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PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UNA ESTRUCTURA PARA LA COLOCACIÓN DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS EN NAVES INDUSTRIALES Ingeniería Técnica Industrial, especialidad Mecánica Universidad de Zaragoza Autor: David Arlanzón Lomas Director: Ramón Miralbés Buil Convocatoria: Marzo 2012 Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 2 En primer lugar quisiera agradecer a Ramón Miralbés la oportunidad que me ha brindado para realizar este proyecto y aprender de él, a Marco Carrera que me habló de este proyecto y al Departamento de Ingeniería de Diseño y Fabricación el permitirme realizarlo. A mis padres, porque sus consejos y experiencia siempre me han ayudado. Y por supuesto a mi hermana y al resto de mi familia, por vuestra confianza en mí. A todos mis profesores, desde el colegio hasta la universidad, y en especial a mi profesora Amaya, por todo lo que he aprendido gracias a vosotros. A todos mis amigos y compañeros de la universidad, porque sin todos vosotros, el trabajo en equipo, vuestros consejos, y vuestra ayuda seguro que no estaría escribiendo estas líneas. Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 3 INDICE: 1.- INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………….……..........5 1.1.- OBJETIVO Y ALCANCE DEL PROYECTO………….………………………………….………..6 1.2.- METODOLOGÍA…………………………………...…………………………………………….…6 2.- FASES DEL PROYECTO……………………………………………...….................................................7 2.1.- MODELADO CAD……………………………………...………………………………….………..7 2.2.- ANÁLISIS Y DISEÑO DE LA ESTRUCTURA MEDIANTE EL MÉTODO MATRICIAL..….…7 2.3.- ANÁLISIS Y DISEÑO DE LAS UNIONES ATORNILLADAS…..…………………….....….……7 2.4.- ANÁLISIS Y DISEÑO DE LAS UNIONES SOLDADAS...…………………………..……..…..…7 2.5.- ANÁLISIS MEDIANTE EL MÉTODO DE LOS ELEMENTOS FINITOS EN LAS PATAS....…..8 2.6.- ANÁLISIS Y DISEÑO DE LAS UNIONES ATORNILLADAS EN LA CUBIERTA..………..…..8 3.- DATOS INICIALES……………………………………………………………………………….......…10 3.1.- SITUACIÓN DE LA NAVE Y REQUERIMIENTOS INICIALES……………….………….....…10 3.2.- CARACTERÍSTICAS DEL MÓDULO FOTOVOLTAICO……………………………….….....…11 3.3.- DISTRIBUCIÓN DE LAS PINZAS………………………………………………………..…….....12 3.4.- DIMENSIONES DE LA ESTRUCTURA SOLAR………………………………………..……..…14 3.4.1.- VISTA EN PERFIL……………………………………………………………….…………14 3.4.2.- VISTA EN PLANTA…………………………………………………………….……..……15 3.5.- MATERIAL Y PERFILES UTILIZADOS……………………………………………..……...……15 3.6.- UNIONES……………………………………………………………………………..…………..…17 3.7.- CARGAS……………………………………………………………………………..………...……17 3.8.- CRITERIOS DE RIGIDEZ Y DISEÑO UTILIZADOS…………………………………..…...……18 4.- REALIZACIÓN DEL PROYECTO………………………………………………………………....…....19 4.1.- CREACIÓN DE VIGAS………………………………………………………………….....………19 4.2.- CÁLCULO DE LAS CARGAS………………………………………………………..…...……….22 4.2.1.- ANÁLISIS REALIZADO POR EL PROGRAMA...…………………………………......…22 4.2.2.- CARGAS DE PESO PROPIO……………………………………………………….………23 4.2.3.- CARGAS DE VIENTO…………………….…………………………………………......…23 4.2.4.- CARGAS DE NIEVE………………………….…………………………………….………25 4.2.5.- SOBRECARGA DE USO………………………….…………………………………......…25 Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 4 4.3.- OBTENCIÓN DE LAS UNIONES MÁS DESFAVORABLES………….………….………......…26 4.3.1.- UNIÓN MÁS DESFAVORABLE A TORNILLO………………………………….….……30 4.3.2.- UNIÓN MÁS DESFAVORABLE A SOLDADURA……………………………….………32 4.4.- DISEÑO DE LAS UNIONES……………………………………...…………………….…….……33 4.4.1.- TORNILLOS……………………………………………………………………….......……34 4.4.2.- CORDONES DE SOLDADURA……………………………………………………....……36 4.5.- DISEÑO DE LAS UNIONES EN LA CUBIERTA…………………………………….……..……44 4.5.1.- DATOS INICIALES………………………………………………………………….……..44 4.5.2.- ANÁLISIS DE TENSIONES EN LA PLACA DE APOYO……………...………….……..48 4.5.3.- CÁLCULO DE LAS UNIONES ATORNILLADAS EN LA CUBIERTA………….……..49 5.- CONCLUSIONES……………………………………………………………………….……….……….54 5.1.- BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………………...……..………55 5.2.- CONSULTAS WEB………………………………………………………………………..…..……55 ANEXOS……………………………………………………………………………………………..…...…..56 NORMATIVA APLICABLE AL CÓDIGO TÉCNICO DE EDIFICACIÓN……………………...…….57 PERFILES IPN…………………………………………………………………………………..….…….68 CÁLCULO DE UNIONES ATORNILLADAS A FLEXIÓN…………..……………………..…………69 CÁLCULO DE UNIONES SOLDADAS A FLEXIÓN…………………………………………….……71 PERFILES DE TORNILLOS………………………………………………………………………...…...76 LA TEORÍA DE LOS ELEMENTOS FINITOS…………………………………………………….........77 Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 5 1.