Proyecto de nave industrial con material reciclado, en Quito, Ecuador

Transcripción

1 Proyecto de nave industrial con material reciclado, en Quito, Ecuador Anna Martínez Prats Ingeniera en Grado en Ingeniería de la Construcción RESUMEN El proyecto trata de una construcción de nave industrial mediante la reutilización de materiales reciclados. El uso previsto de ésta, es el de fabricación de muebles. La nave se ubica en Quito, capital del Ecuador, en un entorno denominado Mitad del Mundo. Su geometría es rectangular, de 30x45 m (1.350,00 m2) y está distribuida en una sola planta. El sistema constructivo elegido será mediante el diseño de pórtico a dos aguas con estructura metálica ligera en celosía, y con cerramientos fabricados in situ aprovechando tableros contrachapados, planchas de poliestireno expandido y planchas metálicas procedentes del reciclado. Las paredes interiores son de bloque de hormigón, paneles prefabricados con estructura metálica y cerramientos de vidrio. La carpintería exterior está constituida por ventanas, puertas exteriores basculantes de plancha metálica e interiores de madera reutilizada. El cálculo estructural se determina a partir de un modelo bidimensional del pórtico, mediante el Software ETABS [1] Palabras clave: Nave metálica reciclada 1. INTRODUCCIÓN 1.1Antecedentes L a República del Ecuador es un país emplazado en el Noro- este de América del Sur, delimitado por Colombia, Perú y el Océano Pacífico. En los últimos años ha habido un crecimiento económico importante en el país, pero todo y esto, cerca del 40% de la población se dedica a tareas rurales, ya que el país tiene poca industria. La moneda es el dólar americano. El salario mensual de la mano de obra no llega a los 350$. Fig.1: Mapa de Ecuador

2 Quito, la capital de Ecuador, es la ciudad con más potencial y desarrollo económico de todo el país. En Ecuador existen empresas dedicadas al reciclaje de materiales desechables, particularmente dos empresas que son, Recifim S.A. y Reciplast S.L Recifim, se dedica al reciclaje de maderas y lo convierten en Triplex, mientras que Reciplast se dedica a reciclar una gama más extensa de materiales, como poliestireno expandido, plásticos, acero, tanto chapa metálica como perfiles de distintas secciones, entre otros. 1.2 Objetivo Dada la situación económica del país, mano de obra barata en comparación con los costes de maquinaría (que son elevados a causa de que requieren de importación) y la disponibilidad suficiente de materiales reciclados, se decidió diseñar un proyecto constructivo a base de material reciclado. El proyecto consiste en una nave industrial destinada a la fabricación, almacenaje y venta de mobiliario de oficina. 1.3 Ventajas Las principales ventajas de un proyecto hecho con material reciclado, son ambientales y económicas. Las ambientales son evidentes; ayuda a cuidar el paisaje, ya que se reduce la tala de árboles, y menos emisión de CO2 a la atmósfera. Por lo que a las económicas se refiere, en este proyecto se utilizan perfiles metálicos para la estructura y paneles tipo sándwich para los cerramientos. Fig.2: Triplex reciclado Si se compara el precio de la perfilería metálica, se tiene que un 1 kg de acero comercial vale $2, mientras que 1kg de acero reciclado vale 75 centavos. Dada la cantidad de acero con la que se diseña esta nave industrial el ahorro supone cerca de $ Al comparar los cerramientos, 1 m2 de panel sándwich comercial tiene un precio de $45, mientras que 1m2 fabricado en la propia obra cuesta $27, generando un ahora de $ en la obra en cuestión. 2. CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS Fig.3: Perfiles reciclados Se ha realizado un estudio de alternativas mediante el método de análisis multicriterio, y dada la geometría del terreno y las necesidades que requiere la nave una vez construida, se ha determinado diseñarla del siguiente modo: La nave industrial está formada por dos pórticos a dos aguas, que trabajan de manera independiente entre sí. La inclinación de

