Cuando la gente elige un invernadero, suele fijarse primero en el diámetro del tubo de acero, el espesor de la pared o el espesor del recubrimiento galvanizado. Por lo general, se presta mucha menos atención al tipo concreto de acero que se utiliza para fabricar el tubo.
Sin embargo, en el caso de un invernadero comercial diseñado para un uso a largo plazo, el tamaño de los tubos es solo uno de los factores que determinan el comportamiento estructural. El límite elástico, la resistencia a la tracción, la conformabilidad, la soldabilidad y la función que desempeña el acero dentro del sistema estructural global pueden influir en la cantidad de viento, nieve, carga de los equipos y carga de los cultivos que el invernadero puede soportar de forma segura.
En la fabricación de invernaderos en China, los aceros Q195, Q235 y Q355 se encuentran entre los tipos de acero estructural más utilizados. No deben considerarse simplemente como materiales de “baja, media y alta calidad”. Se trata, más bien, de diferentes clases de resistencia destinadas a distintas funciones estructurales.
Para comprender la diferencia, resulta útil partir del concepto de límite elástico.
¿Qué significan realmente las denominaciones Q195, Q235 y Q355?
Cuando el acero se ve sometido a una fuerza externa, primero sufre una deformación elástica.
Si la carga es relativamente pequeña, el acero puede recuperar en gran medida su forma original una vez que se elimina la fuerza. Sin embargo, cuando la tensión alcanza un determinado nivel crítico, el acero comienza a sufrir una deformación plástica permanente.
Ese punto crítico está relacionado con el límite elástico.
En términos sencillos, el límite elástico es el nivel de tensión que un material de acero puede soportar antes de que comience la deformación permanente.
En las clasificaciones chinas Q195, Q235 y Q355, la letra “Q” hace referencia al límite elástico, mientras que el número indica el nivel de resistencia nominal en MPa.
En términos generales:
El Q195 es un acero estructural de baja resistencia, el Q235 es un acero estructural de resistencia media muy utilizado, y el Q355 es un acero estructural de alta resistencia.
Sin embargo, sería erróneo concluir que el Q355 es siempre “mejor” que el Q235.
La seguridad de un invernadero no depende únicamente de la resistencia del material.
Las estructuras de los invernaderos no suelen fallar simplemente porque el acero sea “demasiado débil”
Un invernadero tiene una característica estructural muy importante: muchos de sus elementos son largos, delgados y están fabricados con tubos de acero de paredes relativamente finas.
En este tipo de estructuras, uno de los principales riesgos no es necesariamente que el acero se rompa o se aplaste. Más bien, la inestabilidad estructural puede convertirse en el factor determinante.
Por ejemplo, una columna alta de un invernadero puede doblarse o plegarse bajo la carga lateral del viento, incluso si el acero tiene un límite elástico elevado, sobre todo si la sección transversal es demasiado pequeña, la pared es demasiado delgada o la distancia entre columnas es demasiado grande.
Por eso, un tubo delgado de Q355 no es automáticamente más seguro que un tubo de Q235 diseñado adecuadamente y con una sección transversal mayor y más adecuada.
La resistencia del material nos indica cuánta tensión puede soportar el propio acero. La estructura de un invernadero también debe responder a otras preguntas:
- ¿Se doblará demasiado el miembro?
- ¿Se doblará?
- ¿Se interrumpirá la conexión?
- ¿Resistirá los efectos del levantamiento del terreno?
- ¿Se mantendrá estable todo el invernadero como sistema tridimensional?
Desde el punto de vista de la ingeniería, el tipo de acero es solo una parte del diseño.
El papel de Q195 no se limita simplemente a ser “de bajo coste”
El Q195 suele considerarse un acero básico o económico, pero eso no significa que carezca de valor desde el punto de vista de la ingeniería.
En componentes con una demanda de carga relativamente baja, secciones transversales pequeñas o en los que resulte útil una buena conformabilidad, el Q195 puede ser una opción económica y práctica.
Se puede utilizar en:
- Pequeños invernaderos tipo túnel;
- Estructuras agrícolas para uso ligero;
- Refuerzos auxiliares;
- Tubos de soporte de pequeño diámetro;
- Elementos de la estructura secundaria;
- Componentes estructurales no críticos.
Estos elementos no soportan necesariamente la carga principal del viento ni la carga del tejado, por lo que el uso de acero de alta resistencia en todas partes no siempre supondría una ventaja significativa.