- INTRODUCCIÓN El presente proyecto tiene como fin la obtención de una estructura para colocar paneles solares sobre tejados de naves industriales. Estas estructuras se rigen por la normativa básica de edificación y por el Código Técnico de Edificación (CTE). Se trata de un proyecto de investigación llevado a cabo por el departamento de Ingeniería de Diseño y Fabricación de la Universidad de Zaragoza. La motivación a la realización de este proyecto se debe al desarrollo de las energías renovables, en especial de la fotovoltaica. Ha aparecido la necesidad de desarrollar estructuras capaces de soportar paneles solares fotovoltaicos y, debido a la nueva normativa que obliga a las nuevas empresas a colocar en sus instalaciones nuevas paneles solares fotovoltaicos o a la instalación de éstos para la obtención de una fuente adicional de ingresos, ha aumentado la utilización de los mismos en las cubiertas de las naves industriales. Es por ello que resulta necesario dimensionar las estructuras portantes de los mismos de forma que sean capaces de soportar las cargas que puedan aparecer y transmitirlas eficazmente a la estructura de la nave. Las herramientas de diseño en ingeniería usadas para el desarrollo de nuevos productos han experimentado recientemente una evolución muy positiva, obteniendo estructuras nuevas óptimas en comparación a las obtenidas por medios tradicionales. Figura 1: ejemplo de una instalación solar en nave industrial. Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 6 1.1.- OBJETIVOS Y ALCANCE DEL PROYECTO Con este proyecto se busca aplicar los conocimientos adquiridos en asignaturas como Elasticidad y Resistencia de Materiales, Diseño de Máquinas y Estructuras, al mundo real. Para ello, seremos capaces de usar las leyes apropiadas en cada situación y ayudarnos de los programas informáticos de ingeniería para las operaciones complejas. El alcance de este proyecto va dirigido para fomentar y facilitar a todas esas empresas que quieran reducir sus gastos en la factura y para que la actividad industrial genere el menor impacto ambiental posible. De esta forma, las empresas podrán ser capaces de autoabastecerse toda o parte de la energía que consumen evitando consumir recursos limitados. 1.2.- METODOLOGÍA En este proyecto se partirá de las medidas normalizadas de un módulo fotovoltaico ya existente, por lo que la distribución de las vigas no variará a la planteada. Con estos datos iniciales, se desarrollará el diseño de la estructura mediante los programas AutoCAD y CYPECAD. Se analizará las combinaciones de carga según la climatología de la zona (ver anexo A) y, en función de los resultados obtenidos, optimizar dicho diseño de las vigas (anexo B) para posteriormente facilitar la situación de los puntos más críticos. Las uniones atornilladas serán calculadas mediante las herramientas del anexo C y las soldadas mediante el anexo D. Las patas de la estructura estarán discretizadas mediante el Método de los Elementos Finitos (anexo F) para un mejor análisis de su comportamiento. Para ello, se dará uso de los programas MSC Patran y MSC Nastran. Una vez analizadas, se podrán calcular las métricas necesarias de los tornillos para la fijación de la estructura a la base del tejado de la nave industrial, teniendo siempre en cuenta los parámetros de seguridad. Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 7 2.- FASES DEL PROYECTO 2.1.- MODELADO CAD En primer lugar, será dibujada la estructura con la aplicación de AutoCAD debido a su simplicidad y rapidez. Se tendrá en cuenta las direcciones de los ejes para después exportarlo al programa CYPECAD. 2.2.- ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL DE LA ESTRUCTURA MEDIANTE EL MÉTODO MATRICIAL En segundo lugar, con la estructura en CYPE, se estudiarán las cargas que afectan a la estructura mediante el Código Técnico de Edificación y se calcularán a mano todos los casos posibles de cargas para posteriormente introducirlas al programa sobre cada una de las vigas. El programa CYPE calculará automáticamente todos los esfuerzos sufridos en las barras de la estructura y las secciones más apropiadas para para conjunto de vigas. A partir de esos datos se analizarán dos tipos de uniones: tornillo y soldadura. 2.3.