Resumen

Las cargas de nieve y viento son responsables de una buena parte de los siniestros de hundimiento de polideportivos y naves ligeras de uso agrícola o industrial. ¿Hasta qué punto se puede encarecer el coste de la estructura de estos edificios como consecuencia de la nieve?


Para responder a esto, se ha dimensionado la estructura de una nave tipo a base de pórticos metálicos, considerando como variable las sobrecargas climáticas de las 9 capitales de la comunidad de Castilla y León, incluyendo Ponferrada. También se ha analizado la misma nave en la zona invernal 1, tomando como variable la altitud, entre 200 y 1.500 metros.


Los resultados muestran que el coste de la estructura metálica puede llegar a encarecerse hasta un 59 % más que las de menor coste; además, llama la atención que, la ciudad más desfavorecida por esta sobrecarga, León, no es precisamente la de mayor altitud del estudio.

1. INTRODUCCIÓN

Todos los inviernos, tras alguna fuerte nevada, suele haber noticias en la prensa de algún edificio de estructura ligera, como naves industriales, agrícolas, forestales o polideportivos, que se ha hundido bajo el peso de la nieve 1 . Esto ha ocurrido en 2021, que comenzó con una nevada histórica en el interior peninsular (Aemet, 2021); en los medios de comunicación se han podido ver imágenes de naves industriales con la cubierta desplomada bajo una gruesa capa de nieve. En estos casos, la nieve por sí sola, o acompañada de viento, suele ser la principal causa de estos siniestros; y se podría plantear la siguiente duda razonable: ¿por qué se han caído esas naves? Esta pregunta lleva a cuestionarse si se estimó correctamente el valor de la carga de nieve en los cálculos estructurales o si se trató de un evento extremo. Ante esta nevada histórica –producida por la borrasca Filomena–, puede que la carga de nieve en algunos lugares haya podido sobrepasar el valor característico normalizado (DB SE-AE). Algunos autores consideran que el cambio climático puede obligar a revisar las normas de construcción (De Wilde, P., y Coley, D., 2012; Nik, V. et al., 2012).

Las acciones que hay que considerar en los cálculos constructivos de cualquier edificación se pueden clasificar en cargas permanentes, sobrecargas de uso y acciones climáticas; aparte quedarían las accidentales. A diferencia de las dos primeras, las acciones climáticas dependen de la localización geográfica de la edificación. Las acciones climáticas más importantes, a efectos de los cálculos estructurales, son las sobrecargas de nieve y de viento.

En la comunidad de Castilla y León la carga de nieve parece que tiene un trato desigual. La norma de acciones (DB SE-AE, 2009) considera que en la zona norte hay mayor probabilidad de nevadas que en el centro y sur, y como se verá, esto repercute en el coste de la estructura de acero de las naves industriales y demás edificios de estructura ligera.

El valor de la sobrecarga de nieve depende, según el DB SE-AE (2009), de dos factores, de la zona climática de invierno y de la altitud 2 ; para una misma altitud, la sobrecarga depende de la zona climática donde se localiza la edificación. Viendo el mapa de las zonas climáticas de España (figura 1), León es la única capital de provincia de Castilla y León (CyL) que figura en la zona 1; el resto de capitales pertenecen a la zona 3. También están en esta zona 1 las principales ciudades de Galicia, Asturias, Cantabria y País Vasco, pero, a diferencia de León, están a muy baja altitud. De igual modo, el norte de Zamora, Palencia y Burgos están en la misma zona invernal 1, y además suelen tener bastante altitud, mientras que el resto –centro y sur de la comunidad de CyL– pertenecen a la zona 3. Hay que destacar que la ciudad de Burgos está en la zona 3, pero muy cerca de la línea divisoria con la zona 1. Esta zona 1 tiene mayores cargas de nieve que la zona 3 (véase la tabla 1). En la tabla 1 se muestran los valores de la carga de nieve según la altitud y ‘zona de clima invernal’. Tal como puede verse, la zona 1 es, en general, la que tiene mayor carga de nieve de todo el territorio nacional, hasta los 1.400 m de altitud; a partir de esta altitud, es la zona 6. Las localidades españolas situadas en estas dos zonas climáticas, y en particular aquellas de mayor altitud, tienen cargas de nieve muy altas en comparación con las de las otras zonas; en estos casos, la carga de nieve va a gobernar el dimensionamiento de la estructura de cubierta –correas y pórticos– de las naves agrícolas e industriales.

