Empleo
La sistemática de análisis y estudios teóricos en el campo de la resistencia de materiales es prácticamente la misma tanto si se trata de testar el muelle de una tecla de calculadora como los anclajes de hormigón de un edificio. Sin embargo, la aparición de perfiles cada vez más delgados para la construcción de estanterías metálicas ha obligado a desarrollar nuevas teorías específicas.
Los criterios que siguen actualmente los principales fabricantes europeos de este sector y los laboratorios que ensayan sus productos son los que ha pautado la Federación Europea de la Manutención (FEM) en un conjunto de recomendaciones.
El análisis estructural (resistencia, rigidez y estabilidad) es un elemento clave en el diseño de estanterías. Las teorías clásicas en este campo empezaron a desarrollarse en el siglo XIX y se consolidaron, en su mayor parte, en la primera mitad del siglo XX. Pero estas teorías son aplicables a piezas con secciones macizas y secciones con paredes de grandes y medianos espesores.
Hoy en día, los materiales utilizados por los fabricantes de estanterías metálicas han mejorado enormemente, de manera que se consiguen, a precios razonables, aceros cada vez más ligeros y resistentes que permiten trabajar con menor espesor.
En los años cincuenta, el acero estructural habitualmente empleado era el A 37, con una tensión de límite elástico de 210 N/mm2 y una tensión de rotura de 360 N/mm2. Pronto se generalizó para uso estructural el acero A 42 (con valores de 260 y 410 N/mm2, respectivamente), mientras que actualmente en la fabricación de estanterías metálicas se emplean aceros como el S 420 (de 420 y 480 N/mm2) y el S 560 (de 560 y 610 N/mm2).
Así pues, los valores de la tensión de límite elástico de los aceros empleados se han multiplicado casi por tres, y los de tensión de rotura son casi el doble. Esto implica, a nivel práctico, menos peso, menor coste y mayor facilidad de montaje. El aumento espectacular de características resistentes de los aceros ha permitido reducir las dimensiones de las secciones y trabajar con perfiles de paredes cada vez más delgadas.
Pronto se constató que las teorías clásicas de análisis estructural, adecuadas para secciones macizas, no eran aplicables, sin más, a los perfiles de pared delgada, pues aparecen nuevos fenómenos no contemplados en ellas: inestabilidades y abolladuras locales, efectos de esquina, influencia de los rigidizadores y de los labios, etc. Fue preciso desarrollar nuevas teorías específicas para el análisis de secciones de paredes delgadas, de las que ya se dispone en la actualidad.
Paralelamente, la aparición y la rápida evolución de la informática en la década de los setenta y los ochenta, propició el rápido desarrollo de métodos de cálculo numérico aplicados al análisis estructural. Ello ha significado un cambio cualitativo trascendental en el análisis estructural, que ha conducido a que actualmente se puedan analizar con rapidez y precisión estructuras de cualquier tipología, sometidas a todo tipo de hipótesis de carga y de respuesta.
Así, es posible simular comportamientos no lineales debidos a grandes deformaciones, a grandes desplazamientos, o a la no linealidad del material, efectos de impacto o efectos sísmicos. Materiales de elevadas prestaciones y herramientas de cálculo potentes configuran un panorama excelente para el diseño y análisis de estructuras optimizadas en peso y con seguridad garantizada.
Sin embargo, cuando se pretenden aplicar al campo de las estanterías metálicas aparecen aún nuevos aspectos difíciles de tratar: perfiles de paredes muy delgadas, secciones abiertas (la mayoría), alta densidad de orificios, uniones que no son ni rígidas ni articuladas, sino semirígidas (con curvas de rigidez especialmente no lineales), etc.
Afinar el cálculo
Hasta hace poco tiempo, existía una normativa sobre diseño y cálculo de estanterías metálicas incompleta y dispersa, a la par que distinta para cada país.
Por ello la Sección X de la Federación Europea de la Manutención (FEM) decidió tomar la iniciativa para sistematizar todo el conocimiento adquirido por el sector en las últimas décadas y promover la redacción de un nuevo código para el cálculo de estanterías metálicas, el cual se concretó en el código Recomendaciones para el diseño de estanterías metálicas de paletización estáticas, Ref.: FEM 10.2.02, publicado por primera vez en septiembre de 1995.
