5_CapÃtulo 3

Capítulo 3 - Aplicación al diseño estructural de naves industriales
Capítulo 3
Aplicación al diseño estructural
de naves industriales
En el anterior capítulo se han expuesto de una manera teórica los pasos a
seguir en la elaboración del proyecto. Los resultados del modelo conceptual serán la
creación de un modelo geométrico de producto y un modelo de procesos, que en los
capítulos siguientes serán implementados mediante las tecnologías analizadas
previamente.
Para llevar a cabo el proyecto se tiene como fuente de información una
aplicación de diseño estructural de naves industriales denominada DEANIL. En este
capítulo se aborda su descripción, incidiendo en los criterios de diseño, cálculo y
optimización que usa para alcanzar la solución que ofrece.
1. DESCRIPCIÓN
La aplicación DEANIL, guía para el diseño estructural en acero de naves
industriales ligeras, es una solución planteada por ITEA (Instituto Técnico de la
Estructura en Acero) cuyo objetivo es prestar un apoyo técnico en el proyecto de la
estructura de acero de un tipo muy común de edificios, como son las naves
industriales ligeras de planta rectangular, pórticos de acero a dos aguas y soportes
empotrados en sus bases.
Dado que hay un número ilimitado de soluciones diferentes posibles y
pensando en la relación entre peso y coste, se opta por el criterio de diseño
constructivo más económico, de forma que:
3-1
Utilidad del CAD 3D y del PLM en el Sector de la Construcción Industrial
-
Se consideran perfiles y chapas muy comunes en el mercado del acero.
-
Se intenta aprovechar sus longitudes comerciales y considerar las
diferentes posibilidades de transporte a obra.
-
Se intenta simplificar, racionalizar y estandarizar lo más posible el diseño
de todas las soluciones constructivas.
-
Se procura concebir estructuras con una calidad mínima en la fabricación
y el montaje.
En cuanto a las variables elegidas, se consideran:
-
Naves de 1 pórtico simple y naves de 2, 3 y 4 pórticos adosados.
-
Luces de cálculo:
o
Para naves de 1 pórtico simple: 14, 16, 18, 20, 22.5, 25, 27.5 y 30 m.
o
Para naves de 2, 3 ó 4 pórticos adosados: np x 14, np x 16, np x18, np
x 20, np x 22.5, np x 25 m, siendo np = 2, 3 ó 4
-
Alturas de alero: 5.75, 8.25 y 10.75 m.
-
Modulaciones: 5 y 6 m.
-
Pendiente de cubierta fija: 10%
-
Valores de presión dinámica de viento: 50 y 100 kp / m2.
-
Valores de sobrecarga de nieve: 60, 80 y 120 kp / m2.
-
Existencia o no de puentes grúa birrailes de 10 t de capacidad máxima.
De los 1560 casos que resultan de la combinación de las anteriores variables
se considera el cálculo de aquéllas, que superando satisfactoriamente las
condiciones de resistencia, rigidez y estabilidad establecidas, cuentan con el mínimo
peso total posible.
Las consultas se organizan mediante tablas y su resultado se representa
mediante dibujos más o menos particularizados que el usuario deberá terminar de
particularizar para su caso concreto. La guía incluye además soporte informático en
forma de CD-ROM.
La guía se encuentra estructurada de la siguiente manera:
En el capítulo 2 se documentan los criterios de diseño establecidos y los
criterios generales de cálculo y optimización. En el siguiente capítulo se comenta el
3-2
Capítulo 3 - Aplicación al diseño estructural de naves industriales
proceso de utilización de la guía. Las tablas que se tienen que consultar para
seleccionar el tipo de carga y obtener las referencias de las naves y sus
componentes aparecen en el cuarto capítulo. En el capítulo 5 se documentan las
recomendaciones técnicas generales y las advertencias generales de diseño y
cálculo.