Figura 1. Zonas climáticas de invierno (Figura E.2 del DB SE-AE).

Tabla 1. Sobrecarga de nieve (kN/m2) en terreno horizontal (tabla E.2 del DB SE-AE)

En la tabla 2 se muestra la sobrecarga de nieve de las capitales de CyL y de Ponferrada. Como puede observarse, la ciudad de León, aunque no es la de mayor altitud, es la que tiene la mayor carga de nieve por ser, junto con Ponferrada, la única que está en la zona invernal 1.En cuanto al viento, León, Burgos y Palencia pertenece a la zona eólica B, donde la velocidad básica del viento es de 27 m/s, mientras que el resto de las capitales de CyL pertenecen en la zona A, cuya velocidad es 26 m/s. Por lo tanto, en cuanto a las acciones climáticas se refiere –nieve y viento–, León y Ponferrada, por su situación geográfica –y en particular León por estar a mayor altitud–, reúnen las dos condiciones climáticas más adversas de toda la comunidad de Castilla y León. Esto conduce a pensar que el coste de la estructura metálica de cualquier nave es mayor en León que en el resto de las capitales de la comunidad autónoma. En igual situación estarían las localidades situadas al norte de Palencia, Burgos y la parte noroeste de Zamora, donde además, la altitud supera los 800 metros.

Tabla 2. Zona de clima invernal y sobrecarga de nieve en las distintas ciudades de Castilla y León (Elaboración propia a partir de DB SE-AE)

En este trabajo se ha planteado la tesis de que las cargas de nieve hacen que las naves de estructura metálica que se proyectan en León, requieren mayor cantidad de acero que las que se proyectan en las demás capitales de Castilla y León, y por tanto son más caras. Se han planteado los siguientes objetivos:

  1. Conocer la influencia de la carga de nieve en el gasto de acero de una nave industrial tipo situada en las 9 capitales de CyL y Ponferrada.
  2. Estimar el gasto de acero de la nave tipo por provincias en la comunidad autónoma.
  3. Determinar la relación entre la carga de nieve –o altitud topográfica– y el gasto de acero del pórtico tipo en la zona climática 1.

Figura 2. Valor básico de la velocidad del viento (Figura D.1 de DB SE-AE, 2009).

2. METODOLOGÍA

Para conocer la influencia de la carga de nieve en el gasto de acero de una nave agroindustrial se ha diseñado una nave tipo formada por: una cubierta simétrica a dos aguas, con el 15 % de pendiente, de 20 m de luz por 40 m de largo y pilares de 6 m (véase la figura 3). El cerramiento de cubierta es a base de paneles tipo sándwich, mientras que en los laterales hay paneles prefabricados de hormigón apoyados lateralmente en los pilares. Estos paneles tienen capacidad de arriostrar los pilares a pandeo normal; también pueden arriostrar el cordón exterior de los pilares a pandeo lateral. La separación entre pórticos es de 5 m.

Figura 3. Geometría del pórtico tipo generada en el Generador de Pórticos (Cype Ingenieros).

Las dimensiones de la nave tipo se han obtenido a partir de un muestreo hecho con Google Earth en varias naves industriales de pequeño y mediano tamaño, situadas en varios polígonos industriales de la región, descartando las de mayores dimensiones y redondeando, finalmente, las cotas resultantes a unidades enteras del metro.

La estructura tipo de esta nave está formada por 14 correas continuas de acero conformado C-S235-JR separadas 1.56 metros, y pórticos formados por pilares y dinteles IPE S275-JR de acero laminado. Cuando este tipo de perfil ha sido insuficiente, se ha recurrido al HEA S275. En este trabajo se ha calculado solamente el pórtico central –el número 5– de la estructura tipo. El área tributante de cada pórtico interior es de 100 m 2 .

El pórtico tipo ha sido calculado y dimensionado según el Eurocódigo 3 (EC3) y tomando las acciones del DB SE-AE (2009). Se han considerando las mismas sobrecargas de uso en todos los casos, variando únicamente las acciones climáticas según la ubicación topográfica de la ciudad. En la cubierta se han considerado las siguientes sobrecargas de uso: uso en cubiertas ligeras para mantenimiento (G1), de 0.4 kN/m 2 –no concomitante con las sobrecargas climáticas– y una sobrecarga adicional de instalación de paneles solares de 0.2 kN/m 2 .

