Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA DE INGENIERIAS INDUSTRIALES Grado en Ingeniería Mecánica Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Autor: Monge Francés, Daniel Tutor: Lorenzana Iban, Antolín C.A.,I.T.,M.M.C y Teoría de Estructuras Valladolid, Diciembre 2021. Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 1 Dedicado a todos mis seres queridos, los que están y los que no. Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 2 RESUMEN El objetivo principal de este TFG consiste en la realización del predimensionado de una marquesina para automóviles a partir de los datos de cargas permanentes y variables que afectan la estructura y su posterior dimensionado y verificación de conformidad ante las mismas. El desarrollo de este se ha realizado siguiendo un orden muy concreto. A partir del cálculo teórico de cargas basándonos en el Código Técnico de la Edificación se realiza el dimensionado de la estructura y se compara con el predimensionado para observar las posibles mejoras. Posteriormente se comprueban las tensiones que va a soportar las correas en la marquesina mediante el software de cálculo de tensiones ThinSecBeam, debido a que son uno de los elementos más susceptibles en la estructura. Por último, se realiza el renderizado de la estructura mediante el software de diseño en tres dimensiones Catia V5-6 para su concepción. Palabras clave Estructura, carga, dimensionado, ThinSecBeam, fotovoltaica. Abstract The main objective of this TFG is to carry out the pre-dimensioning of a car shelter based on the data of permanent and variable loads that affect the structure and its subsequent dimensioning and verification of conformity to them. The development of this has been carried out following a very specific order. Starting with the theoretical calculation of loads based on the Technical Building Code, the dimensioning of the structure is carried out and compared with the pre-dimensioning to observe possible improvements. Subsequently, the stresses to be supported by the purlins in the canopy are checked using ThinSecBeam stress calculation software, as they are one of the most susceptible elements in the structure. Finally, the structure is rendered using the three-dimensional design software Catia V5-6 for its conception. Keywords Structure, load, dimensioning, ThinSecBeam, photovoltaics. Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 3 ÍNDICE Capítulo 1. Introducción y objetivos ................................................................................ 8 1.1 Antecedentes ......................................................................................................... 8 1.2 Motivación ........................................................................................................... 11 1.3 Objetivos .............................................................................................................. 12 Capítulo 2. Geometría de la marquesina ...................................................................... 13 2.1 Predimensionado de perfiles y uniones ............................................................. 15 2.2 Paneles fotovoltaicos .......................................................................................... 18 Capítulo 3. Dimensionado de las cargas sobre la estructura ...................................... 19 3.1 Acciones permanentes: peso propio .................................................................. 20 3.2 Acciones variables: nieve .................................................................................... 20 3.3 Acciones variables: sobrecarga de uso .............................................................. 21 3.4 Acciones variables: viento ................................................................................... 22 3.4.1 Viento de norte a sur (V1) ............................................................................ 23 3.4.2 Concepto de coeficiente eólico de presión interior .................................... 26 3.4.3 Viento de sur a norte (V2) ............................................................................ 27 3.4.4 Viento de este a oeste (V3) .......................................................................... 30 3.4.5 Viento de oeste a este (V4) .......................................................................... 31 Capítulo 4. Dimensionado de correas ........................................................................... 33 4.1 Unión entre pescante y correa ............................................................................ 34 4.2 Evaluación de la correa más crítica .................................................................... 35 4.2.1 Correa de 5 m, área tributaria A1 ................................................................ 37 4.2.2 Correa interior de 5 m, área tributaria A3 ................................................... 38 4.3 Cargas en la correa más crítica .......................................................................... 39 4.4 Combinaciones de acciones ............................................................................... 40 4.5 Cálculo de momentos flectores y esfuerzos cortantes ...................................... 43 4.6 Cálculo de tensiones normal y tangenciales en el perfil ................................... 43 4.6.1 Tensiones normales ..................................................................................... 44 4.6.2 Tensiones tangenciales ............................................................................... 47 4.7 Cálculo de tensión de Von Mises y selección del perfil de correas ................... 50 Capítulo 5. Comprobación de tensiones sobre las correas mediante software: ThinSecBeam ................................................................................................................. 52 5.1 Creación del perfil de las correas ....................................................................... 52 5.2 Cálculo de tensiones ........................................................................................... 54 Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 4 5.2.1 Tensiones normales ..................................................................................... 55 5.2.2 Tensiones tangenciales debidas al cortante 𝑽𝒚......................................... 57 5.2.3 Tensiones tangenciales debidas al cortante 𝑽𝒛 ......................................... 59 Capítulo 6. Dimensionado de pórticos .......................................................................... 61 6.1 Dimensionado de pescantes y cartelas.............................................................. 62 6.2 Dimensionado de pilares .................................................................................... 67 6.3 Acciones permanentes: peso propio real ........................................................... 68 Capítulo 7. Dimensionado de zapatas .......................................................................... 69 7.1 Dimensiones de zapatas ..................................................................................... 69 7.2 Armado de zapatas.............................................................................................. 71 7.3 Unión entre pilar y zapata ................................................................................... 72 8. Estimación económica del proyecto ......................................................................... 73 9. Plano de la estructura ............................................................................................... 76 10. Conclusiones ......................................................................................................... 778 Bibliografía ................................................................................................................... 789 Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 5 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Marquesina de fachada de hierro [12] ........................................................... 9 Figura 2: Marquesina de fachada de madera [13] ........................................................ 