Pantallas acústicas en una cubierta: interpretación del Código Técnico de la Edificación en la resolución de problemas estructurales

Cuando hablamos de pantallas acústicas, hablamos de estructuras formadas por pilares y vigas, que conforman una superficie plana (generalmente vertical) cerrada con paneles acústicos. Esto significa que donde antes no había nada, ahora nos encontramos una superficie sometida a la acción del viento.

Para entender mejor qué aspectos son los que más van a incidir en el cálculo de una pantalla acústica, vamos a exponer el caso de una pantalla acústica ubicada en la cubierta de un edificio existente y que no tenía previsto colocar este tipo de sistemas de reducción del ruido:

Este tipo de actuaciones se encuentran tanto en edificación como en un entorno industrial, donde un edificio existente con varios equipos situados en la cubierta, necesitan ser apantallados para disminuir el nivel de ruido emitido al exterior.

Se tratará de pantallas “exentas”, es decir, un conjunto de pilares y vigas anclados al edificio existente.

En primer lugar, será necesario realizar una visita al lugar para ver las condiciones de trazado de la pantalla. Las cubiertas de los edificios suelen ser fruto de un cierto “desorden” en cuanto al trazado de instalaciones discurriendo por su superficie y caras interiores de los pretiles, lo cual hace difícil conformar un trazado limpio con libertad de situación de apoyos.

Digamos que tendremos que diseñar un trazado generalmente irregular y adaptarnos a los espacios y lugares disponibles.

En segundo lugar, hay que estudiar esa geometría de la pantalla. Aspectos como su altura y sus retranqueos nos ayudarán a definir el esquema estructural a seguir. Es importante tener en cuenta que no podremos apoyarnos en cualquier parte del forjado o de los pretiles de cubierta, por lo que conjuntamente con el diseño de la estructura hay que estudiar la posición de las instalaciones existentes en la cubierta y la estructura portante del forjado, para transmitir las cargas a los elementos más resistentes: pilares o vigas principales.

En tercer lugar, abordaremos el cálculo de la pantalla, valorando las cargas de viento a las que está sometida. En este caso, cuando se trata de una pantalla exenta, no es del todo correcto limitarnos a usar el CTE, ya que corremos el riesgo de no estar del lado de la seguridad porque el CTE no contempla el efecto de turbulencias producidas en los extremos de un elemento estructural lineal plano tipo pantalla sometido a cargas perpendiculares a su superficie (viento). En estos puntos, el valor de la carga de viento se puede triplicar respecto a la zona central de la pantalla, supuesto que sí está contemplado en el EC.

Además, hay que tener en cuenta que, en numerosos casos al tratarse de una estructura exenta, existe una única fachada sometida a presión y succión a la vez. El CTE da un valor para el coeficiente de presión en una fachada de un edificio de tipo rectangular y otro valor para el coeficiente de succión en la fachada posterior de ese edificio. Es decir, que en la cara de la pantalla que recibe el viento (barlovento) solo se contempla el valor de carga de viento debido a la presión y es el técnico proyectista el que tiene que caer en la cuenta de considerar también la carga de succión del viento producida en la pantalla, en su cara posterior (sotavento).

El coeficiente de presión del Eurocódigo, en el caso de elementos tipo pantallas ya comprende el total de la carga de viento, es decir ‘presión + succión’. En cualquier caso, será el proyectista el que tiene que valorar si se produce o no succión tras la pantalla, en función de que existan elementos suficientemente cerca que eviten que dicha succión se produzca en la cara a sotavento de la pantalla.

Diseño de la estructura portante de la pantalla acústica

Tras haber analizado condicionantes como el trazado, la geometría y cargas de viento, pasamos a diseñar la estructura portante de la pantalla. Un aspecto muy importante en cuanto a la perfilería resultante que saldrá lo va a decidir la altura de la pantalla. Dicha altura vendrá condicionada por los requerimientos de cumplimiento acústicas necesarios, definidos en una fase anterior al análisis que estamos tratando.

Hay que tener en cuenta que la estructura de este tipo de pantallas suele estar confeccionada mediante una serie de pilares separados regularmente, anclados en su base a un elemento estructural existente (forjado de cubierta o muro pretil). Es decir, que su esquema estructural simplificadamente es una barra vertical “en ménsula”, empotrada inferiormente y con su extremo superior “libre”.

Para no entrar más allá en el detalle de los cálculos de la estructura, solamente decir que los esfuerzos en la base de estos pilares crecerán exponencialmente respecto a la altura de los mismos. Como ejemplo, citar que los esfuerzos en la base de un pilar para una pantalla de 6 metros de altura pueden llegar a ser hasta 4 veces más grandes que los de una pantalla de 3 metros de altura y hasta 16 veces más grandes que los de una pantalla de 1,5 metros de altura, para un esquema estructural simple de pilares en ménsula.

