Ingeniería de Diseño y Confiabilidad en Galpones

Los Galpones también conocidos como Naves, son aquellas estructuras techadas que se construyen con el objetivo de albergar, maquinaria industrial, para ser usados como almacenes logísticos de distribución de productos, así como talleres y comercios en general. Vale destacar que estos son de una sola planta cuya separación entre columnas permiten grandes espacios libres de obstrucciones, con mayor libertad para la tabiquería interna y así lograr un aprovechamiento de las áreas.

Las Estructuras Metálicas utilizadas en Galpones constituyen un sistema constructivo muy difundido en varios países, ya que, poseen una gran capacidad resistente por el empleo de acero. Esto le confiere la posibilidad de lograr soluciones de gran envergadura, como cubrir grandes luces (distancias) y cargas importantes. Son muy utilizadas por sus ventajas en tiempos de diseño, relación costo de mano de obra, costo de materiales, financiación, tiempo de construcción, etc. Los galpones por su rápida construcción y montaje tienen una gran variedad de usos en muchas áreas en las cuales es muy común encontrar este tipo de estructura.

Para el Diseño de los Galpones (así como para los Análisis Estructurales) es necesario establecer o definir parámetros y consideraciones basados en las normas vigentes de cada país y en la disponibilidad de los materiales. Entre las variables básicas necesarias al momento de proyectar una estructura metálica tenemos:

• El tipo de edificación y su uso
• La forma del área y sus dimensiones
• El tipo de suelo y su capacidad de deformación frente a los asientos diferenciales que se pueden presentar.
• Los efectos del medio ambiente
• El material empleado para la construcción
• La rapidez de ejecución prevista y el factor económico
• Tipo de estructura, número de tramos, tipo de techo y tipo de pórtico
• Las cargas actuantes a las que será sometida
• Acciones del viento sobre la edificación
• Las acciones sísmicas sobre la estructura
• La propia fundación compatible con el terreno y la estructura
• Efectos de vibraciones por maquinarias o equipos

En cuanto al Tipo de Galpón, se debe definir si la edificación tendrá un uso Comercial para tiendas, mercados, depósitos, estacionamiento, hangares, centros comerciales; Industrial tales como fábricas donde emplean una gran cantidad de máquinas de gran tamaño, talleres en general, casetas, etc; de Entretenimiento empleadas por su gran capacidad de albergar personas y espacios de desarrollo de actividades deportivas, auditorios y centros religiosos; o Agrícolas que son muy utilizados para la cría de animales, (gallinas, cerdos, etc.), así mismo, en el cuidado y alimentación de otros animales.

Muchas veces el nivel de daños provocados sobre las construcciones, vías de comunicación, instalaciones de gas, agua, etc. son mayores que los esperados en la zona debido a la influencia de los Efectos del Suelo. Al concebir un proyecto, se deben proyectar las estructuras no solamente para las propiedades del suelo al comienzo de la obra sino que también para toda la duración o vida útil. El tamaño y la forma de un terreno determinado como las propiedades mecánicas del suelo que lo componen pueden variar de manera muy significativa. Para tomar en cuenta estos efectos es necesario evaluar las Presiones sobre el suelo y su resistencia al corte, la Permeabilidad, la presencia permanente de Agua que influye en la humedad del suelo y el nivel freático, así como en asentamientos diferenciales.

También es importante definir el Tipo de Estructuras a utilizar, ya que existe una gran variedad de estructuras metálicas para galpones y su clasificación va a depender de los tipos de elementos que las componen, las cargas sometidas, su uso, el medio ambiente en cual será edificado y el techado. Este tipo de estructuras se selecciona según el Número de Tramos el cual puede ser Simple (galpones más utilizados por ser el más económico, de montaje rápido y de poca mano de obra); Simple con Anexo (similares a los simples pero estos acoplan una construcción, sujeta por una conexión, generalmente dispuestas a un lado de las mismas) o Múltiple (estructura simple pero duplicada, es decir, compartiendo el eje central en la ampliación lateral). Además se debe considerar el Tipo de Techo que puede ser “Por su Inclinación” a Un Agua o a Dos Aguas, “Por su Forma” que puede ser Plana, tipo Dientes de Sierra o en Arco. Así mismo, el Tipo de Pórtico que puede ser de columnas y vigas de sección constante, columna de sección constante y armadura en techo tipo celosía o cercha, o columnas y armaduras de techo tipo cerchas.