9 Figura 3: Marquesina de acero, Plaza España, Valladolid [14] ................................... 10 Figura 4: Marquesina de acero, estación de servicio [15] ........................................... 10 Figura 5: Marquesina fotovoltaica de acero [16] ......................................................... 11 Figura 6: Dimensiones aparcamientos ......................................................................... 13 Figura 7: Pórtico ............................................................................................................. 13 Figura 8: Estructura en perspectiva .............................................................................. 14 Figura 9: Renderizado de la estructura ........................................................................ 14 Figura 10: Consideración del efecto de la resultante del viento en la estructura ...... 15 Figura 11: Diagrama de esfuerzos axil, cortantes y momentos flectores ................... 16 Figura 12: Unión soldada entre pilar, pescante y cartela ............................................ 17 Figura 13: Distribución paneles fotovoltaicos .............................................................. 18 Figura 14: Distribución de las correas en la cubierta .................................................. 18 Figura 15: Áreas tributarias y pórticos .......................................................................... 19 Figura 16: Zonas climáticas invierno ............................................................................ 20 Figura 17: Carga de nieve ............................................................................................. 21 Figura 18: Velocidad del viento, vb ............................................................................... 22 Figura 19: Dirección del viento y zonas de influencia .................................................. 23 Figura 20: Viento norte a sur, presión, ZONA B ............................................................ 24 Figura 21: Viento norte a sur, presión, ZONAS A y C .................................................... 24 Figura 22: Viento norte a sur, succión, ZONA B ............................................................ 25 Figura 23: Viento norte a sur, succión, ZONAS A y C .................................................... 25 Figura 24: Dirección del viento y zonas de influencia .................................................. 27 Figura 25: Viento sur a norte, presión, ZONAS F, G y H ............................................... 28 Figura 26: Viento sur a norte, succión, ZONAS H y F .................................................... 29 Figura 27: Viento sur a norte, succión, ZONAS H y G ................................................... 29 Figura 28: Dirección del viento y zonas de influencia .................................................. 30 Figura 29: Dirección del viento y zonas de influencia .................................................. 31 Figura 30: Carga de viento V3 y V4, ZONAS Fsup, G y Finf .......................................... 32 Figura 31: Carga de viento V3 y V4, ZONA I .................................................................. 32 Figura 32: Colocación de las correas ............................................................................ 33 Figura 33: Áreas tributarias y tipos de correas ............................................................. 33 Figura 34: Unión entre correa y pescante mediante ejión ........................................... 34 Figura 35: Cargas sobre el perfil de las correas-ejes globales .................................... 35 Figura 36: Diagramas de cortantes y flectores en correas de 5m y 10m ................... 36 Figura 37: Carga correa tipo A1 .................................................................................... 37 Figura 38: Carga correa tipo A3 .................................................................................... 38 Figura 39: Cargas en la correa más crítica ................................................................... 39 Figura 40: Carga más desfavorable sobre la correa más crítica ................................. 42 Figura 41: Valores perfil tipo C ...................................................................................... 43 Figura 42: Tensiones normales en la correa más crítica ............................................. 46 Figura 43: Direcciones principales para el cálculo de las tensiones tangenciales en la correa (Vy) ...................................................................................................................... 47 Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 6 Figura 44: Tensiones tangenciales debidas a Vy, plano de normal negativa ............. 48 Figura 45: Direcciones principales para el cálculo de las tensiones tangenciales en la correa (Vz) ...................................................................................................................... 48 Figura 46: Tensiones tangenciales debidas a Vz, plano de normal negativa ............. 49 Figura 47: Agujeros de paso para pernos en unión tipo ejión ..................................... 51 Figura 48: Introducción de datos del perfil de las correas .......................................... 52 Figura 49: Sección de la correa .................................................................................... 53 Figura 50: Datos sección correas ................................................................................. 54 Figura 51: Introducción datos de momento flector ...................................................... 55 Figura 52: Tensiones normales correa ......................................................................... 55 Figura 53: Tensiones normales en 3D .......................................................................... 56 Figura 54: Introducción datos de esfuerzo cortante Vy (Vz-TSB) ................................. 57 Figura 55: Tensiones tangenciales debidas a Vy (Vz-TSB) ........................................... 57 Figura 56: Alabeo de la sección debido a Vy (Vz-TSB).................................................. 58 Figura 57: Introducción datos de esfuerzo cortante Vz (Vy-TSB) ................................. 59 Figura 58: Tensiones tangenciales debidas a Vz (Vy-TSB) ........................................... 59 Figura 59: Alabeo de la sección debido a Vz (Vy-TSB).................................................. 60 Figura 60: Perfil IPE240 ................................................................................................ 62 Figura 61: Diagramas de esfuerzos ante la carga más crítica .................................... 63 Figura 62: Cálculo de la longitud de cartela ................................................................. 64 Figura 63: Corte de perfil IPE240 para cartela............................................................. 65 Figura 64: Saneamiento de cartela.............................................................................. 65 Figura 65: Simplificación del perfil compuesto en la unión ......................................... 66 Figura 66: Perfil compuesto y simplificado en la unión ............................................... 66 Figura 67: Cargas permanentes-peso propio ............................................................... 68 Figura 68: Fuerzas que afectan en el vuelco de la estructura .................................... 70 Figura 69: Armado de zapata………………………………………………………………………………..71 Figura 70: Unión entre pilar y zapata…………………………………………………………………….72 Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 7 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1: Propiedades perfil IPE240 .............................................................................. 15 Tabla 2: Sobrecarga de nieve en terreno horizontal .................................................... 21 Tabla 3: Coeficiente de exposición................................................................................ 23 Tabla 4: Coeficiente de presión norte a sur .................................................................. 23 Tabla 5: Coeficiente de presión exterior sur a norte .................................................... 