PERFIL DE ALUMINIO REFORZADO EXTRUSIONADO
La empresa plantea trabajar en un proyecto nuevo y totalmente diferente a todo el mercado de estructuras de aluminio que en la actualidad existe. Con el resultado de esta investigación se han de poder abordar proyectos con formas curvas, no utilizadas de forma tradicional para cubrir espacios. Otro Objetivo que ha de influir en la definición final es la necesidad de que estas cubiertas puedan ser planteadas no solo como elementos efímeros, sino que puedan estar construidos de forma permanente. Esto hace que tengan que soportar cargas, vientos y todo lo que las diferentes normas vigentes exijan. También se contempla el objetivo de patentar la solución final, para evitar posibles copias. MATERIALES A UTILIZAR
Por tradición de la empresa y por los buenos resultados obtenidos en las anteriores estructuras construidas se optara por la extrusión de aluminio reforzado con acero para los perfiles principales y secundarios.
Para las uniones entre piezas se optará por elementos de acero laminado o conformado en frió, por su facilidad de soldadura y múltiples posibilidades de ajuste y fabricación para cada caso concreto. Se procederá a la galvanización de estos elementos para evitar en lo posible el contacto entre acero y aluminio. También se podrían plastificar las piezas de acero para evitar el contacto.
En cuanto a los diferentes acabados que se pueden aplicar se han planteado la necesidad de poder dotar a los proyectos resultantes de este desarrollo de diferentes características, dependiendo de su uso y del periodo de tiempo a utilizar. Se plantearan acabados opacos, translucidos o transparentes, rígidos o flexibles, con posibilidad de aislamiento térmico y con diferentes tipos de texturas y colores, para que cada solución pueda adaptarse a diferentes necesidades y cada proyecto cuente con personalidad propia.
PROCESO DE INVESTIGACIÓN
ANÁLISIS DE PERFILES YA FABRICADOS POR LA EMPRESA.
La empresa cuenta ya con diferentes diseños de perfiles extrusionados, para aplicarlos a su catalogo de formas y luces. Los perfiles de los que dispone actualmente para la estructura principal de sus naves y pabellones tienen alturas de entre 120 y 330 mm, y anchuras desde 78 y 125 mm. Las inercias de estos perfiles, van desde 374.96, hasta 9417.7 cm4. El material utilizado es aluminio reforzado con acero Tipo 6061 T6, o 6082 T6. La elección del tipo de aleación y tratamiento es en base a la forma concreta del perfil y la mayor o menor dificultad de extrusionado. El material tiene un E=7100 N/mm2 y tensiones máximas de entre 24 a 27 N/mm2 Hay que resaltar que no existe norma española en relación a la utilización de este tipo de materiales en la construcción como elementos estructurales. Por ese motivo se han mayorado las cargas y minorado las resistencias del material al menos como si fueras de acero, el material más parecido que tiene norma. La diferencia fundamental entre acero y aluminio reforzado es que el acero tiene un modulo de elasticidad de valor tripe que el del aluminio, por lo que para la misma carga, el aluminio se deforma tres veces más. Según esta relación para tener un orden de magnitudes, para saber a que perfil de acero se asemeja a uno de aluminio se puede dividir la inercia por 3 y podemos saber a cual perfil de acero se asemejaría. Una limitación importante a la hora de definir el perfil es la dimensión máxima de extrusión (dada por la propia máquina que se utilice) y la longitud máxima a alcanzar (definida por la cantidad de material que se puede extruir en una sola tongada. SI el perfil tiene mucha masa, la longitud máxima de acorta. Si tiene mucha dimensión en sección no se pueden ejecutar detalles finos junto a elementos gruesos, por que no se llenaría la matriz de forma correcta. Evidentemente también a mayor dimensión mayor es el precio de la ejecución de la matriz y de la pieza terminada. ANÁLISIS DE SISTEMA CONSTRUCTIVO.
El sistema empleado hasta ahora por la empresa es el de montar pórticos paralelos sobre el suelo que se levantan girándolos en los apoyos hasta colocarlos en posición vertical y unidos a las demás pórticos por elementos menores, travesaños y cables. El sistema parece sencillo y fácil de ejecutar por lo que se intentará mantener. Las uniones entre piezas han sido realizadas por medio de elementos de acero, bien por piezas soldadas o por elementos de fundición, atornillados a las piezas principales. La forma de las naves y pabellones ha sido siempre poligonal, lo que hacia que la línea de tensiones se saliera de la línea de la estructura en las uniones entre las piezas. Esto hacia que para grandes luces fuera necesario colocar puntales adicionales en la unión de las piezas, para poder soportar el momento. INFLUENCIA DE LA FORMA DE LA CUBIERTA EN EL BUEN FUNCIONAMIENTO DEL PERFIR.
