ESTUDIO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA NAVE INDUSTRIAL (GALPONES)

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Se denominan naves industriales, estas son construcciones de una sola planta, que cubren grandes áreas y son de uso para depósitos, almacenes, mercados, fábricas entre otros, estas se caracterizan por estar compuestas de perfiles metálicos para formas las vigas de celosía o cerchas unidas unas entre si por las correas donde es apoyada la cubierta. uniendo los nodos del cordón superior de las cerchas paralelas se colocan las vigas de techo denominadas correas, que son los soportes longitudinales de la cubierta, la cual está compuesta por láminas onduladas de hierro, asbesto, cemento o aluminio. las cerchas o vigas de celosía, pueden tener pendientes simples o dobles, en cuyo caso se designan por techo de dos aguas  la correa superior es conocida como cumbrera y las correas inferiores en contacto con las paredes son vigas de alero.

Los galpones pueden tener paredes resistentes de cerramiento, longitudinal y transversales, o muros perimetrales, en toda su altura,del pavimento alas vigas de alero, capaces de soportar las cargas de origen gravitatorio del techo y las fuerzas eólicas. es ciertos casos la rigidez de estas paredes es insuficiente, los muros livianos de bloques huecos o cuando los  cerramientos son por laminas onduladas, las cerchas deben apoyarse en columnas perimetrales que transportan la carga hacia las fundaciones, se deben colocar vigas de pared llama largueros sobre las cuales descansan las paredes. estos largueros a su vez se apoyan en las columnas pero si la luz entre ella es muy extensa se le colocan columnas auxiliares intermedias para garantizar el apoyo a los largueros, estas estos auxiliares se conectan con las vigas de alero. La estabilidad del conjunto se debe garantizar los arriostramientos en las direcciones longitudinales y transversales, en los planos horizontales, verticales e inclinados según la pendiente del techo, con la finalidad que la construcción adquiera rigidez para resistir las fuerzas externas. Así se coloquen paredes rígidas es recomendable colocar un arriostramiento mediante barras cruzadas de san andres.

La función del arriostramiento es de rigidizar parcialmente la estructura en etapa constructiva y minimizar las vibraciones o reducir a su vez la distancia entre apoyos. para incrementar las rigideces las cargas normales deben estar en dirección de la cumbrera, debidas al viento, es usual colocar un refuerzo llamado puntal de rodilla.

Tabla para láminas usadas  en cubiertas de naves industriales.

Cargas actuantes en las naves industriales.

las cargas que se debe considerar en el diseño de naves industriales son las siguientes:

• cargas gravitacionales del peso de la cubierta, correas, los tirantes, los arriostramientos, las cerchas, los largueros y los demás miembros estructurales.
• fuerzas debidas a la acción del viento que actúa en dirección perpendicular y paralela a la cumbrera.

En zona sísmica, se debe tomar en consideración este efecto, si bien en general no es necesario en el diseño tomar acción simultanea del viento y del sismo, se considera la superposicion de efectos según direcciones ortogonales. Cuando las acciones horizontales generan tracciones en algún elemento de los cimientos, que exceda las dos terceras partes de la compresión por acciones permanentes, la fundación deberá anclarse. También se debe prever el anclaje cuando las fuerzas horizontales superan las resistencia de las fundaciones al deslizamiento, en los galpones el viento actúa de forma ortogonal .

Cerchas o armaduras de techo.

  Las cerchas constituyen la estructura resistente donde se apoyan las correas, la cumbrera y las vigas de alero, para el diseño de estos elementos se debe seleccionar.

• la forma de los cordones superior e inferior.
• la altura de la cercha.
• la ubicación de las diagonales y montantes.
• el tipo de apoyo.

En ocasiones la elección que se tome depende de las limitaciones del espacio, de ventajas económicas o de exigencias constructivas, la forma de los cordones pude ser curva, plana quebrada o inclinada.  las armaduras de cuerdas paralelas con mas comunes en puentes. En los galpones, el drenaje, la iluminación y la ventilación resultan generalmente definitorios en la elección de la inclinación del cordón superior o en la colocación de lucernarios cenitales. el cordon inferior de las armaduras de techo es horizontal pero se suele construir quebrado cuando altura libre requerida en el centro del galpón es considerable, se mantiene en un mínimo la altura de las paredes perimetrales, por razones económicas.
Cuando la luz L de las cerchas es pequeña,no supera los 8 metros,se las arma usualmente en el taller y se las transporta al sitio, en estos casos por razones de izado el cordon inferior sufre una compresion es recomendable que su esbeltez total no supere la esbeltez maxima admisible en lo miembros L/r < 200. En las cerchas de 12 metros o mas de su luz, se suele dar una contraflecha en la mitad de la luz al cordón inferior de L/300 para la deflexion,  debida al peso propio no afecte el trabajo de la viga,  esta contraflecha se logra acortando convenientemente los correspondientes montantes y diagonales concurrentes a los nodos centrales.