27 Tabla 6: Coeficiente de presión exterior este a oeste .................................................. 30 Tabla 7: Coeficientes parciales de seguridad γ ............................................................ 40 Tabla 8: Coeficientes de simultaneidad Ψ.................................................................... 40 Tabla 9: Coeficientes de simultaneidad........................................................................ 41 Tabla 10: Coeficientes parciales de seguridad ............................................................ 41 Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 8 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS 1.1 Antecedentes Antes de profundizar en el cálculo, se va a pasar a definir que son las marquesinas, la utilidad que tienen y los diferentes tipos que existen. Una marquesina es una estructura formada por diferentes elementos estructurales para cumplir una función principal o varias. Históricamente se llamaba marquesina a un trozo de tela extendida con la finalidad de cubrir determinadas zonas, estructuras y/o personas del sol y de la lluvia. En la actualidad, las marquesinas han evolucionado de diversas formas. Su finalidad a lo largo del tiempo apenas ha cambiado. Siguen siendo un refugio efectivo ante los efectos meteorológicos, pero se le han ido añadiendo funciones, como, por ejemplo: generar electricidad o energía térmica colocando en la cubierta de éstas paneles fotovoltaicos o térmicos respectivamente. Una función que ha ido cobrando cada vez más importancia con el paso de los años es la estética. Las marquesinas pueden diseñarse de diversas maneras y con distintos materiales en función del aspecto final deseado. Algunos de estos materiales pueden ser madera, hierro, piedra, acero, policarbonato, aluminio, etc. Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 15 2.1 Predimensionado de perfiles y uniones A modo de predimensionamiento, partimos de unos pescantes y cartelas con un tamaño tentativo de IPE 240 acero S275 [1]: 𝜎𝑥𝑥 =𝑀𝑧 𝑊𝑧=275∙106𝑁 𝑚2 ⁄=275 𝑀𝑃𝑎 Tal y como marca la normativa del ‘CTE’ [2]: En nuestro caso la longitud de pescante es d=5m. Para dimensionar el pilar supondremos que esta resultante del viento va a ser la carga máxima admisible por el perfil del pescante. Hay que tener en cuenta que nuestro pórtico únicamente tiene un apoyo empotrado, por lo tanto, es isostático. Los esfuerzos que soportará los vamos a poder calcular con las ecuaciones de equilibrio [3]. Tabla 1: Propiedades perfil IPE240 Figura 10: Consideración del efecto de la resultante del viento en la estructura Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 16 𝑴𝒛−𝒎𝒂𝒙 =𝜎𝑥𝑥 ∙𝑊𝑧=𝟖𝟗𝟏𝟎𝟎 𝑵𝒎 𝑹𝒎𝒂𝒙 =𝑽𝒚−𝒎𝒂𝒙 =𝑀𝑧−𝑚𝑎𝑥 3 4 ∙ 𝑑 =𝟐𝟑𝟕𝟔𝟎 𝑵 𝑵𝒙−𝒎𝒂𝒙 =𝑉𝑦−𝑚𝑎𝑥 ∙cos(12,7 ֯ )=𝟐𝟑𝟏𝟕𝟖,𝟕 𝑵 A continuación, en la figura 11, se muestran los diagramas de esfuerzos axil, cortantes y momentos flectores en nuestro pórtico: Figura 11: Diagrama de esfuerzos axil, cortantes y momentos flectores Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 17 A la vista de los resultados obtenidos de los diagramas de esfuerzos, podemos hacer las siguientes consideraciones: - En el pescante la distribución de momentos flectores es lineal con valor máximo en la unión pilar-pescante. Será conveniente acartelar la unión para evitar que esta plastifique, de este modo tendremos mayor sección para soportar el momento flector. - En el pilar la distribución de momentos flectores también es lineal, pero en este caso la variación no es tan notoria como en el pescante. Por lo tanto, en el pilar, para evitar tener ninguna zona comprometida optaremos por un perfil del mismo tipo que en el pescante, pero de mayor tamaño aún por dimensionar. - Perfil de las correas: se optará por un tipo de correas conformado en frío de tipo C, para facilitar el montaje sobre las mismas de los paneles fotovoltaicos. El tamaño de las correas se determinará posteriormente con el análisis de las cargas sobre estas. [4] • Unión entre pilar, pescante y cartela: Esta unión se realizará mediante soldadura añadiendo los correspondientes rigidizadores en el pilar, de este modo se podrá asegurar la integridad de la unión en todo momento como podemos ver en la figura 12. Figura 12: Unión soldada entre pilar, pescante y cartela Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 18 2.2 Paneles fotovoltaicos Los paneles elegidos para poner a modo de cubierta de la estructura son de la marca ‘AXITEC’ modelo AXIpremium X HC 385-415 W, cuyas dimensiones son 2 𝑚 𝑥 1𝑚 𝑥 0,036 𝑚. (Anejo 1) La disposición de estos será la siguiente, donde están representados los marcos de los paneles fotovoltaicos con líneas de color verde y los pescantes de cada uno de los pórticos con líneas de color negro y mayor grosor: Las correas se van a distribuir como se muestra en la figura 14, de este modo se podrán anclar a estas los paneles fotovoltaicos en cada uno de sus seis puntos de anclaje. Figura 14: Distribución de las correas en la cubierta Figura 13: Distribución paneles fotovoltaicos Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 19 CAPÍTULO 3. DIMENSIONADO DE LAS CARGAS SOBRE LA ESTRUCTURA Antes de comenzar con el cálculo de las cargas sobre nuestra estructura debemos diferenciar los pórticos en dos tipos de pórticos: - Pórticos fachada: son los pórticos colocados en primera y quinta posición con área tributaria 𝐴1=12,5 𝑚2. - Pórticos interiores: son los pórticos colocados en segunda, tercera y cuarta posición con área tributaria 𝐴2=25 𝑚2. Como se puede apreciar en la figura 15, el área tributaria en los pórticos interiores es el doble de tamaño que el área tributaria en los pórticos fachada, por lo tanto, los pórticos más cargados en nuestra estructura serán los interiores. A continuación, procedemos al cálculo de las cargas, teniendo en cuenta que aún se desconocen tanto el peso propio de las correas como el de los pilares, los cuales se dimensionarán posteriormente. Figura 15: Áreas tributarias y pórticos Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 20 3.1 Acciones permanentes: peso propio • Paneles fotovoltaicos: Peso por panel → 𝑾𝒇𝒐𝒕𝒐 =23,5 𝑘𝑔=𝟎,𝟐𝟑𝟎𝟓 𝒌𝑵 Superficie por panel → 𝑺𝒇𝒐𝒕𝒐 =𝟐,𝟎𝟏𝟐𝟎𝟏𝟔 𝒎𝟐 𝑸𝒇𝒐𝒕𝒐 =𝑊𝑓𝑜𝑡𝑜 𝑆𝑓𝑜𝑡𝑜 =𝟏𝟏𝟒,𝟔 𝑷𝒂 • Pescantes: 𝑮𝑰𝑷𝑬 𝟐𝟒𝟎 =𝟑𝟎𝟎,𝟖𝟔 𝑷𝒂∙𝒎 • Pilares: aún por dimensionar en función del momento flector máximo que soportará debido a las cargas. • Correas: perfil aún por dimensionar en función de las cargas. Más adelante se realizará el cálculo del peso propio real, una vez estén dimensionados tanto correas como pilares. 3.2 Acciones variables: nieve Para obtener la carga de nieve que va a soportar nuestra estructura, nos va a hacer falta la Figura E.2 y la tabla E.2 del ‘Código Técnico de la Edificación (CTE)’. [2] De este modo vemos que nuestra estructura al estar ubicada en Valladolid se encontrará en la ZONA 3 según la figura 16. Figura 16: Zonas climáticas invierno Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 21 Interpolando para la altitud de Valladolid (698 m) obtenemos el valor característico de la carga de nieve en terreno horizontal: 𝑺𝒌=𝟎,𝟑𝟗𝟖. El último factor a tener en cuenta para el cálculo de la carga de nieve es coeficiente de forma de la cubierta 𝜇; en nuestro caso la inclinación de la cubierta es de 12,7 ֯, por lo tanto, inferior a 20 ֯ → 𝝁=𝟏. 