- ANÁLISIS Y DISEÑO DE LAS UNIONES ATORNILLADAS En tercer lugar, teniendo en cuenta que las correas de aluminio irán atornilladas a las de acero, será calculada la métrica del tornillo a partir de la unión más desfavorable entre correas y vigas. Para su resolución bastará con los valores de tensión obtenidos y aplicando el cálculo de las uniones atornilladas a flexión del anexo C aplicando el coeficiente de seguridad requerido. 2.4.- ANÁLISIS Y DISEÑO DE LAS UNIONES SOLDADAS En cuarto lugar, como tanto las patas y las vigas serán del mismo material (acero), su unión irá soldada. Para ello se analizará cual es la pata más desfavorable y podrá ser determinado el espesor necesario para que la soldadura resista frente a la acción de cargas (ver anexo D). Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 8 2.5.- ANÁLISIS MEDIANTE EL MÉTODO DE LOS ELEMENTOS FINITOS DE LAS UNIONES EN LAS PATAS En quinto lugar, utilizando el programa MSC Patran, serán diseñadas cada una de las diferentes patas según el perfil calculado anteriormente, las cuales, irán soldadas a una chapa de acero. Esta chapa a su vez, estará fijada mediante tornillos a lo que sería el tejado de la nave. Se tomarán los datos de los mayores esfuerzos producidos en las patas que se obtuvieron con el programa CYPECAD y se colocarán como cargas distribuidas en cada una de las secciones de las patas. Después de su diseño, será discretizado con el programa MSC Nastran para que, mediante la simulación numérica del Método de los Elementos Finitos, el programa calcule automáticamente los esfuerzos y tensiones. 2.6.- ANÁLISIS Y DISEÑO DE LAS UNIONES ATORNILLADAS DE LAS PATAS CON LA CUBIERTA Por último, volviendo al programa MSC Patran, serán analizadas las patas de la estructura viendo el comportamiento de las patas frente a las cargas indicadas. Viendo que las tensiones entran dentro de un rango aceptable, se procederá a calculas la métrica de los tornillos necesaria para que la estructura quede fija y entre dentro de los requisitos de seguridad. Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 9 -ESQUEMA DE LAS FASES DEL PROYECTOModelado CAD Análisis y diseño estructural de la estructura mediante el método matricial Análisis y diseño de las uniones atornilladas Análisis y diseño de las uniones soldadas Análisis mediante el método de los elementos finitos de las uniones de las patas Análisis y diseño de las uniones atornilladas de las patas con la cubierta Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 16 - Perfil de las correas: Perfil en aluminio 6061 t4 realizado por extrusión con una forma similar a la que aparece en la figura 11, en forma de C, para poder atornillar un tornillo con una métrica de 24mm y una longitud que sea capaz de sujetar un espesor de módulo de 35mm (tabla1). Habrá que diseñar esta pieza, con unas dimensiones exteriores y espesor normalizado. Figura 11: Unión atornillada entre módulos. La cabeza del tornillo se optará por ser de forma cuadrada para que cumpla dos funciones: que su misma forma haga que le sea imposible girar debido al contacto con las paredes internas del perfil de aluminio, y el otro motivo, para que simplemente haga falta sujetar la cabeza mientras se enrosca la tuerca sin tener que girar la cabeza del tornillo con la herramienta. Esto es bastante útil debido a las zonas prácticamente inaccesibles con herramientas en la parte interna de la estructura y que con este método se ahorra tiempo y esfuerzo. CypeCad nos dará los perfiles IPN óptimos para según cada caso de cargas. Acero s235 Aluminio 6061 t4 E Módulo elástico 210000 MPa 70000 MPa ν Coeficiente de Poison 0,3 0,33 ρ Densidad 7,850 kg/m3 2,700 g/cm3 sf Límite elástico 235 MPa 110 MPa sr Tensión de rotura 360 MPa 207 MPa Tabla 2: propiedades mecánicas del acero y aluminio Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 17 3.6.- UNIONES Los módulos fotovoltaicos estarán unidos con pinzas a las correas de aluminio mediante tornillos mecanizados. Estarán formados por una vara roscada soldada a una placa de acero de forma cuadrada para que no pueda girar dentro del perfil en C. Se obtendrán las dimensiones del tornillo cuando tengamos un perfil de correa óptimo, calculado por CYPEcad. El resto de nudos de la estructura serán calculados a mano con los esfuerzos obtenidos del programa CYPEcad debidos a las cargas. La unión de las patas con la cubierta se discretizará por el método de los elementos finitos usando el programa MSC Patran. Todos las aceros irán soldados entre si, salvo las correas que irán unidas a los aceros mediante tornillos. Las patas unidas a la cubierta se simularán como si estuvieran soldadas a una chapa, la cual estará atornillada a otra chapa. 