El procedimiento seguido ha sido el siguiente:

  • Se ha calculado el pórtico tipo con las acciones indicadas anteriormente, situándolo en las nueve capitales de CyL y Ponferrada. A partir de los resultados, se ha calculado el peso de cada pórtico y el de sus respectivas correas, y se ha hallado el coste total y el coste por metro cuadrado de superficie construida, solo de la estructura metálica.
  • También se ha hecho el cálculo del mismo pórtico tipo en la zona invernal 1 y zona eólica B, variando únicamente la altitud de 200 a 1.500 m.
  • Adicionalmente, todos estos pórticos han sido calculados como biarticulados y biempotrados, para ver las diferencias de dimensionamiento que hay entre sí.

Los cálculos se han hecho con el programa Cype Ingenieros (versión 2021.a). Primeramente, se ha usado el módulo Generador de Pórticos, donde se ha definido la geometría del pórtico tipo, se han introducido las acciones y calculado las correas. Posteriormente se ha hecho la exportación de todo esto al Cype 3D; en este módulo se han definido los perfiles de la estructura, los coeficientes de pandeo (Guerra-Romero, 2010), pandeo lateral y de interacción de esfuerzos. El programa ha hecho todas las verificaciones de ELU suponiendo que los pórticos son intraslacionales, tras comprobar algunos casos y ver que, en el primer modo de pandeo, αcr, es mayor que 10.

Por último, se ha hecho una valoración de la estructura suponiendo los siguientes precios unitarios: el coste del acero conformado de las correas se ha estimado en 2.5 €/kg, y el del acero laminado de pilares y dinteles en 1.9 €/kg. Estos valores se han obtenidos del Generador de Precios del programa Arquímedes, actualizado en junio de 2020 3 .

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

A continuación, en las tablas 3 y 4, se muestran los resultados del dimensionamiento de las correas y del pórtico tipo en distintas localidades de CyL y en distintas altitudes donde hay diferentes valores de la sobrecarga de nieve. En la tabla 3 figura el dimensionamiento correspondiente a las capitales de CyL y Ponferrada; se puede ver que el pórtico tipo de León es el que requiere los mayores perfiles–en pilares, dinteles y correas–, seguido de los pórticos de Ávila y Soria.

Tabla 3. Carga de nieve y perfiles del pórtico tipo (acero laminado S275) y correas (de acero conformado S235) en las ciudades de CyL. Pilares de 6.00 m, luz del pórtico de 20.00 m y 15 % de pendiente

Tabla 4. Perfiles laminados del pórtico tipo (acero S275) y correas (de acero conformado (S235) en función de la carga de nieve (altitud del emplazamiento), en la zona climática 1 y eólica B. Pilares de 6.00 m, 20.00 m de luz y 15 % de pendiente)

Por otra parte, en la tabla 4 también figura el resultado del dimensionamiento del pórtico tipo, considerando como variable, únicamente, la carga de nieve de la zona invernal 1. En este caso, se ha hecho variar la altitud desde 200 a 1.500 m, y se han calculado los pórticos y las correas con la carga de nieve de cada altitud; además se ha considerado el viento de la zona B –velocidad básica: 27 m/s–, que al ser el mismo en todos los casos, su efecto no influye en las diferencias. En esta tabla se puede ver la influencia de la altitud en el tamaño de los perfiles. Adicionalmente, las tablas muestran las diferencias de perfiles entre los pórticos biempotrados y biarticulados (véase también la figura 4).

Figura 4. Evolución del coste unitario (€/m2) del pórtico tipo, biarticulado y biempotrado, en función de la carga de nieve.

Se puede decir que el gasto de acero es menor en los pórticos biempotrados, aunque las diferencias no sean muy grandes. Desde esta perspectiva económica –del gasto del acero sin considerar el hormigón de las zapatas–, los pórticos biempotrados parece que tienen ventaja sobre los biarticulados. Además, esta ventaja se acentúa si se considera que el empotramiento de los pilares proporciona una mayor rigidez a la estructura que la articulación. Por el contrario, la gran ventaja del pórtico biarticulado es que no transmite momentos a la cimentación; por esta razón, los pórticos biarticulados requieren una cimentación más sencilla y de menor coste que los pórticos biempotrados. Los pórticos biarticulados, a veces, son la única opción en terrenos de muy baja resistencia.