Para construir cubiertas de grandes luces con perfiles con poca inercia, la forma de la cubierta es determinante. Al menos para carga vertical la mejor forma de trabajar será a compresión simple. Por eso la forma ha de asemejarse lo más posible al de una catenaria invertida. Al ser muy difícil doblar un perfil con esta forma hay que buscar alguna solución de compromiso que nos haga asemejarnos a ella. Cada proyecto podrá tener la suya propia, se puede asimilar por ejemplo a una circunferencia con una amplitud de hasta 40º, o a una parábola construida a partir de segmentos de circunferencia. En las soluciones que utilizan en la actualidad las cubiertas tienen forma catenaria, pero en las uniones entre perfiles, sobre todo para grandes luces, se necesita colocar puntales metálicos para poder soportar el momento en esos puntos. Lo que si esta claro es que el apoyo en el suelo, al menos para grandes luces no puede ser vertical, ya que hace que la línea de tensiones se salga tanto de la estructura que ésta colapsaría. Si es vertical hay que atar el punto de unión con el siguiente perfil por medio de diagonales para hacer estable ese punto.
PARTICULARIDADES DEL NUEVO PERFIL PARA PERMITIR EL CURVADO.
El proceso de obtención de un perfil curvo pasa por dos fases. Una primera que es la de extrusión, obteniendo un elemento rectilíneo. La segunda fase es la de curvado. El proceso se efectúa con maquinarias muy especificas ya que el tamaño del perfil hace que no sea frecuente que las empresas del sector dispongan de ella. Esta máquina funciona con una seria de rodillos recubiertos con material plástico que hace que la pieza se deforme sin abollarla en los puntos de contacto. Al igual que en el proceso de extrusionado, hay que acoplar una serie de elementos especiales para cada tipo de perfil, de manera el coste puede ser elevado. Esto hace que una parte de este se estire a la vez que la contraria se acorte, produciéndose abolladuras en los laterales. Para intentar paliar estos efectos hay que desarrollar el perfil para poder asumir este tipo de esfuerzos. También el proceso de curvado trabaja en sentido contrario al de puesta en carga, por lo que el efecto de estiramiento de las partículas del material puede hacer que las propiedades del material bajen algo en cuando a las condiciones ideales.
PARTICULARIDADES DEL NUEVO PERFIL PARA ADMITIR DIFERENTES TIPOS DE ACABADOS.
La relativa libertad de definición del extrusionado hace que se plantee la posibilidad de pensar el perfil para poder acoplar diferentes tipos de acabados, haciendo más rápida y sencilla la ejecución final de la estructura.
En las naves y pabelones que monta la empresa Grupo Plus, la cubrición con materiales tradicionales, ha dado excelentes resultados, por lo que se ha pensado seguir utilizando este sistema. Se planteará la posibilidad de aumentar el abanico de calidades de la lona, para poder dotar a los nuevos espacios de un cierto nivel de aislamiento térmico.
También se plantea la posibilidad de poder anclar elementos rígidos en la parte superior del perfil, tales como chapa perforada o laminas de policarbonato, por lo que el perfil ha de poder asumir esta capacidad.
Se plantea la posibilidad de poder colgar elementos de poco peso de la estructura principal, así como la colocación de diferentes acabados interiores. Se pretende poder colocar el producto denominado techos tensados, una lámina plástica tensada por calor, que necesita de unos conectores específicos para poder soportar esta tensión.
PROCESO SEGUIDO.
El proceso seguido es el propio de investigación y desarrollo, es decir, hacer propuestas a partir de los objetivos a cumplir e intentar testarlas con diferentes métodos o profesionales independientes. Con los datos obtenidos se pasa a generar una nueva propuesta intentando mejorar las deficiencias encontradas en el desarrollo anterior. Si después de varias iteraciones del proceso, no se consigue mejorar el resultado final, se plantea un nuevo punto de partida y se vuelve a repetir la secuencia.
En las primeras propuestas se intento hacer una pieza que pudiera contener gran cantidad de huecos para lonas y techos tensados, a la vez que intentar romper el puente térmico entre exterior e interior. También se intento que pudiera desarrollarse una pieza de canto mitad para poder acoplarla y tener un mayor nivel de libertad en el diseño. Esta última propuesta hacia que la masa de las piezas aumentase de forma sustancial sin que lo hiciera la inercia. Era necesario hacer las juntas doblemente simétricas, por lo que el perfil desperdiciaba mucha masa. También tenia el problema que no es fácil extrusionar paredes gruesas junto a paredes finas.
Tras comprobar la no viabilidad de la solución anterior se planteo el simplifica la pieza con menos huecos para acabados y planteando los problemas propios de el curvado posterior de las piezas. Para el curvado de estas piezas, al ser de una dimensión grande en canto, estaba claro que tenían que tener algún tipo de refuerzo que evitase el abollamiento del alma. Esto en principio va en contra de la necesidad de generar la mayor inercia con la menos masa. El proceso de análisis estuvo en un correcto equilibrio entre ambos parámetros, con diferentes configuraciones del alma. Esta solución, aunque mas competitiva que la anterior volvía a adolecer de la dificultad de extrusionar los elementos para colocar el techos tensados.
Como tercera línea de investigación se planteo la idea de desarrollar dos piezas, una principal, portante y una secundaria, que se acoplase a la principal, para poder alojar el techos tensados en ella. De esta forma se consigue un buen extrusionado de las dos piezas y la posibilidad de cambiando la segunda pieza incluir nuevos tipos de acabados en el futuro de una forma mucho más económica que si se tiene que cambiar la matriz del perfil principal.
