Tema especial sobre acciones térmicas, juntas de expansión y detalles para la liberación controlada del movimiento en naves industriales de acero

— Los edificios largos no se tratan simplemente de «añadir una junta más», sino de establecer una trayectoria de deformación controlada

Resumen: Este artículo se centra en los problemas de expansión y contracción en naves industriales de estructura metálica largas sometidas a variaciones estacionales de temperatura, radiación solar y temperatura de bloqueo durante la construcción. Se analiza la disposición de puntos fijos y zonas de liberación, la distinción entre el movimiento térmico libre y las fuerzas adicionales provocadas por restricciones, las juntas de dilatación estructurales y los detalles constructivos de cerramientos y redes de instalaciones (MEP) en correspondencia con dichas juntas, así como la aceptación in situ de la capacidad residual de movimiento de las conexiones deslizantes. En lugar de aplicar una regla simplificada según la cual «debe preverse una junta una vez superada cierta longitud», el artículo sigue la lógica del campo térmico–restricción–trayectoria de deformación y propone un método de diseño específico para cada proyecto, que puede calcularse, construirse y verificarse.

1. La acción térmica es, ante todo, un «problema de condiciones de contorno», no un «problema de límite de longitud»

La acción térmica en el diseño de almacenes de acero suele discutirse únicamente después de las acciones del viento, la nieve y los sismos, y a veces se simplifica hasta la idea de que «debe preverse una junta de dilatación tan pronto como el edificio alcance una longitud suficiente». Este enfoque puede convertir fácilmente un problema de respuesta estructural en un mero problema de detalle arquitectónico. En el caso de almacenes, centros logísticos, edificios de producción y edificios de pórticos continuos de múltiples tramos con grandes dimensiones longitudinales, las preguntas reales no son «cada cuántos metros se requiere una junta», sino más bien: ¿dónde está previsto que se desplace la estructura al calentarse o enfriarse?; ¿en qué ubicaciones se permite liberar dicho desplazamiento?; ¿qué elementos lo restringen?; y ¿pueden el cerramiento, las cimentaciones, los equipos y las tuberías seguir siendo compatibles con la estructura principal?

El acero se expande al calentarse y se contrae al enfriarse. La información técnica emitida por el Centro Común de Investigación (JRC) de la Comisión Europea, basada en la norma EN 1991-1-5, indica un coeficiente de expansión térmica lineal para acero estructural de aproximadamente 12 × 10⁻⁶/°C. Si se utiliza la deformación térmica libre como estimación, una estructura de acero de 100 m de longitud sometida a un cambio de temperatura global de 40 °C experimentaría un desplazamiento libre teórico de aproximadamente 48 mm. Esta cifra no implica que deba preverse una junta de 48 mm de ancho, ya que los edificios reales están afectados por la rigidez de las bases de las columnas, los sistemas de arriostramiento, la restricción ejercida por las chapas del tejado, las temperaturas no uniformes en los elementos estructurales, la temperatura inicial durante la construcción y otros factores. Sin embargo, sí demuestra claramente que hacer que todas las conexiones sean «totalmente inmóviles» no elimina la deformación térmica; simplemente transforma dicho movimiento en fuerzas internas adicionales, deformaciones locales o fallos del sistema de cerramiento.

Los ingenieros suelen preguntar: ¿a partir de qué longitud debe dotarse un almacén de acero con una junta de dilatación? Una vez que se eliminan del planteamiento las condiciones específicas del proyecto, no existe una única respuesta aplicable a todos los países, climas y sistemas estructurales. La longitud del edificio es solo un factor. El diseño también debe considerar los límites locales de temperatura, la radiación solar, si el interior está controlado térmicamente, la disposición estructural principal, la configuración de las bases de las columnas, la ubicación de los arriostramientos longitudinales, los materiales del techo y las paredes, la continuidad de los equipos y servicios, y la restricción ejercida por la cimentación. Dos almacenes de 120 m de longitud pueden experimentar acciones térmicas muy distintas si uno es un edificio sin calefacción en una región fría y el otro es un almacén logístico con control térmico en un clima templado.

