En este caso real se requirió comprobar la resistencia estructural de un almacén autoportante. El resultado obtenido del análisis bajo la normativa actual fue que su resistencia era insuficiente, lo que llevó a plantear una actuación general de refuerzo. La solución de derribar y levantar una nueva construcción no era factible económicamente. Se diseñaron una serie de actuaciones que permitieron cumplir con la normativa estructural con un coste económico aceptable.
1. Marco normativo
En el análisis se aplicó la siguiente normativa:
· EN 1993 Proyecto de estructuras de acero. Eurocódigo 3
· EN 15512 Almacenaje en estanterías metálicas. Estanterías regulables para cargas paletizadas
· EN 15620 Sistemas de almacenaje estático en acero
2. Descripción del edificio
Como en todos los casos de almacenes autoportantes, la estructura del edifico está formada por los propios módulos de estanterías construidos en perfiles de acero conformado en frio, de sección abierta y con todas las barras unidas por uniones atornilladas o elementos encajables especiales. La distribución en planta era en esquema similar a la de la siguiente figura:
El cerramiento de las cuatro fachadas del edificio era de chapa de acero lacada y conformada en frio, suportada por una subestructura perimetral compuesta de pilares y barras horizontales dispuestos siguiendo la pauta de los elementos de la estructura interior sobre la que se apoyan, a la que transmiten los esfuerzos y aporta la estabilidad requerida.
La cubierta plana estaba suportada por otra subestructura de correas y jácenas. Las correas eran de perfil abierto laminado en frio de tipo comercial. Las jácenas estaban compuestas de perfil de acero laminado en frio de características similares a los utilizados en la estructura. Se apoyaban en distintos puntos a lo largo de toda su longitud sobre los puntales de los módulos interiores.
La estructura central tenía la disposición habitual, formada por grupos de 2 puntales verticales unidos entre sí por diagonales en una configuración parecida a una viga Warren. Estos grupos estaban unidos entre sí por las barras horizontales de las estanterías. Además, en algunos núcleos repartidos, unas diagonales en los planos horizontal y vertical aseguraban la estabilidad frente a empujes laterales de todo el conjunto
Fig. 1 Vista detalle de la estructura
3. Cargas
En primer lugar se determinaron y cuantificaron que grupos de cargas estaban presentes:
· Cargas de viento
· Cargas de uso y de nieve sobre la cubierta
· Cargas de servicio debidas al peso del material almacenado
Se configuraron las combinaciones indicadas en la EN 1993 y también las indicadas en la EN 15512
4. Análisis de la estructura
Al inicio se constató que un modelo completo de toda la estructura estaría formado por más de 15.000 barras. Debido a limitaciones tanto de software como de hardware no era posible analizar un modelo de estas dimensiones. Fue necesario identificar pautas estructurales y construir modelos parciales en 2D y 3D que representaran todo el edificio. Se analizaron 4 modelos estructurales diferentes, 2 modelos 2D y 2 modelos 3D con una cantidad de barras por modelo entre 650 y 3.300
Estos modelos, en su conjunto, eran representativos de toda la estructura. Los 2 modelos 2D representaban 2 alineaciones perpendiculares que denominaremos N-S y E-O Estas alineaciones se repetían a lo largo y ancho del edificio. Se analizó cada modelo con las cargas máximas aplicadas, por tanto el resultado era válido, por lado de la seguridad, para toda la estructura.
Los 2 modelos 3D representaban dos zonas estructurales que no quedaban bien representadas en los modelos 2D, una modelaba las zonas con diagonales en los planos horizontal y vertical y que dotan de rigidez a todo el conjunto. El otro modelo correspondía a una zona del extremo de la nave que no quedaba representada en ninguno de los modelos anteriores.
Fig. 2. Vista de ejes de barras de uno de los modelos 3D
4.1. Software
Para realizar el análisis se utilizó el software DIAMONDS de Buildsoft con una licencia limitada en la cantidad de elementos y sobre una estación HP Z420
4.2. Colaboración y supervisión
Este proyecto se realizó con la colaboración y supervisión del Departament de Resistència de Materials i Estructures a l’Enginyeria de la UPC.
4.3. Resultados
Los resultados obtenidos evidenciaron una falta de capacidad resistente bajo los criterios de la normativa actual y fue necesario idear varias actuaciones de refuerzo estructural.
