y cruces de cubierta e incorporando estabilizadores para el pandeo lateral y cubrejuntas de continuidad de cubierta, como se aprecia en la figura 6.
Fig. 6. Montaje de pórticos de sección variable
Un sistema típico de edificación de sección variable se representa en la siguiente figura:
Fig. 7. Configuración estructural de nave de sección variable
Ideas para llevar a casa.
Como conclusión de lo expuesto podemos resumir las diferentes ventajas que ofrece una estructura metálica atornillada de sección variable frente a otros sistemas estructurales:
Optimización del cálculo y de los perfiles a emplear.
Reducción del plazo de ejecución al tratarse de una estructura atornillada en su totalidad.
Requiere de la utilización de excesiva mano de obra en su montaje ni alta cualificación.
Aumento de la seguridad para las personas. El montaje se realiza a nivel suelo.
Aumento de la calidad. Las soldaduras se hacen en taller, en ambiente controlado y con control de calidad.
Ahorro en obras civiles. Los pórticos con perfiles en sección variable no transmiten grandes esfuerzos a las cimentaciones, consiguiendo una reducción de su tamaño.
Grandes luces sin columnas intermedias. No es infrecuente encontrar luces por encima de los 50 metros.
Separación entre pórticos de hasta 11 metros.
Fig.8. Estructura en fase de montaje de nave de sección variable