Las armaduras Howe o Pratt son las mas usuales en la practica, para pendientes medias y resultan tanto mas eficientes cuantas mas diagonales trabajas a tracción bajo las cargas impuestas, la pendiente ideal para las diagonales de 45 grados, las armaduras fink son adecuadas para pendientes grandes y distribución elemental de su alma en 5 triángulos permite cubrir luces hasta de 24 metros,  a medida que la luz aumenta, los triángulos exteriores deben subdividirse progresivamente, para otorgar mas resistencia al conjunto.

Las armaduras tipo tijera no son muy comunes en estructuras de galpones, pero resultan una forma eficiente en cerchas de madera cubriendo pequeñas luces en salones o auditorios, donde ambos cordones deben inclinarse, la cercha Polonceau resulta de una combinación de la tipo Fink en lacual el cordón inferior debe quebrarse por razones constructivas. para techos horizontales o con pendiente minima de 3% se usa al armadura tipo warren, en la cual la mitad de las diagonales estan comprimidas, se la puede construir también con montantes, los cuales para cargas uniformemente distribuidas sobre la cercha, resultan prácticamente descargados y solo ayudan a incrementar la rigidez del conjunto. una variación en cualquiera de las armaduras mostradas consiste en agregar tragaluces o lucernarios en el centro del edificio, para permitir la iluminación y ventilación naturales.

Las armaduras con cordón superior curvo pueden usarse con cualquier tipo de montantes y diagonales, la forma del cordón superior puedes ser una parábola, un arco circular, una elipse entre otos. por ejemplo; una parábola cuadrática, si la carga es uniformemente distribuida, la estructura se comporta como un arco tensado donde no trabajan las diagonales ni los montantes la respuestas estructural es diferente si el cordón superior tiene cualquier otra forma.

Las diferentes barras o cordones que forman las cerchas se conectan en los nodos con remaches, pernos o soldadura, definiendo estructuras hiperestáticas mente vinculadas. A pesar de ello, las armaduras se resuelven invariablemente como isostáticas, con sus barras articuladas en ambos extremos formando triángulos acoplados continuos. De esta manera las únicas solicitaciones a considerar son las axiales, actuando en el baricentro de los diferentes miembros.

En la mayoría de las cerchas, estos criterios han dado resultados satisfactorios por muchos años, tomando como hipótesis que las cargas exteriores están aplicadas únicamente a los nodos el sistema. si la distancia entre nodos es superior a la máxima separación entre las correas de techo definida por la longitud de las laminas disponibles de cubierta, se deben colocar correas intermedias entre los nodos, apoyadas directamente sobre el perfil del cordón. el cual soporta la flexion y carga axial simultáneamente. En este caso, los esfuerzos debido a la flexion no pueden considerarse secundarios.

En el diseño de las armaduras de techo, se recomienda tomar la siguiente relación primera.

Para cerchas simétricas, la aradura es de cordones paralelos usar la segunda relación.

En el tercer caso es cuando se tiene una altura limitada, no se aconseja exceder la relación.

Correas de techo.

Las correas constituyen los apoyos e las láminas de cerramiento del techo de los galpones, las cuales se sujetan con ganchos, las longitudes comerciales de las láminas determinarán la distancia máxima permisible entre las correas, y con ello la óptima ubicación de los nodos de las cerchas. En armaduras con el cordón superior en pendiente, las correas se colocan apoyadas en los nodos de la armadura, las acciones más normales para las correas con los perfiles I, vigas C. debido a la inclinación de los techos, las cargas gravitacionales se originan en flexión biaxial en las correas, para absorber la componente tangencial de las cargas de techo que actúan según la dirección del perfil de las correas, se colocan tirantes intermedios dependiendo de la luz y del tipo de cubierta.

Las correas se diseñan como vigas simplemente apoyadas en las cerchas, si bien son vigas de carácter continuo que se sueldan entres si sobre los nodos, y con el ala del cordón superior de la cercha, donde reposan, las cargas gravitacionales de su peso propio y el de la cubierta que soportan, las correas resisten la acción eólica, que se supone siempre actúa de forma perpendicular a la superficie, creando presión o succión según sea su dirección y la pendiente del techo.

Las cargas gravitatorias y del viento que actúan sobre la cubierta son analizadas de manera uniformemente distribuidas y cada correa resiste la magnitud correspondiente en su área tributaria, la luz de las correas se define por la separación s entre las cerchas paralelas y varia entre 3 a 8 metros dependiendo de la luz L se la armadura de techo.

Las cargas que se resisten las correas se analizan según los ejes x e y independientemente, según las siguientes hipótesis.

• Carga muerta y viento.
• Carga muerta carga de montaje.

Los valores de los momentos flectores obtenidos para cada hipotesis, se eligen las solicitaciones de diseño mas desfavorable fbx y fby.

Fbx y Fby son los esfuerzos admisibles en flexion según los ejes respectivos, los cuales pueden ser incrementados en un 33% cuando se considera en el calculo el efecto del viento. las reacciones máximas R2 son las fuerzas axiales que deben ser resistidas con los tirantes, en cada correa. La carga total que transmiten los tensores a nivel de la cumbrera sera. R'= N*R2.