Se incluyen también los siguientes anexos:
-
Anexo 1, tabla con la altitud topográfica sobre el nivel del mar de todas las
localidades de España con más de 20000 habitantes.
-
Anexo 2, propuesta de documentos incluidos en el proyecto de estructura
de acero.
-
Anexo 3, ejemplo práctico de aplicación de la guía.
-
Anexo 4, manual de uso de la aplicación informática incluida en el CDROM.
-
Anexo 5, dibujos en papel más o menos particularizados de los diferentes
componentes estructurales de cada nave.
2. CRITERIOS DE DISEÑO, CÁLCULO Y OPTIMIZACIÓN
2.1. Calidad de los materiales
o
Aceros:
-
Para perfiles y chapas de todo tipo, y redondos de arriostramiento se
utiliza acero S 275 JR (Eurocódigo 3 y UNE-EN 10025-1993).
-
Para barras roscadas en anclajes y tuercas correspondientes se usa acero
clase 5.8 (norma DIN 898).
-
Para tornillos y tuercas de alta resistencia acero A 10t (norma NBE EA95).
o
Mortero: Se considera mortero fluido sin retracción cuya resistencia mínima a
compresión sea superior a 250 kp/cm2.
o
A efectos de cálculo todos los materiales anteriores se han considerado
homogéneos, lineales, isótropos y libres de tensiones residuales de cualquier
tipo.
3-3
Utilidad del CAD 3D y del PLM en el Sector de la Construcción Industrial
2.2. Dimensiones geométricas
A) Luces de cálculo de nave
Se define como la distancia a ejes entre los soportes exteriores del conjunto
de pórticos y medida paralelamente a los planos de dichos pórticos. Se ha
establecido que todas las luces de cálculo de todos los pórticos de cada nave son
iguales.
B) Alturas de nave
Se entiende como la altura al alero de los
soportes exteriores de su sistema de pórticos y
siendo medida desde la cara superior de sus
chapas de anclaje. Se consideran tres alturas, 5.75,
8.25 y 10.75 metros.
Figura 3-1: Altura de nave
C) Modulaciones
Es la distancia transversal a ejes entre pórticos paralelos. Debido a que las
longitudes típicas de perfiles existentes en el mercado de acero son 10, 12 y 14 m. la
modulación se ha establecido entre 5 y 6 m. habiéndose descartado la de 7 m. por
distintos motivos.
D) Pendiente de cubierta
Los resultados de la guía sólo son válidos para una pendiente de cubierta del
10 %, ya que los correspondientes a una pendiente del 15 % varían mucho y se
comprueba que no existe una envolvente de resultados únicos válida para cualquier
pendiente intermedia entre 10 y 15 %.
E) Juntas de dilatación
3-4
Capítulo 3 - Aplicación al diseño estructural de naves industriales
Se ha estimado que la distancia admisible entre juntas es del orden de 100 m.
en base a:
-
El valor de las acciones térmicas establecidas más adelante.
-
La estructura está situada interiormente a los cerramientos de la nave.
-
Las naves son de planta aproximadamente rectangular, con distribución
de rigideces aproximadamente simétrica.
-
Los soportes de la estructura están empotrados en sus bases.
-
La asunción de que la nave no va a contar nunca con calefacción ni aire
acondicionado.
-
Diversas referencias bibliográficas especializadas.
2.3. Acciones
A) Cargas permanentes
o
Carga permanente de instalaciones en cubierta: 10 kp/m2.
o
Otras cargas permanentes en cubierta:
o
-
Peso propio de correas: 5 kp/m2.
-
Peso propio de cerramiento: 15 kp/m2.
Pesos propios de estructura: Se consideran en el cálculo a partir de un valor
del peso específico de acero de 7860 kp/m3.