Por tanto, si es posible, intentaremos arriostrar los pilares en su parte superior entre sí o a algún otro elemento resistente, en la dirección perpendicular a la carga del viento, ya que en este caso el pilar pasaría de trabajar en ménsula a trabajar vinculado en sus extremos inferior y superior, aunque esto no siempre es posible.

Esto da una idea de la importancia del cálculo estructural en este tipo de elementos.

Una vez que hemos dimensionado correctamente la estructura de la pantalla, toca estudiar su suportación. Podemos decidir varias soluciones al respecto:

• Podemos optar por realizar una “bancada” de hormigón en la zona inferior de cada apoyo o pilar de la estructura de la pantalla o una bancada conjunta para todos los apoyos. Dicha bancada irá directamente apoyada sobre la cubierta y tendría que tener unas dimensiones tales que impidan el vuelco de la pantalla debido al viento. Como es de imaginar, el peso de esta bancada ha de ser muy elevado, lo que influye muy negativamente en el forjado sobre el que nos estamos situando ya que estamos sobrecargándolo más de lo necesario, teniendo en cuenta que la pantalla se dispone para aislar el ruido procedente de unos equipos situados en cubierta (que tienen un peso considerable). Por no hablar de que, para conseguir ese peso en dicha bancada, debe tener unas dimensiones bastante importantes y probablemente no dispondremos de espacio en la cubierta.
• También, podemos optar por anclar los pilares de la pantalla directamente al forjado existente, con lo que habrá que estudiar cuidadosamente la posición de los puntos de anclaje, para no interferir con otros elementos existentes en cubierta (instalaciones) y para colocarlos donde tengamos debajo elementos estructurales principales. Evidentemente esta opción pasa por la comprobación estructural de los elementos portantes del forjado ya que, la resistencia de estos elementos no es infinita. No tener en cuenta estas comprobaciones de cálculo puede acarrearnos situaciones ya explicadas en puntos anteriores. Además, se ha de cuidar la ejecución de cara a no crear filtraciones de humedad en los puntos de anclaje al forjado existente.
• Por supuesto, en esta fase del análisis debemos obtener toda la información necesaria acerca de la estructura existente, para realizar un correcto y fiable análisis estructural de la misma, que como ya hemos comentado no suele ser tarea fácil por la falta de información que suele haber de la estructura. Si no existe información documental, habría que realizar catas y ensayos de resistencia (extracción de testigos), lo cual puede ser perjudicial para la estructura existente además de no ser barato. Es muy importante valorar este aspecto.

Eurocódigo para las pantallas acústicas en límites de propiedad: consideraciones estructurales

Existe una dificultad estructural y de cimentaciones cuando se opta por diseñar un apantallamiento acústico en un límite de propiedad de una actividad industrial. Muchas veces, estas pantallas no sólo sirven para reducir el ruido, sino que son igualmente utilizadas como elementos de seguridad de la planta industrial, dada la aparente robustez física que este tipo de soluciones acústicas requieren.

Habitualmente nos encontramos con diseños de pantallas exentas, es decir, un conjunto de pilares anclados esta vez al terreno mediante su propia cimentación. Las dimensiones principales de una pantalla (longitud x altura) son un aspecto fundamental en este tipo de estructuras. Teniendo en cuenta que la carga de viento viene dada en fuerza por unidad de superficie, no es lo mismo hablar de una superficie pequeña que de una superficie grande, A mayor superficie expuesta al viento, mayor será el esfuerzo al que estará sometido nuestro elemento estructura y esto será directamente proporcional al dimensionado de la estructura y de su cimentación.

Nuevamente, la posición y geometría de la pantalla será la que nos defina el esquema  que debemos seguir. Lo importante aquí es detectar las posibles interferencias que podremos encontramos tanto en el trazado de la pantalla por encima de la rasante del terreno (postes existentes, arbolado, farolas, etc), como bajo la rasante, en el ámbito de apoyo de nuestra estructura. Elementos tales como redes enterradas de saneamiento, fontanería o contraincendios, instalaciones eléctricas o de telecomunicaciones por citar las más comunes, o incluso cimentaciones de estructuras existentes próximas a la zona de ubicación de la pantalla.

Estos elementos pueden limitar la cimentación y por tanto el diseño de la estructura de nuestra pantalla y es importante conocerlos en la fase de diseño. Nuevamente será necesario disponer de la información documental del trazado de dichos elementos enterrados. Si no fuera posible, habrá que realizar como mínimo una visita previa a la zona de actuación, para verificar la existencia de tales elementos.

