Tesis:
Optimización de estructuras prefabricadas de hormigón para la construcción de edificios industriales
- Autor: BARBA PÉREZ, Alfonso
- Título: Optimización de estructuras prefabricadas de hormigón para la construcción de edificios industriales
- Fecha: 2019
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
- Departamentos: INGENIERIA CIVIL: CONSTRUCCION
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/55835/
- Director/a 1º: FERNÁNDEZ GÓMEZ, Jaime
- Director/a 2º: VILLANUEVA LLAURADÓ, Paula
- 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. ----------ABSTRACT---------- Industrial buildings with structures and façades made of precast concrete has experienced a great development in recent times, and particularly in the last 40 years. Precast concrete structures are broadly employed nowadays for industrial buildings, due to the advantages they present when compared with other structural solutions: construction speed, fire behaviour, cost and timing control, aesthetic properties and texture and colour versatility, work safety, durability and possibility of recycling its components. Such structures are classified according to their use. We distinguish between one-storey structures with deck roofs, and multi-storey buildings. One of these typologies will be chosen depending on the specificities of each project, namely the planned use for the building. Most frequently, industrial buildings consist of one-storey rooms with deck roofs, and this is the typology that had been studied in these thesis. Most industrial buildings in current times are built with precast concrete structures and façades. It is noteworthy that, in spite of this, there is a lack of technical updated literature that can assist the designer, specially in the early steps of the project. Research on cost-optimization are of considerable help in these early stages; for this reason, the investigation herein in intended to identify and analyse the most influential parameters on precast concrete structures and fades for industrial buildings with deck roofs. The aim is to formulate a series of criteria for optimising such projects. This research focuses on the influence of the different variables determining the cost-optimization of precast concrete elements taking into account the amount of material required for each element (both concrete and steel). The typology of one-storey buildings with deck roofs consists of pillars, beams and purlins. In addition, in most cases we will have the façades also conformed with concrete massive or sandwich panels. The following stages can be identified in the development of the research herein. The first stage comprises the documentation with specialised literature, guidelines and technical documents, in order to determine the development of the precast concrete technology from its early times to the present; such evolution includes the changes in the structural conception, typologies and cross-sections. The second part includes the research itself. First, structural configurations and design and geometrical parameters affecting design of industrial buildings were identified. With these parameters, a database consisting of 122 projects for one-storey industrial buildings was collected. For each project, the data are collected in the database and the extended data are presented in the annex 1. Elements included in the database were selected according to general criteria that assist in the comparison between projects: code of application (Spanish EHE-08 and CTE), similar concrete strength and dosage for each type of element; fire behaviour; no seismicity of the location where the project stands, similar sort of foundation, and statically determined structure. A statistical analysis was performed on the database, and the results of this analysis are collected in a series of tables. The parameters include the loading scheme, geometrical parameters including beam span, purlin span, purlin spacing, length of pillars, height of beams, beam type and height of purlins. The optimisation process required a series of hypothesis and simplifications to be applied. Therefore, a cost-parameter was chosen, related to the volume of concrete homogenised for each type of element and steel reinforcement ratio, in m3. This was done to obtain a single variable for the optimisation. For all analysis, the structural unit was defined as the surface conformed as the result of multiplying the beam length and the purlin length (in horizontal projection). Such unit comprises four pillars, two beams and the corresponding number of purlins depending on their spacing. The equation for optimization or general cost equation for structural unit puts in relation the different structural elements that conform the structure and the cost in their construction. This was done for different ranges of building height. In the literature review we observed that it was common to consider lengths of beams no greater than 25,00 m, and purlins no greater than 10,00 m. In this research, we obtained that the optimum was found within the range of 15,00 to 30,00 m for beams and in the range of 10,00 to 12,00 for beams, resulting in structural units ranging from 150 to 360 m2. The average of the most optimised elements from the database results, for the most common height of buildings, in an structural unit of 27,00 x 11,40 m and 25,33 x 12,13 m, depending on the typo of beam. A series of optimization equations were developed from the statistical analysis, in order to better fit the accuracy of the analysis. This was made with the mathematical free software GeoGebra. We chose this software because of its ease of use and powerful graphical capacity. A first attempt of analysis was done with GeoGebra defining the minimum value of the cost-function. This equation defines the meeting point of the partial derivate of cost with respect to the beam span and that of the purlin span. This analysis casted purlin lengths out of the common range of manufacture. In a deeper analysis, the purlin length was set to the manufacturing common ranges, searching for the optimum length of beam for a series of purlin spacing and building height. In this second phase of the optimisation, the function “Acota” from GeoGebra was used. The analysis developed with GeoGebra allowed us finding an ideal model for comparison of the degree of optimisation of different particular projects, and so it was compared with the database. The model was discussed for a range of values of purlin length and spacing, and pillar length. This work presents a series of design tools for early stages in projects of industrial buildings with precast concrete structure. The methodology presented herein can also be applied to other structural optimization in both buildings and civil works. With this in mind, this research could be included in a further investigation on applied mathematics for big data analysis. The research was completed with an optimisation in the field of façade panels, which are subjected to permanent innovation to optimise their properties. Together with fire behaviour, acoustic properties, and other properties, recently it has been raised an interest on thermal performance, due to the increasing versatility of use of industrial buildings. As a consequence, systems such as sandwich panels and technologies “without thermal bridges” allow improving the thermal performance but may affect the mechanical properties. Two optimising approaches were considered: improving the thermal insulating material, and reducing the thermal bridges but minimising impact upon mechanical properties. The last chapter of research extends the results from structural units to whole buildings, including a shape coefficient, observing the relevance this has (together with the total area of the building) on the the costs. This analysis shows, too, the prominent influence of façades on the total costs of industrial buildings. Final conclusions of research are presented with the aim of serving as a tool at the early stages of structural design. Conclusions are presented together with future research lines, which will to deepen and broaden the knowledge on industrial buildings made of precast concrete.