B) Sobrecargas de Nieve
Resultan ser función de la altitud topográfica sobre el nivel del mar de la
localidad. Siguiendo la norma NBE-AE-88 se consideran tres bandas de altitud que
se solapan entre sí:
-
De 0 a 600 m. ⇒ 60 kp/m2 sobre superficie horizontal.
-
De 500 a 800 m. ⇒ 80 kp/m2 sobre superficie horizontal.
-
De 700 a 1200 m. ⇒ 120 kp/m2 sobre superficie horizontal.
No se considera acumulación de nieve por deslizamiento en faldones
confluyentes o por efecto del viento.
C) Sobrecargas de Viento
3-5
Utilidad del CAD 3D y del PLM en el Sector de la Construcción Industrial
Se consideran dos posibles valores de presión dinámica:
Situación topográfica
Velocidad del viento
Presión dinámica
(NBE-AE-88)
m/s
Km/h
Kp/m2
Normal
28
102
50
Normal
40
144
100
D) Acciones de los puentes grúa
Se consideran dos posibilidades:
•
Que no existan puentes grúa. En naves de hasta 5.75 m. de altura no
pueden existir puentes grúa debido a que la altura libre bajo el gancho
no resulta suficiente.
•
Que sean birrail y de hasta 10 t de capacidad, con las siguientes
características:
Luz entre ruedas del puente grúa (m)
14
Reacción máxima
por rueda (kp)
16
18
20
22
24
26
28
30
6235 6520 6790 7140 7440 7800 8095 8495 9265
Reacción mínima
por rueda
1530 1720 1920 2205 2415 2770 3035 3405 4140
(kp)
Luz entre
ruedas del
puente grúa
(m)
Distancia
entre ruedas
(m)
Distancia entre el alma de la
Cota de cálculo del
viga carril y la cara interior
plano superior de la
del soporte al que se suelda
ménsula de apoyo de
la ménsula (mm)
la viga carril
14 - 18
3.25
200
19 - 22
3.25
250
Altura al alero del
23 - 28
4.00
250
pórtico - 2500 mm -
29 - 30
4.50
250
3-6
Capítulo 3 - Aplicación al diseño estructural de naves industriales
Siguiendo la norma UNE 76-201-88, se considera que:
o
La condición de utilización es regular en servicio intermitente.
o
Las condiciones de carga son del tipo Q2 (moderada): La carga útil se
levanta con bastante frecuencia y se levantan cargas medianas.
o
En función de las anteriores condiciones estos puentes grúa pertenecen al
grupo 5, por lo que el coeficiente de efectos dinámicos verticales en su
máximo valor posible vale:
o
-
Valor 1.25 para la viga carril.
-
Valor 1.10 para los soportes de las vigas de los caminos de rodadura.
Vigas carril continuas de más de tres vanos.
E) Acciones sísmicas
Siguiendo la Norma de Construcción Sismorresistente NCSE-94, se
consideran dos posibilidades:
-
El uso de la nave es de cualquier importancia (moderada, normal o
especial) y la aceleración sísmica de cálculo es inferior a 0.06 g (siendo g
la aceleración de la gravedad).
-
El uso de la nave es de moderada importancia y su aceleración sísmica de
cálculo es cualquiera.
F) Acciones térmicas
Se estima que la llamada variación de la temperatura de cálculo es de +30ºC.
Se supone que las acciones térmicas son incompatibles con la presencia de las
sobrecargas de nieve.
2.4. Tipología Estructural
2.4.1. Pórticos principales
3-7
Utilidad del CAD 3D y del PLM en el Sector de la Construcción Industrial
Por resultar sencillas, ligeras, atractivas y diáfanas, las soluciones propuestas
se han basado en la tipología estructural de “pórticos de nudos rígidos, a dos aguas,
empotrados en su base”. Además:
-
Los dos soportes exteriores se resuelven con el mismo perfil IPE, inclusive
si hay puente grúa.
-
Todos los soportes interiores se resuelven con el mismo perfil HEA,
inclusive si hay puente grúa.
