Cómo calcular la estructura de una estantería de paletización convencional

25/05/2016

¿Qué fuerzas debemos tener en cuenta a la hora de proyectar una estantería metálica para palets? ¿Cómo comprobamos que la estructura será válida para soportar todas las cargas según la norma EN 15512:2009? Estas y otras cuestiones son las que deben tenerse en cuenta en el diseño de este tipo de estanterías, con el objetivo de garantizar su estabilidad y resistencia y, en consecuencia, la seguridad general de las instalaciones.

La norma EN 15512 es de ámbito europeo y, según su definición, especifica los requisitos de diseño estructural aplicables a las estanterías de paletización convencional (rack selectivo) fabricadas a partir de componentes de acero, destinadas a almacenar unidades de carga paletizada y sujetas a cargas esencialmente estáticas.

Se ha convertido en la referencia principal en esta materia y proporciona la información técnica adicional requerida para la aplicación de los Eurocódigos. Además, los diseñadores también deben tener en cuenta las normas EN 15620, EN15629 y EN 15635, como guías para la especificación del sistema de almacenaje, las tolerancias requeridas en el montaje y el funcionamiento seguro de la instalación.

Por su parte, las estanterías convencionales para carga paletizada son estructuras metálicas, formadas generalmente por elementos realizados en chapa fina de acero y conformados en frío. Son capaces de soportar grandes cargas, si bien la instalación se diseña para ser lo más ligera posible; por lo que rara vez el peso propio de la estantería supera el 5% de la carga almacenada en instalaciones en interior de nave.

Por otro lado, es imprescindible que este tipo de instalaciones para carga paletizada sean absolutamente versátiles, para poder adaptarse a diferentes tipos de carga. Para ello, es necesario que las conexiones entre los elementos principales de la estructura sean graduables y de ensamblaje fácil y rápido.

Los puntales de estas estructuras suelen presentar perforaciones a lo largo de todo el perfil, mientras que los largueros incluyen conectores provistos de enganches que encajan en las perforaciones de esos puntales.

Componentes estructurales básicos

Bastidores: elementos verticales compuestos por dos puntales unidos por diagonales y travesaños formando una celosía.

Puntales: suelen ser componentes perfilados en frío, de chapa fina, con sección abierta y continuamente perforados, lo que los hace proclives a tener formas de pandeo de tipo distorsional y torsional.

Largueros: elementos horizontales que soportan la carga de los palets. Suelen estar perfilados en frío y llevan en sus extremos conectores para su fijación a los puntales de los bastidores.

Conectores: piezas soldadas en los extremos de los largueros para su fijación a los puntales. Están provistos de enganches que encajan en las perforaciones de los puntales.

Tipos de cálculo: global e individual

El cálculo se realiza en dos etapas:

1. Análisis global de la estructura

Normalmente suelen usarse modelos filiformes en dos dimensiones (2D) con cálculos de segundo orden por el método delos elementos finitos. En algunos tipos de instalaciones también es frecuente hacerlos cálculos mediante modelos en 3D de acuerdo con la EN 1993-1-1.Este análisis debe incorporar la modelización del comportamiento real de la conexión entre puntal-larguero y puntal-suelo.

2. Comprobación de los elementos individualmente

Una vez realizado el análisis global, se procede a comprobar la bondad del diseño verificando las deformaciones y las tensiones delos elementos que componen la estantería. Básicamente, se comprueban los siguientes puntos:

- Estabilidad global de la instalación.

- Estado tensional de los bastidores: puntales y diagonales.

- Placas base: presión sobre la losa y los anclajes.

- Largueros: deformación y estado tensional.

- Conectores.

Análisis global: modelo estructural

Para el análisis global es habitual considerar dos estructuras bidimensionales (2D) en planos verticales paralelos y perpendiculares respectivamente a los pasillos de almacenamiento. En el modelo de cálculo, han de observarse los siguientes requerimientos:

Análisis global

• Modelo filiforme.

• Líneas de sistema a través del centro de gravedad (CdG) de la sección bruta o también a través del CdG de la sección efectiva.

• Términos de sección correspondientes a la sección bruta de los elementos (o también de la sección efectiva).

En este análisis se trata de obtener:

- Las solicitaciones sobre los diferentes elementos para su comprobación posterior, combinando los cálculos longitudinal y transversal.