A partir de los datos de los perfiles de la tabla 4, se ha elaborado la tabla 5. En esta tabla, se ha calculado el coste de la estructura. Con los valores obtenidos, se ha calculado el precio total por metro cuadrado de superficie horizontal. La superficie horizontal ocupada por cada pórtico es de 100 m 2 .

Tabla 5. Peso de cada pórtico con sus correspondientes correas y valor económico por metro cuadrado de superficie horizontal (pilares de 6.00 m, 20.00 m de luz y 15 % de pendiente)

Tabla 6. Índice comparativo del coste unitario de la estructura metálica tipo en cada ciudad (pórticos y correas) respecto al precio unitario más bajo (el de Zamora) como referencia el valor más bajo en cada tipo de pórtico

En la tabla 6 se puede ver el índice comparativo de precios por unidad de superficie de la estructura tipo, tomando como referencia el valor de Zamora en ambos tipos de pórticos. Las ciudades con el índice más bajo son Valladolid, Zamora y Palencia, mientras que las que lo tiene más alto son León, Ávila y Soria, destacando León con un índice de precios de 1.59 en el pórtico biempotrado y 1.42 en el articulado. Según estos resultados, se puede concluir que la “estructura metálica” de una nave tipo en León puede ser un 59 % más costosa que levantarla en Valladolid, capital de la comunidad. El coste total de cualquier nave debe incluir otras partidas presupuestarias además de la estructura, tales como cerramientos, solados, cimentación e instalaciones, que no se han incluido en este estudio.

En este estudio se pone de manifiesto la desventaja climática de las zonas altas del norte de Castilla y León, y en particular de la ciudad de León, en relación con la carga de nieve. Esta desventaja se explica por dos factores: por su altitud y por pertenecer a la zona climática 1 (tabla E.2. DB SE-AE). De las siete zonas invernales que hay definidas en España, la zona 1 se caracteriza por tener, entre 200 y 1.400 m de altitud, las cargas de nieve, en general, más altas. León capital está a unos 830 m de elevación: es la cuarta capital más alta de la comunidad, después de Ávila (1.130 m), Soria (1.090 m) y Segovia (1.000 m). La combinación de altitud y zona invernal hacen que la carga de nieve de León, 1.2 kN/m 2 , sea la mayor de todas las capitales de la comunidad autónoma, seguida de Ávila, Soria y Segovia, que pertenecen a la zona 3, según puede verse en la tabla 3.

La figura 4 da una idea de cómo varía el coste unitario del pórtico tipo –biarticulado y biempotrado– en función de la carga de nieve. Cuando se considera únicamente la altitud del emplazamiento dentro de la misma zona invernal, el coste de la estructura de acero aumenta con la carga de nieve, que está estrechamente relacionada con la altitud. En la figura 4 se puede ver que el coste más bajo se puede llegar a multiplicar por más del doble si se sitúa en la zona de mayor altitud, a 1.500 m, donde la carga de nieve es de 3.7 kN/m 2 . Lógicamente el presupuesto de una nave es mucho más que el coste de la estructura. Se puede estimar que la estructura de acero supone un valor en torno al 35 % de la obra civil. El resto de materiales e instalaciones de la nave tendrán el mismo coste, independientemente del emplazamiento, de la altitud y de la zona climática, salvo excepciones. La zona invernal 1, hasta casi los 1.400 m de altitud, tiene las mayores cargas de nieve de todo el territorio nacional. Esta zona invernal incluye a Galicia, la cornisa cantábrica y el norte de Castilla y León (véase figura 1). La provincia de León, hasta los 1.400 m de altitud, es el territorio más desfavorecido por este binomio “zona invernal-altitud”, pero no la única. En otras provincias de la comunidad hay también localidades en la zona 1 a bastante altitud, que por su importancia económica tienen polígonos industriales donde se construyen naves de todo tipo. Cabe citar: Guardo (1.120 m) y Aguilar de Campoo (900 m) en Palencia, Puebla de Sanabria (940 m) en Zamora o Reinosa (850 m) en Cantabria ya fuera de la comunidad, todas en la zona 1.

Cabe añadir que el viento aparece como sobrecarga de acompañamiento en las hipótesis de carga que determinan el dimensionamiento definitivo de los perfiles, siendo la nieve –o el uso en caso de poca altitud–, la sobrecarga principal de dimensionamiento.