-
Todos los dinteles se resuelven con el mismo perfil IPE.
-
Cualquier tipo de unión en obra en soporte y dinteles se ha proyectado
mediante tornillos de alta resistencia.
-
Cualquier tipo de anclaje en base de soporte se ha proyectado mediante
chapas de anclaje centradas (sin cartelas de rigidización) y espárragos
rectos roscados.
-
Todas las uniones entre soportes y ménsulas de puente grúa se han
proyectado soldadas.
Se han seguido los siguientes criterios generales:
-
Entre cada soporte IPE (exterior) y el dintel IPE no existe una diferencia de
más de tres grados de perfil en la serie IPE.
-
Para
evitar
la
utilización
de
soportes
interiores
HEA
con
alas
excesivamente estrechas para acoger uniones atornilladas, en naves de 2
ó más pórticos adosados, cada soporte HEA nunca es inferior en más de
dos grados al perfil HEA llamado “de referencia”. Este último es aquel
cuya denominación es igual, o inmediatamente superior, a la anchura en
mm del dintel IPE.
-
No existe limitación en el número de grados que el soporte HEA puede
superar al perfil HEA “de referencia”.
Se consideran acartelamientos en el dintel tan sólo en su encuentro con los
soportes. Las cartelas cumplen los siguientes criterios:
-
Se proyectan mediante un suplemento de ½ IPE (a partir del corte
diagonal de un perfil IPE completo) soldado en la zona inferior del dintel.
-
Se construyen a partir del mismo perfil IPE que el de dicho dintel.
3-8
Capítulo 3 - Aplicación al diseño estructural de naves industriales
-
La longitud de todas las cartelas exteriores e interiores, en proyección
horizontal, es del 13 % de la luz del pórtico tomada desde la cara interior
del soporte correspondiente.
2.4.2. Soportes y dinteles de cierre frontal
Todos los soportes y dinteles de cierre frontal se resuelven mediante perfiles
IPE. En los pórticos adosados, y en caso de existir puentes grúa, los soportes de
cierre frontal alineados con los soportes interiores HEA de los pórticos se resuelven
con el mismo grado de perfil HEA que éstos.
La separación de los soportes no es mayor que el valor de la modulación
entre pórticos. Además, en la cabeza de cada soporte siempre coincide el apoyo de
una correa de cubierta.
A) Correas de cubierta
Todas se proyectan con perfiles IPE. Su separación máxima, medida en el
plano del pórtico y paralelamente a la directriz de su dintel, se ha fijado en 2.2 m.
Cuando ha sido posible se consideran correas de cubierta que cubran dos vanos. No
obstante para no incrementar el valor de las acciones verticales:
-
Una de cada dos correas de dos vanos se dispone decalada en planta con
relación a las correas vecinas.
-
Una de cada dos correas que descansan sobre el dintel de cierre frontal
resulta ser de un vano.
Figura 3-2: Tipos de correas de cubierta
3-9
Utilidad del CAD 3D y del PLM en el Sector de la Construcción Industrial
Esta solución ha obligado, a reforzar la correa de cubierta que cubre un solo
vano considerando un perfil de grado superior en la serie IPE, y con los extremos
rebajados.
A continuación se muestran unos esquemas que aclaran su disposición:
Figura 3-3: Colocación correas de cubierta
B) Correas de fachada
Se fija su separación máxima en 2.2 m. Todas las correas de fachada,
excepto la del alero, se proyectan mediante perfiles IPE. Cuando sea posible se
considera que cubren dos vanos. No obstante, para no incrementar el valor de las
acciones horizontales:
-
Una de cada dos correas de dos vanos se dispone decalada en alzado
con relación a las correas vecinas.
-
Una de cada dos correas que descansan sobre el soporte de cierre frontal
resulta ser de un vano.