La aparición de este código ha sido oportuna, pues abarca todos los aspectos de diseño y cálculo de este tipo de estanterías (cargas y acciones a tener en cuenta, factores de seguridad, comprobación de los elementos individuales, comprobaciones globales, ensayo y control de materiales, ensayo y caracterización experimental de los componentes, tolerancias de fabricación y de montaje, etc.), y contempla todos los aspectos específicos, anteriormente citados, necesarios para el análisis estructural de las estanterías metálicas. Con él se pueden aprovechar a fondo las herramientas de cálculo numérico actualmente disponibles.
El código FEM 10.2.02 supone un salto cualitativo decisivo en el diseño y análisis de estanterías metálicas para paletización, en especial por el hecho de incorporar en los métodos de cálculo propuestos las características reales de los componentes estructurales, obtenidas mediante ensayos realizados sobre muestras idénticas a las que se emplearán después en el montaje de la estantería.
Esto es especialmente interesante para comportamientos fuertemente no lineales (como es el caso del de rigidez momento-ángulo girado de la unión del puntal con el larguero), o de muy difícil determinación teórica (como es el caso del área efectiva a compresión de los puntales, o de la fuerza de fallo a pandeo por compresión de los bastidores).
El capítulo quinto del código FEM 10.2.02 está dedicado íntegramente a los ensayos. En este capítulo se específica la metodología para la realización de todos los ensayos necesarios de comprobación y de determinación experimental de características de los componentes: tracción y doblado del material, compresión de tramos cortos de puntal, compresión de bastidores, flexión, holgura y cortadura de la unión puntal-larguero, compresión-flexión del pie de puntal, rigidez a cortadura de bastidores, flexión de puntales, flexión de largueros y flexión de empalmes de puntales.
El código FEM 10.2.02 no es, por el momento, de obligado cumplimiento. Sin embargo, está siendo adoptado en muchos países europeos, porque es un garante para la fiabilidad de cualquier sistema de almacenaje de estanterías convencionales para mercancía paletizada.
Constituye, además, el vehículo para dotar al sector de una única vara de medir para los 16 países europeos, entre ellos España, que se han acogido a esta recomendación. El objetivo no es otro que procurar al cliente una certificación europea de calidad mediante la instauración de una reglamentación reconocida internacionalmente.
A nivel de la Unión Europea, la FEM está trabajando para que el código 10.2.02 se convierta en una norma EN. La FEM también está preparando nuevos códigos para otros tipos de estanterías (las de carga manual, por ejemplo), con la misma filosofía que el 10.2.02.
Francesc Roure, doctor ingeniero industrial, catedrático del Departamento de Resistencia de Materiales y Estructuras en la Ingeniería (RMEE) de la Universidat Politècnica de Catalunya (UPC) y responsable del LERMA (Laboratorio de Elasticidad y Resistencia de Materiales) de dicha universidad, afirma al respecto que "sería adecuado obligar a su cumplimiento, porque su objetivo prioritario es garantizar la seguridad de las estanterías, y porque representan un nivel tecnológico avanzado para el cálculo de este tipo de estructuras".
La aplicación del código FEM implica una fuerte inversión en experimentación, lo que requiere personal cualificado y equipos e instalaciones especiales. Sin embargo, el catedrático de la UPC enfatiza que el nuevo código certifica "realmente" que las estanterías son seguras, "por lo que creo que se acabará imponiendo. "
De hecho", continúa Roure, "las grandes ingenierías dedicadas a la manutención y el almacenaje que asesoran a empresas, exigen normalmente a los proveedores de las estanterías que éstas estén calculadas con las recomendaciones de la FEM, de manera que, a nivel europeo, los almacenes importantes ya se están haciendo teniéndolas en cuenta".
Colaboración universidad empresa
La colaboración entre la iniciativa privada y las universidades constituye la punta de lanza de la innovación en el sector. Cada vez son más las empresas que tienen claro que la I+D es rentable, pero tener un departamento propio requiere una cierta envergadura, ya que disponer de las personas y los equipos adecuados exige un desembolso económico notable.