Siendo N el numero de correas que enlazan los tirantes. La cumbrera se puede colocar un único perfil o dos perfiles inclinados conectados con tensores.

Se debe verificar la flecha máxima de las correas según el eje de mayor inercia.

y los esfuerzos cortantes máximos.

El área necesaria de las barras de los tirantes será.

Largueros.

Los largueros son vigas de pared que soportan los muros livianos o los cerramientos laterales de láminas con limitada resistencia estructural, tales como las de metal corrugado. usualmente se usan para las paredes las mismas láminas que las de cubierta de techo. los largueros soportan las cargas de las paredes, su peso propio y la carga horizontal debida a la acción del viento, los largueros se diseñan como simplemente apoyadas en las columnas las cuales reciben además las cargas de las cerchas.

 Columnas.

Las armaduras de techo han sido generalmente tratadas como estructuras aisladas simplemente apoyadas que resisten únicamente las cargas verticales del techo y la acción del viento sobre la cubierta, este criterio  es aceptable cuando la armadura descansa sobre muros perimetrales de suficiente resistencia. En otros casos, sin embrago, las armaduras apoyan en una columna mediante apoyos continuos, apoyos articulados fijos o deslizantes. la cercha esta doblemente articulada en la conexión con el tope de las columnas por lo cual estas deben empotrarse en su base, para evitar la formación de un sistema lábil.

La continuidad en los nodos de conexión entre las cerchas y las columnas se puede lograr de dos maneras.

Acción del eólica sobre las construcciones.

Los movimientos de la atmósfera están producidos por la acción de la gravedad sobre las masas de aire de diferente densidad, cuando el aire es frió desciende y el caliente asciende, la energía potencial de transforma en cinética. El viento se desplaza alrededor de la tierra de un modo constante y envolvente, las masas de aire frío del polo lo hacen en dirección opuesta, las fronteras entre las masas  adyacentes de diferente temperatura se llaman frentes. cuando la velocidad del viento es muy grande, se origina ciclones, anti ciclones y tornados, los ciclones son grandes masas de aire con movimiento de espiral girando alrededor de centros de baja presiona barométrica, mientras que los anti-ciclones lo hacen alrededor de centros de alta presión barométrica, el sentido del giro es horario en el hemisferio sur y anti-horario en el norte.

La velocidad del viento se mide en kg/h o m/seg, y los datos para cada región se obtienen de los observatorios y estaciones meteorológicas con mediciones promedios tomadas en un cierto periodo de tiempo, la velocidad básica del viento es la que corresponde al tiempo de patrón de recorrido medida en 10 metros de altura sobre un terreno pano con obstrucciones menores a 10 metros de altura y es asociada a un periodo de retorno de 50 años. el patrón de recorrido del viento es el tiempo que requiere u volumen de aire de longitud para pasar por una estación fija.

El periodo de retorno es el intervalo medio de recurrencia y resulta el tiempo promedio que debe transcurrir para que sea excedida la velocidad básica del viento. La velocidad básica del viento puede verse incrementada en regiones montañosas, los desfiladeros, las costas marinas o las islas estrechas, todas las construcciones expuestas se ven afectadas en mayor o menor grado por la acción del viento, las superficies de frente al viento se denominan barlovento, y las opuestas sotavento.

En las estructuras de planta irregular, las fachadas a barlovento y a sotavento se pueden diferenciar iluminando el modelo con un de luz en la dirección del viento, las áreas iluminadas serán las cara al viento y las asombradas las opuestas. el viento ejerce presión sobre las fachas a barlovento y succión en aquellas a sotavento. La dirección del viento se considera siempre perpendicularmente al plano sobre el cual actúa, el viento sobre la superficie genera un efecto que depende de:

• La velocidad del viento.
• La densidad del aire.
• La temperatura.
• La pendiente de la superficie.
• La orientación con respecto a la  dirección del viento.
• La protección que leda la cercanía de otras construcciones.

Los edificios de poca altura, con muros macizos y resistentes y techos de losas de concreto armado, resultan poco sensibles a la acción del viento, a medida que el número de pisos aumenta este efecto se hace más notable,  en construcciones de altura sobreelevada, torres, chimeneas, puentes y galpones con cubiertas de láminas delgadas, la acción del viento es tomando en cuenta en el diseño para disponer las estructuras resistentes capaces de dar rigidez lateral adecuada y a asegurar la estabilidad del conjunto en  todas las direcciones. 

Cuando existen dudas sobre el comportamiento de una cierta estructura expuesta al viento, se pueden realizar ensayos en túneles de viento con modelos a escala reducida, respetando la relación de dimensiones, la distribución de las masas, las rigideces y el amortiguamiento con relación a la construcción original, para obtener una respuesta dinámica aproximada. 

Clase gratuita en PDF de cálculo de naves industriales.