𝑸𝑵=𝑆𝑘∙𝜇 =398∙1=𝟑𝟗𝟖 𝑷𝒂 3.3 Acciones variables: sobrecarga de uso Para la marquesina que estamos estudiando, se va a considerar la cubierta no transitable de ninguna manera. Esto es debido a que, al no tener excesiva altura, en caso de algún tipo de reparación (paneles fotovoltaicos o correas) estas se realizaran bajo la propia cubierta. Tabla 2: Sobrecarga de nieve en terreno horizontal Figura 17: Carga de nieve Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 22 3.4 Acciones variables: viento A la hora de evaluar la acción del viento, como la dirección de este es impredecible deberemos evaluar la carga que ejerce sobre nuestra estructura en las cuatro direcciones posibles (norte a sur, sur a norte, este a oeste y oeste a este). Como vamos a ver a continuación, dada la forma de nuestra estructura tendremos que hacer diferentes consideraciones en función de la dirección del viento ya que es una estructura diáfana y por lo tanto tendremos carga interior y exterior. La carga de viento viene caracterizada por la siguiente fórmula: 𝒒𝒆=𝒒𝒃∙𝒄𝒆∙𝒄𝒑 Siendo: ▪ 𝒒𝒃≡𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑖𝑛á𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 =0,5∙𝛿∙𝑣𝑏 2 - 𝛿 ≡𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 =1,25𝑘𝑔 𝑚3 ⁄ - 𝑣𝑏≡𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑐𝑎𝑟𝑎𝑐𝑡𝑒𝑟í𝑠𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 Este se obtiene en función de la región en la que este ubicada la estructura según la figura D.1 del ‘Código Técnico de la Edificación (CTE)’ [2]. Valladolid está situada en la ZONA A, por lo tanto: 𝒗𝒃=𝟐𝟔 𝒎 𝒔 ⁄ La presión dinámica del viento será: 𝒒𝒃=0,5∙𝛿∙𝑣𝑏 2=𝟒𝟐𝟎 𝑷𝒂 ▪ 𝒄𝒆≡𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑥𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛: lo obtendremos a partir de la tabla 3.3 del ‘CTE’ [2]. Teniendo en cuenta que el grado de aspereza del entorno en nuestro caso es el GRADO IV y la altura del punto considerado es de 3,6 m, interpolamos y obtenemos el valor de coeficiente de exposición: Figura 18: Velocidad del viento, vb Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 23 Figura 19: Dirección del viento y zonas de influencia Tabla 4: Coeficiente de presión norte a sur ➔ 𝒄𝒆=𝟏,𝟑𝟐 ▪ 𝑪𝑝≡𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛: lo vamos a obtener en función de las cuatro direcciones posibles del viento. A continuación, procederemos al cálculo de los coeficientes de presión y de succión para todos los casos posibles. 3.4.1 Viento de norte a sur (V1) En este caso el ‘CTE’ nos proporciona la tabla D.8 para marquesinas a un agua [2] en la cual podemos hacer la distinción de marquesinas mediante el factor de obstrucción 𝜑, el cual caracteriza el grado de obstrucción del viento por debajo de la marquesina y está definido como la relación entre el área obstruida y el área de la sección total bajo la marquesina. Ambas áreas consideradas en el plano perpendicular a la dirección del viento. En nuestro caso 𝝋=𝟎. Con esta tabla el ‘CTE’ nos permite calcular directamente el efecto del viento en la parte exterior y en la parte interior simultáneamente y tendremos dos situaciones: presión (abajo) y succión (arriba). [2] Tabla 3: Coeficiente de exposición Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 24 En todos los casos tendremos que interpolar para nuestra pendiente de cubierta 𝜶=𝟏𝟐,𝟕°. Comenzamos con el efecto de presión: - ZONAS A: 𝐶𝑝−𝑉1−𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝐴=1,308 → 𝑸𝑽𝟏−𝒊𝒏𝒕−𝒑𝒓𝒆𝒔𝒊ó𝒏 𝑨=420∙1,32∙1,308 =𝟕𝟐𝟓,𝟐 𝑷𝒂 - ZONA B: 𝐶𝑝−𝑉1−𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝐵=2,562→ 𝑸𝑽𝟏−𝒇𝒂𝒄𝒉−𝒑𝒓𝒆𝒔𝒊ó𝒏 𝑩=420∙1,32∙2,562=𝟏𝟒𝟐𝟎,𝟒 𝑷𝒂 - ZONA C: 𝐶𝑝−𝑉1−𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝐶=1,708 → 𝑸𝑽𝟏−𝒊𝒏𝒕−𝒑𝒓𝒆𝒔𝒊ó𝒏 𝑪=420∙1,32∙1,708 =𝟗𝟒𝟔,𝟗𝟐 𝑷𝒂 Figura 20: Viento norte a sur, presión, ZONA B Figura 21: Viento norte a sur, presión, ZONAS A y C Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 31 - ZONA Fsup: 𝐶𝑝−𝐹𝑠𝑢𝑝 =−2,262 𝑸𝑽𝟑 𝑭𝒔𝒖𝒑 =420∙1,32∙−2,262+𝑄𝐼𝑁𝑇𝐸𝑅𝐼𝑂𝑅 =−𝟐𝟐𝟓𝟐 𝑷𝒂 - ZONA Finf: 𝐶𝑝−𝐹𝑖𝑛𝑓 =−1,83 𝑸𝑽𝟑 𝑭𝒊𝒏𝒇 =420∙1,32∙−1,83+𝑄𝐼𝑁𝑇𝐸𝑅𝐼𝑂𝑅 =−𝟐𝟎𝟏𝟐,𝟓𝟓 𝑷𝒂 - ZONA G: 𝐶𝑝−𝐺 =−1,854 𝑸𝑽𝟑 𝑮=420∙1,32∙−1,854+𝑄𝐼𝑁𝑇𝐸𝑅𝐼𝑂𝑅 =−𝟐𝟎𝟐𝟓,𝟖𝟔 𝑷𝒂 - ZONA H: Si observamos la figura 17, no hay ningún pórtico que este incluido dentro de esta zona H por lo que omitiremos el cálculo de la carga de viento en esta zona. - ZONA I: 𝐶𝑝−𝐼 =−0,608 𝑸𝑽𝟑 𝑰=420∙1,32∙−0,608+𝑄𝐼𝑁𝑇𝐸𝑅𝐼𝑂𝑅 =−𝟏𝟑𝟑𝟓,𝟏 𝑷𝒂 3.4.5 Viento de oeste a este (V4) Para esta dirección del viento, se procede del mismo modo que en la dirección de este a oeste (V3), obteniendo los mismos resultados. Con la única diferencia en las zonas de influencia que seran las siguientes: Figura 29: Dirección del viento y zonas de influencia Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 32 A continuación se representan las respectivas cargas en las dististintas zonas de influencia para las direcciones de viento este a oeste (V3) y oeste a este (V4): Figura 30: Carga de viento V3 y V4, ZONAS Fsup, G y Finf Figura 31: Carga de viento V3 y V4, ZONA I Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 33 CAPÍTULO 4. DIMENSIONADO DE CORREAS Antes de proceder al dimensionado de las correas debemos observar cómo se distribuirán las correas en la cubierta de la estructura, cómo se unirán a los pescantes y evaluar cuál va a ser la más crítica. Como podemos observar, vamos a tener colocadas de manera alterna correas de un vano y longitud 5 m y correas de dos vanos y 10 m de longitud. A continuación, se muestran las áreas tributarias de los distintos tipos de correas y calculamos la carga que soportan cada una de ellas, teniendo en cuenta que desconocemos el peso propio de la correa. Figura 32: Colocación de las correas Figura 33: Áreas tributarias y tipos de correas Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 34 Como podemos ver en la figura 33, tenemos cinco tipos de correas con sus áreas tributarias correspondientes, dos en la cumbre, dos en el interior y una en la parte inferior de la cubierta. 4.1 Unión entre pescante y correa Para poder anclar las correas sobre los pescantes, se ha decido por una unión tipo ejión. Esta consiste en la colocación de un perfil conformado en frío con forma de L (tipo LD) y de longitud igual al ancho del pescante soldándolo sobre este por el lado más corto del perfil. A continuación, se colocarán las correas realizando cuatro taladros por cada tramo de perfil de forma L y colocando una unión desmontable tipo perno en estos huecos como se puede observar en la figura 34. Figura 34: Unión entre correa y pescante mediante ejión Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 35 4.2 Evaluación de la correa más crítica A la hora de evaluar las cargas que soporta cada correa, debemos tener en cuenta que la correa tiene la misma inclinación que nuestra cubierta por lo tanto vamos a tener cargas gravitatorias como el peso propio, la carga de nieve y la sobrecarga de uso; y cargas que dirección perpendicular a la cubierta como es el caso del viento. Figura 35: Cargas sobre el perfil de las correas-ejes globales Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 36 En la figura 35 se muestran los diagramas de cortantes y flectores para los dos tipos de correa en la cubierta. Como podemos observar, para la misma carga ‘q’, el momento máximo se va a dar en 𝐿 2=2,5 𝑚 en la correa de un vano y en 𝐿 =5𝑚 en la correa de dos vanos, el valor de este momento es 𝑀𝑚𝑎𝑥 =𝑞𝐿2 8 . Por lo tanto, nos vamos a centrar en las correas de longitud 5 metros e identificaremos la más crítica para posteriormente dimensionarla ante la carca solicitada. Figura 36: Diagramas de cortantes y flectores en correas de 5m y 10m Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 37 4.2.1 Correa de 5 m, área tributaria A1 • Carga de paneles fotovoltaicos: 𝑄𝑓𝑜𝑡𝑜−𝐴1 = 𝑄𝑓𝑜𝑡𝑜 ∙2,5 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 =114,6∙2,5= 286,5 𝑃𝑎 • Carga de nieve: 𝑄𝑁−𝐴1 =398 𝑃𝑎 - Carga de viento más desfavorable → viento de norte a sur (V1) efecto de presión. La correa soporta dos cargas distintas porque se encuentra en dos zonas de distinta influencia del viento: o 𝑸𝑽𝟏−𝒑𝒓𝒆𝒔𝒊ó𝒏 𝑩 en los primeros 2 m de la longitud de la correa. o 𝑸𝑽𝟏−𝒑𝒓𝒆𝒔𝒊ó𝒏 𝑪 en los 3 últimos m de la longitud de la correa. Por tanto, para saber cuál es la carga que soporta realizamos la media ponderada de ambas cargas: 𝑄𝑉−𝐴1 =(2∙1420,4+3∙946,92)∙1 5∙cos(12,7°)=1108,5 𝑃𝑎 ∑𝑸𝑨𝟏 =𝐺𝑓𝑜𝑡𝑜−𝐴1 +𝑄𝑁−𝐴1 +𝑄𝑉−𝐴1 =𝟏𝟕𝟗𝟑 𝑷𝒂 Figura 37: Carga correa tipo A1 Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 38 4.2.2 Correa interior de 5 m, área tributaria A3 - Carga de paneles fotovoltaicos: 𝑄𝑓𝑜𝑡𝑜−𝐴3 = 𝑞𝑓𝑜𝑡𝑜 ∙5 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 =114,6∙5=573 𝑃𝑎 - Carga de nieve: 𝑄𝑁−𝐴3 =𝑞𝑁∙1=398 𝑃𝑎 - Carga de viento más desfavorable → viento de norte a sur (V1) efecto de presión. La correa soporta dos cargas distintas porque se encuentra en dos zonas de distinta influencia del viento: o 𝑸𝑽𝟏−𝒑𝒓𝒆𝒔𝒊ó𝒏 𝑩 en los primeros 2 m de la longitud de la correa. o 𝑸𝑽𝟏−𝒑𝒓𝒆𝒔𝒊ó𝒏 𝑨 en los 3 últimos m de la longitud de la correa. Por tanto, para saber cuál es la carga que soporta realizamos la media ponderada de ambas cargas: 𝑄𝑉−𝐴3 =(2∙1420,4+3∙725,2)∙1 5∙cos(12,7°)=978,7 𝑃𝑎 ∑𝑸𝑨𝟑 =𝐺𝑓𝑜𝑡𝑜−𝐴3 +𝑄𝑁−𝐴3 +𝑄𝑉−𝐴3 =𝟏𝟗𝟒𝟗,𝟕 𝑷𝒂 Figura 38: Carga correa tipo A3 Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 39 Como podemos observar, las correas más críticas serán las correas de la parte interior, de 5 m de longitud y área tributaria A3. Disponemos de cuatro correas de este tipo en nuestra cubierta. A continuación, deberemos evaluar la combinación de acciones más desfavorable sobre este tipo de correas para poder elegir un perfil adecuado para las mismas. 