Cálculos sísmicos para estanterías en Europa

08/09/2017

Los valores más altos de peligrosidad sísmica y la probabilidad de que ocurran terremotos suelen confluir en regiones próximas a los límites de las placas tectónicas de la Tierra. En Europa, los países con un mayor riesgo sísmico son Italia, Grecia, Turquía, Chipre e Islandia. A su vez, en cada país, hay zonas con mayor riesgo que otras. La prevención y el cumplimiento de las normas europeas sobre el diseño y construcción de los sistemas de almacenaje resultan fundamentales para que las estanterías resistan los movimientos sísmicos.

A diferencia de las estructuras de ingeniería civil habituales, las estanterías están diseñadas específicamente para soportar grandes cargas. La estabilidad de la mercancía alojada está garantizada mediante las conexiones entre los puntales y los largueros, así como por la estructura de celosía denominada bastidor

Los componentes de las estanterías están formados por perfiles de acero de alta resistencia con un espesor comprendido entre 1,8 y 3,0 mm. Están sujetos a situaciones de pandeo global, local y, en especial en los puntales, también distorsional. Predecir el comportamiento estructural de las estanterías es muy complicado y, por esa razón, su diseño requiere ensayos para conocer las características mecánicas de los componentes y sus conexiones.

 

Diseño sismorresistente de las estanterías

El diseño de las estanterías ubicadas en zonas con un elevado riesgo sísmico resulta mucho más complicado en relación con las estanterías localizadas en otras zonas. El motivo es que no solo deben ser capaces de soportar las fuerzas dinámicas (tanto horizontales como verticales) y los mecanismos de colapso global o local, sino que, además, deben evitar la caída de palets ante a un sismo.

La caída de los pallets puede provocar serios daños a bienes, a las personas y a la propia estructura de las estanterías, sin olvidar la pérdida económica que conlleva para el propietario del depósito, superior al coste de las estanterías y al refuerzo para soportar los sismos.

En Europa, hasta hace pocos años no existía una documentación oficial sobre el diseño sísmico de las estanterías y los diseñadores tomaban como referencia las indicaciones que proporciona el Rack Manufacturers Institute (RMI). Es una asociación comercial norteamericana que reagrupa a empresas pertenecientes a la industria de la manipulación de materiales y, entre sus objetivos de buenas prácticas para el sector, se incluye información sobre cómo contabilizar las acciones sísmicas. Además de estas indicaciones, los diseñadores también se basaban en el Eurocódigo 8 del CEN (Comité Europeo de Normalización), relativo al diseño antisísmico de las estructuras (específicamente para la edificación).

Sin embargo, las estanterías son estructuras de acero particulares, cuyo comportamiento dista de las estructuras de edificación. Como consecuencia, muchas de las configuraciones estructurales utilizadas en las estanterías no quedaban del todo amparadas bajo esas normas.

Para resolver este problema, la European Racking Federation (ERF) –una asociación compuesta por los mayores fabricantes de Europa, incluido Mecalux– redactó las recomendaciones para el diseño de estanterías a prueba de sismos que, en 2016, inspiraron la norma EN 16681, aprobada por la Comisión Europea.

Esta normativa de diseño a nivel europeo permite unificar los criterios que deben cumplir los fabricantes europeos a la hora de construir sus estanterías, lo que se traduce en estructuras mucho más seguras. Obviamente, los fabricantes americanos y asiáticos también deben diseñar sus productos de acuerdo con esa norma para acceder al mercado europeo.

 

Programas de investigación

Las investigaciones sobre el comportamiento de las estanterías metálicas frente a los movimientos sísmicos son muy recientes. De hecho, los primeros estudios se realizaron en Estados Unidos tras el terremoto en la localidad de Northbridge (Los Ángeles), durante la madrugada del 17 de enero de 1994.

Tras los últimos terremotos acaecidos en Europa –como el de Turquía en 1999 con consecuencias devastadoras y un elevado impacto económico– y para suplir la falta de estudios sobre el comportamiento dinámico de las estanterías metálicas durante los movimientos sísmicos, la Comisión Europea fomentó tres programas de investigación:

  1. Programa Free Access To Large Scale Testing Facilities, en 2002, con la colaboración de la Unión Europea y el Ministerio de Educación italiano.
     