Luego, es importante identificar los Componentes Básicos de la Estructura Metálica como las “Vigas”, que pueden ser Laminadas de alma llena, Armadas de alma llena, Reticulares, Caladas o Alveoladas); las “Columnas” y su configuración o sección transversal; las “Correas” que son los elementos destinados al soporte de las cubiertas, se instalan generalmente sobre las vigas o cerchas, la “Cubierta o Cerramiento” que pueden ser Láminas Metálicas de Acero, Aluminio, Plásticos o Mampostería; las “Cartelas” que son piezas de chapa metálica o acero con forma triangular, cuadrada u otra que soldada a una superficie y se utiliza para reforzar la unión entre vigas; los “Tensores o Arriostramiento” que son elementos constructivos que están sometidos principalmente a esfuerzos de tracción y tienen como misión dar mayor rigidez y resistencia a la estructura para resistir los esfuerzos horizontales que pueden ser ocasionados por carga del viento o acción sísmica y transmitirlos a las “Fundaciones” que están destinadas a la transmisión de la carga al suelo y pueden ser Aisladas, Corridas, Combinadas, de Medianería o de Esquina.

Otro elemento a considerar es el Nudo o Sistema de Uniones, ya que cada estructura es un ensamblaje de partes o miembros individuales que deben ser unidos de alguna manera, usualmente en sus extremos. La Unión por Soldadura es una de esas maneras y la otra es por medio de Uniones Apernadas o Remachadas. Una conexión es el conjunto de elementos que unen cada miembro estructural a la junta: placas o ángulos por patines o alma, soldaduras, tornillos.

En cuanto a las Cargas Actuantes sobre los Galpones, son el conjunto de acciones externas o internas que producen un estado tensional en los elementos estructurales. Se deben incluir en los cálculos las Cargas Permanentes, que actúan continuamente sobre la edificación y no varían en el tiempo; Deformación Permanente, asociadas a asentamientos diferenciales de la estructura debido a deformaciones del suelo de fundación; Cargas Variables, que existen en diversos momentos de la vida útil de la estructura y no siempre están actuando; Cargas de Viento, ejercida sobre la estructura y son principalmente de empujes y succiones, y cuyo parámetro más importante es la velocidad; Cargas Sísmicas, que interactúan en la superficie con movimientos horizontales (aceleración) del suelo que son transferidos a la estructura, los efectos de Vibraciones producidas por el funcionamiento de equipos mecánicos rotativos que generan cargas no deseadas, así como las combinaciones de dichas cargas.

Los Resultados a obtener mediante los cálculos y simulaciones contemplan, entre otros, los esfuerzos combinados, máximos, mínimos, cortantes y deflexiones en todos los elementos estructurales, factores de seguridad para combinaciones de cargas, reacciones en los apoyos para el cálculo de anclajes, planchas y fundaciones; diseño y análisis de nudos apernados o soldados y refuerzos, diseño de arriostramiento con perfiles o tensores para estabilidad ante cargas laterales, modos de pandeo y cargas críticas en columnas, frecuencias naturales y análisis modal de la estructura para validación de respuesta a ráfagas de vientos de frecuencias críticas así como respuestas a sismos; evaluación de cubiertas de techo y cerramiento por efectos de viento y sus elementos de fijación, esfuerzos en la estructura debido a aceleraciones sísmicas; análisis de esfuerzos por cedencia de suelo, asentamiento o desplazamiento admisible; así como factores de seguridad a fatiga para evaluación de daños en zonas críticas debido a fuerzas cíclicas o vibraciones mecánicas.

