Optimización de edificios industriales construidos con estructuras prefabricadas de concreto
La industria del prefabricado ha sido pionera en la innovación dentro del sector de la construcción con la generalización de la técnica del pretensado. En 1942 Francisco Fernández Conde obtuvo de Freyssinet las patentes del pretensado para España y América Latina (1). Desde entonces, la construcción de edificios industriales con estructuras prefabricadas de concreto ha sufrido un gran desarrollo, con la evolución de los materiales y la fabricación en instalaciones fijas cada vez más automatizadas.
En el nacimiento del proyecto de una estructura prefabricada (2), no siempre se analizan y plantean diferentes alternativas. Este artículo, nace de una investigación más amplia; queremos dar respuesta a las cuestiones primordiales que se nos plantean en la fase de diseño; ¿Qué retícula básica utilizo? Esta es una pregunta clave y que influye en gran número de variables. Podemos ver una distribución de columnas montadas en la figura principal.
Grandes preguntas en cuanto a la optimización de edificios industriales con estructuras prefabricadas
Cuantos más condicionantes previos tengamos, tales como uso de la construcción, altura libre, necesidad de entrepisos, más variables dejaremos fijas en la toma de decisiones. Por el contrario, si se dispone de un terreno para construir 120.000 m2 en 300m x 400m, y se quiere edificar un edificio industrial de aproximadamente 20.000 m2 de planta y sin condicionantes previos, nos surgen muchas preguntas: ¿Qué longitud de viga principal usaremos? ¿Qué separación de pórticos? ¿Qué soluciones son las más óptimas? ¿Qué influencia tienen las fachadas?
Diseñar es colocarnos ante el tiempo para pensar (3)(4) y como nos señalaba el maestro Eduardo Torroja: “Antes y por encima de todo cálculo está la idea”.
Nos centraremos en la tipología estructural de pórticos para la construcción de cubiertas ligeras, compuesta por columnas, vigas principales de cubierta y vigas secundarias, correas o viguetas; denominaremos cubierta ligera aquella cuya carga permanente debida únicamente a su cerramiento no exceda de 1 kN/m2.
La solución de pórticos de cubierta es de uso habitual para salvar grandes luces. Este tipo de solución es de aplicación en multitud de tipologías de edificios: centros comerciales, bodegas, talleres, almacenes, hangares, (5)(6)(7).
Elementos estructurales: Columnas y vigas
Los pórticos de cubierta están preparados para cargas de peso propio, de cerramiento, nieve e instalaciones; del orden de 0,6-1,2kN/m2, con luces de viga principal hasta 50,00 m y luces de correas tubulares hasta los 13,00 m. Para orientarnos en los primeros pasos del diseño podremos realizar una primera consulta en manuales y catálogos técnicos (5)(6)(7).
Viendo los proyectos analizados en el estudio base, encontramos dos sub-tipologías básicas predominantes: en sección doble T, en función del tipo de viga principal de cubierta: vigas peraltadas con pendientes del 6-10% en función del molde de sección variable y; vigas doble T de sección constante.
Es habitual que las estructuras de concreto prefabricado para pórticos de cubierta se resuelvan con los elementos estructurales de: columnas de concreto reforzado, vigas principales de cubierta y vigas secundarias llamadas correas o viguetas. Vigas y correas normalmente fabricadas de concreto pretensado. Como requisitos básicos de diseño, podemos mencionar algunos de los más influyentes: uso de la estructura, situación, tamaño, distribución interna, condicionantes del terreno (2)(5).
Casos prácticos
Los edificios elegidos para el estudio representan un tipo muy utilizado: bodegas de cubierta ligera, una altura y planta rectangular con características y condicionantes similares: estabilidad al fuego mínima de 30 minutos, empotramiento de las columnas con zapata en cáliz, y estructuras de tipo isostático.
Con respecto a los materiales y cargas, se emplearon los siguientes supuestos:
Concretos. vigas principales, con hormigón de resistencia característica HP45 (Hormigón pretensado de 45Mpa), y vigas secundarias y pilares con hormigón HP40 (Hormigón pretensado de 40Mpa).
Aceros: La armadura pasiva es en todos los casos B500S (igual a la usada en concreto reforzado), y la activa Y1860 (alambre de fp max= 1860Mpa).
Sobrecarga de uso: Se ha considerado igual a 0.4 kN/m2 de carga uniforme y 1 kN/m2 de carga concentrada en todos los casos y no concomitante con el resto de las acciones variables.
Imagen 1: Estructura prefabricada en edificio industrial: Pilares, vigas principales, correas tubulares y paneles de fachada. Fase de montaje.
Imagen 2: Estructura prefabricada en edificio industrial
Las figuras 3 y 4 muestran la construcción de estructuras de hormigón prefabricado para naves industriales, de las que definiremos sus principales parámetros:
Lv: longitud de la viga principal en metros. La posición de los pilares y esta viga conformarán un pórtico.
