En nuestro Post FEM Marquesinas. Elementos beam vs solid, definimos la combinación de carga más desfavorable para el pórtico de una marquesina a un agua para el aparcamiento de automóviles. Concretamente:

1.35PP+1.35PM+0.9VP+1.5N

Siendo:

• PP: Peso propio
• PM: Cargas muertas
• VP: Viento de presión
• N: Nieve

Esta combinación es la más desfavorable para la estructura porque produce el momento máximo en la base del pedestal debido a que las fuerzas de viento en presión y nieve se contribuyen a maximizar dicho esfuerzo.

Hay que recordar que el Código Técnico de la Edificación (CTE) considera que las fuerzas de viento sobre marquesinas siempre tienen dos direcciones opuestas de aplicación sobre la superficie donde se aplica.

Las cargas de nieve, sin embargo, solo tienen una única dirección de aplicación, la que coincide con la gravedad, ya que las cargas de nieve consideradas por la norma, a efectos prácticos, es un peso muerto sobre la estructura que se ve afectado por la gravedad.

Cuando la dirección predominante de las cargas de viento se acerca a la dirección predominante de las cargas de viento en marquesinas con esta geometría se producen los momentos máximos en la base del pilar de los pórticos.

Esto ocurre cuando la marquesina permite el flujo libre de viento bajo su cubierta.

Sin embargo, la normativa CTE analiza también los casos en los que la marquesina se encuentra bloqueada completamente bajo su cubierta por cualquier cuestión.

En los casos de marquesinas para automóviles es muy común tener un muro que delimitan las parcelas junto a los que se instalan las marquesinas.

En estos casos el CTE incrementa el coeficiente de succión para marquesinas cuya inclinación ronda los 5 grados de -0.7 a -1.4. Esto hace subir al doble la carga de viento de succión a considerar en las combinaciones de carga, manteniendo los mismos coeficientes para las cagas de viento de presión.

En las siguientes imágenes, exponemos la estructura calculada en nuestro post FEM Marquesinas. Elementos beam vs solid, con un flujo de viento bloqueado.

Se puede apreciar que, al subir la carga de viento de succión al doble, este pórtico no cumpliría con el CTE. Las tensiones en las zonas blancas para programas que utilizan elementos solid y las zonas rojas para programas que utilizan elementos beam rebasan el límite elástico del material que forman el pórtico.

Ya que la dirección de la carga de nieve es siempre descendente y una carga de succión es, por lo general y en este caso, ascendente, sería posible que dicha carga de viento de succión generara un momento máximo en la base del pilar mayor que el que producen las cargas de nieve junto con las cargas de viento de presión.

Traducido a combinaciones de cargas según el CTE:

0.8PP+0.8PM-1.5VS_b > 1.35PP+1.35PM+0.9VP+1.5N

Siendo VS_b la carga de viento de succión en flujo bloqueado.

En el ámbito de la normativa CTE, el momento producido por las fuerzas de viento de succión producen mayores momentos en la base del pilar de pórticos de marquesinas para aparcamientos que las fuerzas de viento de presión junto con las cargas de nieve, si la marquesina no permite el libre flujo de viento bajo su cubierta y siempre y cuando la carga de nieve sea baja.

Nuestra localización de referencia para el cálculo de marquesinas ha sido Sevilla que tiene la carga de nieve más baja de todo el territorio español. Si esta carga empieza a subir parar otros territorios, de nuevo la carga de viento de presión más la carga de nieve producirá momentos más altos que la carga de viento de succión. Pero, dónde está este límite.

Para calcularlo de manera cualitativa haremos los siguientes supuestos:

Asumiendo estas premisas podemos plantear la siguiente ecuación:

0.8PP+0.8PM-1.5VS_b = 1.35PP+1.35PM+0.9VP+1.5N

Despejando la carga nieve (N) tenemos:

N = - \Large \frac{0.55PP+0.55PM+0.9VP+1.5VS_b}{1.5}

Junto con las cargas descritas:

(*) Peso propio del pórtico que influye en el momento de la base del pilar.

Sustituyendo estos valores en nuestra expresión tenemos:

N = 3033 N

Cuando la carga por apoyo de correas es de 3033N las cargas de viento de presión más las cargas de nieve producen el mismo momento en la base del pilar que las fuerzas de viento de succión. Cuando las cargas de nieve son mayores que este valor las primeras producen la combinación de cargas más desfavorable sobre la estructura.

En nuestro post FEM Marquesinas. Elementos beam vs solid, calculamos que una presión de nieve 200N/m2 que dicta el CTE para la localización de Sevilla equivalen a 1000N de carga en cada uno de los 5 apoyos de cada correa en la viga del pórtico, por lo que esos 3033N equivalen a 607N/m2 presión. Llamaremos a este parámetro límite de nieve ( S_l ).

Esto nos dice que para localizaciones o ciudades en las que la presión de nieve ronda el valor de 0.607kN/m2 para una configuración bloqueada en marquesinas, el momento producido en la base del pilar por las cargas de viento en presión más las cargas de nieve son aproximadamente iguales a los producidos por las cargas de viento en succión. Si la presión de nieve es mayor a este valor, dicha carga de nieve más la carga de presión serán más desfavorable en el cálculo de la marquesina, si por el contrario es menor, las cargas de nieve de succión serán, en este caso, mas desfavorables.