4.3 Cargas en la correa más crítica • Cargas permanentes (Paneles fotovoltaicos): 𝑮𝒇𝒐𝒕𝒐−𝒀 =573∙cos(12,7°)=𝟓𝟓𝟗 𝑷𝒂 𝑮𝒇𝒐𝒕𝒐−𝒁 =−573∙sin(12,7°)=−𝟏𝟐𝟔 𝑷𝒂 • Cargas variables: - Carga de nieve: 𝑸𝑵−𝒀 =398∙cos(12,7°)=𝟑𝟖𝟖,𝟑 𝑷𝒂 𝑸𝑵−𝒁 =−398∙sin(12,7°)=−𝟖𝟕,𝟓 𝑷𝒂 - Carga de viento: 𝑸𝑽=(2∙1420,4+3∙725,2)∙1 5=𝟏𝟎𝟎𝟑,𝟑 𝑷𝒂 Figura 39: Cargas en la correa más crítica Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 40 4.4 Combinaciones de acciones El efecto de las acciones combinadas lo calcularemos aplicando la siguiente expresión: ∑𝜸𝑮,𝒋 𝒋≥𝟏 ∙𝑮𝒌,𝒋 +𝜸𝑷∙𝑷+𝜸𝑸,𝟏 ∙𝑸𝒌,𝟏 +∑𝜸𝑸,𝒊 ∙𝜳𝟎,𝒊 ∙𝑸𝒌,𝒊 𝒊>𝟏 Tanto los coeficientes parciales de seguridad (𝜸) como los coeficientes de simultaneidad (𝚿) los obtendremos gracias a las tablas 4.1 y 4.2 que nos proporciona el ‘CTE’. Tabla 7: Coeficientes parciales de seguridad γ Tabla 8: Coeficientes de simultaneidad Ψ Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 47 4.6.2 Tensiones tangenciales Para el cálculo de las tensiones tangenciales en nuestro perfil, tomaremos la hipótesis de pared delgada teniendo en cuenta el efecto que el producen tanto el esfuerzo cortante 𝑽𝒚 como el 𝑽𝒛. ➢ Tensiones tangenciales debidas a 𝑽𝒚: 𝝈𝒙𝒔 =−𝒒𝒗(𝒔 󰇍 𝒊) 𝒆(𝒔 󰇍 𝒊)=− 𝑸𝒛 𝒆(𝒔 󰇍 𝒊)∙𝑽𝒚 𝑰𝒛 𝑸𝒛=𝑨𝒊∙𝒚𝒊(𝒈𝒊) Siendo: o Ai el área del tramo i. o yi(gi) la cota en dirección y del centro de gravedad del tramo i. 𝝈𝒙𝒔(𝒔𝟏=𝒂)=−𝑒∙𝑎∙(ℎ 2−𝑎 2)∙𝑉𝑦 𝑒∙𝐼𝑧=−2,5𝑚𝑚∙20𝑚𝑚∙(100−10)𝑚𝑚∙6377,1𝑁 2,5∙500∙104𝑚𝑚4= =−𝟐,𝟑 𝑴𝑷𝒂 𝝈𝒙𝒔(𝒔𝟐=𝟎)= 𝝈𝒙𝒔(𝒔𝟏=𝒂)=−𝟐,𝟑 𝑴𝑷𝒂 𝝈𝒙𝒔(𝒔𝟐=𝒃)=𝜎𝑥𝑠(𝑠2=0)−𝑒∙𝑏∙(ℎ 2−𝑒 2)∙𝑉𝑦 𝑒∙𝐼𝑧= =−2,3 𝑀𝑃𝑎−2,5𝑚𝑚∙60𝑚𝑚∙(100−2,5 2)𝑚𝑚∙6377,1𝑁 2,5∙500∙104𝑚𝑚4=−𝟗,𝟖𝟔 𝑴𝑷𝒂 𝝈𝒙𝒔(𝒔𝟑=𝟎)=𝝈𝒙𝒔(𝒔𝟐=𝒉)= −𝟗,𝟖𝟔 𝑴𝑷𝒂 𝝈𝒙𝒔(𝒔𝟑=𝒉 𝟐)=𝜎𝑥𝑠(𝑠3=0)−𝑒∙ℎ 2∙ℎ 4∙𝑉𝑦 𝑒∙𝐼𝑧= =−9,86 𝑀𝑃𝑎−2,5𝑚𝑚∙100𝑚𝑚∙50𝑚𝑚∙6377,1𝑁 2,5∙500∙104𝑚𝑚4=−𝟏𝟔,𝟐𝟒 𝑴𝑷𝒂 Figura 43: Direcciones principales para el cálculo de las tensiones tangenciales en la correa (Vy) Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 48 ➢ Tensiones tangenciales debidas a 𝑽𝒛: 𝝈𝒙𝒔 =−𝒒𝒗(𝒔 󰇍 𝒊) 𝒆(𝒔 󰇍 𝒊)=− 𝑸𝒚 𝒆(𝒔 󰇍 𝒊)∙𝑽𝒛 𝑰𝒚 𝑸𝒚=𝑨𝒊∙𝒛𝒊(𝒈𝒊) Siendo: o Ai el área del tramo i. o zi(gi) la cota en dirección z del centro de gravedad del tramo i. 𝝈𝒙𝒔(𝒔𝟏=𝒂)=−𝑒∙𝑎∙(𝑐−𝑏+𝑒 2)∙𝑉𝑧 𝑒∙𝐼𝑦=−2,5∙20∙(16,6−60+2,5 2)∙−736,66 2,5∙39,7∙104= =−𝟏,𝟔 𝑴𝑷𝒂 𝝈𝒙𝒔(𝒔𝟐=𝟎)= 𝝈𝒙𝒔(𝒔𝟏=𝒂)=−𝟏,𝟔 𝑴𝑷𝒂 Figura 45: Direcciones principales para el cálculo de las tensiones tangenciales en la correa (Vz) Figura 44: Tensiones tangenciales debidas a Vy, plano de normal negativa Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 49 𝝈𝒙𝒔(𝒔𝟐=𝒃)=𝜎𝑥𝑠(𝑠2=0)−𝑒∙𝑏∙(𝑐−𝑏 2)∙𝑉𝑧 𝑒∙𝐼𝑦= =−1,6−2,5∙60∙(20−60 2)∙−736,66 2,5∙39,7∙104=−𝟑 𝑴𝑷𝒂 𝝈𝒙𝒔(𝒔𝟑=𝟎)=𝝈𝒙𝒔(𝒔𝟐=𝒃)=−𝟑 𝑴𝑷𝒂 𝝈𝒙𝒔 (𝒔𝟑=𝒉 𝟐)=𝜎𝑥𝑠(𝑠3=0)−𝑒∙ℎ 2∙𝑐∙𝑉𝑧 𝑒∙𝐼𝑦=−3−2,5∙100∙16,6∙−736,66 2,5∙39,7∙104= =𝟎 𝑴𝑷𝒂 Como podemos observar en la figura 46, al ser un perfil simétrico respecto al eje z, las tensiones tangenciales también lo serán respecto de dicho eje cuando está sometido a un esfuerzo cortante en dicha dirección (𝑽𝒛). Figura 46: Tensiones tangenciales debidas a Vz, plano de normal negativa Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 50 4.7 Cálculo de tensión de Von Mises y selección del perfil de correas A la vista de los resultados te tensiones para nuestro perfil de correa, el punto más crítico del perfil de nuestra correa será el punto 2 situado a cotas 𝒚= 𝟏𝟎𝟎 𝒎𝒎 y 𝒛=−𝟒𝟑,𝟒 𝒎𝒎. Los valores de tensiones en el punto 3 son los siguientes: 𝝈𝒙𝒙 =𝟐𝟑𝟗,𝟗𝟔 𝑴𝑷𝒂 𝝉𝒙𝒚 =−2,3−1,6=−𝟑,𝟗 𝑴𝑷𝒂 𝝉𝒙𝒛 =−2,3−1,6=−𝟑,𝟗 𝑴𝑷𝒂 A la vista de los valores, podemos observar que las tensiones tangenciales(𝝉𝒙𝒚 y 𝝉𝒙𝒛) representan aproximadamente un 1,63% del valor de la tensión normal(𝝈𝒙𝒙) y por lo tanto se despreciarán a la hora de obtener el límite elástico. 𝝉𝒎𝒂𝒙 =𝜎𝑥𝑥 2=𝟏𝟏𝟗,𝟗𝟖 𝑴𝑷𝒂 → Según Von Mises: 𝝉𝒎𝒂𝒙 ≤𝝈𝒆 𝟐 𝝈𝒆=𝟐𝟕𝟓 𝑴𝑷𝒂≥ 𝟐𝟑𝟗,𝟗𝟔 𝑴𝑷𝒂 A la vista de los resultados, podemos llegar a la conclusión de que el perfil seleccionado para las correas es el correcto por lo tanto, se van a untilizar unas correas de perfil conformado en frío tipo C200,2,5. Teniendo en cuenta que en un principio se optó por utilizar un perfil tipo omega también conformado en frío (comprobación de no conformidad realizada en anejo 3) y que el perfil de mayor tamaño OF100.3.0 no soporta la carga solicitada para las correas; el cambio a un perfil C200,2,5 resulta una opción más satisfactoria por dos motivos: - El perfil C200,2,5 soporta notablemente la carga en comparación con el perfil OF100.3.0. - El perfil C200,2,5 tiene un peso de 6,74 𝑘𝑔 𝑚 ⁄ el cual es menor que el del perfil OF100.3.0 con un peso de 6,94𝑘𝑔 𝑚 ⁄. Esto se traduce en un ahorro en el costo de la estructura, ya que en España el precio para el acero oscila ente 1,5€𝑘𝑔 ⁄ y 2,5€𝑘𝑔 ⁄ [5]. Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 51 Utilizando el perfil C200,2,5 para nuestras correas y tomando como precio de estas la media entre los valores comentados, nos ahorramos 0,4€𝑚−𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑎 ⁄ en comparación con el perfil OF100.3.0. Y teniendo en cuenta que nuestra estructura cuenta con un total de 120 𝑚 de correas, el total ahorrado sería de 48 €. Llegados a este punto, sabiendo el tamaño del perfil de las correas, hemos de elegir el tamaño del perfil conformado LD y de los tornillos y tuercas para la unión tipo perno en la unión ente correas y pescantes. Se va a elegir un perfil cuya altura supere la mitad de la altura de la correa para asegurar una unión correcta. El perfil seleccionado es el LF120.60.5. Basándonos en los espesores de ambos perfiles y en las normas ISO para la unión tipo perno, se optará por los siguientes elementos: - Perno de cabeza hexagonal ISO 4014-M6-30-8.8. [6] - Arandela ISO 7089-6,4-200 HV. [7] - Arandela, GROWER, 6,1 DIN 127. [8] Para saber el diámetro de los taladros a realizar sobre los perfiles de la unión tipo ejión, nos basamos en la norma para agujeros de paso para pernos y tornillos [9] obteniendo un diámetro de 7 mm como podemos ver en la figura 47. Figura 47: Agujeros de paso para pernos en unión tipo ejión Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 52 CAPÍTULO 5. COMPROBACIÓN DE TENSIONES SOBRE LAS CORREAS MEDIANTE SOFTWARE: THINSECBEAM Para comprobar los cálculos de tensiones sobre las correas y la verificación de los mismos, se ha optado por el uso del programa ‘ThinSecBeam 1.0’. Este programa consiste basicamente en la creación de perfiles de vigas para su posterior aplicación de esfuerzos axiles, cortantes y momentos flectores obteniendo la representación de tensiones normales, tangenciales y alabeo de las secciones. A continuacíon se va a proceder a la explicación de los pasos realizados y de los resultados obtenidos. 5.1 Creación del perfil de las correas Con los datos del perfil de las correas (C200,2,5) procedemos a la definición de la sección. Figura 48: Introducción de datos del perfil de las correas Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 53 Como se puede observar en la figura 47, para crear la sección debemos rellenar los parámetros para definir puntos y tramos en respectibas tablas. Hay que tener en cuenta que los ejes de coordenadas para definir la sección se van a situar en la parte inferior izquierda en lugar de en el centro de gravedad, y los datos se van a meter en milímetros. Para crear puntos se nombran y se colocan las coordenadas correspondientes en y y en z, teniendo en cuenta que ahora el ejer vertical va a ser el eje z y el vertical el eje y. La definición de los tramos se realiza especificando el punto de inicio, el punto de fin, el espesor del tramo y el radio de curvatura en el caso de ser un tramo curvo. Una vez colocados todos lo datos de la sección se clica en ‘Dibuja’ y ‘Calcula’ debajo de la tabla de tramos obteniendo lo siguiente: En la figura 48 podemos ver la representación del perfil de la correa con el nombre de cada uno de los puntos para definirla y el grosor en cada uno de los tramos (2,5 mm para todos los tramos). Figura 49: Sección de la correa Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 54 Como se puede observar en la figura 49, los datos obtenidos de la sección se asemejan a los valores tomados inicialmente para el cálculo (C200,2,5). 