Si todos los componentes de un invernadero se sustituyeran por Q355, es posible que el aumento del coste no se tradujera en una mejora proporcional del rendimiento estructural global.
Por lo tanto, la función práctica del Q195 se describe mejor como: un material económico para estructuras ligeras y componentes que soportan cargas no críticas.
Sin embargo, cuando aumentan la luz, la altura, la exposición al viento o el peso de la cubierta del invernadero, el Q195 resulta menos adecuado para los elementos estructurales principales.
Por qué el Q235 se ha convertido en uno de los principales aceros estructurales para invernaderos
El Q235 es uno de los aceros estructurales más utilizados en el sector de los invernaderos en China.
Su principal ventaja es el equilibrio.
Ofrece:
- Intensidad moderada;
- Buena soldabilidad;
- Buen rendimiento en el conformado;
- Disponibilidad constante;
- Un coste relativamente económico.
Por este motivo, el Q235 se utiliza habitualmente para:
- Columnas;
- Arcos;
- Vigas;
- Pilares longitudinales;
- Refuerzo;
- Vigas;
- Soportes para canalones;
- Marcos de puerta;
- Otros elementos generales que soportan carga.
En muchos invernaderos comerciales convencionales con cubierta de plástico, el acero Q235 ofrece un buen equilibrio entre la seguridad estructural y el coste total del proyecto.
Esta es una de las principales razones por las que se utiliza tan ampliamente en los invernaderos de película de varios tramos.
Si un invernadero no está expuesto a vientos inusualmente fuertes, a la nieve o a condiciones que requieran grandes luces, el acero Q235 suele ser una opción muy práctica.
Dónde se pone de manifiesto la verdadera ventaja del Q355
El principal valor del Q355 no radica en que sea un acero “de alta calidad”.
Su verdadera ventaja es que ofrece una mayor reserva de resistencia para una misma sección transversal.
Puede que esto no suponga una gran diferencia en un invernadero pequeño, pero su importancia aumenta considerablemente en proyectos con:
- Grandes luces;
- Alturas elevadas de los canalones;
- Cimas de tejado altas;
- Vientos fuertes;
- Exposición costera o insular;
- Fuertes nevadas;
- Cubierta de cristal;
- Revestimiento de policarbonato;
- Vigas principales;
- Columnas de opinión;
- Zonas estructurales sometidas a grandes cargas.
Por ejemplo, a medida que la luz del invernadero aumenta hasta los 9 m, 10 m o incluso 12 m, las fuerzas internas en los arcos del techo y en los elementos estructurales principales aumentan considerablemente.
Si, además, el proyecto se encuentra en una zona costera, en una isla o en una llanura abierta, la carga del viento puede convertirse en el factor de diseño determinante.
En ese caso, el mero hecho de aumentar el espesor de los perfiles de acero Q235 puede incrementar el peso total del acero, el coste de transporte y la dificultad de instalación.
El uso del Q355 puede permitir al ingeniero alcanzar un mayor nivel de resistencia sin que ello suponga un aumento significativo del tamaño de los elementos estructurales.
Esto hace que el Q355 resulte especialmente valioso en grandes invernaderos comerciales, invernaderos de cristal, invernaderos de policarbonato, estructuras de gran altura y zonas con fuertes vientos.
Su verdadero objetivo no es sustituir todo el acero común, sino utilizar un material de mayor resistencia allí donde realmente se necesita una mayor resistencia.
Por qué un invernadero puede utilizar varios tipos de acero al mismo tiempo
Un diseño de invernadero bien concebido no utiliza necesariamente el mismo tipo de acero para todos los componentes.
Las distintas partes de la estructura cumplen funciones muy diferentes.
Las columnas principales pueden soportar grandes cargas verticales y laterales. Las vigas principales pueden resistir grandes fuerzas de flexión. Los tirantes secundarios pueden servir principalmente para estabilizar la estructura en su conjunto.
Si todos los componentes utilizan el mismo tipo de acero, pueden surgir dos problemas:
O bien es posible que los miembros importantes no tengan suficiente capacidad, o bien que muchos miembros secundarios estén sobredeterminados.
Un diseño más racional podría utilizar:
- Q355 para elementos estructurales críticos;
- Q235 para elementos estructurales generales;
- Q195 u otro material adecuado para componentes secundarios más ligeros.