3.7.- CARGAS No se tendrá en cuenta la rigidez de la placa solar, pero si su peso. El resto de cargas se rigen por la normativa básica de edificación y por el código técnico de edificación (CTE) del anexo A. Acciones permanentes  Peso propio  Pretensado  Acciones del terreno Acciones variables  Sobrecarga de uso  Acciones sobre barandillas y similares  Viento  Acciones térmicas  Nieve Acciones accidentales  Sismo  Incendio  Impacto  Otras De estas cargas, solo se tendrán en cuenta las cargas de peso propio, viento, nieve y sobrecarga de uso. Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 18 3.8.- CRITERIOS DE RIGIDEZ Y RESISTENCIA UTILIZADOS Para los cálculos de capacidad portante, el criterio de diseño es el cálculo a resistencia del material (s) que, en el caso propuesto se calculará según las siguientes ecuaciones: Vigas: sviga = min (se/1.05, sp/1.25) Tornillos: stornillo ≤ se / 2 Donde se es el límite elástico del material y sp el límite de rotura medios. Tabla 12: gráfica tensión-deformación del acero Para los cálculos de aptitud en servicio, el valor a analizar es la flecha relativa máxima debe ser inferior a 1/300. Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 19 4.- REALIZACIÓN DEL PROYECTO 4.1.- CREACIÓN DE VIGAS Con las medidas tomadas de los datos iniciales se dibuja la estructura con la ayuda del programa AutoCAD. Sus herramientas nos permiten ahorrarnos mucho tiempo a la hora de dibujar y rectificar, con respecto a otros programas de diseño. Se tendrá en cuenta el sistema de coordenadas para que al exportarlo a Cype se pueda trabajar con las coordenadas por defecto con comodidad. Habrá tantas barras transversales (dirección x) como número de vanos tiene. Éstas corresponderán a las de acero. Sin olvidar de añadir los 5º de inclinación de la cubierta de la nave una vez se tenga la estructura acabada. La estructura de acero quedará así: Figura 13: barras de acero en AutoCAD Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 20 Con el programa CypeCad se exporta el archivo. Hay que añadir las correas y colocar puntos entre cada intersección de las vigas transversales con las correas de aluminio para posteriormente tener los valores de los esfuerzos en cada una de las uniones. Figura 14: estructura completa en CypeCad Por último, se agrupa las barras en: correas, 1º pata, 2º pata, 3º pata y 4º pata. A cada una se le asignará un perfil, las patas serán perfil IPN de acero laminado (da igual el escogido, el programa optimizará uno más adelante) y las correas un perfil en forma de C de aluminio extruido. Figura 15: selección de perfil IPN Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 21 Figura 16: selección de perfil en C Estos perfiles se pueden observar en la siguiente figura: Figura 17: visualización de los perfiles en CypeCad Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 22 4.2.- CÁLCULO DE LAS CARGAS 4.2.1.- ANÁLISIS REALIZADO POR EL PROGRAMA El programa considera un comportamiento elástico y lineal de los materiales. Las barras definidas son elementos lineales. Las cargas aplicadas en las barras se pueden establecer en cualquier dirección. El programa admite las tipologías: uniforme, triangular, trapezoidal, puntual, momento e incremento de temperatura diferente en caras opuestas. En los nudos se pueden colocar cargas puntuales, también en cualquier dirección. El tipo de nudo que se emplea es totalmente genérico, y se admite que la vinculación interior sea empotrada o articulada; y los extremos de las barras definidos mediante coeficientes de empotramiento (entre 0 y 1) o mediante su rigidez rotacional (momento/giro), y también se pueden articular dichos extremos. Se puede utilizar cualquier tipo de apoyo, empotrado o articulado, o vinculando alguno de sus grados de libertad. Los apoyos (o vinculación exterior) pueden ser elásticos, definiendo las constantes correspondientes a cada grado de libertad coaccionado. Las hipótesis de carga se establecen según su origen y se pueden asignar a Carga permanente, Sobrecarga, Viento, Sismo (estático), Nieve y Accidental. Se puede considerar el sismo dinámico. A partir de las hipótesis básicas se puede definir y calcular cualquier tipo de combinación con diferentes coeficientes de combinación, ya sea de acuerdo a la norma seleccionada o definidos por el usuario. Los estados límite y combinaciones para cada material y estado son los siguientes: • E.L.U. rotura. Hormigón • E.L.U. rotura. Hormigón en cimentaciones • E.L.U. rotura. Acero (Laminado y armado) • E.L.U. rotura. Acero (Conformado) • E.L.U. rotura. Madera • E.L.U. rotura. Aluminio • Tensiones sobre el Terreno (Acciones características) • Desplazamientos (Acciones características) Para cada estado se generan todas las combinaciones, indicando su nombre y coeficientes, según la norma de aplicación, el material y la categoría de uso. A partir de la geometría y cargas que se introduzcan, se obtiene la matriz de rigidez de la estructura, así como las matrices de cargas por hipótesis simples. Se obtendrá la matriz de desplazamientos de los nudos de la estructura, invirtiendo la matriz de rigidez por métodos frontales. Después de hallar los desplazamientos por hipótesis, se calculan todas las combinaciones para todos los estados, y los esfuerzos en cualquier sección a partir de los esfuerzos en los extremos de las barras y las cargas aplicadas en las mismas. Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 23 De la normativa del Código Técnico de Edificación (CTE) descrita en el anexo A, se obtendrán las cargas para que a partir de ellas se diseñe la estructura. Para ello se busca un lugar con un clima desfavorable por su viento y nieve, así que se tomará como lugar la ciudad de Huesca. 4.2.2.- CARGAS DE PESO PROPIO Siempre habrá una carga constante, que será la del peso de los módulos fotovoltaicos. En las propiedades del módulo (tabla 1) lo sacamos y será igual a 8kg. Esta carga estará distribuida linealmente de modo que será: qp(int) = [(8 kg) x (32 paneles dirección x)] / 40 m = 0.0064 t/m Teniendo en cuenta que la primera y última correa soportan la mitad de peso: qp(ext) = 0.0064 t/m / 2 = 0.0032 t/m 4.2.3.- CARGAS DE VIENTO Según la figura 8: qb = 0,52 kN/m2 (Zona C) Coeficiente de exposición: ce = 2 Se toma el coeficiente eólico o de presión (cp) de la Tabla 2, sabiendo que el ángulo de inclinación es de 20º con respecto la cubierta. Éste tendrá tres valores para cada zona (ver Anexo A): φ = 0 (dirección hacia arriba): (-2.2,-2.8,-2.9) φ = 1 (dirección hacia abajo): (1.7, 2.9, 2.1) Las cp de los paréntesis equivalen a las zonas A, B, C respectivamente. Las fuerzas tangenciales serán tan pequeñas que se pueden despreciar. Con la ecuación1 se calculan las cargas de viento: qe = qb · ce · cp (ec.1) Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 24 Zona A: qe = 0.52 x 2 x (-2.2) = 2.28 kN/m2 qe = 0.52 x 2 x (1.7) = 1.768 kN/m2 Zona B: qe = 0.52 x 2 x (-2.8) = 2.912 kN/m2 qe = 0.52 x 2 x (2.9) = 3.016 kN/m2 Zona C: qe = 0.52 x 2 x (-2.9) = 3.016 kN/m2 qe = 0.52 x 2 x (2.1) = 2.184 kN/m2 La primera y la última correa de aluminio solo soportarán la mitad de la carga: Zona A: qe = 2.28 kN/m2 x 0.66 m = 1.51 kN/m = 0.151 t/m qe = 1.768 kN/m2 x 0.66 m = 1.167 kN/m = 0.167 t/m Zona B: qe = 2.912 kN/m2 x 0.33 m = 0.96 kN/m = 0.096 t/m qe = 2.912 kN/m2 x 0.66 m = 1.92 kN/m = 0.192 t/m qe = 3.016 kN/m2 x 0.33 m = 0.995 kN/m = 0.0995 t/m qe = 3.016 kN/m2 x 0.66 m = 1.99 kN/m = 0.199 t/m Zona C: qe = 3.016 kN/m2 x 0.66 m = 1.99 kN/m = 0.199 t/m qe = 2.184 kN/m2 x 0.66 m = 1.44 kN/m = 0.144 t/m Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 25 4.2.4.- CARGAS DE NIEVE Coeficiente de forma de la cubierta: μ = 1 Valor característico de la carga de nieve sobre un terreno: sk = 0.8 kN/m2 ( zona 2) Con la ecuación 5 será calculada la carga de nieve: qn = μ · sk (ec.5) qn = 1 x 0.8 = 0.8 kN/m2 La construcción está protegida de la acción de viento mediante un parapeto, por lo que la carga de nieve será reducida un 20 % qn = 0.8 kN/m2 x 0.8 = 0.64 kN/m2 Las correas de la primera y última fila soportarán la mitad del peso del vano, a diferencia de las correas interiores que soportarán el doble de carga: - Correas exteriores: qn = 0.64 kN/m2 x 0.33 m = 0.211 kN/m = 0.0211 t/m - Correas interiores: qn = 0.64 kN/m2 x 0.66 m = 0.422 kN/m = 0.0422 t/m A partir de alturas de 1000 m se aplica la carga producida por témpanos. Estas cargas se situarán en la primera correa debido a que la estructura está en pendiente y las gotas se congelan al acumularse lo más abajo posible por la fuerza de gravedad. Aplicando la ecuación 6: pn = k ·μ2 · sk (ec.6) pn = 3 m x 12 x 0.8 kN/m2 = 2.4 kN/m = 0.24 t/m 4.2.5.