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Metodología para el cálculo de las cargas de vientos que actúan sobre la estructura de un invernadero tipo túnel

tropicalizadoJosé Morales Leslie1,2, Joao Barzaga-Quesada 3

1 Departamento de Ingeniería Agrícola, Universidad de Granma, Cuba3 Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Granma, Cuba

ResumenEl presente trabajo presenta la propuesta de una metodología de cálculo de las cargas de viento a que están sometidos los diferentes elementos que componen la estructura de un invernadero del tipo túnel, adecuado a las condiciones del trópico, para lo cual se utilizan los diferentes coeficientes establecidos en la norma de viento cubana(NC:285-2003), usando para esto un modelo gráfico simplificado de la estructura del invernadero, pues la mayoría de los invernaderos están compuestos por estructuras modulares, las cuales se repiten en dependencia del área a cubrir. En el algoritmo se tiene en consideración la cubierta de la instalación. En caso de que se utilice malla se exponen en tablas los niveles de ventilación que presentan algunas de las mallas más utilizadas en dependencia de las exigencias fitosanitarias que se deseen obtener, por último se expresan las siguientes conclusiones: la geometría del invernadero y el tipo de cobertura influyen en la magnitud de las cargas de viento. Las cargas de viento constituyen un elemento fundamental en el análisis de la estabilidad de estructuras de invernaderos en condiciones del trópico; el cálculo de las cargas de viento crea las condiciones para la evaluación del comportamiento resistivo de la estructura mediante la aplicación de herramientas CAD.

Palabras clave: Carga de viento, Cuba, invernaderos, pórticos, trópico.

Abstract

This study deals with the proposal of a calculation methodology about the loads of wind which are subjected to different elements that compose the structure of a tunnel-type greenhouse suitable for the tropical conditions. Different coefficients are settled in the norm of Cuban wind (NC: 285-2003). Therefore, a simplified graphic model of the structure is used since most greenhouses are composed by modulating structures which are repeated depending on the area to cover. In the algorithm, the installation cover is taken into account.

Recibido 21 septiembre 2015; revisión aceptada 7 diciembre 2015

2Correspondiente al autor: jlesliem@udg.co.cu

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When wire netting is used, the ventilation levels are exposed in charts. The most common wire nettings are according to the demands in the control of plagues. In conclusion, the geometry of the greenhouse and the type of coverage influence in the magnitude of the wind loads; these loads constitute a fundamental element in the analysis of the stability of the greenhouses structures in tropical conditions. The calculation of the wind loads creates the conditions for the evaluation of the resistive behavior in the intervening structure through the implementation of tools CAD.

Keywords: Cuba, greenhouses, Load of wind, portico, tropic.

IntroducciónUn invernadero es un sistema productivo capaz de obtener cosechas fuera de la época normal en la que se producen al aire libre; su objetivo es condicionar los principales elementos del clima entre límites que estén de acuerdo con las exigencias fisiológicas del cultivo, de forma que el sistema resultante sea económicamente rentable.(García et al, 1999). Durante los últimos años se ha incrementado el establecimiento de ambientes protegidos para la producción de plántulas en bandejas o contenedores, esta tendencia ha sido causada, entre otros factores, por la elevación de los costos de producción de los cultivos (uso de semillas u otros insumos importados de elevado precio) y por la necesidad de producir plantas sanas y de buena calidad para ser llevadas al campo, lo que se logra por la facilidad para la desinfección de los sustratos utilizados, como por la separación del suelo como fuente potencial del inóculo (Ramírez, 2007).

No obstante, estudios realizados en países tropicales han demostrado que la adopción y desarrollo de esta tecnología ha presentado algunas limitantes: en primer lugar, la mayoría de los productores carecen del conocimiento sobre manejo del cultivo y comportamiento de las plagas y enfermedades en el sistema,

lo que cobra mayor relevancia si se considera que el conocimiento es la base fundamental para la innovación que nos puede llevar a una mejora de la productividad, rentabilidad y sostenibilidad; en segundo lugar, los diseños de las estructuras no se han adaptado a las condiciones climáticas tropicales y socio-económicas de los productores (Berdegué et al. 2007).

