Diseño y Ejecución de Losa de Fundación para Almacén Autoportante (I)

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Proyecto de construcción de un almacén autoportante.

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Por: Ing. Agustín Escámez Sánchez
Director técnico
RCRConcrete Engineering, S.L.

 

La optimización de los sistemas de almacenaje es una de las claves del éxito de la logística actual. La diversidad de productos existentes en el mercado debe almacenarse y clasificarse de la forma más rápida y económica posible aprovechando al máximo el espacio y el volumen de almacenamiento disponible, principalmente para empresas del ámbito logístico donde la rapidez de operación es fundamental para sus intereses y para la calidad del servicio.

Hoy en día existen soluciones integrales de almacenamiento y automatización en el movimiento de las mercancías que aprovechan al máximo las superficies y optimizan los volúmenes disponibles alcanzando grandes alturas de almacenaje; estos espacios logísticos se denominan “Almacenes Autoportantes”.

 

Este tipo de bodegas se denominan “autoportantes” por el hecho de que las propias estanterías sustentan –  además de las paletas almacenadas – la cubierta, los paramentos verticales y las instalaciones que conforman el propio almacén. Podríamos decir que estas instalaciones se “autosustenta” sin necesidad de una estructura tradicional de pilares y vigas, tal y como las concebimos hoy en día.

 

En Europa este tipo de almacenes ha tenido una gran acogida, ya que la compleja estructura hiperestática de las estanterías en “forma de mecano” permite elevar la bodega a grandes alturas ofreciendo grandes volúmenes de almacenamiento sobre pequeñas superficies. El manejo de este volumen de almacenaje a gran altura es posible – además – gracias al sistema automático de manipulación de cargas (transelevadores) que mediante un sistema exclusivo de elevación y clasificación, confieren a estos almacenes una operatividad única.

 

En este sentido, Colombia e está llevando a cabo la ejecución de  los primeros almacenes autoportantes automatizados.

 

Este sistema no sólo es complejo en su concepción (donde se da respuesta a los más exigentes usos logísticos)  sino también en su ejecución y diseño. Únicamente las empresas de alta cualificación técnica pueden diseñar un almacén autoportante con las garantías que el sector demanda. 

 

Para mayor ilustración, presentamos un ejemplo.

 

Tipología del Proyecto:

 

Geometría del almacén: 

Altura máxima: 33.00 metros

Altura máxima de estanterías (bajo cercha): 31.00 metros

Largo: 105.00 metros

Ancho: 21.50 metros

 

Estructura de estanterías:

Niveles de almacenaje: 10 niveles

Número de estanterías: 12 (6 estantes en disposición Back to Back)

Numero de pasillos: 3 ud.

Número de apoyos de estantería: 840 ud.

Capacidad total de almacenaje: 7.740 paletas.

Elemento de elevación y almacenaje: transelevador automático (3 ud.)

 

Las Figuras No. 1 y 2 muestran algunos detalles de este almacén.

 

 

Figura No. 1 Sección del Almacén

 

Fig. 2 Planta del Almacén

 

 

Losa de Fundación. Generalidades en el Caso de Almacenes Autoportantes.

 

Todo este complejo sistema de almacenaje estará sustentado sobre una losa de fundación que debe cumplir una serie de requisitos particulares. 

 

El sistema de estanterías metálicas que “autosoportan” el almacén descansa sobre la losa de fundación en un gran número de apoyos (pies de estanterías) de muy pequeña dimensión; estos apoyos van anclados a la losa mediante pernos metálicos de dimensión y longitud variable que dependerá de la altura y carga del almacén. Por lo tanto la losa de fundación debe ofrecer – a nivel general y sobre todo – resistencia mecánica y gran facilidad de instalación para estos innumerables pernos de anclaje que unen la estructura al piso.

 

Esto se traduce en dos características importantísimas a considerar en el diseño: nivelación exquisita de la losa (para que todos los apoyos estén en el mismo plano) y facilidad de ejecución de taladros (que siempre se ve dificultada por la presencia de barras de acero de refuerzo en el concreto).

