Optimización de estructuras prefabricadas de hormigón para la construcción de edificios industriales

Resumen

La construcción de edificios industriales con elementos prefabricados de hormigón ha tenido un gran desarrollo desde la segunda mitad del siglo XX y muy especialmente en los últimos 40 años. Las estructuras de hormigón prefabricado, son muy utilizadas en la actualidad para la construcción de edificios industriales, por las ventajas que representan respecto a otras soluciones estructurales: rapidez de ejecución, ventajas intrínsecas del material en cuanto a resistencia al fuego, mayor control de costes y plazos, estética y posibilidades de acabados, seguridad laboral, eficiencia, durabilidad y posibilidad de reciclado del material. Las estructuras prefabricadas podemos clasificarlas, atendiendo a su uso y elementos utilizados, en dos tipologías básicas: Estructuras de pórticos o cubiertas ligeras y estructuras de entramados o forjados. La elección de la tipología más apropiada a cada proyecto, dependerá de que el uso preferente sea como cubrición, o de que sobre la estructura se necesite estar o almacenar cosas. En esta tesis, nos centraremos en los edificios industriales de planta única, resueltos con grandes luces con estructuras de cubierta ligera, que intervienen en gran parte de los proyectos y que definen el perímetro de estudio. En un alto porcentaje de casos, las estructuras de edificación industrial están ejecutadas con soluciones prefabricadas de cubierta ligera y fachadas de paneles de hormigón. En este sentido, es destacable la poca presencia de bibliografía técnica actualizada para apoyar al proyectista en la fase de diseño. Los estudios de optimización suponen una considerable ayuda al proyecto; y por ello, se ha planteado una investigación para identificar y analizar los parámetros más influyentes en los proyectos de estructuras prefabricadas para cubiertas ligeras y fachadas, con objeto de proponer criterios de optimización, de cara a una primera aproximación al análisis dimensional, que sirva en las fases iniciales de proyectos con dichas tipologías. El estudio se centra en cómo afectan las distintas variables a la optimización de estructuras de hormigón prefabricado, teniendo en cuenta el consumo de materiales; hormigón y acero, relativo de cada elemento estructural. Se analizan las estructuras de cubierta, definidas como estructuras de pórticos compuesta por pilares, vigas principales de cubierta y vigas secundarias, correas o viguetas, y los paneles de fachada intervinientes en la generalidad de los proyectos. Para desarrollar la tesis se han identificado varias fases de la investigación. En la primera fase, se ha investigado sobre el estado del arte, atendiendo a lo publicado, para poder ver de dónde venimos, donde estamos y hacia dónde vamos, en cuanto a formas de trabajo, tipologías, secciones y medidas. En una segunda fase se identifican las distintas tipologías estructurales y las variables de diseño y geométricas a tener en cuenta en el diseño de cada una de las tipologías estructurales presentes en las edificaciones industriales. Posteriormente, se conforma una base de datos de 122 proyectos de diferentes edificaciones de naves con estructura prefabricada, para lo que se ha realizado una ficha por proyecto, con los datos geométricos y de diseño. El criterio de selección de los proyectos es que presenten algunos aspectos comunes de forma que se facilite su comparación, tales como: normativa (EHE-08 y CTE), similares resistencias característica del hormigón en las distintas obras para cada elemento estructural, estabilidad al fuego similar, riesgo sísmico nulo o bajo y estructuras de tipo isostático. Sobre los datos analizados, se ha aplicado un tratamiento estadístico, obteniendo tablas de medidas de posición; media, la mediana, moda, desviación típica y el coeficiente de variación, para las cargas y variables geométricas incluyendo: longitud de vigas principales, longitud de correas, separación de correas, longitud de pilares y canto de vigas principales y de correas. Para los análisis de optimización, la variable de gasto elegida, es el volumen de hormigón homogeneizado por tipo de elemento y tipo de armado, empleado en la estructura considerada, medido en m3, mediante el método de reducción a un sistema de variable única. De cara a los análisis, se ha definido la cuadrícula básica de la estructura Cu, como la superficie de estructura construida, confinada por dos vigas principales paralelas y