Acero laminado en forma de C hacia el interior: Seis puntos clave que debes conocer

I.Acero de paredes delgadas conformado en frío

La mayoría de la gente asocia el acero con vigas en I y perfiles en U laminados en caliente, que son pesados ​​y gruesos. Sin embargo, el acero laminado en C pertenece al acero de paredes delgadas conformado en frío: se produce a temperatura ambiente doblando continuamente placas o tiras de acero enrolladas a través de varios juegos de rodillos, como si se doblara papel, para crear gradualmente secciones transversales complejas como formas de C y de Z. Este proceso no requiere calor, ya que se basa en el trabajo en frío.

¿Por qué es esto relevante? Porque el proceso de doblado en frío produce un efecto de endurecimiento por deformación: el límite elástico del acero aumenta entre un 10 % y un 20 % con respecto a la materia prima. En otras palabras, el mismo material se vuelve más resistente tras el doblado en frío. Además, permite la creación de grandes secciones transversales con paredes muy delgadas (generalmente de 1,5 a 3,0 mm), lo que resulta en un aprovechamiento del material extremadamente alto. En comparación con el acero laminado en caliente, el acero conformado en frío puede ahorrar aproximadamente entre un 25 % y un 30 % de acero. Esta es una de las tecnologías clave que permite a los soportes fotovoltaicos reducir costes manteniendo la resistencia.

II. Correas vs. Vigas principales

Muchas personas, al observar los planos de los sistemas de soporte, denominan "correas" a todas las vigas de acero en forma de C, pero en realidad tienen funciones diferentes. En un sistema de soporte fotovoltaico:

Las correas son los elementos horizontales que soportan directamente los módulos fotovoltaicos. Los módulos se fijan a las correas mediante abrazaderas o pernos, y las correas son las encargadas de absorber las cargas de viento y nieve transmitidas por los módulos.

Las vigas principales (también llamadas vigas diagonales) son los elementos portantes inclinados que soportan las correas. Un extremo se conecta a la columna y el otro a la riostra diagonal o a otra columna, transfiriendo la fuerza de las correas a la columna.

En pocas palabras: las correas son como las vigas de un tejado, mientras que las vigas principales son como las vigas principales de un muro de carga. Una sola viga de acero en forma de C curvada hacia adentro puede usarse como correa o como viga principal; la única diferencia radica en la magnitud de la carga y la dirección de su disposición. Durante la fase de diseño, se requieren cálculos estructurales para determinar las especificaciones de cada componente; por lo general, la sección transversal de la viga principal es de un tamaño mayor que la de la correa.

(La foto es de 微信公众号-机电原理）

III.Espesor y vida útil del galvanizado por inmersión en caliente

Los soportes fotovoltaicos requieren una vida útil de más de 25 años, por lo que la prevención de la corrosión es fundamental. El método más común de protección contra la corrosión es el galvanizado en caliente: se sumerge acero en forma de C en zinc fundido a aproximadamente 445 °C para formar una capa de aleación de zinc-hierro y una capa exterior de zinc puro. Pero, ¿qué espesor es suficiente?

Los datos empíricos nos dicen:

Entornos rurales o de interior en general: una capa galvanizada de doble cara de 40-50 μm (aproximadamente 275-350 g/m²) puede durar entre 15 y 20 años.

Zonas industriales o zonas ligeramente contaminadas: 50-65 μm (aproximadamente 350-450 g/m²), lo que corresponde a 20-25 años.

Para zonas costeras situadas a menos de 2 km o en entornos con alta humedad y alta salinidad, se requiere un espesor de recubrimiento de 80 μm o más (aproximadamente 550~600 g/m²) para lograr una vida útil de más de 25 años.

Es importante tener en cuenta que un recubrimiento más grueso no siempre es mejor: un grosor excesivo aumenta la fragilidad del recubrimiento, reduce la adherencia y eleva drásticamente los costos. Por lo tanto, un diseño adecuado implica seleccionar el peso del recubrimiento apropiado según el nivel de corrosión del lugar del proyecto. El recubrimiento de zinc-aluminio-magnesio, que se ha popularizado recientemente (con un contenido de aluminio del 3,5 % al 11 % y de magnesio del 1 % al 4 %), representa una mejora tecnológica: su resistencia a la corrosión es de 3 a 10 veces mayor que la del zinc puro, y los bordes cortados se autorreparan; incluso si se rayan durante la instalación, no es necesario volver a recubrirlos, lo que lo hace especialmente adecuado para entornos costeros y ácidos/alcalinos.