Lc: longitud de correa en metros, coincidente con la separación de pórticos.
Cuadrícula y cubo de cuadrícula
Denominaremos “retícula o cuadrícula” de la estructura a la superficie construida definida por Lv y Lc. Tener un “número aproximado” para esta “cuadrícula” en la fase de diseño y predimensionamiento nos servirá de guía en el arranque del proyecto (5)(7). Buscamos elementos uniformes tanto por aprovechamiento de moldes como para lograr uniformidad de armados. Las longitudes de correas deben ser iguales o lo más uniformes posibles, para dimensionar con el criterio de la luz más desfavorable.
Ht, es la longitud total de la columna en metros. Denominaremos “cubo de cuadrícula” de la estructura, al volumen construido definido por Lv, Lc y Ht.
Sepc, es la separación de correas en metros y Pte, es la pendiente de la cubierta.
Qc y Qv, son las cargas sobre correas y la carga sobre paramentos verticales en Kn/m2. Cv-D, Cv-I, y Cc son los cantos de vigas y correas en metros.
Comparativa de edificios
En la tabla adjunta podemos el análisis estadístico sobre la base de datos realizada:
Tabla 1: Tabla de resumen estadístico de parámetros de la base de datos
Vemos que la media y mediana de los casos analizados está aproximadamente en Lv de 24,00 m y Lc de 10,00 m y una altura libre de 10,00 (total de 13,50 m).
Se ha tomado como variable de gasto para la comparativa el volumen de concreto de la estructura medido en m3. El análisis se ha realizado siguiendo el criterio de optimización de gasto. En todos los casos se ha utilizado un coeficiente k de ponderación de los valores de gasto, para poder realizar un análisis porcentual no dependiente de la fluctuación de costos.
En un primer análisis con líneas de regresión, como vemos en la figura 3, obtenemos el volumen de hormigón empleado en vigas principales y correas, en función de la superficie de cuadrícula Lv x Lc.
Gráfica 1: Análisis de regresión de gasto de hormigón en estructura prefabricada en edificios industriales.
Conclusiones
En una primera aproximación mediante análisis estadístico obtenemos que la media y mediana de los casos analizados está aproximadamente en Lv de 24,00 m y Lc de 10,00 m.
Mediante los análisis de consumo de concreto de la base de datos, vemos que el caso más optimizado se da para una retícula de 308 m2, con Lv de 28,40 y Lc de 10,84 m. Esto es ratificado por los análisis de regresión y el estudio de búsqueda del mínimo de la función de gasto con el software matemático de análisis dinámico GeoGebra, que da una Lv óptima en torno a 28,00 m.
De los análisis geométricos, obtenemos que la relación superficie de fachada entre superficie de estructura construida, tiene mayor repercusión en el costo total que la solución estructural, en la mayoría de los casos analizados. El coeficiente de forma entre superficie construida y la menor relación de fachada lo dará el edificio que aproxime sus dimensiones en planta a un cuadrado: Lado2 = Área.
Por otra parte, la solución con pórticos múltiples mejora la eficiencia de columnas a nivel de sección y número para misma disposición de vigas y correas.
Puede concluirse que los modelos de optimización resultan de gran ayuda para el proyectista en las fases iniciales del diseño.
El estudio es parte de un proyecto más amplio para obtener modelos de optimización basados en matemática aplicada y tratamiento masivo de datos.
Este estudio forma parte de la Tesis Doctoral de Alfonso Barba, de la que Jaime Fernández y Paula Villanueva. son directores.
Bibliografía
- Fernández Ordoñez, J.O. 1978. Eugène Freyssinet. 2c Ediciones
- Calavera, J.; Fernández Gómez, J. 1999. Monografías nº4. Prefabricación de edificios y naves industriales. INTEMAC
- Rice, P. 2009. Un ingeniero imagina. CINTER
- Fernandez Ordoñez, J.O. 2009. Pensar la ingeniería. Editor Jose Ramón Navarro Vera-CICCP.
- FIB. 2014. Planning and design handbook on precast building structures.
- Pretersa-Prenavisa. 2011. Catálogo Técnico-Comercial. www.pretersa.com
- Aquero,J.; Castro,T.; Condejo,F; González J.C; Lleida J.L.,Valle J. 1996. Edificación con Prefabricados de Hormigón. IECA Y ANDECE
Jaime Fernández Gómez
Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Catedrático de Edificación y Prefabricación. ETSICCP de la UPM.
Alfonoso Barba Pérez
MSc Ingeniero Civil. Máster en ingeniería de Estructuras, cimentaciones y Materiales. Pretersa-Prenavisa.
Paula V Llauradó
Dra. Arquitecta. Departamento de Ingeniería Civil: Construcción. ETSICCP de la UPM.