El diseño del invernadero constituye el factor más importante para obtener buenos resultados agronómicos, ya que el diseño y la posterior construcción del invernadero proyectado deberán dirigirse para conseguir los objetivos del cultivo, definidos por la precocidad de la cosecha, el aumento de la producción, y, por último, la calidad del producto final, capaz de competir no solo en el mercado interior, sino en el extranjero.

Las dificultades en el diseño pueden ocasionar problemas de sanidad vegetal, altas temperaturas que reducen la productividad y calidad de los frutos, la humedad relativa que aumenta la presencia de hongos reduciendo la calidad, productividad y aumento de los costos.

El viento es importante para el diseño estructural de invernadero destinados a áreas tropicales; en la mayoría es significativa la

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presencia de fenómenos meteorológicos, como los ciclones tropicales y tormentas locales severas, las que pueden desarrollar vientos cuyas velocidades pueden superar los 120 km/h, teniendo efectos devastadores.

La dirección del viento predominante en cada zona es determinante en el diseño del invernadero y determinará, además, la actuación sobre las ventanas. Con el objetivo de proteger la estructura del invernadero, este debe situarse en aquella dirección que evite ser dañado por el viento (Morales 2008). La carga de viento sobre edificios y obras debe determinarse como la suma de los componentes estáticos y dinámicos. El componente estático de la carga de viento es el que corresponde al valor medio de la velocidad del viento, el cual es determinado con un intervalo de recurrencia y tiempo de promedio dado, el cual es fijado a partir de estudios estadísticos de la variable extrema considerada (Jiménez, D. 2012; Instituto Nacional de la Infraestructura, 2014).

Para el análisis del efecto del viento sobre la estructura de un invernadero se harán algunas suposiciones:

Sobre un cuerpo fijo, que está sometido a la acción del viento, no puede producirse ninguna fuerza de inercia del cuerpo, este solo experimenta una acción del viento, que trata de arrastrarlo en su dirección, exactamente igual a la resistencia del aire que sufriría si se moviera con la misma velocidad del viento, y en sentido contrario dentro del aire en calma. La resistencia al aire de ese cuerpo dependerá, por tanto, de la forma exterior del cuerpo y sus proporciones y es independiente del peso que tenga.

La acción fundamental del viento es en el eje horizontal, paralelo a la tierra,

por lo que se supone que la carga del viento actúa perpendicular a las superficies verticales.

Atendiendo a lo anteriormente expresado se hace necesaria una metodología, que permita determinar la magnitud de las cargas de vientos, que actúan sobre cada elemento estructural que componen el invernadero.

MetodologíaPara el diseño de la presente metodología se partió de la determinación de la carga básica (q10) sobre una superficie normal, luego se determina la carga unitaria característica total (carga de viento).Se tiene en consideración cómo influye la carga de viento sobre cada elemento de la estructura y su interrelación con otros factores que se seleccionaron de la norma cubana antes mencionada, como es el caso del terreno, la geometría del invernadero, la cubierta, entre otros componentes, los cuales podrán observarse en la metodología propuesta.

La metodología se concibe para el cálculo de la carga de viento que actúa sobre cada elemento y que puede alterar la estabilidad de la estructura en su conjunto, creando las condiciones para la aplicación de programas y así determinar el comportamiento resistivo de la estructura del invernadero, ante la acción de vientos fuertes provocados por fenómenos meteorológicos, característicos del trópico. Es significativo plantear que la estructura que se toma como objeto de estudio es la de un invernadero fabricado por IMA-MSC y que está muy extendido en Cuba.

DesarrolloCálculo de las cargas de viento que actúan sobre los elementos componentes de la estructura, suponiendo en primera instancia que el viento actúa sobre el lateral del

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invernadero, según se muestra en el modelo estructural simplificado (Figura 1).