(La foto es de 微信公众号-机电原理）

IV. ¿Por qué el curl hacia adentro mejora la fuerza?

Esta pregunta ilustra a la perfección el ingenio de la mecánica de la ingeniería. Cuando una viga de acero abierta en forma de C se somete a presión, lo más probable es que no falle por resistencia, sino que se produzca inestabilidad, como si se aplastara una lata de refresco vacía. Las alas (los dos bordes rectos) de una viga de acero en forma de C tienden a torcerse hacia afuera o hacia adentro bajo presión; este tipo de fallo se denomina pandeo local.

La función del borde curvado hacia adentro es añadir una restricción elástica al borde de la brida. El borde enrollado actúa como un pequeño deflector, impidiendo que la brida se retuerza libremente. Esto aumenta significativamente la tensión crítica de pandeo de la brida, lo que permite que el componente mantenga una capacidad de carga estable incluso con espesores de pared más delgados. En términos técnicos, mejora la resistencia al pandeo por distorsión y la capacidad de pandeo local de la sección.

Para ilustrarlo: imaginemos una hoja de papel delgada; es fácil de doblar cuando está plana; pero si doblamos un pequeño borde a cada lado, se vuelve mucho más rígida. El borde curvado hacia adentro es ese "borde doblado", con un efecto inmediato. Por eso, el acero en forma de C para paneles fotovoltaicos debe tener bordes enrollados, y no solo una ranura abierta en forma de U.

V. Trayectoria de transferencia de carga: Desde el módulo a tierra, no se permite ninguna interrupción.

La lógica de seguridad fundamental en el diseño de centrales fotovoltaicas reside en la integridad de la trayectoria de transferencia de carga. La sección de acero en forma de C curvada hacia adentro ocupa una posición central en esta trayectoria. Analicemos el proceso de arriba a abajo:

El viento o la nieve actúan sobre la superficie de los módulos fotovoltaicos.

Los módulos transfieren la carga a las correas (perfiles de acero en forma de C laminados hacia el interior) mediante abrazaderas o pernos.

Las correas transfieren entonces la carga a la viga principal (que también puede ser de acero con forma de C).

La viga principal transfiere la carga a las columnas (generalmente de acero en forma de C o tubos redondos).

Las columnas transfieren la carga a la cimentación (pilotes de hormigón in situ, pilotes helicoidales, etc.).

En última instancia, la cimentación transfiere la carga al terreno (suelo o roca).

El fallo de cualquier nodo a lo largo de esta trayectoria —como pernos de conexión flojos, pandeo local del acero en forma de C o corrosión de las soldaduras— provocará el colapso de toda la estructura. Por lo tanto, el diseño del soporte fotovoltaico no solo debe calcular la resistencia de cada sección de acero, sino también verificar la capacidad de carga de los nodos de conexión y asegurar que el recubrimiento de todos los componentes sea continuo en los nodos (por ejemplo, mediante pernos galvanizados, tuercas elásticas, etc.). Los orificios de montaje largos en la parte posterior del acero en forma de C enrollado hacia adentro sirven para facilitar el ajuste de posición y permitir suficiente holgura para las conexiones de los pernos.

VI. ¿Por qué evitar la soldadura en obra?

En algunos proyectos fotovoltaicos a pequeña escala o centrales eléctricas temporales, los equipos de construcción pueden cortar y soldar acero en forma de C en el lugar de trabajo por conveniencia. Esto es un gran tabú por tres razones:

En primer lugar, la capa galvanizada se quema. Durante la soldadura, la temperatura local puede superar los 1500 °C, lo que provoca que la capa galvanizada se evapore u oxide instantáneamente. La capa de zinc alrededor del punto de soldadura también se deteriora debido a la alta temperatura. Este punto se convierte en una brecha para la corrosión, oxidándose desde el interior en pocos años y volviéndose irreparable.

En segundo lugar, la soldadura provoca deformación. El acero se enfría y se contrae tras calentarse localmente, lo que hace que el acero en forma de C se doble y se retuerza. Lo que se diseñó para tener una rectitud máxima de 1 mm por metro puede llegar a tener 5 mm por metro tras la soldadura. Los módulos fotovoltaicos son productos de vidrio y son extremadamente sensibles a la planitud; la deformación de la estructura de soporte puede provocar directamente microfisuras o la rotura de los módulos.

En tercer lugar, la resistencia de la zona afectada por el calor disminuye. El efecto de endurecimiento por deformación del acero conformado en frío se elimina durante el ciclo térmico de soldadura, lo que resulta en una menor resistencia a la fluencia cerca del punto de soldadura que la del material base original.

Por lo tanto, los sistemas de soporte fotovoltaico estándar utilizan conexiones atornilladas: se emplean conectores prefabricados, pernos, tuercas elásticas y arandelas antiaflojamiento para el montaje in situ, de forma similar a los bloques de construcción. Esto garantiza una resistencia continua a la corrosión, facilita el desmontaje y el ajuste, y cumple mejor con el requisito de calidad de una vida útil de 25 años.