- Comprobación de la estabilidad global de la instalación.

Comprende dos tipos de análisis:

- Análisis en sentido longitudinal (down aisle): análisis en 2D en un plano vertical paralelo a los pasillos de carga. Este análisis también contempla las conexiones semirrígidas de las uniones puntal larguero y puntal-suelo, obtenidas de ensayos.

- Análisis en sentido transversal (cross aisle): análisis en 2D en un plano vertical perpendicular a los pasillos de carga. Generalmente contempla la unión puntal-suelo articulada. En ambos casos, la imperfección global puede ser modelizada como:

- Inclinación de los puntales acordes a la imperfección.

- Fuerzas horizontales a la altura de los niveles de carga correspondientes a la imperfección.

Tipo de análisis según la clasificación de la estructura

Esta clasificación está basada en la relación de la carga de diseño (carga prevista)con respecto a la carga crítica de la estructura. Según el coeficiente obtenido por esta relación se determinará la necesidad de realizar un cálculo de segundo orden.

Análisis individual: comprobación de elementos

En la comprobación de los diferentes elementos que componen la estructura deberán tenerse en cuenta, entre otros, los siguientes conceptos:

Puntales, bastidores y placas de anclaje

- Los puntales trabajan fundamentalmente a compresión y flexión.

- Utilización del factor de reducción por pandeo (pchi), obtenido mediante ensayos en laboratorio o mediante fórmulas teóricas.

- Se tendrán en cuenta las solicitaciones obtenidas de los cálculos longitudinales y transversales conjuntamente.

- Esfuerzo axil en las diagonales del bastidor.

- Esfuerzo axil y momento en el pie de los puntales.

- Esfuerzo axil y cortante en los anclajes de fijación a la losa.

Largueros y conectores

- Trabajan fundamentalmente con esfuerzos de flexión y cortantes.

- La deformación (flecha) queda limitada a un máximo de L/200. Ocasionalmente, para ciertas instalaciones se requieren flechas con valores más reducidos.

- Consideración de las fuerzas horizontales de emplazamiento.

- Verificación del esfuerzo cortante y flector en la grapa.

Bloques de arriostrado, arriostrado vertical y horizontal y distanciadores

- Las diagonales de arriostrado trabajan exclusivamente a esfuerzo axil.

- Verificación del esfuerzo cortante y flector en los elementos que conectan las diagonales del arriostrado vertical a los bastidores (distanciadores de arriostrado).

- Las acciones del arriostrado incrementan los esfuerzos en los puntales y largueros que forman parte del bloque de arriostrado o son contiguos a él.

- La excentricidad de las acciones del arriostrado vertical con respecto a los bastidores requiere un estudio del comportamiento a torsión de los elementos que forman parte del bloque de arriostrado, así como del conjunto de la estantería.

Acciones

Hay distintos tipos de acciones que pueden afectar a la resistencia y estabilidad de las estanterías, por lo que también será necesario contemplarlas a la hora de realizar una instalación de este tipo. Las acciones sobre las estanterías se clasifican en varios grupos:

Acciones permanentes

- Peso de la estantería.

- Cargas permanentes y equipos diversos soportados por la estantería.

Acciones variables

- Peso de los palets.

- Peso y acciones debidas a cargas móviles sobre plataformas y pasarelas.

- Acciones debidas al emplazamiento delos palets (verticales + horizontales).

- Acciones sobre perfiles de posicionamiento.

- Acciones debidas al guiado del equipo de almacenamiento.

- Acciones debidas a las imperfecciones de los elementos y montaje.

- Otras acciones derivadas de reglamentaciones nacionales (viento, nieve, etc.).

- El peso de los palets junto con la imperfección global se considera como una sola acción que a su vez es la más relevante (desfavorable).

Acciones accidentales

- Impacto de carretilla.

- Acciones sobre perfiles de seguridad.

- Acciones sísmicas.

Estados de carga y combinación de acciones

Se considera adecuado y suficiente estudiarlos dos estados de carga indicados a continuación, considerando las siguientes acciones o casos de carga:

• Acciones permanentes + la más desfavorable acción variable.

• Acciones permanentes + 0,9 x (la totalidad de las acciones variables).

• Acciones permanentes + variables +accidentales.