 

La naturaleza de las cargas que se generan en este tipo de almacenes y se transmiten a la fundación es muy especial. Pensemos en que la gran altura del mismo  – unido a la pequeña superficie sobre la que se instala –  hace de los almacenes autoportantes una especie de “vela de barco” a merced de los vientos dominantes en la zona; es más, si el área donde se instala es de influencia sísmica, este asunto se complica aún más. Todo ello nos hace intuir que las losas de fundación están diseñadas bajo complejos cálculos estructurales y que los resultados del diseño suelen aportarnos espesores de concreto que están armados con  acero y refuerzos muy potentes.

 

Bajo estas premisas estructurales… ¿Podemos asegurar una planimetría adecuada en la ejecución y la fácil colocación de los pernos de anclaje de todo este entramado de estanterías sobre la losa?

 

La respuesta es sí. Gracias a la utilización de los concretos reforzados con fibras de acero hemos conseguido resolver esta disyuntiva: utilizar armados estructurales de gran resistencia mecánica y que a su vez faciliten la colocación de los pernos de anclaje de los apoyos de las estanterías minimizando la presencia de barras de acero tradicional.

 

Es más, la utilización de estas fibras permite el uso de sistemas mecanizados de extendido que mejoran enormemente los resultados planimétricos de la superficie de la losa frente a los métodos tradicionales de vertido en losas fuertemente armadas con barras de acero.

 

En la normativa europea que regula la construcción de este tipo de almacenes (NORMATIVA FEM – Fedaration Europeenne de la Manutention), las tolerancias en nivelación de la losa son función de la longitud total del almacén. Esto es:

 

•Longitud de almacén hasta 50 metros: + 10 mm

•Longitud de almacén desde 50 hasta 150 metros: + 15 mm

•Longitud de almacén superior a 150 metros: + 20 mm

 

Podemos observar lo estricto de este condicionante y la dificultad de su cumplimiento, ya que en un almacén de una longitud superior a 150 metros sólo se permite una variación total del nivel de la losa de ¡2 cm!

 

Por todo ello – al igual que para el proyecto general del almacén – el diseño y ejecución de la losa de cimentación debe ser realizada por empresas especializadas de alto nivel técnico. En este sentido la losa de fundación puede ser  diseñada por la firma de ingeniería en pavimentación española RCRConcrete Engineering y ejecutada por la empresa de aplicación colombiana RINOL PISOCRETO, ambas pertenecientes al grupo internacional RCR Industrial Flooring. El fabricante de fibras de acero BEKAERT ha colaborado activamente con estas compañías aportando asesoramiento técnico especializado.

 

Tradicionalmente eran las empresas constructoras o grandes contratistas las que acometían el diseño y ejecución de estas unidades de obra tan particulares; esto lo hacían con soluciones efectivas, pero que en ocasiones resultaban extremadamente caras y difíciles de ejecutar (enormes losas fuertemente armadas, de gran canto y excesivo coste). La experiencia en Europa nos ha enseñado que las empresas especializadas en pavimentación industrial son las que finalmente han aportado soluciones más optimizadas y acordes a las exigencias de este tipo de proyectos, mediante la aplicación de técnicas innovadoras y de fácil ejecución (como el caso de la utilización de fibras metálicas) y procesos productivos mecanizados (entendedoras de concreto) obteniendo grandes resultados.

 

Almacén Autoportante. Peculiaridades del Proyecto

 

Como ya hemos comentado, un almacén autoportante es un proyecto de alta complejidad técnica y en el caso que tratamos aquí, todavía más. A todo el entramado de de cargas por viento, sismo, almacenaje, sobrecargas de cubierta, et. debemos añadir un factor más: la presencia de un suelo de baja capacidad portante.

 

Este factor es extremadamente condicionante, ya que todo el diseño depende de la solución final de este problema. Los ingenieros participantes en la dirección técnica del proyecto – con excelente criterio – determinaron la ejecución de un entramado de pilotes hasta alcanzar un estrato del terreno que fuera lo suficientemente resistente sobre el que transmitir las cargas derivadas del almacén; este entramado de pilotes serviría como apoyo de la losa de fundación, asemejando todo el conjunto a un “tablero” apoyado sobre numerosas patas.

 

Normalmente este tipo de losas se ejecutan sobre una plataforma de tierras compactadas que sirve como subbase; en estos casos los cálculos de diseño son más sencillos, llegándose incluso a diseños donde el único armado para el concreto lo aportan las fibras. En el ejemplo que estamos abordando, el diseño se complicó y obligó a la incorporación de armados tradicionales dificultando el propio diseño y la ejecución. Esa circunstancia fue un reto con el que nos enfrentamos.