2. Decidir primero «dónde está previsto que se desplace la estructura», y luego analizar las juntas de dilatación

EN 1991-1-5 trata las acciones térmicas como una categoría independiente de acciones estructurales y distingue entre el componente de temperatura uniforme, los gradientes de temperatura y las diferencias de temperatura entre distintos elementos estructurales. En edificios de tipo almacén, los efectos más comunes son el aumento o descenso uniforme de la temperatura que afecta a toda la estructura, y las diferencias de temperatura entre la cubierta, las paredes exteriores y los elementos interiores causadas por la radiación solar. En cubiertas metálicas de color oscuro, la temperatura de los elementos también se ve influida por la radiación solar y la absortividad superficial; por lo tanto, la «temperatura máxima local del aire» no puede equipararse mecánicamente a la «temperatura máxima del elemento de acero».

Los almacenes largos suelen contener varias bahías o zonas de estabilidad longitudinal. El principio clave de diseño consiste en evitar múltiples restricciones rígidas que actúen unas contra otras. Si el sistema de arriostramiento longitudinal forma restricciones fijas rígidas en ambos extremos del edificio, mientras que los elementos intermedios permanecen conectados de forma continua, la estructura tiende a alargarse durante el calentamiento, pero no dispone de una dirección de liberación claramente definida. Como consecuencia, las fuerzas térmicas se acumulan en las columnas, los arriostramientos, las bases de las columnas y las conexiones. Un enfoque más claro consiste en establecer el concepto de «zona fija–zona de liberación»: la zona fija proporciona la posición de referencia longitudinal y transfiere las fuerzas horizontales, mientras que la zona de liberación permite que los movimientos inducidos por la temperatura se absorban progresivamente. «Liberación» no significa una conexión floja; significa crear una trayectoria de movimiento predecible mediante la disposición de los arriostramientos, detalles deslizantes, agujeros alargados, conexiones deformables o sistemas estructurales segmentados.

3. El movimiento térmico libre es solo el primer paso; los efectos adicionales inducidos por la restricción constituyen el principal problema de diseño

El movimiento térmico libre puede estimarse preliminarmente mediante ΔL = αLΔT. Esta ecuación resulta útil para comprender el orden de magnitud del desplazamiento, pero no debe sustituir al análisis estructural. La respuesta térmica real de una estructura de acero depende de la rigidez de la restricción: donde un elemento puede dilatarse libremente, la respuesta es principalmente desplazamiento; donde está fuertemente restringido, la deformación térmica se convierte en fuerza axial; y los edificios reales suelen encontrarse en una condición intermedia entre estos dos extremos. ASCE/SEI 7-22 incluye los efectos de la temperatura, la retracción y efectos similares dentro del marco de diseño para fuerzas y efectos autoinducidos, y sus disposiciones relativas a la aptitud para el servicio exigen que los cambios dimensionales provocados por la variación de temperatura y efectos similares no afecten la funcionalidad estructural.

El diseño basado en efectos térmicos debe considerar, por tanto, al menos tres niveles de forma simultánea. Primero, la estructura principal: las líneas de pilares longitudinales, los arriostramientos longitudinales, los elementos de unión, los arriostramientos horizontales del tejado y las bases de los pilares determinan conjuntamente la condición global de restricción; además, los apoyos y liberaciones del modelo analítico deben coincidir con los detalles reales de la ejecución. Segundo, las uniones: si el objetivo del diseño es permitir movimientos, deben definirse claramente la dirección de deslizamiento, la geometría de los taladros, las dimensiones de las placas o arandelas, el comportamiento de los tornillos y la posición inicial de instalación; no se puede lograr el movimiento mediante instrucciones informales como «no apretar demasiado los tornillos». Tercero, los elementos no estructurales: los paneles de fachada, los paneles de cubierta, las puertas y ventanas, las canalones, las lucernarios y los soportes para tuberías deben coordinarse todos con los movimientos de la estructura principal. Superar el cálculo estructural no implica que los detalles de cerramiento sean automáticamente seguros.