- SOBRECARGA DE USO La estructura solar se considera como una cubierta accesible solo para conservación con una inclinación inferior a 20º por lo tanto: - Carga uniforme de 1 kN/m2 (categoría de uso G1). Se distinguirá según sean correas interiores o exteriores: - Exteriores: 1 kN/m2 x 0.33 m = 0.33 kN/m = 0.033 t/m - Interiores: 1 kN/m2 x 0.66 m = 0.66 kN/m = 0.066 t/m Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 32 4.3.2.- UNIÓN MÁS DESFAVORABLE A SOLDADURA En este caso, al igual que con los tornillos, se analizará nudo por nudo la unión más desfavorable a partir de un momento, en este caso será el My debido a que sus coordenadas locales serán así: Figura 26: ejes locales de las patas Aunque también exista momento en el eje z, como en la mayoría de los casos es cero o casi cero, no hace falta incluirlo. Como resultado, se sabrá que la unión soldada más desfavorable estará situada dentro del grupo de la primera fila de patas, la segunda contando desde el extremo. Y como con los tornillos, existirá otra soldadura de igual valor situada en el lado opuesto simétrico. El mayor momento será: My = 0.722 tm Figura 27: punto más desfavorable a soldadura Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 33 Más adelante se calculará el espesor de soldadura necesario para cada una de las patas en contacto con esta barra transversal de acero, ya que se considerará como el caso más desfavorable. Como cada fila de patas tiene el mismo perfil, solo será necesario calcular un espesor para grupo. Los momentos a usar serán: pata 1: My = 0.722 tm pata 2 ( inclinada 45º): My = 0.286 tm pata 2 ( vertical a 90º): My = 0.413 tm pata 3: My = 0.135 tm pata 4: My = 0.545 tm Figura 28: distribución de las patas 4.4.- DISEÑO DE LAS UNIONES En primer lugar, los tornillos mecanizados que unen los paneles a las correas se obtienen a partir de las medidas del perfil de la correa de aluminio. Se tendrá en cuenta el espacio que ocuparía la herramienta al colocar el tornillo (unos 3 mm a cada lado) y una holgura (unos 2 mm a cada lado). Figura 29: tornillo mecanizado Tendrá una calidad de 6.8, así que su e será de 480 MPa y su plástica de 600MPa. Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 34 A continuación, se realizarán los cálculos de los nudos entre las vigas de la estructura. 4.4.1.- TORNILLOS Los datos son: Cs = 2 seq = 640 MPa Coeficiente de reparto C = 0.2 Precarga inicial Fi = 0 Se sabe que el momento máximo es │Mz│ = 0.487 tm = 4870000 Nmm Viendo las reacciones en la unión, se despeja Ft, donde L es la anchura de la viga de acero longitudinal sobre la que está apoyada la correa de aluminio: Figura 30: esquema de una unión correa-viga Mz = Ft x (L/2) Ft = 2Mz / L = (4870000 x 2) / 90 = 108222 N s = Ft / Ar = [Fi + (C x Ft)] / Ar = (0.2 x 108222) / Ar = 21644 / Ar Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 35 Sabiendo que el cortante es │Vz│ = 0.003 t = 30 N, la tensión tangencial será: τ = Vz / Ar = 30 / Ar Aplicando un coeficiente de seguridad 2: Cs = (0.5 x seq ) / τmax τmax = (0.5 x 640) / 2 = 160 MPa Sustituyendo las tensiones en la fórmula: τmax = √( ) = √( ) ( ) = 1602 Despejando el valor de Ar: Ar = 135.2 mm2 Será menor o igual a la fórmula de la sección de los tornillos debido a que es inversamente proporcional a la tensión: Ar ≤ π (d – 0.9381p)2 / 4 Dando como resultado: Para un paso de 2 se obtiene un diámetro de rosca de 14 mm (ver anexo E). Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 36 4.4.2.- CORDONES DE SOLDADURA Los cordones de soldadura están situados en las uniones de las patas con las vigas transversales de acero. Como estas uniones se encuentran inclinadas, se deberá primero de analizar la sección en contacto resultante de cada pata. Debido a esto, los cordones de soldadura podrán ser menos gruesos en las mismas zonas ya que el área de la sección será mayor. Figura 31: vista de perfil de la unión viga con pata a 90º Figura 32: vista de perfil de la unión viga con pata a 45º Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 37 Pata 1 y Pata 2 vertical (IPN 120): El ángulo de corte será de 15º, por lo tanto su sección será: Figura 33: sección en la unión soldada de patas 1 y 2(90º) Pata 2 inclinada (IPN 120): El ángulo de corte será de 30º, por lo tanto su sección será: Figura 34: sección en la unión soldada de la pata 2(45º) Pata 3 (IPN 100): El ángulo de corte será de 15º, por lo tanto su sección será: Figura. 