3 cubierta es de 30 grados, mientras que la distancia entre crujías del pórtico es de 15 metros y la longitud de la cornisa mide 8 metros. Por este motivo, se ha decidido diseñar con ellos una estructura a base de barras soldadas entre ellas y generando así una celosía tanto en el dintel, como en los pilares del pórtico. Se han dispuesto los dos pórticos transversales cada 5 metros, llegando a una longitud de 45 metros en sentido longitudinal y en el sentido transversal 30 metros, correspondientes a los dos pórticos consecutivos de 15 metros cada uno. El área total de la nave es de 1350 m2, que sería la superficie necesaria requerida para satisfacer las necesidades de un taller de muebles de oficina, al que va dirigido la nave. Fig.5: Pórticos en celosía Para este diseño se han utilizado dos tipos de perfiles disponibles, unos de sección cuadrada de 25 x 25 mm2 (para las diagonales y montantes de la celosía) y otros de sección rectangular de 30 x 60 mm2 (para el cordón superior e inferior de la celosía), tal y como se muestra en la figura 6. Fig.4: Geometría de la planta 3. MATERIALES RECICLADOS Para la construcción, se ha optado utilizar el material reutilizado procedente de las empresas de reciclado, y adaptarlo en la mayor medida posible a la nave. Para ello se ha reaprovechado el material en la estructura principal de la nave, diseñando pórticos en celosía, en los cerramientos de la nave tanto de cubierta como de fachada y en algunos acabados exteriores de la nave. 3.1 Pórticos en celosía de la nave Para la estructura de la nave, se ha decidido optar por unos pórticos en celosía (construyendo una viga tipo Pratt), para aprovechar en mayor cantidad los perfiles de acero de los que dispone la empresa de reciclaje. Éstos, tienen una determinada longitud que no supera los 2.5 metros y una sección reducida. Fig.6: Detalle de la celosía

4 3.2 Cerramientos exteriores Para el diseño de los cerramientos exteriores se ha optado por unos paneles tipo sándwich fabricados in situ, con material proveniente del reciclaje. Este panel está diseñado a base de tablero de tripex, placa de porexpan y chapa metálica para el acabado exterior. Ya que la incidencia solar será mayor en cubierta que en fachada, y las cargas a soportar también serán superiores en la cubierta, el panel de cerramiento de cubierta tendrá un espesor mayor que el de fachada. En la figura 7 se detalla el espesor de los paneles. Cerramiento exterior de cubierta: 2 tablas de triplex de 15 mm de espesor 1 placa de porexpan de 60 mm de espesor 1 chapa grecada de 0.42 mm de espesor Cerramiento exterior de fachada: 2 tablas de triplex de 12 mm de espesor 1 placa de porexpan de 40 mm de espesor 1 chapa grecada de 0.42 mm de espesor También se puede utilizar la chapa grecada para las puertas basculantes de entrada y salida de vehículos en el interior de la nave. En las ventanas se han diseñado unas rejas a base de perfilería metálica en forma de c de la que también se dispone. Estas rejas protegen del sol y dan seguridad al interior de la nave. 4. CÁLCULO DE LA ESTRUCTURA Para el cálculo de la estructura, se ha recurrido al software llamado ETABS [1], el programa derivado de SAP Se ha pretendido aprovechar en todo caso perfil metálico reciclado, pero no siempre ha sido posible. En algunas situaciones se ha recurrido a perfiles metálicos normalizados. 4.1 Acciones a considerar Para evaluar todas las cargas que actúan, se ha utilizado la NEC [2] y CTE en el DB SE-AE. [3] Acciones permanentes Las cargas permanentes son el peso propio de los diferentes elementos que componen la nave, y cargas pertenecientes a las instalaciones. El valor característico del peso propio de los elementos constructivos se determinará como su valor medio obtenido a partir de las dimensiones nominales y de los pesos específicos nominales. Peso propio de perfiles metálicos: Peso específico del acero: 78,50 KN/m3 Fig.7: Pórticos en celosía 3.3 Acabados exteriores En algunos de los acabados de la nave, también se ha pensado en adaptar material de reaprovechamiento, en este caso se puede reutilizar en los topes para el aparcamiento exterior, con un material de caucho disponible. Correas de cubierta: UPN 120 Correas de fachada: UPN 80 Pilares en celosía: Sección rectangular tubular hueca Dintel en celosía: Sección rectangular tubular hueca Peso propio material de cubierta: El grosor total del panel de cerramiento es de mm