Caso de Estudio

Considerando un proyecto de Diseño de Galpón con las siguientes características solicitadas por el cliente: tipo de edificación para uso Industrial, un área aprox. de 1.200 m2, tipo de suelo estable con buena resistencia al corte y sin efectos perjudiciales de humedad o nivel freático, tipo de estructura Simple con Anexo, techo a Dos Aguas y tipo de pórtico con perfiles de sección constante; se presenta un resumen del proceso de diseño y análisis para el desarrollo de la Ingeniería Básica asociada. Entre los componentes básicos de la estructura, se seleccionan vigas y columnas laminadas de alma llena, cerramiento de mampostería y láminas de acero, Arriostramiento con perfil rectangular y Fundaciones aisladas.

En este proyecto se revisó el estudio de suelo suministrado por el cliente que indicaba que el suelo era estable y de buena resistencia, sin embargo en el documento no se evidenciaron las pruebas de laboratorio que definen la resistencia al corte del suelo, por lo que se notificó al cliente la desviación. Aun así, el cliente solicitó iniciar los cálculos con esta información mientras se realizaba un nuevo estudio de suelo, además se tenía confianza en el equipo que elaboró el estudio inicial por tener experiencia en el sector. Este párrafo se redacta para alertar que, en los proyectos de ingeniería, este tipo de situaciones suele ocurrir y el profesional de ingeniería debe estar preparado para abordarlas de manera positiva durante su asesoría o consultoría.

Se inicia entonces con la definición de las cargas actuantes para el área industrial y el área anexa para oficinas, considerando Cubierta de Techo, Peso de Correas, Cargas Permanentes y Cargas Variables, luego se selecciona el perfil de las correas, se calculan los esfuerzos y deflexiones y se validan según los valores máximos permitidos por norma.

Se continúa con el diseño y cálculo del pórtico, considerando las cargas actuantes (de techo y cargas de viento) y sus combinaciones, la geometría de los nudos, aplicación de cartelas de refuerzos y las condiciones de los apoyos en las bases de la estructura.

Posterior al diseño preliminar del Pórtico, se calcula la estructura completa considerando todas las cargas y combinaciones, así como sus elementos estructurales (correas, arriostramientos, entre otros.) para obtener los esfuerzos y deflexiones y validar estos resultados con respecto a los admisibles y sus factores de seguridad según normas. En la siguiente figura se muestra la geometría de la estructura ingresada en el simulador con las cargas aplicadas.

En la próxima figura se muestran los resultados de los esfuerzos en toda la estructura, considerando las cargas aplicadas.

Para este caso, los esfuerzos calculados son inferiores a los valores de fluencia del acero de la estructura para las combinaciones de cargas aplicadas según normas.

En esta fase del cálculo, el cliente notifica que, durante unas operaciones de movimiento de tierra con maquinarias, el terreno comenzó a presentar características de un suelo con alto nivel freático y de baja resistencia al corte, por lo que solicitó la adaptación del diseño. Se cambió entonces la concepción de fundaciones aisladas por fundaciones corridas con tensores de amarre entre columnas opuestas y el apoyo el pórtico con grados de libertad equivalentes a un apoyo articulado. Adicionalmente, el cliente solicitó cambiar el tipo de perfiles para columnas y vigas ya que, para ese momento, en el mercado solo había disponibilidad de perfil cuadrado de 100x100mm y pletinas de 75mm. Estos cambios hacen que sea necesario modificar el diseño de la estructura, obteniéndose el diseño que se muestra a continuación.

Se realizó la simulación asociada a la estructura completa como se muestra.

Entre otros cálculos, se obtuvieron los modos de vibración y frecuencias naturales.

Esfuerzos debido a aceleraciones sísmicas.

Como consideraciones finales podemos recordar que el diseño y análisis de este tipo de estructuras requiere del dominio de los procedimientos y normas de cálculo de manera detallada, además de un conocimiento de las disciplinas integradas que permita brindar un servicio integral profesional; así como el dominio de programas de simulación numérica que constituyen una herramienta muy importante para el desarrollo de los proyectos modernos de ingeniería.

Si deseas tener más detalles sobre el cálculo de galpones, deja tu comentario y entraremos en contacto. Un saludo.