4. La dificultad en el diseño de juntas de expansión no radica en «dejar un hueco», sino en mantener la funcionalidad en ambos lados de la junta

En los almacenes de pórtico de múltiples tramos, donde se prevé una junta estructural de expansión, las estructuras situadas a ambos lados de dicha junta deben formar, por lo general, unidades estructurales relativamente independientes. No basta con simplemente cortar las chapas del techo mientras se mantienen rígidamente continuos los entramados principales de acero. Por el contrario, incluso cuando el análisis estructural demuestra que la estructura principal puede construirse sin una junta estructural de expansión, sigue siendo necesario considerar la dilatación y contracción térmicas del sistema de cerramiento. Las chapas del techo, las chapas de fachada, las cenefas de alero, las canalones y las lucernarios suelen ser más delgados y más sensibles que el entramado principal de acero. El hecho de que una estructura principal «pase el cálculo» no implica que el sistema de cerramiento no vaya a sufrir primero grietas, abolladuras, ondulaciones (oil-canning) o cargas repetidas en los orificios de los fijadores.

Un detalle maduro de junta de expansión debe abordar simultáneamente el comportamiento estructural, la impermeabilización, el aislamiento térmico, la protección contra incendios y los requisitos derivados del uso del edificio. Las juntas de expansión en cubiertas deben ubicarse, siempre que sea posible, lejos de los puntos bajos donde pueda acumularse agua. Cuando esto no se pueda evitar, el sistema de impermeabilización debe diseñarse para permanecer continuo mientras absorbe los movimientos, en lugar de depender únicamente de una única cordón de sellador para absorber todo el desplazamiento. Las cubiertas metálicas pueden absorber los movimientos mediante capuchones independientes de solape, alturas adecuadas de resaltes, solapes deslizantes y fijaciones separadas en ambos lados. Los detalles de fachada deben ofrecer asimismo estanqueidad frente a las inclemencias meteorológicas y continuidad visual: las chapas de fachada a cada lado de la junta deben terminarse de forma independiente, y la cubierta de solape entre ellas debe conservar un recorrido de solape suficiente.

Las canaletas, los paramentos, las lucernarios y los sistemas MEP que cruzan la junta también deben inspeccionarse cuidadosamente. Si el ingeniero estructural separa la estructura principal en una línea de rejilla, pero una canaleta continua, tornillos autorroscantes, una tubería contra incendios o una bandeja portacables vuelve a conectar rígidamente ambos lados, la instalación en obra ha recreado efectivamente un punto fijo oculto.

Tabla 1. Problemas comunes de «Objeto – Suposición incorrecta – Parámetro de control correcto» en el diseño por acción térmica

5. No tratar los «orificios alargados» como una solución universal para juntas de dilatación

Una de las medidas más comunes de optimización en obra consiste en sustituir los orificios circulares estándar por orificios alargados cuando se observa que el movimiento longitudinal está restringido. Este enfoque es válido únicamente cuando la lógica de transferencia de fuerzas en la conexión, la dirección del deslizamiento y las condiciones de apoyo están claramente definidas. En primer lugar, el eje mayor del orificio alargado debe alinearse con la dirección prevista del movimiento. En segundo lugar, debe verificarse que el deslizamiento de la conexión bajo carga de viento, fuerza de frenado u otras acciones horizontales sea coherente con el sistema estructural global. Si la conexión transfiere una fuerza horizontal crítica, simplemente ampliar el orificio podría alterar la trayectoria de carga prevista. En tercer lugar, las placas de recubrimiento o las arandelas deben cubrir eficazmente el orificio alargado y evitar la perforación local tras la instalación.

Para las conexiones atornilladas de alta resistencia, también debe distinguirse entre conexiones críticas al deslizamiento, conexiones de tipo apoyo y conexiones deslizantes diseñadas específicamente para permitir el movimiento. Si los documentos de diseño exigen que una conexión no se deslice bajo cargas de servicio, pero al mismo tiempo prevén que libere el desplazamiento térmico mediante movimiento dentro del agujero, deben definirse explícitamente ambas condiciones operativas y sus respectivos mecanismos. La esencia del diseño profesional no radica en emplear un tipo determinado de conexión, sino en que cada conexión realice únicamente la función asignada: las conexiones fijas aportan posicionamiento y transmisión de fuerzas, mientras que las conexiones deslizantes aportan capacidad de movimiento en una dirección especificada.