Para terminar, hay que hacer una última reflexión acerca del cambio climático y su efecto sobre las sobrecargas climáticas. En estos primeros años del siglo XXI, se está viendo que los episodios de nieve ocurren con menor frecuencia que en años lejanos del siglo XX, sin embargo, algunos de ellos son de extrema intensidad (Aemet, 2021).

4. CONCLUSIONES

A la vista de los resultados y de la discusión anterior sobre el efecto de la carga de nieve en el dimensionamiento del pórtico tipo de estructura metálica, se pueden sacar las siguientes conclusiones:

  1. El pórtico tipo más barato de este estudio ha sido el de las ciudades de Palencia, Valladolid y Zamora, cuyo valor se ha estimado entre 28.7 y 34.1 €/m 2 de superficie construida;
  2. El pórtico tipo más caro de este estudio ha sido el de la ciudad de León, entre 45.8 y 48.4 €/m 2 ; esto supone entre un 42 y 59 % más caro respecto al pórtico de menor coste;
  3. El índice de precios más alto ha sido el de León (1.59), seguido del de Ávila (1.40); por otro lado, el más bajo, 1.00, es el de Palencia, Valladolid y Zamora. Esto significa que la estructura metálica de la nave tipo construida en León, puede ser un 59 % más cara que en Valladolid;
  4. Ponferrada, siendo la ciudad analizada de menor altitud, tiene un índice de precios de 1.23, debido a su situación geográfica en la zona invernal 1; y
  5. Las localidades españolas situadas en las zonas invernales 1 y 2, y en particular las de mayor altitud, tienes cargas de nieve muy altas, las cuales van a gobernar el dimensionamiento de las correas y de los pórticos de las naves industriales. Desde el punto de vista del presupuesto de la nave, estas zonas –a igualdad de altitud– están en desventaja respecto al resto de España.

5. REFERENCIAS

Aemet (2021). Informe sobre el episodio meteorológico de fuertes nevadas y precipitaciones ocasionadas por la borrasca Filomena y posterior ola de frío (pp. 19-21). http://www.aemet.es/documentos/es/conocermas/recursos_en_linea/publicaciones_y_estudios/estudios/Informe_episodio_filomena.pdf (consultado el 22/04/2021).

Arania (2021). El precio del acero, nuevo protagonista del 2021 (25/1/2021). https://www.araniasa.com/el-precio-del-acero-nuevo-protagonista-del-2021/ (consultado el 2/03/2021).

Argüelles Álvarez, R., Argüelles Bustillo, R., Arriaga Martiegui, F., Atienza Reales, J.R., y Martínez Calleja, J.J. (2001). Estructuras de Acero . Cálculo, Norma Básica y Eurocódigo, Vol. 2 (pp. 15.17 y 15.20). Madrid: Ediciones Bellisco.

DB SE-AE. (2009). Documento básico de seguridad estructural. Acciones en la edificación. Madrid: Ministerio de Fomento.

DB SE-A. (2008). Documento básico de seguridad estructural. Acero. Texto modificado por RD. 1371/2007, de 19 de octubre (BOE., 23/10/2007), y corrección de errores (BOE., 25/01/2008). Madrid: Ministerio de Fomento.

De Wilde, P., y Coley, D. (2012). The implications of a changing climate for buildings. Building and Environment, Vol. 55, pp. 1-7. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2012.03.014

Guerra-Romero, M.I., Fernández-Majo, M.C., y Juan-Valdés, A. (2010). Versiones y perversiones de un pórtico rígido. Ingeniería Civil, nº158, pp. 105-110.

Nik, V., Kalagasidis, A.S., y Kjellström, E. (2012). Statistical methods for assessing and analyzing the building performance in respect to the future climate. Building and Environment, Vol. 53, pp. 107-118. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2012.01.015

UNE-EN 1993-1-1:2013. Eurocódigo 3: Proyectos de estructuras de acero. Parte 1-1: Reglas generales y reglas para edificios. Madrid: AENOR.

1 “En el polígono industrial hay 16 naves hundidas por la nieve”, F.J.R. ( La Tribuna, 14/01/21. www.latribunadetoledo.es ).

2 Hay otros factores que dependen de la forma e inclinación de la cubierta.

3 Desde los últimos meses de 2020 hasta la actualidad, abril de 2021, el acero ha experimentado fuertes subidas, llegándose a duplicar su precio (Arania, 2021). Se ha decidido tomar el precio del acero de antes de la subida, ya que se supone que esta es especulativa y transitoria.