  2. Programa Storage Racks in Seismic Areas (SEISRACKS), a través del Fondo de Investigación del Carbón y del Acero, iniciado en diciembre de 2004 y finalizado en junio de 2007. Los objetivos primordiales de este programa eran conocer el comportamiento de las estanterías y diseñar normas específicas para soportar los movimientos sísmicos.

    En ambos programas se evaluó el comportamiento de las uniones que conforman las estanterías. Para ello, se realizaron ensayos a gran escala (mediante empuje horizontal o en mesa vibratoria) con el fin de comprobar la interacción entre pallets y estanterías, entre otros efectos.

    La mesa vibratoria es capaz de imponer vibraciones a los elementos ensayados para probar la resistencia sísmica de las estructuras, reproduciendo el mismo movimiento del suelo que se produce en caso de terremoto.

    Como resultado de estos estudios y de los conocimientos obtenidos durante las investigaciones, se formuló un código aplicable para las estanterías metálicas de palletización, la prenorma FEM 10.2.08, emitida en 2008.
     
  3. Programa Seismic Behaviour of Steel Storage Pallet Racking Systems (SEISRACKS 2), en 2011. El propósito de este estudio era el de conocer el comportamiento fuera de plano de los largueros, de las conexiones larguero-puntal y de toda la estructura.

    En los cálculos en 2D de las estanterías se realizaban cálculos en dirección longitudinal (paralela a los pasillos) y en dirección transversal (perpendicular a los pasillos). Como consecuencia, el larguero únicamente intervenía en la dirección longitudinal.

    Gracias a este programa, se contempló la necesidad de estudiar el movimiento del larguero en horizontal, cuando la unidad de carga se desplaza hacia adelante y atrás durante el sismo.

 

Normativa europea

En 2016 se aprobó la norma EN 16681 (Almacenaje en estanterías metálicas. Estantería regulable para carga paletizada. Principios para el diseño sísmico), y cuya definición final se basó en la FEM 10.2.08, en los comentarios recibidos tras su aplicación, así como en los resultados obtenidos a partir de los programas de investigación.

De acuerdo con esta norma, las estanterías en regiones sísmicas deben estar diseñadas y construidas para cumplir los siguientes requerimientos con un adecuado grado de fiabilidad:

1. Requisito de no colapso

  • La estructura deberá estar diseñada y construida para resistir la acción sísmica sin colapso local o general, manteniendo su integridad estructural y una capacidad de carga residual después de un evento sísmico.
  • Por tanto, debe verificarse que la estructura cumpla la resistencia y ductilidad especificadas.

2. Requisito de limitación de daño

  • La evaluación del nivel de daño de los elementos estructurales es obligatoria antes de volver a utilizar la estantería tras un sismo.

3. Movimiento de las unidades de carga

Las aceleraciones sísmicas pueden causar el deslizamiento de los palets sobre los largueros cuando se supere el coeficiente de fricción estático entre palet y larguero.

Las consecuencias de estos fenómenos son:

  • La reducción de la acción sísmica en la estantería, debido a la disipación de energía y la limitación de la acción horizontal que puede ser transferida del palet a la estantería.
  • La caída de las unidades de carga puede provocar, bien el colapso local o global de las estanterías, bien lesiones a personas y daños a los equipamientos próximos.

 

Asimismo, la EN 16681 establece que el método de cálculo tomado como referencia es el análisis modal espectral, el MRSA (Modal Response Spectrum Analysis).

El diseño de estructuras resistentes a sismos requiere, primeramente, el conocimiento del movimiento producido en el suelo durante un terremoto; dicho movimiento consiste en traslaciones en cualquier dirección, combinadas con rotaciones alrededor de cualquier eje.

En ingeniería, la carga sísmica se suele definir mediante un acelerograma. Es un gráfico de tiempo-aceleración del terreno que representa las componentes de la aceleración en las direcciones horizontales y verticales producidas por un terremoto en un determinado emplazamiento.

 

Análisis modal espectral

El MRSA es un estudio orientado a obtener el conjunto de acciones horizontales que actúan sobre los niveles de las estanterías y que deben ser absorbidas por bastidores, largueros, arriostrados, o por sus uniones, entre otros componentes.

Consiste en estimar la respuesta de la estructura en el dominio de la frecuencia en vez de en el dominio del tiempo. Para ello, es primordial conocer, por un lado, la rigidez y el comportamiento natural de la estructura y, por el otro, el espectro de diseño de cada ubicación.