6. Las juntas térmicas deben coordinarse con las cimentaciones, las losas de piso y los sistemas de equipos

Se puede prever una junta de dilatación en la superestructura de acero, pero si las cimentaciones y los forjados deben incluir juntas en la misma ubicación dependerá del sistema estructural y de la función del edificio. Si las cimentaciones de ambos lados están eficazmente conectadas formando un sistema continuo muy rígido, mientras que la superestructura está prevista para moverse de forma relativa, pueden generarse restricciones innecesarias en las bases de los pilares. Por el contrario, si las cimentaciones son independientes pero la superestructura se reconecta de forma rígida mediante elementos continuos, la eficacia de la junta se reduce de manera similar.

Los almacenes industriales requieren una atención especial a los sistemas de equipos. Las tuberías contra incendios, las bandejas portacables, las líneas de aire comprimido, las tuberías de vapor, las líneas transportadoras y los sistemas de estanterías para almacenamiento pueden atravesar todas ellas una junta estructural. Si no se comunica el movimiento estructural previsto a las disciplinas de instalaciones mecánicas, eléctricas y de fontanería (MEP) y de equipos, las tuberías rígidas podrían agrietarse, los soportes deformarse o los rieles de los equipos desalinearse durante el servicio. Los servicios que atraviesan una junta deben utilizar acoplamientos flexibles, soportes deslizantes, compensadores de dilatación o soportes independientes. Su capacidad de movimiento debe cubrir el desplazamiento estructural previsto en el diseño, además de permitir las tolerancias de instalación.

7. La temperatura inicial de construcción determina la ubicación de la «posición neutra»

La acción térmica incluye otra variable que suele pasarse por alto: la temperatura a la que finalmente se fija la estructura. La temperatura inicial supuesta en el análisis no necesariamente coincide con la temperatura media anual del aire. Está relacionada con la temperatura real en el momento en que se instalan los elementos, se aprietan definitivamente las uniones y se cierra el sistema de cubierta. El diseño puede asumir que la estructura se encuentra en una posición neutra cerca de una temperatura moderada, pero si todas las uniones fijas se bloquean definitivamente tras un calentamiento solar prolongado durante mediados del verano, el subsiguiente movimiento de contracción durante el enfriamiento puede quedar fuertemente sesgado hacia un lado.

Para conexiones deslizantes con alta demanda de movimiento, láminas largas de cubierta, canaletas continuas y aberturas grandes de puertas, los documentos de construcción deben considerar la especificación de si se registrarán la temperatura de fijación, la posición inicial de la conexión y la holgura de movimiento reservada. Un plano de conexión verdaderamente ejecutable debe indicar la dirección del deslizamiento, el movimiento de diseño, la posición media de instalación, la tolerancia permitida y los requisitos finales de fijación, de modo que los instaladores sepan si el componente debe centrarse dentro de la ranura, desplazarse hacia uno de sus extremos o ajustarse según la temperatura medida durante la instalación.

8. La aceptación debe verificar la «capacidad de movimiento restante», no simplemente si la conexión tiene un aspecto ordenado

La aceptación de los detalles de liberación de movimiento no debe limitarse a comprobar si los pernos están alineados o si las placas de cubierta están rectas. Más importante aún, la inspección debe confirmar que, tras la construcción, sigue estando disponible la capacidad de movimiento exigida por el diseño. Los fallos habituales en obra incluyen: un perno ya en contacto con uno de los extremos de un orificio alargado; una superficie deslizante bloqueada por soldaduras de fijación; tornillos de placas de cubierta que atraviesan los sustratos de ambos lados de la junta; sellador que llena por completo y bloquea la holgura; una canalón continuo que vuelve a conectar dos unidades estructurales; soportes de instalaciones (MEP) rígidamente dispuestos a través de la junta; y solapas de revestimiento de muro instaladas sin la superposición deslizante suficiente. Estos detalles pueden parecer muy limpios, aunque ya hayan perdido su función prevista de movimiento.

Los registros de aceptación deben incluir, como mínimo, el ancho real de la junta de expansión, la posición inicial de las conexiones deslizantes, el recorrido restante en los orificios alargados, los detalles de la envolvente a través de la junta, el método de compensación para las tuberías y la temperatura de bloqueo in situ. Para almacenes en servicio a largo plazo, también pueden establecerse puntos de referencia simples de medición en ambos lados de la junta, con el fin de volver a verificar el movimiento estacional y cualquier deformación anómala.