En la universidad confluyen estos dos elementos imprescindibles: personal dedicado a la docencia y a la investigación, con conocimientos muy específicos, y los equipos necesarios para poder llevar a cabo esta doble labor. Por este motivo, incluso las grandes multinacionales mantienen acuerdos con universidades en todo el mundo para obtener el máximo rendimiento de la colaboración empresa-universidad.
El LERMA es el laboratorio español con mayor experiencia (y uno de los más expertos de Europa) en el ensayo de estanterías metálicas. El centro se inauguró en 1970 para canalizar los servicios y convenios con la industria y las instituciones. La disciplina de Resistencia de Materiales y Estructuras se encuadra dentro del área de ingeniería mecánica.
La experimentación en esta disciplina es muy específica, y no abunda el personal cualificado para realizarla. La colaboración entre universidad y empresa, adecuadamente planteada, produce beneficios a ambas partes: transferencia de conocimientos de la universidad a la empresa, y realimentación desde la empresa hacia la universidad sobre las necesidades de estudio e investigación y del estado de la tecnología en el entorno industrial.
Supone, igualmente, una fuente de ingresos para los centros de investigación universitarios, necesaria para complementar las subvenciones que proporcionan las distintas Administraciones. En el sector de las estanterías metálicas, el LERMA tiene una dilatada experiencia, ya que sus primeros ensayos con estas estructuras datan de 1977.
Estructuras delgadas para el futuro
Prácticamente en todas las escuelas de ingeniería industrial existen laboratorios para el ensayo de estructuras, en los que se analiza y ensaya todo tipo de piezas, desde los resortes para el teclado de un teléfono hasta los elementos estructurales pesados de edificios de viviendas o industriales, pasando por elementos del sector de la automoción (tornillería, soportes, suspensión) o incluso elementos domésticos (mobiliario, anclajes).
Pero en el ámbito de las estructuras ligeras, y más concretamente en el de las estanterías metálicas, en España sólo la Universidad de Cantabria cuenta con otro centro que se dedica a realizar las mismas pruebas que se llevan a cabo en la Universitat Politècnica de Catalunya. "Nosotros nos hemos especializado en este terreno porque creemos que la estructura ligera marca claramente la línea de futuro, no sólo de la estantería metálica sino también en todos los sectores", asegura Roure.
"En LERMA hemos colaborado en el diseño de varios tipos de elementos estructurales ultraligeros para construcción de naves industriales, realizados en espesores tan delgados como los empleados en las estanterías metálicas y con una filosofía de diseño similar", concluye.
Los ensayos bajo la normativa FEM también han contribuido a la reducción del grosor del acero de las estanterías, propiciando que las estructuras ligeras atiendan al coeficiente de seguridad necesario sin poner más cantidad de material que el estrictamente necesario. No obstante, como la demanda del mercado es variopinta, la diversidad en la oferta de almacenes ha obligado a los fabricantes a disponer de una amplia colección de perfiles de estantería.
Evitar el colapso
En el actual escenario de rápidos avances tecnológicos, la observancia, por parte de los fabricantes, de las recomendaciones de la FEM permite a las empresas tener la garantía de que sus almacenes cumplen la normativa más estricta en cuanto a seguridad, lo que se traduce en ventajas a la hora de tratar con las compañías aseguradoras. Un error en los cálculos de la resistencia o la estabilidad de una estantería puede provocar el colapso de la estructura.
La prenorma de la federación es la técnica de cálculo para el dimensionado de las estanterías convencionales más avanzada que existe ahora mismo en Europa. Además de poner el acento en la importancia de realizar ensayos que simulen el comportamiento real de las estructuras y las deformaciones que puedan afectarlas, la FEM también incide en los efectos producidos por las imperfecciones de fabricación y montaje, la colocación de las cargas almacenadas y los posibles empujes de la maquinaria de manutención. En estos momentos, ya está en marcha una propuesta para ampliar la cobertura de la normativa FEM a las estanterías de carga manual.
Fuente: Daniel Martínez