35: sección en la unión soldada de la pata 3 Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 38 Pata 4 (IPN 140): El ángulo de corte será de 30º, por lo tanto su sección será: Figura 36: sección en la unión soldada de la pata 4 Una vez que se dispone de las medidas reales que hay en la unión pata-viga, para obtener los espesores necesarios de soldadura se parte de un espesor hipotético de soldadura y se intenta colocar el menor número de cordones de soldadura posible en la estructura. De esta manera se ahorrará material y se reducirá su coste cumpliendo a la vez los parámetros de seguridad (ver anexo D). Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 39 Pata 1 N = 4.8t = 47040 N My = 0.722 tm = 7075600 Nmm Vz = 7.22 t = 70785 N La soldadura estará distribuida de la siguiente manera: Figura 37: soldadura en pata 1 Para un espesor de 7mm: A = (2x58x7) + (2x7x108) + (19.5x7x4) + (8x7x4) = 2821 mm2 t1 = Vz / A = 70785 / 2821 = 25 MPa Iy = 2[(7x1083/12) + (58x73/12) + (7x58x652) + 2(19.5x73/12) + (2x19.5x7x50.52) + 2(7x83/12) + (2x8x7x582)] = 7053074.6 mm4 Sabiendo que la altura máxima es de 69 mm: Wy = Iy / 69 = 102218 mm3 nmax = = (47040 / 2821) + (7075600 / 102218 ) = 85.9 MPa s= √ = (22.8 + 85.9) / √ = 76.8 MPa = √ = (22.8 – 85.9) / √ = -44.6 MPa 0 (la soldadura más alejada solo tiene dirección t1) Sustituyendo: √ =108.7 MPa ; seq= 235 / 2 = 117.5 MPa Comprobación: 117.5 ≥ 108.7  Sí Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 40 Pata 2 (45º) N = 2.56 t = 25088 N My = 0.286 tm = 2802800 Nmm Vz = 0.342 t = 3351.6 N La soldadura estará distribuida de la siguiente manera: Figura. 38: soldadura en pata 2(45º) Para un espesor de 5mm: A = (2x5x120.7) + (2x5x58) = 1787 mm2 t1 = Vz / A = 3351.6 / 1787 = 1.87 MPa Iy = 2[(5x120.73/12) + (58x53/12) + (5x58x71.752)]= 445243 mm4 Sabiendo que la altura máxima es de 74.25 mm: Wy = Iy / 74.25 = 59965.4 mm3 nmax = = (25088 / 1787) + (2802800 / 59965.4 ) = 60.78 MPa s= √ = (1.87 + 60.78) / √ = 44.29 MPa = √ = (1.87 – 60.78) / √ = -41.65 MPa 0 (la soldadura más alejada solo tiene dirección t1) Sustituyendo: √ =84.65 MPa ; seq= 235 / 2 = 117.5 MPa Comprobación: 117.5 ≥ 84.65  Sí Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 41 Pata 2 (90º) N = 4.45t = 43649 N My = 0.413 tm = 4047400 Nmm Vz = 0.464 t = 4547.2 N La soldadura estará distribuida de la siguiente manera: Figura 39: soldadura en pata 2(90º) Para un espesor de 7mm: A = (2x58x7) + (2x7x108) + (19.5x7x4) + (8x7x4) = 2821 mm2 t1 = Vz / A = 4547.2 / 2821 = 1.47 MPa Iy = 2[(7x1083/12) + (58x73/12) + (7x58x652) + 2(19.5x73/12) + (2x19.5x7x50.52) + 2(7x83/12) + (2x8x7x582)] = 7053074.6 mm4 Sabiendo que la altura máxima es de 69 mm: Wy = Iy / 69 = 102218 mm3 nmax = = (43649 / 2821) + (4047400 / 10218 ) = 55.07 MPa s= √ = (1.47 + 55.07) / √ = 40 MPa = √ = (1.47 – 55.07) / √ = -38 MPa 0 (la soldadura más alejada solo tiene dirección t1) Sustituyendo: √ =76.87 MPa ; seq= 235 / 2 = 117.5 MPa Comprobación: 117.5 ≥ 76.87  Sí Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 48 Estas cargas puntuales se transformarán en distribuidas y serán colocadas en la sección de la pata, de manera que coincidan con los nodos de la malla de las patas discretizadas. 4.5.2.- ANÁLISIS DE TENSIONES EN LA PLACA DE APOYO A partir de la unión más desfavorable se determina el espesor mínimo necesario de la placa de apoyo, para que pueda soportar las tensiones de todas las patas de la estructura. Con un acero s235 y un coeficiente de seguridad de 1.1, las tensiones resultantes no deben ser superiores a: 235 / 1.1 = 213.63 MPa Espesor  Tensión 10mm  257 MPa 20mm  151 MPa 13mm  198 MPa 12mm  214 MPa Se observa que para unos valores de 10mm y de 12mm sobrepasa la tensión máxima permitida. Los valores de 13mm y de 20mm se sitúan por debajo de la tensión máxima, pero como interesa ahorro de material se usará el espesor de 13mm de chapa para soportar toda la estructura. Figura 45: gráfica de tensiones en la chapa. Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 49 4.5.3.- CÁLCULO DE LAS UNIONES ATORNILLADAS EN LA CUBIERTA El coeficiente de seguridad de los tornillos es de 2, así que la seq de cada tornillo no podrá ser superior a 480 / 2 = 240 MPa. PATA-1 Figura 46: pata 1 Obtenidos los módulos de las fuerzas resultantes en los tornillos y utilizando una métrica de 10 mm darán como resultado los siguientes valores de tensión: F(N) A(mm2) s(MPa) 9435,5 78,5 120,197 11055 78,5 140,828 11125 78,5 141,72 9070,2 78,5 115,544 7427,4 78,5 94,6166 8553,7 78,5 108,964 9070,5 78,5 115,548 7910 78,5 100,764 Tabla 4: Tensiones tornillos pata 1. En todos los tornillos se cumple que seq ≤ sadm Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 50 