9. El juicio experto consiste en «gestionar» la deformación térmica, no en tratar de eliminarla

La deformación térmica es una respuesta física fundamental del material. Lo que realmente puede controlarse mediante el diseño son las condiciones de restricción, la trayectoria de transmisión de cargas y el movimiento permitido. En los almacenes de acero, la situación más peligrosa suele ser no el desplazamiento en sí, sino que «un punto que debería moverse ha quedado bloqueado, mientras que un punto que debería permanecer fijo se ha desplazado».

Un diseño profesional basado en la acción térmica debe establecer una lógica clara: primero definir los límites de temperatura del proyecto y el rango esperado de temperaturas de los elementos; luego estimar el orden de magnitud de la deformación térmica libre; a continuación, identificar los puntos fijos y las fuentes de restricción en la estructura principal y establecer una dirección clara de liberación; después, determinar si se requieren juntas de expansión estructurales y cómo la envolvente, las cimentaciones y los sistemas de equipos las atravesarán; finalmente, traducir el desplazamiento de diseño en parámetros de conexión que puedan comprenderse durante la construcción y medirse durante la recepción. Para proyectos de almacenes y edificios industriales en el extranjero atendidos por Shenyang Zhongwei Heavy Industry Ingeniería de Estructuras de Acero S. L., clima, temperatura de construcción, sistemas de envolvente y condiciones de los equipos varían significativamente de un país a otro. Por lo tanto, la acción térmica no debe reducirse a una tabla fija basada en la longitud del edificio; debe tratarse como una entrada específica del proyecto que requiere criterio ingenieril. Una solución verdaderamente fiable no intenta hacer que la estructura sea completamente «inmóvil»; garantiza que cada milímetro de movimiento tenga un destino claramente definido.

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Normas de referencia y fuentes técnicas seleccionadas

1. EN 1991-1-5:2003, Eurocódigo 1: Acciones sobre estructuras – Parte 1-5: Acciones generales – Acciones térmicas. Se utiliza para la clasificación de las acciones térmicas, los componentes de temperatura y el marco analítico de los efectos térmicos estructurales; los proyectos específicos deben coordinarse con el Anexo Nacional aplicable y la edición adoptada localmente.

2. ASCE/SEI 7-22, Cargas mínimas de diseño y criterios asociados para edificios y otras estructuras. Sus requisitos básicos y combinaciones de cargas incluyen fuerzas y efectos autoinducidos; las disposiciones sobre aptitud para el servicio del apéndice C exigen que los cambios dimensionales provocados por la temperatura y efectos similares no afecten el funcionamiento estructural.

3. ANSI/AISC 360-22, Especificación para edificios de acero estructural. Se utiliza para el diseño de elementos, conexiones y aptitud para el servicio en acero estructural, en conjunto con el marco de acciones de la norma ASCE 7; la página actual de normas de AISC identifica a la 360-22 como la edición vigente.

4. ANSI/AISC 303-22, Código de práctica estándar para edificios y puentes de acero. Se utiliza para los requisitos de práctica ingenieril relacionados con los documentos de diseño estructural, la fabricación y montaje, las tolerancias y la coordinación profesional.

5. Guía de diseño AISC 3, Consideraciones de habitabilidad para edificios de acero, 2.ª edición, 2003. Los temas de habitabilidad tratados incluyen la dilatación y la contracción, y pueden utilizarse como orientación técnica complementaria para el detallado del comportamiento frente a la deformación térmica y la liberación de movimientos; debe tenerse en cuenta su fecha de publicación y coordinar dicha orientación con las normas vigentes.

6. Comisión Europea, JRC, Manual 3: Efectos de las acciones sobre los edificios, Capítulo IV «Acciones térmicas sobre los edificios». Este capítulo, basado en la norma EN 1991-1-5, explica los campos de temperatura, los componentes de temperatura uniforme y los efectos de restricción, y proporciona un valor de referencia ingenieril aproximado de 12 × 10⁻⁶/°C para el coeficiente de dilatación térmica lineal del acero estructural.