Se observó que los fallos provenían de las acciones del viento lateral sobre las fachadas del edifico, en cambio, la carga de servicio derivada del peso de los materiales almacenados tenía una influencia relativamente baja. Concretamente las acciones laterales del viento ocasionaban momentos flectores sobre los puntales y algunas de las barras fallaban principalmente por pandeo pero también por resistencia a flexión- compresión. Por tanto, las actuaciones de refuerzo, en su conjunto, se debían orientar a aumentar la resistencia estructural a las acciones laterales. Por otra parte se descartó la reducción de la capacidad de almacenaje por tener escasa incidencia en el resultado.
Se optó por dos tipos de actuaciones, unas aplicadas a toda la estructura del edificio para dotarle de más resistencia a las acciones laterales que resolvieron gran parte de las zonas de fallo y otras a nivel más local.
Las zonas de fallo se localizaban mayoritariamente en los cuerpos de estructura situados en los laterales alineados con las fachadas largas y también en la zona más cercana al pavimento en los puntales de los cuerpos centrales.
Este tipo de estructuras están concebidas en primer lugar para servir de estanterías de almacenaje. La función estructural del edificio, aunque muy importante y necesaria, resulta secundaria. Bajo este último punto de vista no está optimizada. Con frecuencia los nudos de las barras no coinciden en un único punto y se generan localmente tramos cortos con momentos flectores muy elevados que causan fallo de resistencia.
En estos casos la gran complejidad tridimensional de la estructura contribuye a una compleja distribución y direccionamiento de los esfuerzos horizontales hacia el suelo. A causa de ello los resultados finales pueden ser, a veces, algo sorprendentes.
5. Actuaciones de refuerzo
La principal dificultad para idear el refuerzo fue la propia funcionalidad de la estructura como estanterías de almacenaje. Algunas de las opciones que se consideraron no eran viables por cuanto suponían reducir la capacidad de almacenaje o el acceso. Por otro lado, la zona de fallo más importante estaba situada en los puntales de la parte de la estructura situada junto las fachadas. La solución que se escogió fue utilizar los pilares de soportación de la estructura de fachada, que formaban una estructura sobrepuesta, y convertirlos en cordones colaboradores de la estructura principal. Este espacio era un espacio no útil. Se colocaron unas diagonales entre estos pilares y el puntal más exterior de la estructura, de esta forma se amplió la capacidad resistente de estos grupos dándoles un mayor momento de inercia. Esta actuación repetida en todas las alineaciones de la estructura a lo largo del edifico constituyó la principal actuación.
Para los perfiles que presentaban fallo por pandeo o por flexión se optó por colocar refuerzos que fueran compatibles con la configuración local, preferiblemente utilizando perfiles cerrados conformados en frio ocupando el espacio interior de los perfiles abiertos a reforzar. En los lugares donde un perfil cerrado no era compatible, se colocaron suplementos externos para reforzar las alas de los perfiles abiertos.
La fijación de todos los elementos de refuerzo se realizó con uniones atornilladas. En ningún caso se utilizó la soldadura ni se realizó modificación alguna en la perfilaría original con el fin de que la intervención realizada fuera compatible con las inspecciones técnicas posteriores a que por normativa están sometidas este tipo de instalaciones.
Fig. 3. Vista de un perfil abierto con su refuerzo (Vista de ventana del generador de secciones de DIAMONDS)
Fig. 4. Utilización de los pilares de fachada como cordón colaborador de la estructura principal
6. Conclusiones
Como se ha dicho, el cálculo estructural evidenció que la estructura del edifico no cumplía con las disposiciones de la normativa aplicable vigente. Teniendo en cuenta que la solución de un nuevo edificio no era económicamente viable, se optó por explorar la posibilidad de una o varias actuaciones de refuerzo. Las siguientes fases del estudio demostraron que si bien las actuaciones posibles tenían una complejidad no despreciable, eran factibles.
Aunque el coste de la partida de ingeniería que se derivó del proyecto de refuerzo fue mucho más alta que la del propio estudio de resistencia y también que el coste de la ejecución material del proyecto de refuerzo fue considerable, el coste global resultó muy inferior al de una nueva construcción.
Comments