Figura 1.Modelo estructural simplificado del invernadero.

Con el propósito de simplificar el proceso de cálculo de las cargas, se determinarán solo para los elementos estructurales que integran el túnel sobre el que actúa el viento por el lateral, pues se comprende que si la estructura de este permanece estable el resto de las naves o túneles que están unidos al primero no sufrirán inestabilidad alguna.

La determinación de la carga de viento (carga unitaria característica total) que actúa sobre cada elemento se efectúa considerando lo establecido en la norma cubana para el cálculo de la carga de viento (NC 285: 2003), que plantea la expresión siguiente:

V10: Velocidad característica del viento para un período básico de recurrencia y a una altura de 10 m sobre el terreno, (m s-1),

1,6: Factor empírico

El coeficiente de recurrencia Ct correspondiente a un tiempo de recurrencia de 50 años es 1,00.

Cs: Coeficiente de sitio.

Tabla1. Coeficiente de sitio: Fuente NC: 285-2003

Topografía Coeficiente de Sitio

Sitio normal 1.00

Sitio expuesto 1.10

Terreno Tipo A: Son terrenos abiertos (llanuras, costas, orillas de lagunas, presas, etc). También en terrenos con obstáculos y edificaciones que no superen los 10 m de altura.

Terreno Tipo B: Terrenos cubiertos con obstáculos y edificaciones que superen los 10m de altura.

Terreno Tipo C: Estos son los centros de grandes ciudades, en los que al menos el 50 % de las edificaciones tengan una altura superior a los 22 m o más.

Ch: Coeficiente de altura.Tabla 2. Coeficiente de altura: Fuente NC: 285-2003.

Tipo de

terreno

Altura ( m)

0 a5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

A 0,80 1,00 1,25 1,42 1,56 1,67 1,77 1,86 1,95 2,02 2,09

B 0,48 0,65 0,88 1,05 1,20 1,32 1,43 1,53 1,62 1,71 1,79

C 0,19 0,30 0,47 0,62 0,75 0,87 0,98 1,08 1,18 1,28 1,49

Cr: Coeficiente de ráfaga.Tabla 3.Coeficiente de ráfaga: Fuente NC: 285-2003.

Tipo de

terreno

Altura ( m)

<10 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

A 1.22 1.18 1.14 1.12 1.1 1.09 1.08 1.07 1.06 1.06 1,05

B 1.46 1.36 1.28 1.24 1.21 1.18 1.17 1.15 1.14 1.13 1.12

C 1.9 1.72 1.54 1.44 1.38 1.32 1.3 1.27 1.24 1.22 1.21

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Cra:El coeficiente de reducción, se determina de acuerdo a la figura siguiente.

Figura 2. Coeficiente de reducción por área expuesta: Fuente NC: 285-2003.

Cf: Coeficiente de forma, se tomará según la figura que se muestra.

Figura 3. Coeficiente de forma por área expuesta.

Una vez conocida la forma en que se determinan los coeficientes se puede proceder de la siguiente manera:

1. Determinación de la carga de viento que actúa sobre el lateral del invernadero.

qL = q10 x Ct x Cs x Ch x Cra x Cf

El coeficiente de forma para el lateral que se analiza es Cf=0,8

Si el lateral está cubierto por malla, será necesario disminuir el valor de qL según el porciento de ventilación de la malla.

Tabla 4. Características Malla Mosquitera. Fuente: catálogo de muestras IMA – MSC (2005).

Urdimbre x trama (por cm.) Hilo % de ventilación

6 x 4

0.3

67.5

6 x 6 67.2

9 x 6 59.9

10 x 10 49

Tabla 5. Características Malla Anti-Insectos/Antitrips. Fuente: catálogo de muestras IMA – MSC, (2005).