 

El entramado de pilotes bajo la losa de fundación tiene una distribución de 5 filas con 52 pilotes por fila, en total unos 260 pilotes de 11 metros de profundidad y una geometría de 30 x 30 cm (Ver Figura No. 3)

 

 

Figura No. 3. Distribución De Pilotes Bajo la Losa de Fundación

 

La presencia de este tipo de cimentación hizo que el cálculo estructural de la losa se complicara sobremanera, dado que a los esfuerzos verticales de la estructura sobre la losa había que sumar las posibles reacciones de los pilotes bajo la losa cuando ésta estuviera cargada. 

 

Finalmente se optó por realizar el diseño bajo un sistema de cálculo mixto, donde se combinan armados tradicionales con barras de acero y fibras metálicas estructurales en la masa del concreto (Sistema RINOL MUSHROOM) utilizado en Europa para el diseño de losas y pisos industriales sobre pilotes.

 

Este sistema propone el cálculo estructural mediante el armado con fibras que garnatice la resistencia y el soporte de las cargas derivadas del almacén y un refuerzo de acero tradicional destinado a soportar las posibles reacciones y tensiones de los pilotes bajo la losa. Este cálculo fue realizado de forma conjunta por los técnicos de BEKAERT y RCRConcrete Engineering. 

 

Para la aplicación de este modelo se toman los valores de las reacciones en cada uno de los apoyos, originadas por las diferentes cargas y se ponderan según la naturaleza de las mismas. Por ejemplo en un apoyo inciden varios tipos de reacción: la originada por el peso de la carga almacenada, la causada por el viento, la generada por el peso de la cubierta, etc. que serán de aplicación continua (caso de la carga de cubierta) o variable (caso de la carga de almacenaje, viento o sismo); para cada una de estas cargas se aplican coeficientes de ponderación o mayoración distintos, ya que son de distinta naturaleza y se le otorgan un rango de actuación de larga o corta duración. También se considera si los axiles son aplicados a compresión (caso de carga almacenada) o bien puedan ser de tracción (caso de vuelco por viento). Este proceso se debe de hacer en cada uno de los 840 apoyos de la estructura, identificando cuáles de ellos están sometidos a una mayor incidencia de cargas.

 

 Es intuitivo pensar que los apoyos próximos a las caras del edificio donde inciden vientos dominantes presentarán mayores esfuerzos de tracción que los de la cara opuesta, donde se ejercerán los mayores esfuerzos a compresión (efecto de vuelco).

 

Una vez identificados estos apoyos se estudia cada uno de los posibles estados de carga, eliminando aquellos de menor incidencia y diseñando para aquellos de mayor magnitud. Se utiliza una metodología de cálculo denominada “Viga Finita sobre Apoyo Continuo Elástico” donde se asemeja la losa a una viga apoyada sobre un medio elástico (terreno + pilotes) definido mediante un coeficiente de reacción K llamado “Coeficiente de Westergaard” obtenido a través del valor CBR del mismo o bien mediante ensayo con placa de carga. 

 

Se colocan y localizan las distintas cargas sobre el modelo y se estudian sus reacciones combinadas (momentos flectores, flechas, esfuerzos cortantes, etc.) secciones de viga muy próximas unas a otras y en los dos sentidos o direcciones  X (ancho) y Y (largo), dimensionando la sección para el estado de mayor tensión.

 

En este caso se ha diseñado el almacén atendiendo a dos normativas distintas y aplicando dos criterios de ponderación de cargas (europeo y colombiano) arrojando ambos un resultado similar.

 

La solución final obtenida: losa de concreto de 42 cm de espesor armada con 30 kg/m3 de fibras estructurales DRAMIX RC 80/60 BN y doble armado bidireccional de acero (superior e inferior) con barras de 5/8´´ separadas 30 y 50 cm respectivamente incluidos refuerzos perimetrales.

 

Esta losa se realizó sobre una base de concreto de limpieza nivelada en una tolerancia muy exigente de + 1 cm. para no desvirtuar el espesor final de la losa de fundación.

 

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