Estado Límite de Servicio (ELS)

En cada uno de los casos de carga se estudian las deformaciones de los elementos de la estructura sometidos a las correspondientes acciones sin ponderar (cargas nominales):

• Comprobación de la estabilidad global de la estructura.

• Comprobación de las flechas de los largueros.

Estado Límite Último (ELU)

En cada uno de los casos de carga se estudia el estado tensional de los elementos sometidos a las correspondientes acciones ponderadas (afectadas por los factores de seguridad). En las fórmulas de comprobación de los elementos debe considerarse la combinación de los esfuerzos (longitudinal+ transversal).

Igualmente, es necesario tener en cuenta la incertidumbre en relación a las distintas acciones que pueden afectar a las estanterías (expuestas en el punto anterior). Para ello, se han de considerar unos coeficientes de seguridad establecidos, tanto para el coeficiente de carga para como el de material, y que pueden oscilar entre 1,0y 1,5.

Algunos países disponen de legislación nacional específica, que obliga a utilizar mayores coeficientes de ponderación en las instalaciones que se montan en su territorio (desviaciones A).

Excentricidades

Cuando el diseño y/o la manipulación del sistema de almacenaje permite que los palets puedan quedar descentrados de forma sistemática, el incremento de carga que provoca este descentramiento en largueros y puntales también deberá tenerse en cuenta en el diseño de la estructura.

Igualmente, deben observarse las excentricidades de las líneas del sistema estructural, en el caso de que éstas se consideren excesivas.

Excentricidades en el posicionado de los palets

- Posición asimétrica de los palets con respecto a los largueros.

- Carga no uniformemente repartida sobre el palet.

- Desbordamiento de la carga con respecto al palet.

Excentricidades de las diagonales de arriostrado vertical

Aunque físicamente las diagonales del arriostrado vertical no están conectadas a la estantería en los nudos que forman las líneas neutras de los puntales y los largueros, en los cálculos en 2D las diagonales se pueden considerar fijadas a estos nudos, siempre que las excentricidades de las mismas se mantengan por debajo de determinados valores en función del ancho del puntal y el canto de los largueros. Lo mismo ocurre con las diagonales de los bastidores.

Conclusión: seguridad de la instalación y responsabilidades

Por último, resaltar que en gran parte de los incidentes que suceden en las instalaciones de paletización interviene el factor humano y son causados fundamentalmente por roces o impactos de las carretillas sobre la estantería.

Por otro lado, estos impactos pueden representar acciones sobre las estanterías muy superiores a las que se consideran en la norma EN15512.Así pues, no solo es necesario realizar un buen diseño y análisis estructural de la instalación por parte del fabricante, sino también hacer un buen uso de la misma, de forma que las acciones sobre la estantería no sobrepasen las consideradas en el cálculo estructural de la instalación, que es fruto de la experiencia de muchos años y de estudios y ensayos realizados por la FEM (Federación Europea de Manutención) y otros organismos.

Es imprescindible tener presente:

EN15620. Almacenaje en estanterías metálicas. Tolerancias, deformaciones y holguras.

- Planeidad de la losa y su deformación bajo carga.

- Holguras entre palets y entre palet y estantería.

- Holguras entre estantería y obra civil.

- Anchura de pasillos acorde con la unidad de carga, el tipo de carretilla, así como el número de ubicaciones de palets por hora.

EN15629. Almacenaje en estanterías metálicas. Especificación de los equipos de almacenaje.

Responsabilidades individuales de los diferentes suministradores de los sistemas que componen el equipo de almacenamiento.

EN15635. Almacenaje en estanterías metálicas. Uso y mantenimiento delos equipos de almacenaje.

- Designación de una persona responsable de la seguridad del equipo de almacenamiento.

- Placa de características.

- Formación y entrenamiento del personal de almacén.

- Daños en las estanterías y evaluación del nivel del daño.

- Inspecciones periódicas.

Software para el cálculo estructural de las estanterías

Actualmente, todos los análisis mencionados a lo largo de este artículo se llevan a cabo mediante programas de cálculo informatizados. Mecalux ha aplicado su dilatada experiencia en el diseño, fabricación e instalación de sistemas de almacenaje al desarrollo de un potente software de diseño, capaz de encontrar la mejor opción de distribución de cada almacén, las dimensiones de las estructuras de almacenaje y los perfiles más idóneos. De este modo, se obtiene una optimización de la capacidad y coste del almacén, con la máxima seguridad.