𝑰𝒚−𝑻𝑺𝑩 =𝟓𝟑𝟕,𝟏𝟖∙𝟏𝟎𝟒𝒎𝒎𝟒 → 𝑰𝒛−𝑪𝟐𝟎𝟎,𝟐,𝟓 =𝟓𝟎𝟎∙𝟏𝟎𝟒𝒎𝒎𝟒 𝑰𝒛−𝑻𝑺𝑩 =𝟒𝟓,𝟖𝟏𝟓∙𝟏𝟎𝟒𝒎𝒎𝟒 → 𝑰𝒚−𝑪𝟐𝟎𝟎,𝟐,𝟓 =𝟑𝟗,𝟕∙𝟏𝟎𝟒𝒎𝒎𝟒 5.2 Cálculo de tensiones Como hemos comentado antes, al meter lo valores de la seccion en milímetros, para que los resultados obtenidos salgan en 𝑀𝑃𝑎[=]𝑁𝑚𝑚2 ⁄ debemos meter en el programa los valores de esfuerzos cortantes en 𝑁 y los valores de momentos flectores en 𝑁𝑚𝑚. La sección de nuestra correa soporta los siguientes esfuerzos: - Cortantes: 𝑉𝑦−𝐶200,2,5 =6377,1 𝑁 → 𝑽𝒛−𝑻𝑺𝑩 =−𝟔𝟑𝟕𝟕,𝟏 𝑵 𝑉𝑧−𝐶200,2,5 =−589,33 𝑁 → 𝑽𝒚−𝑻𝑺𝑩 =𝟓𝟖𝟗,𝟑𝟑 𝑵 - Flectores: 𝑀𝑦−𝐶200,2,5 =−736,66 𝑁𝑚 → 𝑴𝒛−𝑻𝑺𝑩 =𝟕𝟑𝟔𝟔𝟔𝟎 𝑵𝒎𝒎 𝑀𝑧−𝐶200,2,5 = 7971,34 𝑁𝑚 → 𝑴𝒚−𝑻𝑺𝑩 =−𝟕𝟗𝟕𝟏𝟑𝟒𝟎 𝑵𝒎𝒎 Figura 50: Datos sección correas Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 55 5.2.1 Tensiones normales Para la obtención de los valores de tensiones normales que soporta la sección introduciremos los valores de los momentos flectores 𝑀𝑦−𝑇𝑆𝐵 y 𝑀𝑧−𝑇𝑆𝐵 y posteriormente clicaremos en la pestaña ‘Go!’ situada dentro del recuadro de flector como se muestra en la figura 50. Con estos valores de flector obtendremos los siguientes resultados en MPa: Como podemos apreciar en la figura 51, los resultados obtenidos para las tensiones normales son muy similares a los calculados en el capitulo 4.6.1; por tanto podemos afirmar con seguridad que los cálculos realizados son correctos. Figura 52: Tensiones normales correa Figura 51: Introducción datos de momento flector Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 56 Adicionalmente ThinSecBeam nos proporciona una vista en tres dimensiones de la distribución de tensiones normales, identificando la línea neutra, las zonas de tracción y compresión y el punto de la seccion cuya tensión normal es nula. Figura 53: Tensiones normales en 3D Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 63 Como se muestra en la figura 61, el máximo momento flector esta aplicado en la unión entre pilar y pescante (punto B), vamos a obtener la tensión normal soportada por el perfil del pescante (IPE240) en dicho punto y evaluaremos si es necesario la colocación de una cartela en la unión. 𝝈𝒎𝒂𝒙 =𝝈𝒙𝒙 𝑩=𝑀𝑧 𝐵 𝑊𝑧=182.541,1 𝑁𝑚 324∙10−6 𝑚3=𝟓𝟔𝟑,𝟒 𝑴𝑷𝒂 A la vista del resultado llegamos a la conclusión de que es necesaria la implantación de una cartela en la unión entre pilar y pescante, como se habia predicho en el predimensionado de la estructura. Necesitamos saber la longitud de la cartela a lo largo del pescante de tal modo que justo en el final de la cartela la tension normal soportada tenga un valor máximo de 275 MPa. Figura 61: Diagramas de esfuerzos ante la carga más crítica Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 64 Como se muestra en la figura 62, el punto D es el punto donde el pescante deja de estar acartelado. Dicho punto será el punto de máxima tensión admisible por el perfil del pescante. Calculamos la longitud acartelada ‘a’ de la siguiente manera: 𝜎𝑥𝑥 𝑚𝑎𝑥 =275 𝑀𝑃𝑎 =𝑀𝐷 𝑊𝑧 𝑀𝐷=275∙106 𝑁𝑚2 ⁄∙324∙10−6 𝑚3=89100 𝑁𝑚=𝑅∙𝑏 𝑏 = 89100 𝑁𝑚 48677,63 𝑁 =1,83 𝑚 → 𝒂=3,75 𝑚−𝑏 =𝟏,𝟗𝟐 𝒎 La longitud acartelada resultante es de 1,92 m, pero para estar en el lado de la seguridad se va a colocar una cartela de 2 m de longitud. De este modo el punto de soportará la siguiente tensión: 𝝈𝑫=𝑀𝐷 𝑊𝑧=𝑅∙(3,75−2) 𝑊𝑧=48677,63 𝑁∙1,75 𝑚 324∙10−6 𝑚3=𝟐𝟔𝟐,𝟗𝟐 𝑴𝑷𝒂<𝟐𝟕𝟓 𝑴𝑷𝒂 Mediante la colocación de dicha cartela, nos aseguramos que a lo largo de toda la logutud de pescante sin acartelar soporta una tensíon menor a la máxima admisible. La fabricación de la cartela se realizará de la siguiente manera: Se corta en diagonal un tramo con el perfil especifico de tal forma que la longitud de dicha diagonal coincida con la longitud acartelada, como podemos apreciar en la figura 63. Figura 62: Cálculo de la longitud de cartela Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 65 𝐿𝑐𝑎𝑟𝑡2=(ℎ−𝑒1)2+𝑥2→𝒙=√22−(0,24−0,0098)2=𝟏,𝟗𝟗𝒎 Necesitamos un perfil de 1,99 metros de longitud para nuestra cartela. Por último, para tener la cartela con la forma idónea para implementarla en la unión entre pilar y pescante, debemos sanear el perfil con un ángulo de inclinación igual al del pescante. De este modo la cartela encajará perféctamente con pilar y con pescante. Figura 63: Corte de perfil IPE240 para cartela Figura 64: Saneamiento de cartela Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 66 Para comprobar que el pescante acartelado soporta la carga solicitada calcularemos los valores del perfil compuesto por pescante IPE240 y cartela IPE240 en la unión entre pilar y pescante. A efectos de cálculo, vamos a tener en cuenta que se va a realizar la siguiente simplificación en el perfil compuesto: como podemos observar en la figura 65 se eliminan las alas intermedias del perfil compuesto para simplificar los cálculos. De este modo, si con esta simplificación el perfil compuesto soporta la carga solicitada, sin la simplificación también lo hará al tener mayores valores de inercias principalmente. Los datos del perfil compuesto y simplificado son los siguientes: ℎ𝑐𝑜𝑚𝑝 =0,4702 𝑚 𝑏𝑐𝑜𝑚𝑝 =0,12 𝑚 𝑒𝑐𝑜𝑚𝑝 =6,2∙10−3𝑚 𝑒1−𝑐𝑜𝑚𝑝 =9,8∙10−3𝑚 𝐴𝑐𝑜𝑚𝑝 =5,146∙10−3𝑚2 𝐼𝑧−𝑐𝑜𝑚𝑝 =171,93∙10−6𝑚4 𝑊𝑧−𝑐𝑜𝑚𝑝 =𝐼𝑧−𝑐𝑜𝑚𝑝 ℎ𝑐𝑜𝑚𝑝 2 ⁄=731,3∙10−6𝑚3 Figura 65: Simplificación del perfil compuesto en la unión Figura 66: Perfil compuesto y simplificado en la unión Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 67 A continuación comprobamos si la tensión que soporta el perfil compuesto esta por debajo del límite impuesto por la calidad del acero. 𝝈𝒃−𝒄𝒐𝒎𝒑 =𝑀𝐵 𝑊𝑧=182541,1 𝑁𝑚 731,3∙10−6𝑚3=𝟐𝟒𝟗,𝟔 𝑴𝑷𝒂≪275 𝑀𝑃𝑎 Como se esperaba, acartelar el pescante nos permite soportar unas cargas que, en el caso de no colocar una cartela en la unión, no seria posible por que la tensión superaría el límite elástico del perfil. El perfil compuesto simplificado en la unión entre pescante y pilar soporta de manera notable la carga solicitada en todo momento, por lo tanto, el perfil compuesto sin simplificar soportará esa misma carga de mejor manera. 6.2 Dimensionado de pilares En el predimensionado de la estructura, se optó por un perfil IPE360 para estar en el lado de la seguridad y asegurar que los pilares resisten. En este momento vamos a verificar si el predimensionamiendo es correcto o si está sobredimensionado en exceso y podemos escoger un perfil de menor tamaño para poder ahorrar dinero en materiales asegurando la integridad de la estructura en la situación más desfavorable. Sabiendo que el momento flector máximo soportado por el pilar está ubicado en el punto B de la unión entre pilar y pescante, y que el límite elástico para el material tiene un valor de 275 MPa, estimamos el tamaño para los pilares. 𝜎𝑒=275 𝑀𝑃𝑎 ≥𝜎𝑥𝑥 𝐵=𝑀𝐵 𝑊𝑧−𝑚𝑖𝑛−𝑝𝑖𝑙𝑎𝑟 =182541,1 𝑁𝑚 𝑊𝑧−𝑚𝑖𝑛−𝑝𝑖𝑙𝑎𝑟 𝑾𝒛−𝒎𝒊𝒏−𝒑𝒊𝒍𝒂𝒓 ≥182541,1 𝑁𝑚 275∙106𝑁 𝑚2 ⁄=𝟔𝟔𝟑,𝟖∙𝟏𝟎−𝟔 𝒎𝟑 El perfil que se va a elegir finalmente para el pilar es el IPE330, con un modulo resistente 𝑊𝑧=713∙10−6 𝑚3>𝑊𝑧−𝑚𝑖𝑛−𝑝𝑖𝑙𝑎𝑟. Este perfil es el perfil de menor tamaño capaz de soportar las cargas en la situación más desfavorable. Comprobamos que la tensión normal máxima en el pilar no supera el límite elástico del material: 𝝈𝒙𝒙 𝑩=𝑀𝐵 𝑊𝑧=182541,1 𝑁𝑚 713∙10−6 𝑚3=𝟐𝟓𝟔 𝑴𝑷𝒂<275 𝑀𝑃𝑎 Por lo tanto, el perfil seleccionado para los pilares es el perfil correcto. Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 68 6.3 Acciones permanentes: peso propio real Una vez dimensionadas las correas procederemos al cálculo y representación de la carga de peso propio ya con el valor de la carga de dichas correas (capítulo 3.1). Teniendo en cuenta que el módulo o crujía entre pórticos es 𝑚=5 𝑚, las cargas permanentes resultantes serán las siguientes: o Paneles fotovoltaicos: 𝑮𝒇𝒐𝒕𝒐 =𝟏𝟏𝟒,𝟔 𝑷𝒂 o Correa: 𝑮𝒄𝒐𝒓𝒓𝒆𝒂 =6,74 𝑘𝑔 𝑚 ⁄=𝟔𝟔,𝟏𝟐 𝑵𝒎 ⁄[=]𝑷𝒂∙𝒎 o Pilar: 𝑮𝒑𝒊𝒍𝒂𝒓 =𝐺𝐼𝑃𝐸 330 𝑚=𝟗𝟔,𝟑𝟑 𝑷𝒂 o Pescante sin acartelar: 𝑮𝒑𝒆𝒔𝒄𝒂𝒏𝒕𝒆 =𝐺𝐼𝑃𝐸 240 +𝐺𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑎 𝑚+𝐺𝑓𝑜𝑡𝑜 =𝟏𝟖𝟖 𝑷𝒂 o Cartela: 𝑮𝒄𝒂𝒓𝒕𝒆𝒍𝒂 =𝐺𝐼𝑃𝐸 240 2∙𝑚 =𝟑𝟎,𝟏 𝑷𝒂 o Pescante acartelado: 𝑮𝒑𝒆𝒔𝒄𝒂𝒏𝒕𝒆+𝒄𝒂𝒓𝒕𝒆𝒍𝒂 =𝐺𝑝𝑒𝑠𝑐𝑎𝑛𝑡𝑒 +𝐺𝑐𝑎𝑟𝑡𝑒𝑙𝑎 =𝟐𝟏𝟖,𝟏 𝑷𝒂 Figura 67: Cargas permanentes-peso propio Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 69 CAPÍTULO 7. DIMENSIONADO DE ZAPATAS 7.1 Dimensiones de zapatas En este apartado, se van a calcular las dimensiones que han de tener las zapatas de la estructura, teniendo en cuenta que estas van a ser cuadradas, rígidas y aisladas. Por lo que los cálculos se harán para una zapata de los pórticos interiores ya que esta será la más cargada. Hay que tener en cuenta todas y cada una de las fuerzas que provocarán el vuelco de la estructura con sus correspondientes coeficientes de mayoración: - Peso propio: como podemos ver en la figura 67 el peso propio tiene distintos valores a lo largo del pescante debido a la cartela lo que tomaremos su valor promedio. Esta carga actúa en dirección vertical. 