contiguas separadas la longitud de correa. Los elementos que la componen serán: cuatro pilares, dos vigas y las correas correspondientes al reparto sobre las vigas en función de su intereje. Se analizan los gastos de las cuadrículas básicas, unificadas por rangos de altura libre, para ver las soluciones de longitud de viga y longitud de correa que nos dan menores consumos. Posteriormente se ha realizado un tratamiento de datos con análisis estadístico, para relacionar mediante regresión las longitudes de vigas, correas, y pilares con el consumo de hormigón homogeneizado, llevado a cabo siguiendo el método de ajuste por mínimos cuadrados. Llegados a este punto estaremos en disposición de desarrollar la ecuación de optimización o ecuación general de gasto por cuadrícula básica construida, que relacione cada uno de los elementos estructurales que componen la estructura con el gasto, partiendo para ello del esquema de la estructura de una cuadrícula básica. En base a los resultados estadísticos de la base de datos, se proponen diferentes ecuaciones de optimización en función de los datos de cargas del proyecto, para mejorar la exactitud de los análisis. La ecuación de optimización se ha realizado complementando el desarrollo teórico con la herramienta matemática GeoGebra. La herramienta se ha seleccionado porque permite fijar variables y simplificar el análisis gráfico. Con GeoGebra, se ha realizado un primer análisis para buscar la solución óptima, definida como el mínimo de la función de gasto. Este análisis se vio que daba valores de correas fuera del rango de uso habitual. En un segundo análisis, programando una ecuación en la que dejamos como variable la longitud de viga y colocamos deslizadores, variables acotadas, que permiten variar la longitud de correa, la separación de correas y la altura libre del edificio definido en GeoGebra, buscaremos el mínimo de esta función, definida como Acota (Lv). La programación de la ecuación de gasto en el programa GeoGebra ha permitido obtener un modelo ideal de comprobación de los resultados de la base de datos, así como poder visualizar las longitudes de viga teórica propuesta para obtener el mínimo consumo y las tendencias de las curvas de la función de gasto, para diferentes valores de las variables acotadas de altura libre, longitud de correa e intereje de correa. En el trabajo se han obtenido herramientas de predimensionado y modelos optimizados, para ayudar al proyectista en la fase de diseño. La metodología propuesta podría aplicarse a otros estudios similares de optimización de soluciones estructurales en edificación y obra civil. Para completar el estudio, se han incluido dos capítulos, uno referente a los paneles de fachada de hormigón prefabricado. Estos elementos están sujetos a constantes innovaciones para optimizar sus propiedades. Junto con la resistencia a fuego, las propiedades acústicas y posibilidades de acabado, recientemente ha crecido el interés por mejorar la transmitancia térmicas, fruto de una creciente versatilidad de usos en edificios industriales. Como consecuencia de este interés, se han creado sistemas que consiguen mejorar las prestaciones térmicas pero que pueden ir en detrimento de las propiedades mecánicas. Analizando los factores que entran en juego en el comportamiento termoacústico y de resistencia al fuego de los paneles, se han propuesto unos paneles teóricos optimizados, procurándose tres vías de optimización: la primera el uso de un núcleo aislante de más baja conductividad, la segunda en una mejora del ratio de macizados y la tercera una combinación de las dos anteriores Y finalmente otro capítulo, analizado la forma de trasladar los resultados en cuadrículas simples, a naves de diferentes geometrías mediante los coeficientes de forma, y hemos podido contrastar la gran relevancia que tiene la forma y dimensiones elegidas para el edificio en el gasto total. En este análisis hemos visto la influencia que la forma elegida para el edificio tiene en el gasto a nivel de estructura y a nivel de los cerramientos de fachada. Las conclusiones alcanzadas tras los análisis efectuados, se presentan ordenadas según los capítulos de la tesis y con unas conclusiones finales que sirvan al proyectista de soporte a la hora de afrontar el predimensionado de estas estructuras. Para terminar, se plantean unas futuras líneas de investigación, en el camino de profundizar y ampliar el conocimiento de los edificios industriales construidos con estructuras prefabricadas de hormigón.