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Capítulo 3 - Aplicación al diseño estructural de naves industriales
Figura 3-4: Tipos de correas de fachada
Figura 3-5: Colocación correas de fachada
Esta solución ha obligado, a reforzar la correa de fachada que cubre un solo
vano considerando un perfil de grado superior en la serie IPE, y con los extremos
rebajados. Con este refuerzo, en las esquinas existen dos posibilidades:
-
Que sea posible asegurar la continuidad entre el tramo de un vano de una
correa de una fachada y la correa de la fachada contigua (perpendicular),
con lo que se evita el refuerzo del tramo de un vano.
-
Que, por existir huecos en dicha zona, no sea posible asegurar la
continuidad anterior y se tenga que proceder al refuerzo.
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Utilidad del CAD 3D y del PLM en el Sector de la Construcción Industrial
Por razones constructivas todas las correas de fachada situadas a la altura del
alero se proyectan a partir de tubos estructurales (rectangulares) de igual canto que
el de la correa de fachada IPE de dos vanos. El refuerzo de la correa que cubre un
solo vano se realiza con un tubo estructural de igual canto que los tubos anteriores.
C) Arriostramientos de cubierta
Se resuelven mediante redondos con extremos roscados. De esa forma se
facilita su tensado en la fase de montaje en obra. Se colocan en el primer y último
módulo de la nave, y sólo en la posición en la que trabajan como tirantes. Se fijan al
alma del dintel en la posición más cercana posible a su ala superior.
Figura 3-6: Disposición arriostramientos de cubierta
Figura 3-7: Detalle unión a dinteles
D) Arriostramientos de fachada
Se resuelven mediante redondos con extremos roscados. De esa forma se
facilita su tensado en la fase de montaje en obra. Se colocan en el primer y último
módulo de la nave, y sólo en la posición en la que trabajan como tirantes. Se sitúan
tanto en las fachadas exteriores como en las interiores.
En el caso en que no existan puentes grúa conectan la base de un soporte y
la cabeza del soporte contiguo. Si existe puente grúa conectan la base de un soporte
y la parte superior del soporte contiguo. Por lo tanto los arriostramientos cumplen la
función adicional de pórticos de frenado de puente grúa.
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Capítulo 3 - Aplicación al diseño estructural de naves industriales
Figura 3-8: Disposición arriostramientos de fachada
Figura 3-9: Detalle unión a dinteles
E) Vigas carril
Se proyectan como continuas. Se resuelven a partir de perfiles HEB en los
vanos extremos y perfiles HEA en los vanos interiores.
F) Soporte extremo de la viga carril
En la zona del soporte de cierre frontal de esquina, en caso de existir puente
grúa se decide que la viga carril apoye sobre un soporte resuelto con tubo estructural
cuadrado. La chapa de anclaje centrada se proyecta como independiente de la del
soporte de esquina.
G) Atado en alero
Aunque esta función es realizada por las correas extremas de cubierta y por
las correas de fachada situadas a la altura del alero, el usuario puede colocar atados
de alero específicos proyectados con tubo estructural cuadrado de igual canto que el
de las correas de fachada situadas a la altura de alero.
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Utilidad del CAD 3D y del PLM en el Sector de la Construcción Industrial
H) Uniones atornilladas
Cualquier tipo de unión en obra entre perfiles se resuelve mediante tornillos de
alta resistencia. Así se asegura que dichas uniones sean rígidas ante sus
solicitaciones de cálculo y se favorece la estandarización constructiva.
En cuanto a las distancias mínimas entre agujeros y a las distancias mínimas
entre éstos y los bordes de la chapa se sigue el Eurocódigo 3 y recomendaciones de
fabricantes.
I)
Anclajes
En base de soporte se proyectan mediante chapas de anclaje centradas sin
cartelas de rigidización y con espárragos rectos roscados. Con el diseño se asegura
que dichos anclajes sean rígidos ante sus solicitaciones de cálculo y se favorece la
estandarización constructiva.
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