5 Los espesores de los materiales son los siguientes: chapa metálica: 0.42mm planchas de madera: 15 mm (cada plancha) poliestireno expandido: 60 mm El peso propio del material de cubierta corresponde a KN/m2 Peso propio de material de fachada: El grosor total del panel de cerramiento es de mm. Los espesores de los materiales son los siguientes: Se puede despreciar la carga de nieve, por ubiacarse en Quito (Ecuador). Viento: Para determinar la carga de viento se acude al Capítulo 1.11 de la NEC [2]. Se calcula con 75 km/h que es el valor de viento mínimo estipulado en normativa, con un factor de reducción de 0.9 según categoría b referente a una altura de edificio de 10 metros con obstrucción baja del viento. Vb= 75 km/h x 0.9 (categoría b) Vb= 67.5 km/h = m/s (1) chapa metálica: 0.42mm planchas de madera: 12 mm (cada plancha) poliestireno expandido: 40 mm El peso propio del material de cubierta corresponde a KN/m2.. x 2.75 x N = KN/m2 (2) Peso propio referente a instalaciones y placas solares: Con la finalidad de incorporar una fuente de energía renovable en un futuro, en el cálculo, se han tenido en cuenta las placas solares, (valores extraidos de CTE) [3] 0.15 KN/m2 para instalaciones, (eléctricas, antiincendios, etcétera.) 0.2 KN/m2 para placas solares Acciones variables Sobrecarga de uso en cubierta: Se obtiene de la Normativa Ecuatoriana de la Construcción [2]. La cubierta de la nave es accesible únicamente para mantenimiento, por lo tanto en términos generales se trata de una cubierta no accesible. Por lo tanto: Nieve: Sobrecarga de uso: 0.7 kn/m2 Mantenimiento: 1.4 KN La carga de viento total es de KN/m2 Acciones térmicas: Se desprecia por considerarse insignificante, ya que los perfiles metálicos no reciben la radiación solar directa en ningún punto, y los cerramientos tienen un alto poder de aislamiento térmico Acciones accidentales Acciones sísmicas Para su valoración se utiliza la Normativa Ecuatoriana de la Construcción el Capítulo 2, peligro sísmico [2]. Quito es una ciudad rodeada por volcanes, y cabe mencionar que en Ecuador, también se encuentra en el denominado Cinturón de Fuego del Pacífico, una región donde se libera cerca del 90 % de la energía sísmica a escala mundial, debido a las varias placas tectónicas en las que se ve envuelto el país.

6 Siguiendo la normativa, se clasifica la ciudad de Quito como de alto riesgo sísmico. Quito se encuentra en zona sísmica V, con un factor de sismo Z= 0.4g Para el cálculo de la fuerza sísmica que puede afectar a la estructura de la nave, se debe encontrar el valor del cortante basal de diseño: Ø Ø (3) Factor de importancia I= 1.0, coeficiente según el tipo de uso, destino e importancia de la estructura. Aceleración espectral, Sa= 2.48 x 0.4 x 1.2= 1.19, valor obtenido según el factor de zona sísmica Z, el tipo de suelo del emplazamiento de la estructura, y considerando los valores de los coeficientes de amplificación. Carga reactiva W = KN. Corresponde a las cargas muertas totales de la nave, más el 25% de cargas vivas por planta. Factor de reducción R= 7, al considerarse pórticos de acero laminado en caliente con diagonales rigidizadoras. Factores de configuración estructural en planta y elevación Øp =Øe = 1, al ser regular tanto en planta como elevación. V= KN Valor del cortante basal de diseño que se aplica como cargas puntuales en la estructura. 4.2 Prodecimiento de cálculo Para el cálculo de los distintos elementos metálicos se ha utilizado el software ETABS [1]. Las verificaciones resistentes de los distintos elementos se realizan en base a lo establecido por la instrucción de acero estructural EAE [4] Dimensionamiento de correas de cubierta Se han diseñado y comprobado correas tipo UPN. Dimensionamos según ELS y comprobamos para ELU. Los pórticos de la estructura están separados 5m y se han dispuesto 20 pórticos en total. Para el cálculo de las correas se han considerado como viguetas simplemente apoyadas. Se calculan separadas entre sí 1.33 metros. Cargas existentes: Peso propio cubierta: kn/m Instalaciones: KN/m Placa solar: 0.25 KN/m Viento: kn/m Sobrecarga 0,874 kn/m Mantenimiento: KN Se estudia con la situación poco probable, que es la más desfavorable. Estado Límite de servicio: Para el estado límite de servicio únicamente calculamos la combinación de cargas en la dirección vertical, ya que en dirección horizontal las correas están arriostradas por los paneles de cubierta y se evita así que se deformen en esa dirección. El Eurocódigo [5] remite a la normativa nacional para conocer las limitaciones de flecha. A su vez, la EAE, indica que dichas limitaciones se encuentran en el apartado del DB-SE del Código Técnico de la Edificación (4) I= cm4 L= 5000mm p repartida = CP+ 0.6 x VIENTO P puntual= Mantenimiento E = N/mm2 L/300= 5000/300= mm Estado límite último: También se comprueba el ELU con situación persistente (5)