Urdimbre x trama (por cm.) Hilo % de ventilación

15 x 10 0,25 46,8

16 x 16 0,22 41,9

20 x 10 0,22 43,7

14x10 0,22 53,9

2. Determinación de la carga de viento que actúa sobre los pilares laterales de los pórticos intermedios.

Para determinar la carga de viento a la cual van a estar sometidos los pilares laterales de los pórticos intermedios, se debe tener en cuenta la distancia entre dos pilares consecutivos.

La carga de viento que actúa sobre cada pilar lateral intermedio es:

qpc = qL x Li (kN. m-1)

Siendo:

qpc: Carga de viento que actúa sobre los pilares laterales intermedios.

Li: Distancia sobre la que actúa la carga que tributa a los pilares intermedios (m), equivale a la distancia entre cada pilar.

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Figura 4. Ubicacion de los pilares laterales intermedios.

3. Determinación de la carga de viento que actúa sobre los pilares laterales de los pórticos extremos.

Para el caso de los pórticos que se encuentran en los extremos de la estructura la carga de viento a la que estarán sometidos los pilares laterales será de:

qpex = q xLpex

Dónde:

qpex: Carga de viento que actúa sobre los pilares laterales de los pórticos extremos, kN m-1.

Lpex: Distancia sobre la que actúa la carga que tributa a los pilares laterales de los pórticos extremos, esta equivale a la mitad de la distancia Li (m).

Figura 5. Pilares laterales de los pórticos extremos.

4. Determinación de la carga de viento que actúa sobre el plástico que se encuentra sobre los Arcos Superiores.

Los plásticos de cobertura reciben la carga y la transmiten a los elementos estructurales

Determinación del coeficiente de forma C1.Tabla 6. Tabla para la determinación del coeficiente de forma C1= C2=Cf. Fuente NC: 285-2003.

H/L

0 0,5 1 2

C1

0 0 -0,6 -0,7 -0,8

20 +0,2 -0,4 -0,7 -0,8

40 +0,4 +0,3 -0,2 -0,4

60 +0,8 +0,8 +0,8 +0,8

qax = q10 x Ct x Cs x Ch x Cr x Cra x Cf

Figura 6- Localización de los arcos superiores.

5. Determinación de la carga de viento que actúa sobre cada uno de los arcos superiores intermedios.

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Figura 7. Arcos superiores intermedios

qcai = qas x Las

Siendo:

qcai : Carga de viento que actúa sobre cada arco superior intermedio, kN m-1.

Las : Distancia sobre la que actúa la carga que tributa sobre los arcos intermedios, esta distancia equivale a la distancia entre dos pórticos consecutivos (m).

6. Determinación de la carga de viento que actúa sobre cada uno de los arcos superiores de los pórticos extremos.

Figura 8. Arcos superiores de los pórticos extremos

qcai : Carga de viento que actúa sobre cada arco superior de los pórticos extremos, kN m-1.

Las : Distancia sobre la que actúa la carga que tributa sobre el arco superior del pórtico extremo, es la distancia entredós pórticos consecutivos dividido entre dos.

7. Determinación de la carga de viento que actúa sobre los arcos inferiores.

La carga de viento en este caso actúa directamente sobre los arcos y no es transmitida por el plástico, debido a que es la carga que se encuentra en el interior del invernadero.

El coeficiente de forma que corresponde a este caso es Cf= 0,7 por lo que

qai = qi x Sai x Cf

Siendo:

qai : Carga de viento que actúa sobre cada arco inferior, kN m-1.

Sai : Ancho del arco inferior.

Figura 9. Arcos inferiores.

8. Determinación de la carga de viento que actúa sobre cada pilar central.

El coeficiente de forma para este elemento es Cf = 0,7 por lo tanto:

qpcs = qi x Spcs x Cf

Dónde:

qpcs : Carga de viento que actúa sobre cada pilar central superior.

Spcs : Ancho del pilar central superior.

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Figura 10. Ubicación de los pilares centrales.

Determinación de las cargas de viento frontal.

Se determinarán las cargas de viento suponiendo que estas actúan por el frente del invernadero según se muestra en la figura.