Cargas de viento en pantallas acústicas

Debemos valorar las cargas de viento a las que está sometida nuestra pantalla. Ya que se trata de un elemento estructural vertical, superficial plano y exento, es decir, no arriostrado a ningún otro elemento estructural, directamente recomendamos usar el Eurocódigo como normativa de referencia para calcular el coeficiente de carga de viento para aplicar las cargas estáticas sobre la estructura.

Es importante recordar dos aspectos: Que dichas cargas son el efecto de la presión más la succión, ya establecidas en el EC como un solo valor en este tipo de estructura y que dichas cargas de viento son mucho mayores en los extremos de la pantalla por el efecto de la turbulencia en los bordes.

En este punto, una vez establecida la posición de los pilares en función de las interferencias encontradas bajo y sobre rasante, y teniendo prefijada la altura de la pantalla en función de los requerimientos acústicos previos, dimensionaremos su estructura. Cabe recordar que, al igual que en el caso anterior, estos pilares estarán trabajando en ménsula es decir, vinculados solamente en su extremo inferior y con su extremo superior libre.

Las alturas de estas pantallas suelen ser bastante elevadas, por servir de barrera acústica a multitud de ruidos que cubren un amplio espectro de frecuencias, precedentes de diferentes equipos situados en diversas ubicaciones de la planta industrial, por tanto, deben cubrir la máxima superficie posible.

La superficie necesaria de la pantalla debido a requerimientos acústicos, sumada al modelo estructural de pilares en ménsula, más las cargas de viento de ‘presión + succión’ y su incremento en los extremos de la pantalla por efecto de las turbulencias, explica que su estructura resulte tan masiva.

A veces, si se dispone del suficiente espacio en la planta, se puede aligerar la estructura de los pilares realizando un diseño en celosía triangular. Partiendo de una distribución lineal de pilares, que conformarán la superficie principal de la pantalla —a cierta distancia de la base de los mismos y perpendicularmente al plano de la pantalla—, se dispondría una segunda fila de pilares inclinados o rectos, que se unirían a los pilares principales en la zona superior de la pantalla, formando una cercha triangular o rectangular dispuesta verticalmente.

Esta solución se suele establecer para pantallas muy altas (> a 6 m) con características de carga de viento como las mencionadas, en las que la tipología estructural de pilares en ménsula hace que dichos elementos resulten muy masivos.

Cimentación de pantallas acústicas

Adicionalmente debemos dimensionar la cimentación. Como hemos comentado antes, se deberán conocer las posibles interferencias bajo rasante que puedan limitar la geometría de nuestra cimentación.

Paralelamente, en este punto es necesario conocer las características del terreno. Si existen datos anteriores de estudios del terreno en la zona se analizarán comprobando que la información que aparece en dichos estudios es suficiente para el dimensionado de nuestra cimentación. Si no es así, habrá que ampliar dicho estudio o realizar una nueva campaña geotécnica, a fin de obtener los datos necesarios para poder dimensionar la cimentación de manera correcta.

El criterio fundamental para el dimensionado de la cimentación de una pantalla de este tipo es contrarrestar el vuelco producido por la acción horizontal del viento sobre la superficie vertical de la pantalla. A mayor superficie, mayor “momento de vuelco”. Dicho efecto se contrarrestará mediante el llamado “momento estabilizador”, que se obtendrá del peso y geometría de la cimentación que diseñemos.

Para el caso de cimentaciones superficiales, que será el más utilizado (zapatas o losa de cimentación), el momento estabilizador se conseguirá añadiendo masa a dicha cimentación y esto se traduce en volumen, es decir, en espacio físico ocupado. Hay que ser conscientes de que la fuerza física del viento está ahí, ejerciendo un efecto de vuelco sobre nuestra estructura, el cual ha de ser contrarrestado mediante su cimentación.

En caso de que no se pudiese ejecutar una cimentación de tipo superficial, ya sea por volumen excesivo de cimentación, espacio insuficiente para ubicarla, baja resistencia del terreno en la cota de apoyo de la cimentación, etc., se recurriría a una cimentación profunda, en la cual el vuelco se estabiliza mediante el uso de pilotes o micropilotes.

Tanto una solución de cimentación como otra (superficial o profunda) tiene sus implicaciones. La primera (cimentación superficial) implica un volumen importante bajo la rasante del terreno y por tanto necesidades de espacio y coste de material, sumado al coste en la ejecución. La segunda (cimentación profunda) implica un elevado coste debido a la profundidad necesaria a la que hay que llegar para alcanzar el estrato resistente del terreno.

Salvo raras excepciones, la mayor parte de las veces suele ser más cara una cimentación profunda respecto a una cimentación superficial, pero ambas suponen un importante coste respecto al coste total de la obra, necesario para asegurar la estabilidad estructural de la pantalla.

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