7 p= CP x VIENTO x 1.5 x 0.6 P= mantenimiento x 1.5 L= 5000mm Módulo resistente = ó = = cm3 El perfil UPN más restrictivo es para ELS (6) Una vez encontrado el perfil se debe comprobar para su peso propio. Se utiliza un perfil UPN 120. Posteriormente se hacen las comprobaciones de del tipo de clase (clase 1), criterio de Von Mises, flexión, Cortante, Interacción flexióncortante y flexión esviada. Cumplen para todos los casos. Las verificaciones se realizan según cumplimiento de la EAE [4] Dimensionamiento de correas de fachada Dimensionamos según el ELS y comprobamos para el ELU. Los pórticos de la estructura están separados 5m, por lo tanto esa es la luz del pórtico a estudiar. Para el cálculo de las correas se han considerado como viguetas simplemente apoyadas. Se calculan separadas entre sí 2 metros. Cargas a considerar: KN/m Estado límite de servicio: Para el estado límite de servicio únicamente calculamos la flecha del peso propio del material de fachada. El Eurocódigo [5], remite a la normativa nacional para conocer las limitaciones de flecha. A su vez, la EAE [4], indica que dichas limitaciones se encuentran en el apartado del DB-SE del CTE [3]. La limitación exige que la flecha vertical relativa, sea inferior a L/300 (siendo L la longitud del elemento que se analiza). Dimensionamiento según la flecha que genera una viga simplemente apoyada: (7) I= cm4 L= 5000mm P repartida = Pp. Material fachada E = N/mm2 L/300= 5000/300= mm Estado límite último: También se comprueba el ELU. En este caso hay que mayorar la cargas permanentes (1.35) (8) p= Pp material fachada x 1.35 L= 5000mm Módulo resistente = ó (9) El perfil UPN más restrictivo es para ELS Una vez encontrado el perfil UPN se debe comprobar para su peso propio. Se utiliza una UPN 80. Posteriormente se hacen las comprobaciones de clase, Von Mises, flexión, Cortante, Interacción flexión- cortante y flexión esviada y cumplen para todos los casos Dimensionamiento del pórtico Para el dimensioado de la estructura principal se ha utilizado el programa ETABS [1] introduciendo el diseño en dos dimensiones. y se ha calculado la estructura con el pórtico más desfavorable de todas las posibles opciones. De

8 esta manera se pretende estandarizar la construcción y agilizar el proceso constructivo. Se ha considerado que tanto las correas de cubierta como de fachada trabajan en los nudos de la estructura y de esta manera se comporta únicamente articulada, trabajando a axil. Los apoyos de la estructura se comportan de manera empotrada. Las cargas que actúan en el pórtico son las permanentes tanto de peso propio como de instalaciones y la carga por acción sísmica. Como se considera zona sísmica de alto grado, va a ser la acción determinante, despreciando viento y sobrecargas de uso. A continuación, se muestran los esfuerzos a los que se ve sometida la estructura, obtenidos por el software ETABS.. Se comprueba ahora, a compresión verificando que el axil de diseño sea menor o igual al axil soportado a compresión. Se hace un predimensionamiento para determinar el área y la inercia necesarias y posteriormente se calcula el pandeo global que se puede ocasionar según la longitud de la pieza y el axil resistido. N Ed Nc, Rd N Ed N b,rd (11) (12) En la zona cercana a los empotramientos del pilar se ha incrementado el área para satisfacer los requerimientos de resistencia y de inestabilidad. El refuerzo elegido será un perfil en L25X3 dispuesto en las zonas en las que no se cumplen dichos requerimientos Dimensionamiento de la zapata Para el diseño de las dos dimensiones de zapatas que se construirán en obra, se ha hecho un predimensionado previo considerando siempre zapata rígida. Las zapatas exteriores soportan un pilar cada una, mientras que las interiores, soportan dos. Fig.8: Diagrama de esfuerzos en pórtico A partir del resultado de los esfuerzos obtenidos, se busca una sección de perfil de acero reciclado capaz de soportar los esfuerzos a axil, tanto a tracción como compresión. Se calculan las fuerzas actuantes en la cimentación, y se comprueba la estabilidad al vuelco de las zapatas, y las tensiones que generan en el terreno. Las figuras 9 y 10 determinan el siguiente diseño: Se estudian cuatro zonas, para determinar la sección necesaria; la zona más crítica de cada uno de los pilares, y la zona más crítica en cada una de las vertientes de cubierta. Se comprueba por tanto, a tracción y se encuentra el área de resistencia necesaria para soportar el axil. Cumple la sección 30 x 60 mm2. A > (10) Fig.9: Diseño de zapata exterior

9 6. REFERENCIAS [1] Etabs. Computers and Structures [2] Normativa Ecuatoriana de la Construcción. NEC Ministerio de Desarrollo Urbano y de la Vivienda Fig.10: Diseño de zapata interior 5. PRESUPUESTO La construcción del proyecto tiene un coste de $ ,07 ( , 08 Euros). El 30 % del presupuesto corresponde a la estructura. [3] Documento básico del Código Técnico de la Edificación. CTE. Ministerio de Fomento. España [4] Instrucción de acero estructural (EAE). Ministerio de Fomento 2012 [5] Eurocódigo 3: Proyecto de estructuras de acero. CEN 2006.