Análisis y optimización de tipologías estructurales para cubiertas de estaciones ferroviarias

En este trabajo se va a realizar un estudio comparativo entre tres tipologías estructurales típicamente usadas en estaciones ferroviarias, como estructuras representativas de las grandes naves industriales. El objetivo es encontrar y dimensionar la tipología óptima en el ámbito económico, es decir, la que menos peso de acero requiera, para una luz y altura libre constantes. El estudio de optimización en este tipo de estructuras es relevante, puesto que están formadas por pórticos que se repiten cada cierta distancia. De esta forma, aunque el ahorro en un pórtico, que es lo que se estudia en este proyecto de forma aislada no parezca muy importante, sí que será notorio el ahorro total de la estructura. Para definir las diferentes tipologías, así como la luz y altura libre admisible, constantes que se usan a lo largo del proyecto, se ha realizado un estudio previo de investigación sobre estaciones ferroviarias, realizando visitas a algunas de ellas e incluyendo en este trabajo un reportaje fotográfico. También ha sido necesario decidir el emplazamiento de la estructura, ya que el cálculo de acciones depende de la localización. Tras dicho estudio se ha escogido Madrid como localización, una luz de 50 metros y una altura libre de 15 metros, valores habituales en este tipo de estructuras. En primer lugar se han definido los modelos de las tres tipologías. La primera es un pórtico en celosía triangular, la segunda corresponde a una cubierta a dos aguas con cerchas trianguladas y atirantada, y la tercera una cubierta cilíndrica con cercha triangulada atirantada . Todas las tipologías están articuladas en los pilares de sustentación. Montantes y diagonales de las cerchas también están articuladas. En cuanto al procedimiento, para cada tipología se ha realizado un estudio paramétrico, utilizando dos parámetros que servirán para optimizar la estructura del pórtico. Dichos parámetros son el canto de la cercha triangulada y la altura de la cubierta medida desde el extremo superior de los pilares. Para ello se ha variado en primer lugar el canto para una altura constante. Se ha calculado las cargas de peso de cubierta, nieve, viento, acciones térmicas y sobrecarga para cada una de las variaciones según el Código Técnico de Edificación. Se ha utilizado el programa CypeCad para dimensionar la estructura. No obstante, tras el dimensionamiento se han realizado ciertas comprobaciones aplicando la normativa del CTE(Código Técnico de Edificación) para asegurarse de que los cálculos son correctos. Se muestra la variación de perfil para cada barra para todas las variaciones de cada tipología. Con los datos obtenidos (peso total y longitud), se ha determinado una ley de dependencia entre el peso total de la estructura, P, y el canto, e: P(e). Se ha optimizado dicha función con el objetivo de encontrar el espesor tal que el peso de la estructura sea el menor. Posteriormente se comprueba con otro caso, adicional, en el que se usa el valor del parámetro que proporciona el óptimo teórico, que dicha aproximación a la función P(e) es válida, al menos, en el intervalo de espesores estudiados. Una vez se ha hallado el espesor óptimo, e*, para una tipología, se ha seguido un procedimiento análogo variando el segundo parámetro, la altura, manteniendo el espesor o canto igual al óptimo. Tras realizar varios casos para distintas alturas y obtener los pesos totales, se ha creado una dependencia polinomial del peso con la altura de la cubierta, H': P(H'). Se ha optimizado dicha función y se ha encontrado H*, es decir, la altura que hace que se requiera menos cantidad de acero para unas cargas dadas. Este proceso se repite para cada una de las tres tipologías consideradas. Asimismo, se comparan las deformadas obtenidas de todas las variaciones de cada tipología para realizar las comprobaciones de Estado Límite de Servicio. Una vez se tiene el óptimo de cada tipología, se comparan para obtener el óptimo global que proporciona la tipología y los valores de los parámetros de la estructura tipo pórtico con menor peso de acero y se comentan los resultados. Se incluyen también en este trabajo los planos generales de definición de los pórticos que resultan óptimos para cada tipología