𝑮=(2∙𝐺𝑝𝑒𝑠𝑐𝑎𝑛𝑡𝑒+𝑐𝑎𝑟𝑡𝑒𝑙𝑎 +3∙𝐺𝑝𝑒𝑠𝑐𝑎𝑛𝑡𝑒)∙1 5∙𝛾𝐺∙𝐴2= =(2∙218,1 𝑃𝑎+3∙188 𝑃𝑎)∙1 5∙1,35∙25 𝑚2=𝟔𝟕𝟓𝟏,𝟑𝟓 𝑵 - Carga de nieve: 𝑸𝑵=398 𝑃𝑎∙𝛾𝑄𝑁∙Ψ𝑁∙𝐴2=398 𝑃𝑎∙1,5∙0,5∙25 𝑚2=𝟕𝟒𝟔𝟐,𝟓 𝑵 - Carga de viento: esta carga al estar aplicada en dirección perpendicular a la cubierta de la estructura se descompondrá en componente vertical y horizontal a la hora de evaluar el momento que provoque el vuelto de esta. 𝑽𝑽=𝑄𝑉∙cos(12,7)∙𝛾𝑄𝑉∙𝐴2=1003,3 𝑃𝑎∙cos(12,7)∙1,5∙25 𝑚2= =𝟑𝟔𝟕𝟎𝟑,𝟑 𝑵 𝑽𝑯=𝑄𝑉∙sin(12,7)∙𝛾𝑄𝑉∙𝐴2=1003,3 𝑃𝑎∙sin(12,7)∙1,5∙25 𝑚2= =𝟖𝟐𝟕𝟏,𝟒𝟒 𝑵 La última carga que hay que tener en cuenta es la que impida el vuelco de la estructura, esta es el peso de la zapata. Hay que fijar la profundidad de la zapata, esta será 𝐻 =0,5 𝑚, por lo que la carga de la zapata será la siguiente: 𝑷𝒁=𝐿2∙𝐻∙𝜌ℎ𝑜𝑟𝑚𝑖𝑔ó𝑛 ∙𝑔=𝐿2∙0,5 𝑚∙2400 𝑘𝑔 𝑚3 ⁄∙9,81𝑁𝑘𝑔 ⁄= =𝑳𝟐∙𝟏𝟏𝟕𝟕𝟐 𝑵 Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 70 A continuación, se calculará la mínima longitud de zapata L para evitar el vuelco de la estructura, en el punto más crítico de la zapata (A). ∑𝑀(𝐴)=0 0=𝑃𝑍∙𝐿 2+𝑉𝐻∙2,7756−(3,658−𝐿 2)∙(𝑉𝑉+𝑄𝑁+𝐺) 𝑳=𝟐,𝟓𝟔 𝒎 Para que la estructura no vuelque es necesario utilizar unas zapatas cuadradas de profundidad 𝐻 =0,5 𝑚 y como mínimo de lado 𝐿 =2,56 𝑚. Por lo tanto, se utilizarán unas zapatas cuadradas con las siguientes características geométricas: 𝑯=𝟎,𝟓 𝒎 𝑳=𝟐,𝟕𝟓 𝒎 Figura 68: Fuerzas que afectan en el vuelco de la estructura Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 71 7.2 Armado de zapatas A continuación, se procede a detallar el armado de las zapatas. Para el armado se van a utilizar varillas de acero de diámetro 𝑓𝑖=12 𝑚𝑚 separadas entre sí una distancia de 200 𝑚𝑚. Se dispondrá una parrilla de 14 varillas en dirección longitudinal y otra de 14 varillas en dirección transversal a una distancia de 70 mm de la parte inferior de la zapata como podemos ver en la figura 69. Figura 69: Armado de zapata Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 72 7.3 Unión entre pilar y zapata Para la unión entre pilar y zapata se utilizará una placa metálica de reparto de carga acartelada y pernos de cimentación de diámetro 18 mm tipo L como se puede observar en la figura 70. De este modo aseguramos que la carga se transmite de manera correcta a la zapata para evitar el vuelco de la estructura por fallo de la unión. Figura 70: Unión entre pilar y zapata Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 78 BIBLIOGRAFÍA [1] REAL DECRETO 1829/1995, de 10 de noviembre, por el que se aprueba la Norma Básica de la Edificación NBE EA-95"Estructuras de acero en edificación", Boletín Oficial del Estado, núm. 16, p. 89. [2] CTE DB-SE-AE Seguridad Estructural Acciones en la edificación. Código Técnico de la Edificación. Abril de 2009. [3] Universidad de Valladolid, Á. d. (Septiembre de 2014). Apuntes para una breve introducción a la RESISTENCIA DE MATERIALES. Obtenido de https://www.eii.uva.es/reic/RMgrado/docs_varios/apuntes_RMgrado.pdf [4] REAL DECRETO 1829/1995, de 10 de noviembre, por el que se aprueba la Norma Básica de la Edificación NBE EA-95"Estructuras de acero en edificación", Boletín Oficial del Estado, núm. 16, p. 113. [5] JOM, Estampaciones. (24 de Septiembre de 2017). Evolución del precio del acero en España. Obtenido de https://www.jom.es/evolucion-del-precio-delacero-espana/ [6] UNE-EN ISO 4014:2011 Pernos de cabeza hexagonal. [7] UNE-EN ISO 7089:2000 Arandelas planas. Serie normal. Producto de clase A. [8] DIN 127 Arandelas tipo GROWER [9] UNE-EN ISO 20273:1992 Agujeros de paso para pernos y tornillos. [10] Rentaire alquiler de maquinaria. Rodillo de tierras 7000 kg. Obtenido de https://www.rentaire.es/alquiler-rodillo-de-tierras-7000-kg [11] Teknosolar. Placa solar AXIPREMIUM XAC-410MH/144V 410Wp. 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Ficha técnica de paneles fotovoltaicos ...................................................................... 2 Anejo 2. Estimación de emisiones de CO2 ahorradas a la atmosfera ..................................... 3 Anejo 3. Cálculos preliminares para el perfil Omega Ω como correa ...................................... 4 3.1 Cálculo de momentos flectores y esfuerzos cortantes .................................................. 5 3.2 Cálculo de tensiones normal y tangenciales en el perfil ............................................... 5 3.2.1 Tensiones normales ................................................................................................. 6 3.2.2 Tensiones tangenciales............................................................................................ 8 3.3 Cálculo de tensión de Von Mises y selección del perfil de correas ............................. 10 Índice de figuras Figura 1: carga más desfavorable sobre la correa más crítica ......................................................4 Figura 2: valores perfil omega ......................................................................................................5 Figura 3: tensiones normales .......................................................................................................8 Figura 4: direcciones principales para el cálculo de las tensiones tangenciales en la correa, plano de normal negativa ......................................................................................................................8 Figura 5: tensiones tangenciales debidas a Vy, plano de normal negativa ...................................9 Figura 7: tensiones tangenciales debidas a Vz, plano de normal negativa ...................................9 Figura 6: direcciones principales para el cálculo de las tensiones tangenciales en la correa, plano de normal negativa ......................................................................................................................9 Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 2 Anejo 1. Ficha técnica de paneles fotovoltaicos Se va a exponer a continuación la ficha técnica de los paneles fotovoltaicos utilizados en esta estructura. Las ventajas: 144 semi-celda full-square monocristalino Módulos fotovoltaicos de alto rendimento 15 años de garantía al producto Carga máxima admisible de 2400 Pa 100% de prueba de electroluminiscencia Caja de conexión de alta calidad y sistemas de enchufe Years 15 Wp 100% Potencia positiva garantizada de 0-5 Wp comprobado por la medición individual de cada módulo Fig.similar 144PHES201104A AXITEC - Garantía valor añadido! Potencia de módulo 100% 97% 90% 85% 80% 85% 80% 1510 15 20 25 año 0% garantía estándar del sector 1 - 8 % más de potencia después de 25 años Garantía exclusiva lineal de máximo rendimiento de AXITEC! • 15 años de garantía al 90% de la potencia nominal • 25 años de garantía al 85% de la potencia nominal HC Máxima potencia de módulo gracias a la tecnología „half-cut“ y a sus materiales homologados 2.400 Pa IP 68 AXIpremium X HC AXITEC Energy GmbH & Co. KG, Otto-Lilienthal-Str. 5, 71034 Böblingen, Germany, [email protected], www.axitecsolar.com 385 - 415 Wp Valores límítes Tensión del stistema 1500 VDC NOCT (temperatura de la célula de operación nominal)* 45°C +/-2K Carga máxima admisible 2400 Pa/m2 Corriente de reversión IR 20,0 A Temperatura de funcionamiento permitida -40°C a +85°C (No se deben conectar al módulo tensiones externas superiores al valor máximo de tension) *NOCT, intensidad de irradiación 800 W/m2, AM 1.5 velocidad del viento 1 m/sec, temperatura 20°C Tipo Potencia nominal Tensión nominal Corriente nominal Corriente de Tensión de circuito Coeficiente de Pmpp Umpp Impp cortocircuito Isc abierto Uoc rendimiento del módulo Coeficiente de temperatura Tensión Uoc -0,29 %/K Corriente Isc 0,04 %/K Potencia Pmpp -0,39 %/K Luz débil (Ejemplo para AC-415MH/144V) Curva característica I/U Corriente Tensión 200 W/m² 2,02 A 40,40 V 400 W/m² 4,08 A 40,87 V 600 W/m² 6,09 A 41,19 V 800 W/m² 8,05 A 41,54 V 1000 W/m² 9,89 A 41,98 V Embalaje Número de módulos por paleta 30 uds. Número de módulos por contenedor HC 660 uds. Datos eléctricos (en condiciones estándar de prueba (STC), irradiación de 1000 vatios/m2 en el espectro AM 1,5 a una temperatura de célula de 25°C) Estructura Lado frontal cristal blanco templado de 3,2 mm de baja reflexión Células 144 células monocristalinas de alto rendimiento Lado posterior hoja compuesta Marco marco de aluminio a la plata de 35 mm Datos mecánicos L x A x A 2008 x 1002 x 35 mm Peso 23,5 kg con marco Conexión Caja de conexión grado de protección IP68 Cable aprox. 