De acuerdo con el CTE en España se tienen 7 zonas de nieve, pero se tienen datos de la presión a aplicar por capitales de provincias ya que la carga de nieve depende mucho de la altura de las estructuras sobre el nivel del mar, así, por ejemplo, la menor presión de nieve es de 0.2kN/m2 para las ciudades de Sevilla, Cádiz o Valencia y la mayor para León en 1.2kN/m2.

En el CTE se marcan, también, 3 zonas de velocidades de viento diferentes con valores de 26m/s en la zona A, 27m/s en la zona B y 29m/s en la zona C. La carga de viento se ve aumentada con el cuadrado de dicha velocidad, por lo que la carga de viento en la zona B es, a priori, 7.8% mayor que en la zona A, y un 24,4% en la zona C con respecto a la zona A. Por su parte, la carga de viento en la zona C es un 15,4% mayor que en la zona B.

Pasar de la zona A (Sevilla) a la zona C haría subir las cargas de viento de forma considerable, un 24,4%, pero subiría tanto para cargas de viento en presión, como para cargas de viento de succión, por lo que las cargas de viento de succión nunca serían tan importantes como para llevar a compensar las cargas de viento en presión junto con las cargas de nieve. La estructura del pórtico tendría que ser recalculada si se pasara a zona B o C porque las cargas de viento suben cuantitativamente de valor, pero no por un desajuste entre las cargas de viento de presión vs succión como pasa en marquesinas bloqueadas.

El límite de nieve ( S_l ) cambia para las 3 zonas de viento del CTE ya que las cargas de viento son diferentes para cada una de ellas.

Para cada una de las 3 zonas de viento tenemos:

La carga de nieve que, en estos casos, iguala los momentos producidos por la caga de viento de presión más la nieve con los producidos por los vientos de succión es la siguientes como se vio en párrafos anteriores:

N = - \Large \frac{0.55PP+0.55PM+0.9VP+1.5VS_b}{1.5}

Ya que la carga de viento de succión es más alta que la carga de viento de presión, al aumentarlas por el factor del cuadrado de la velocidad, las cargas de nieve deberán subir para compensar un momento mayor producido por la carga de viento en succión.

Estudiadas las cargas de viento y nieve, la influencia de estas cargas sobre el momento en la base del pilar, que define las dimensiones de los elementos que componen la marquesina, y como bloquear el flujo aumenta los valores de dicho momento, se puede establecer las relaciones entre las cargas viento y nieve que marca el CTE para definir los perfiles IPE de referencia con los que construir los pórticos de las marquesinas para cualquier ciudad del territorio español.

Así tenemos los perfiles IPE para marquesinas que permiten el flujo bajo su cubierta:

A continuación, se muestra la misma tabla para flujos bloqueados:

Si comparamos ambas tablas, a baja cargas de nieve donde no se supera el límite de nieve (parte izquierda de las tablas), los perfiles IPE que forman la estructura son más grandes en los flujos bloqueados debido principalmente a que la carga de viento de succión produce momentos en la base del pilar más altos. También vemos que un aumento de la carga de nieve no proporciona un aumento en los perfiles que forman la estructura. Una vez que se pasa el límite de nieve (Sl), alrededor de 0.6kN/m2, las cargas de viento de succión ya no intervienen en la combinación de cargas mas desfavorable, por lo que las cargas de presión de viento más la carga de nieve definen el diseño de los perfiles del pórtico y estas cargas son iguales tanto para el caso de flujo libre como para el de flujo bloqueado (parte derecha de las tablas).

Señalar que los valores de las tablas son aproximativos, la configuración final de los perfiles que conforman una marquesina debe diseñarse exclusivamente para el proyecto concreto en cuestión.

La siguiente tabla nos proporciona información sobre las ciudades del territorio español que tendrían la misma configuración de marquesina:

Una configuración diseñada para una ciudad definida en la tabla será la misma para las otras ciudades en su mismo cuadro.

Las marquesinas para automóviles con flujos de viento bloqueados deben ser estudiadas frente a los momentos que producen los vientos de succión ya que pueden ocasionar estados de cargas desfavorables en la estructura no considerados en el diseño que conduzcan a su colapso.

Las relaciones entre las cargas de viento y nieve para cada ciudad del territorio español definen la configuración de perfiles estructurales que formarían el pórtico de una marquesina instalada en esta ciudad, así como su equivalencia en otras ciudades con las mismas cargas de viento y nieve.

Por último, remarcar que el Código Técnico de la Edificación (CTE) es de obligado cumplimiento en el territorio español para la instalación de marquesinas, y cualquier otro edificio, para garantizar la seguridad de las personas. El no cumplimiento parcial o total del mismo, ante situaciones de colapso de la estructura, puede acarrear consecuencias devastadoras por responsabilidades civiles y/o penales sobre los gestores del proyecto.