Figura 11. Modelo estructural simplificado, viento en dirección frontal.

Si en el frente es utilizado como cubierta malla, el valor de q_F deberá afectarse por el porciento de ventilación de la misma.

1. Determinación de la carga actuante sobre el frente del invernadero.

qF = q10 x Ct x Cs x Ch x Cr x Cra x Cf

2. Determinación de la carga de viento que actúa sobre los pilares laterales.

qplFD = qF x LD

Siendo:

qplFD : Carga de viento actuante sobre cada pilar lateral, kN m-1.

LD: Distancia sobre la que actúa la carga que tributa al pilar lateral, m.

Es importante significar que esta distancia será la mitad de la distancia existente entre el pilar frontal II y el pilar lateral.

Figura 12. Ubicación de los pilares laterales.

3. Determinación de la carga de viento actuante sobre los pilares frontales II.

qpF = qF x LF

Dónde:

qpF : Carga de viento actuante sobre cada uno de los pilares frontales II kN m-1.

LF : Distancia sobre la que actúa la carga que tributa al pilar frontal II (ver vista B) m.

Figura 13. Pilares frontales.

4. Determinación de la carga de viento actuante sobre los pilares centrales.

qpCF = qF x LC

Siendo:

qpCF : Carga actuante sobre los pilares centrales, kN m-1

LC : Distancia sobre la que actúa la carga que tributa al pilar central, m.

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Figura 14. Ubicación de los pilares Centrales.

5. Determinación de la carga viento actuante sobre los pilares frontales I (ver vista B).

qpFI = qF x LFI

Siendo:

qpFI : Carga de viento que actúa sobre cada pilar frontal I, kN m-1.

LFI : Distancia sobre la que actúa la carga que tributa al pilar frontal I (Vista B).

Figura 15. Ubicación de los pilares frontales.

6. Determinación de la carga de viento actuante sobre el pilar canal.

qpCF = qF x LCF

Dónde:

qpCF : Carga de viento que actúa sobre el pilar canal, kN m-1.

LCF : Distancia sobre la que actúa la carga que tributa al pilar canal (ver vista B).

Figura 16. Ubicación de los pilares frontales.

ConclusionesLa geometría del invernadero y el tipo de cobertura influyen en la magnitud de las cargas de viento. Las cargas de viento constituyen un elemento fundamental en el análisis de la estabilidad de estructuras de invernaderos en condiciones del trópico. El cálculo de las cargas de viento crea las condiciones para la evaluación del comportamiento resistivo de la estructura mediante la aplicación de herramientas CAD.

Literatura citadaBerdegué, J., Ocampo, A. y Escobar, G. (2007).

Sistematización de experiencias locales de desarrollo rural. Guía metodológica. Chile: Fidamerica y Preval.

García, J., Navas, L., Benavente, Luna, L., y Muñoz, M. (1999). Diferentes tipos de invernaderos. Vida Rural, 88, 44-47. Recuperado de http://www.magrama.gob.es/ministerio/pags/Biblioteca/Revistas/pdf_vrural%2FVrural_1999_88_44_47.pdf

Instituto Nacional de la Infraestructura. (2014) Normas y especificaciones para estudios, proyectos, construcción e instalaciones. México: SEP. Recuperado de http://www.inifed.gob.mx/doc/normateca/tec/2015/Vol3/Tomo2_Accesibilidad.pdf

Jiménez, D., (2012) Aerotecnia. Estructuras. Disponible en: http://eherrera.aero.upm.es/obra/aerotec. [Accesado el 4 de mayo 2012].

Morales, J. F. (2008). Climatización de Invernaderos para hortícolas en las condiciones medioambientales de Cuba. (Tesis Doctoral) Universidad Politécnica de Madrid. Madrid.

Ramírez, H. (2007). La producción de plántulas de hortalizas en bandejas y ambientes protegidos. Curso de Producción de Hortalizas en Ambientes de Protegidos.

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