1,1 m, 4 mm2 Sistema de enchufe enchufe / hembrilla IP68, Stäubli EVO2 / EVO2 pluggable Todas las medidas en mm AC-385MH/144V 385 Wp 40,24 V 9,58 A 10,10 A 48,11 V 19,14 % AC-390MH/144V 390 Wp 40,50 V 9,64 A 10,21 A 48,30 V 19,38 % AC-395MH/144V 395 Wp 40,80 V 9,69 A 10,33 A 48,52 V 19,63 % AC-400MH/144V 400 Wp 41,12 V 9,74 A 10,46 A 48,81 V 19,88 % AC-405MH/144V 405 Wp 41,43 V 9,79 A 10,59 A 49,50 V 20,13 % AC-410MH/144V 410 Wp 41,75 V 9,83 A 10,72 A 49,79 V 20,38 % AC-415MH/144V 415 Wp 41,98 V 9,89 A 10,84 A 50,08 V 20,63 % AXIpremium X HC 385 - 415 Wp 35 M1 1228 1100 2 x Ø 6,5 grounding holes 4 (Ø 6,5 x 10) mounting holes Los datos técnicos pueden ser modificados en cualquier momento sin previo aviso. No se descartan posibles errores. Las tolerancias de medición ascienden a +/-3%. Rogamos que tengan en cuenta lo siguiente: todas las informaciones técnicas que contienen nuestras hojas de datos son propiedad de la empresa Axitec Energy GmbH & Co.KG, y se comunican a nuestros clientes exclusivamente a título informativo. No podemos asumir garantía alguna acerca de la integridad y la exactitud de las informaciones. Queda prohibido cualquier uso comercial de los datos. Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 3 Anejo 2. Estimación de emisiones de CO2 ahorradas a la atmosfera A continuación, calculamos la cantidad de emisiones de CO2 que estamos ahorrando al colocar 50 paneles en la cubierta de nuestra estructura durante un año. Para ello no hará falta el documento de ‘Factores de conversión energía final – energía primaria y factores de emisión de CO2’ publicado en 2010 por el ‘Ministerio de industria, turismo y comercio del Gobierno de España’. Este documento nos indica que para energía eléctrica de baja tensión (uso doméstico), la cantidad de CO2 ahorrado es de 0,27 tCO2/MWh final. Teniendo en cuenta la potencia nominal media de nuestras placas (400 kW), el número de paneles que tenemos en nuestra estructura (50) y el número de horas diarias que captan luz solar (8 horas diarias), la cantidad de CO2 ahorrado en un año es de: 𝑪𝑶𝟐𝟏 𝒂ñ𝒐 = 0,27 𝑡𝐶𝑂2𝑀𝑊ℎ 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 ⁄∙ 0,4 ∙ 10−3𝑀𝑊 ∙ 8 ℎ𝑑í𝑎 ⁄∙365,256 𝑑í𝑎𝑠 𝑎ñ𝑜 ⁄∙50 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 = =𝟏𝟓,𝟕𝟖 𝒕𝑪𝑶𝟐𝒂ñ𝒐 ⁄ SECRETARÍA GENERAL Departamento de Planificación y Estudios DATOS PROVISIONALES UTILIZADOS POR EL IDAE Noviembre, 2011 FACTORES DE CONVERSIÓN ENERGÍA FINAL -ENERGÍA PRIMARIA y FACTORES DE EMISIÓN DE CO2 - 2010 CARBURANTES FUENTE ENERGÉTICA CONSUMO FINAL DIRECTO ENERGÍA PRIMARIA (1) FACTOR DE EMISIÓN(2) tep Volumen específico tep MWh tCO2/tep Gasolina 1 1.290 l 1,10 12,79 2,90 Gasóleo A y B 1 1.181 l 1,12 13,02 3,06 Gas natural 1 910 Nm3 1,07 12,44 2,34 Biodiesel 1 1.267 l 1,24 14,42 neutro Bioetanol 1 1.968 l 1,70 19,77 neutro Gases Licuados de Petróleo (GLP) 1 1.763 l 1,05 12,21 2,72 Queroseno 1 1.213 l 1,12 13,02 3,01 COMBUSTIBLES FUENTE ENERGÉTICA CONSUMO FINAL DIRECTO ENERGÍA PRIMARIA (1) FACTOR DE EMISIÓN(2) tep Volumen específico tep MWh tCO2/tep Hulla 1 2,01 t 1,14 13,21 4,23 Lignito negro 1 3,14 t 1,14 13,21 4,16 Carbón para coque 1 1,45 t 1,14 13,26 4,40 Biomasa agrícola 1 3,34 t 1,25 14,53 neutro Biomasa industria forestal 1 2,87 t 1,25 14,53 neutro Coque de petróleo 1 1,29 t 1,42 16,49 4,12 Gas de coquerías 1 1,08 t 1,14 13,26 1,81 Gasóleo C 1 1.092 l 1,12 13,02 3,06 Fuelóleo 1 1.126 l 1,11 12,91 3,18 Gas Natural 1 910 Nm3 1,07 12,44 2,34 Gases Licuados de Petróleo (GLP) 1 1.763 l 1,05 12,21 2,72 Butano 1 1.670 l 1,05 12,21 2,72 Propano 1 1.748 l 1,05 12,21 2,67 Gas de refinería 1 0,85 t 1,12 13,07 2,30 ELECTRICIDAD TECNOLOGÍA ENERGIA FINAL ENERGÍA PRIMARIA FACTOR DE EMISIÓN Bornas de central En punto de consumo En bornas de alternador (bruta) En bornas de central (neta) En punto de consumo MWh tep MWh Tep MWh tep tCO2/MWh tCO2/MWh tCO2/MWh Hulla+ antracita 1 0,086 2,52 0,22 2,73 0,24 1,13 1,17 1,27 Lignito pardo 1 0,086 2,68 0,23 2,91 0,25 0,90 0,93 1,01 Lignito negro 1 0,086 2,68 0,23 2,91 0,25 0,97 1,00 1,09 Hulla importada 1 0,086 2,52 0,22 2,73 0,24 0,90 0,94 1,02 Nuclear 1 0,086 3,03 0,26 3,29 0,28 0 0 0 Ciclo Combinado 1 0,086 1,93 0,17 2,09 0,18 0,34 0,35 0,38 Hidroeléctrica 1 0,086 1,00 0,09 1,09 0,09 0 0 0 Cogeneración MCIA (3) 1 0,086 1,67 0,14 1,74 0,15 0,37 0,38 0,42 Cogeneración TG (4) 1 0,086 1,61 0,14 1,69 0,15 0,33 0,34 0,37 Cogeneración TV (6) 1 0,086 1,72 0,15 1,80 0,16 0,41 0,42 0,46 Cogeneración CC (6) 1 0,086 1,54 0,13 1,61 0,14 0,31 0,32 0,35 Eólica y fotovoltaica 1 0,086 1,00 0,09 1,09 0,09 0 0 0 Solar termoeléctrica 1 0,086 4,56 0,39 4,95 0,43 0 0 0 Biomasa eléctrica 1 0,086 4,88 0,42 5,29 0,46 0 0 0 Biogás 1 0,086 3,70 0,32 4,02 0,35 0 0 0 RSU 1 0,086 4,02 0,35 4,36 0,38 0,24 0,25 0,27 Centrales de fuelóleo 1 0,086 2,52 0,22 2,73 0,24 0,71 0,73 0,79 Gas siderúrgico 1 0,086 2,86 0,25 3,10 0,27 0,64 0,69 0,75 Energía Eléctrica General 1 0,086 0,17 0,18 0,23 0,23 0,25 tep /MWh neto tep /MWh tCO2/MWh bruto tCO2/MWh neto tCO2/MWh final 1,94 2,11 2,63 2,72 2,95 MWh primario/ MWh neto MWh primario/ MWh final tCO2/tep bruto tCO2/tep neto tCO2/tep final Energía Eléctrica Baja Tensión (Sector Doméstico) 1 0,086 0,17 0,19 0,23 0,23 0,27 tep /MWh neto tep /MWh final tCO2/MWh bruto tCO2/MWh neto tCO2/MWh final 1,94 2,21 2,63 2,72 3,09 MWh primario/ MWh neto MWh primario/ MWh final tCO2/tep bruto tCO2/tep neto tCO2/tep final (1) Incluye las pérdidas en las transformaciones para la obtención del combustible y/o carburante y transporte del mismo. (2) En punto de consumo (3) MCIA: Motor de Combustión Interna Alternativo (4) TG: Turbina de Gas (5) TV: Turbina de Vapor (6) CC: Ciclo combinado Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 4 Anejo 3. Cálculos preliminares para el perfil Omega Ω como correa Para poner en contexto este anejo hay que situarse en el capítulo 4.5 de la memoria. En un principio el perfil seleccionado para las correas fue un perfil Omega; a continuación, se comprueba la viabilidad del uso de este tipo de perfil para las correas. 𝒒𝒀=𝟐𝟓𝟓𝟎,𝟖𝟑 𝑵 𝒎 ⁄ 𝒒𝒁= −𝟐𝟑𝟓,𝟕𝟑 𝑵 𝒎 ⁄ Figura 1: carga más desfavorable sobre la correa más crítica Diseño preliminar de una marquesina fotovoltaica multifunción Daniel Monge Francés 5 3.1 Cálculo de momentos flectores y esfuerzos cortantes La correa se va a montar como una viga continua de un único vano, con una separación entre apoyos de 𝐿 = 5 𝑚, siendo 𝑙 la separación entre pórticos. A la hora de evaluar los momentos flectores y esfuerzos cortantes, hay que tener en cuenta que la correa está soportando una carga 𝒒𝒀 en sentido positivo del eje 𝒀 y una carga 𝒒𝒁 en sentido negativo del eje 𝒁. Por lo tanto, la correa tendrá los siguientes esfuerzos cortantes y momentos flectores: 𝑽𝒀=𝑞𝑌∙𝐿 2=𝟔𝟑𝟕𝟕,𝟏 𝑵 𝑽𝒁=𝑞𝑍∙𝐿 2= −𝟓𝟖𝟗,𝟑𝟑 𝑵 𝑴𝒁=𝑞𝑌∙𝐿2 8=𝟕𝟗𝟕𝟏,𝟑𝟒 𝑵𝒎 𝑴𝒀=𝑞𝑍∙𝐿2 8= −𝟕𝟑𝟔,𝟔𝟔 𝑵𝒎 3.2 Cálculo de tensiones normal y tangenciales en el perfil A la vista de los resultados de momentos flectores y cortantes, realizaremos los cálculos de tensiones con los valores del perfil omega (Ω) OF 100.3.0 y posteriormente verificaremos la elección de dicho perfil y seleccionaremos la calidad del acero a elegir. 𝐡 = 𝟏𝟎𝟎 𝐦𝐦 𝐛 = 𝟓𝟎 𝐦 𝐚 = 𝟑𝟎 𝐦𝐦 𝐞 = 𝟑 𝐦𝐦 𝐜 = 𝟒𝟖,𝟑 𝐦𝐦 𝑰𝒛= 𝟏𝟏𝟑 ∙𝟏𝟎𝟒 𝐦𝐦𝟒 𝑰𝒚= 𝟓𝟗 ∙𝟏𝟎𝟒 𝐦𝐦𝟒 Figura 2: valores perfil omega