PATA-2(45º) Figura 47: pata 2-45º Obtenidos los módulos de las fuerzas resultantes en los tornillos y utilizando una métrica de 10 mm darán como resultado los siguientes valores de tensión: F(N) A(mm2) s(MPa) 1585,1 78,5 20,1924 1755,8 78,5 22,3669 1047,5 78,5 13,3439 749,06 78,5 9,54217 3050,7 78,5 38,8624 2661,6 78,5 33,9057 1484,1 78,5 18,9057 2252,1 78,5 28,6892 Tabla 5: Tensiones tornillos pata 2-45º. En todos los tornillos se cumple que seq ≤ sadm Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 51 PATA-2(90º) Figura 48: pata 2-90º Obtenidos los módulos de las fuerzas resultantes en los tornillos y utilizando una métrica de 14 mm darán como resultado los siguientes valores de tensión: F(N) A(mm2) s(MPa) 15624 153,86 101,547 13242 153,86 86,0653 25689 153,86 166,963 23185 153,86 150,689 20835 153,86 135,415 18937 153,86 123,079 34983 153,86 227,369 29368 153,86 190,875 Tabla 6: Tensiones tornillos pata 2-90º. En todos los tornillos se cumple que seq ≤ sadm Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 52 PATA-3 Figura 49: pata 3 Obtenidos los módulos de las fuerzas resultantes en los tornillos y utilizando una métrica de 10 mm darán como resultado los siguientes valores de tensión: F(N) A(mm2) s(MPa) 7189,9 78,5 91,5911 12622 78,5 160,79 45,852 78,5 0,5841 2017,4 78,5 25,6994 8794 78,5 112,025 17409 78,5 221,771 1133,4 78,5 14,4382 2815,9 78,5 35,8713 Tabla 7: Tensiones tornillos pata 3. En todos los tornillos se cumple que seq ≤ sadm Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 53 PATA-4 Figura 50: pata 4 Obtenidos los módulos de las fuerzas resultantes en los tornillos y utilizando una métrica de 10 mm darán como resultado los siguientes valores de tensión: F(N) A(mm2) s(MPa) 5988,6 78,5 76,2879 5252,8 78,5 66,9146 4250 78,5 54,1401 5622,9 78,5 71,6293 3468,3 78,5 44,1822 3715,8 78,5 47,335 2888,1 78,5 36,7911 2939,3 78,5 37,4433 Tabla 8: Tensiones tornillos pata 4. En todos los tornillos se cumple que seq ≤ sadm Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 54 5.- CONCLUSIONES Se ha realizado el diseño de una estructura para módulos fotovoltaicos a partir de un modelo con unas medidas prefijadas. Se partió de unos perfiles iniciales de IPN 80 hasta obtener los más adecuados ya que una estructura no va a ser más resistente por reforzarla mucho a base de aportar material, sino por colocar el material en las zonas adecuadas, esto es, el factor “diseño” marca la diferencia a la hora de conseguir unas buenas características de resistencia y ligereza. Cuanto mayor fuesen los perfiles apoyados, mayores tendrían que ser las vigas que los soportan, con lo que habría un exceso de material que no es útil porque no está trabajando para las cargas aplicadas en la estructura sino a un mal diseño. Hay que tener muy en cuenta para optimizar una geometría, la responsabilidad que tienen las piezas que se piensen sustituir, y si el nuevo elemento a introducir va a mejorar realmente las características, prestando especial atención a cual es la forma en que mejor trabaja. En este proyecto se han ido encontrando problemas relacionados sobretodo con los ángulos y colocación de los ejes, siendo necesario en algunos casos cambiar la estructura de nuevo. Es por ello que se gana experiencia a la hora de plantear y analizar bien la situación antes de ponerse a ello. También considero interesante el hecho de adquirir habilidades al tener que aprender por uno mismo a utilizar programas nuevos, e incluso en otros idiomas, que son las herramientas necesarias para llevar a cabo nuestros trabajos de ingeniería de una manera rápida y eficaz. Diseño de una Estructura para la Colocación de Módulos Fotovoltaicos en Naves Industriales 55 5.1.- BIBLIOGRAFÍA 1.- ELASTICIDAD Y RESISTENCIA DE MATERIALES, Apuntes de la asignatura 2º Curso de Ingeniería Técnica Industrial especialidad Mecánica. 2.-TEORIA DE ESTRUCTURAS Y CONSTRUCCIONES INDUSTRIALES, Apuntes de la asignatura 3º Curso de Ingeniería Técnica Industrial especialidad Mecánica. 3.- DISEÑO DE MÁQUINAS, Apuntes de la asignatura 3º Curso de Ingeniería Técnica Industrial especialidad Mecánica. 4.-Manual imprescindible de CYPE 2011, instalaciones del edificio y cumplimiento del CTE / Antonio Manuel Reyes Rodríguez Anaya Multimedia, D. L. 2010 5.-MSC PATRAN Reference Manual, F.E.M. Modeling Theory Manual, MSC Software, 2001. 5.2.- CONSULTAS WEB http://www.wikipedia.org http://www.mscsoftware.com http://www.hierrotodo.com http://www.soliclima.es