RESULTADO FINAL
SOLUCIÓN ADOPTADA.
El resultado ha sido el desarrollo de dos piezas. Una primera de carácter portante, con una inercia importante y las almas arriostradas para evitar abolladuras y una más pequeña que se acopla en la parte superior e inferior del perfil para adosar el techos tensados y poder dar diferentes acabados a la solución final.
La pieza principal tiene unas dimensiones exteriores de 40 cm de canto y 14 cm de ancho. Las características del perfil son:
- Area: 10363 mm2
- Peso: 27.981 Kg/m
- Ix: 21.088 cm4
- Iy: 2446.27 cm4
- Aleación: 6060
- Tratamiento T5
El tipo de materia podría cambiar al hacer las pruebas de extrusionado, optándose por otra aleación mas acorde con la pieza u otro tratamiento de dureza.
Este perfil permite la colocación de tres tipos de cubierta entre pórticos, con la posibilidad de que estas tengan diferentes tipos de acabados y características. Dispone de dos clips en la parte superior e inferior que hace que se pueda acoplar la pieza segunda, en la que se montará el material BARRISOL o, cambiando la pieza, otros materiales a decidir en el futuro.
La segunda, como ya se ha comentado, es la pieza que se acopla al perfil en sus partes pequeñas. Esta pieza tiene secciones de aluminio mucho más pequeñas que la principal, por lo que el coste de ejecución es pequeño y se pueden desarrollar modelos para diferentes soluciones constructivas
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS Y CONSTRUCTIVAS.
Hasta este momento las características del perfil son las que se han podido concluir de forma teórica. Dada la falta de norma para elementos de estos materiales aplicados a estructuras, se plantea necesaria una comprobación de estos elementos por laboratorios independientes que nos den una respuesta en relación con el producto desarrollado.
Una de las dudas a despejar es si el extrusionado de piezas de estas dimensiones y pesos afecta en algo a la capacidad resistente del material.
POSIBILIDADES PARA DEFINIR JUNTAS Y APOYOS.
Al producirse una continuidad en la línea de estructura a ambos lados de cualquier junta, la solución de unión tan solo ha de tener, al menos las mismas características resistentes que la pieza principal. No se produce el problema que tenia lugar en las naves y pabellones poligonales, que hacia que justo en el punto de unión, el momento fuera mayor que en las demás partes de la estructura.
La unión entre piezas se ha propuesto a partir de cuatro elementos conformados a partir de dos tubos #50,4 unidos por medio de dos chapones 120.6. Esta solución entra en los cuatros huecos dispuestos en la sección de la pieza principal. También existe la posibilidad de por medio de mecanizado vaciar los elementos interiores de la sección para acoplar en el una pieza más resistente.
La unión entre piezas de aluminio y acero se realizará mediante tornillo de alta resistencia, calculados para cada solución concreta. Las perforaciones para estos tornillos serán efectuadas en taller, para que el proceso de montaje sea rápido.
Este tipo de soluciones se aplicaran de forma concreta a cada proyecto, dependiendo de su forma, cargas y luces a soportar.
Habrá de evitarse en lo posible el efecto de par galvanico entre acero y aluminio. Es de suponer que al estar el aluminio reforzado con acero, el efecto será menos intenso, pero parece necesario cuidar la ejecución en los elementos de unión y se pretende hacer estructuras de larga duración. Las piezas de acero serán galvanizadas una vez soldadas y se colocaran elementos aislantes eléctricos entre las diferentes piezas.
POSIBILIDADES DE ACABADOS.
Los objetivos marcados se han cumplido. Las posibilidades de acabado y acondicionamiento de los espacios delimitados por estas estructuras se definen por las múltiples combinaciones de estos elementos:
- Panelado rígido en la parte superior. Por medio de atornillado a la estructura principal o de forma secundaria a un nuevo perfil anclado a esta estructura en la parte superior. Se han planteado como posibilidades chapas grecadas, paneles sándwich con aislante incorporado, así como placas de policarbonato traslucido, con la posibilidad de ser coloreado.
- Lonas flexibles. Los perfiles principales permiten colocar hasta tres sistemas de lonas. Estos elementos puedes ser de PVC transparente o translucido, telas de diferentes texturas y colores, asi como lonas con capacidad de aislamiento térmico.
- techos tensados. Este producto es de tipo plástico que se tensa a partir de la aplicación de calor. Existen diferentes acabados para este materias, desde blanco translucido hasta opaco coloreado. Este material se colocará mediante la pieza auxiliar colocada en la parte inferior del perfil principal
- Perfil secundario. En muchas de las soluciones, el perfil adicional inferior será la única percepción de la estructura desde el interior, por lo que un tratamiento de este elemento puede hacer cambiar la percepción del espacio. Se puede desde lacar a aplicarse acabados serigrafiados, como madera o imitar tonos de acero. Las posibilidades son muy amplias y hacen que cada solución tenga una personalidad propia.