El espectro de diseño es la representación de la aceleración del terreno (acelerograma) en el dominio de la frecuencia. Los parámetros variarán en función del tipo de sismo, de la ubicación exacta de la instalación con respecto al epicentro, así como de la composición del terreno.

El espectro representa la respuesta de un sistema idealizado frente a una aceleración en el dominio de la frecuencia. Por tanto, permite conocer la respuesta de la estructura frente a una frecuencia de excitación. Por ejemplo, si una estantería tiene una frecuencia natural (T1), pueden obtenerse los esfuerzos para dicha frecuencia a través del espectro.

A la hora de apreciar el comportamiento de la estantería es necesario realizar previamente un cálculo modal (obteniendo los modos naturales de vibración y sus frecuencias) que contemple:

  • El comportamiento de las uniones (la rigidez).
  • La masa del producto (las estanterías con carga).
  • El factor de ocupación de la estantería (cómo están distribuidos los palets, si hay niveles vacíos, dónde se encuentran los palets más pesados…).
  • La reducción de la rigidez del sistema en función de la carga.

Con todos estos datos, la norma recoge y normaliza cómo afectan a las estanterías la mayoría de los parámetros más relevantes e influyentes (tipo de carga, grado de ocupación de las estanterías, tipo de unidad de carga, entre otros factores).

Además, al tratarse de una estantería, se han de considerar otros parámetros que pueden modificar el espectro de diseño, como son:

  • Intensidad del sismo.
  • Número de niveles.
  • Masa total.
  • Flexibilidad de la estructura.
  • Fuerza horizontal máxima que se puede transmitir entre la carga y las estanterías.
  • Reducción de la acción sísmica basada en los ensayos de mesas vibratorias.

A partir de este cálculo modal, se conocen las acciones sísmicas individuales para cada dirección. De ahí que luego se combinen los efectos en ambas direcciones para obtener los valores de diseño de las acciones sísmicas.

Tras lograr los valores de diseño de las acciones sísmicas, deben aplicarse las reglas de combinación, que consisten en combinar los valores relativos al sismo horizontal y el vertical, así como del peso de la estantería y de las unidades de carga. De aquí se obtienen los esfuerzos (las fuerzas que deben soportar los componentes de las estanterías) y se verifica que estos sean capaces de resistirlos. Posteriormente, se comprueba que las unidades de carga no vuelquen ni se deslicen.

El MRSA es el método recomendado en el cálculo de las acciones sísmicas, puesto que los espectros sísmicos son fácilmente generalizables y normalizables. Los espectros representan la sismografía de un determinado lugar, evitando tener que realizar múltiples combinaciones a partir de cálculos evolutivos sobre diversos acelerogramas de cálculo, lo que reduce el tiempo de cálculo y proporciona unos resultados seguros. Con los sismos de menor intensidad puede emplearse el LFMA (Lateral Force Method of Analysis), que consiste en simular el sismo mediante un conjunto de fuerzas horizontales equivalentes.
 

Mecalux frente al sismo

Mecalux cuenta con los conocimientos y una dilatada experiencia en regiones con una elevada sismicidad. En ese sentido, sobresalen sus instalaciones sismorresistentes localizadas en Turquía, Italia y Chile –el país más proclive a sufrir terremotos del mundo, debido a su localización en el Cinturón de Fuego del Pacífico–, y considerado como un laboratorio natural para la investigación científica relacionada con este fenómeno.

Dentro de su departamento de ingeniería, la compañía posee un equipo especializado en el diseño de estanterías capaces de soportar las acciones sísmicas. Con este fin, emplea materiales de la mejor calidad, está a la vanguardia de las últimas innovaciones tecnológicas y aplica programas de cálculo estructural basados en la simulación.

La metodología de Mecalux consiste en generar un modelo tridimensional de la estructura utilizando programas de elementos finitos. En él se introducen un conjunto de datos como el tipo de materiales, las dimensiones de los perfiles, el espectro de diseño, las características de las unidades de carga, etc. Asimismo, la simulación estructural es de vital importancia para comprobar la resistencia de las estanterías frente al sismo.

Mecalux es el fabricante de soluciones de almacenaje líder a nivel internacional que sobresale por sus estándares de calidad y seguridad. Se dedica a desarrollar estanterías sismorresistentes, con el objetivo de asegurar la integridad de las estructuras, de los productos almacenados y, por encima de todo, la vida de las personas.