Este enfoque permite utilizar acero de alta resistencia allí donde aporta un valor real, al tiempo que se evitan costes innecesarios de material en otros ámbitos.
El hecho de que el acero sea de alta resistencia no significa que el tubo pueda fabricarse con un grosor arbitrariamente fino
Dado que el Q355 tiene un límite elástico más alto, algunos compradores dan por sentado que basta con reducir considerablemente el espesor de la pared.
En teoría, el acero de mayor resistencia puede ayudar a reducir el peso estructural en algunas aplicaciones. En la práctica, la relación no es tan sencilla.
Muchos de los elementos de un invernadero son elementos esbeltos sometidos a compresión.
A medida que la pared se va haciendo más delgada, el problema principal puede pasar de ser el límite elástico a ser el pandeo local o general.
Por ejemplo:
Un tubo cuadrado de pared delgada puede sufrir un pandeo local de la placa, mientras que un tubo redondo muy esbelto puede fallar debido a una inestabilidad general.
En estos casos, cambiar el material de Q235 a Q355 no resuelve automáticamente el problema de estabilidad geométrica.
Por lo tanto, el verdadero valor del acero de alta resistencia no radica en que permita reducir el espesor de forma ilimitada, sino en que ofrece al ingeniero una mayor flexibilidad para optimizar la estructura.
Por qué la carga del viento es tan importante a la hora de elegir el acero para los invernaderos
En muchos invernaderos agrícolas, la carga del viento es uno de los factores más importantes en el diseño estructural.
Un invernadero es relativamente ligero, pero tiene una superficie muy grande expuesta al viento.
Un invernadero de varios tramos, con una longitud de decenas o incluso cientos de metros, puede sufrir fuerzas horizontales considerables en condiciones de viento fuerte.
El viento no se limita a “empujar” el invernadero por un lado.
Puede crear:
- Presión positiva en las paredes de barlovento;
- Sujeción por succión en superficies de tejado;
- Fuerzas de sustentación;
- Alta presión local en las paredes de los extremos;
- Grandes diferencias de presión cuando las rejillas de ventilación o las puertas están abiertas.
Por eso, el diseño de invernaderos resistentes a vientos fuertes suele centrarse en gran medida en:
- Paredes de los extremos;
- Columnas principales;
- Arcos de tejado;
- Sistemas de refuerzo;
- Anclaje de cimentación;
- Estabilidad longitudinal.
En condiciones climáticas normales, el acero Q235 puede ser suficiente para muchos elementos estructurales. En zonas costeras, insulares o con vientos fuertes, puede ser necesario reforzar los elementos críticos con acero Q355.
El tipo de acero adecuado depende de la carga de diseño real, y no simplemente del país en el que se construya el invernadero.
La seguridad de un invernadero depende del sistema estructural, no de un solo tipo de acero
Un invernadero se comporta como una estructura única e integrada.
Las columnas, los arcos, los elementos longitudinales, los arriostramientos transversales, el refuerzo de los muros extremos, las uniones y los cimientos funcionan de forma conjunta.
Si falta algún componente importante de este sistema de estabilidad o si su diseño es deficiente, es posible que el acero de mayor resistencia por sí solo no resuelva el problema.
Por ejemplo:
Un invernadero que no cuente con un refuerzo longitudinal suficiente puede balancearse en exceso con el viento.
Un muro de cabecera mal reforzado puede convertirse en el primer punto de fallo.
Una cimentación débil podría provocar que el invernadero se levante antes de que los propios elementos de acero alcancen su límite de resistencia.
Por este motivo, el diseño estructural profesional de un invernadero debe tener en cuenta: la resistencia de los materiales, las dimensiones de los elementos estructurales, los arriostramientos, las uniones y los cimientos, considerándolos como un sistema integral.
El tipo de acero y la protección contra la corrosión deben evaluarse por separado
Otro error común es considerar que las denominaciones Q235 o Q355 también hacen referencia a la resistencia a la corrosión.
No es así.
Las normas Q195, Q235 y Q355 describen las propiedades mecánicas del acero.
Términos como:
- Galvanizado por inmersión en caliente;
- Pregalvanizado;
- Galvanizado por el proceso Sendzimir;
- Z275;
Describe el sistema de protección contra la corrosión o el recubrimiento de zinc.
Por lo tanto, un tubo de invernadero puede ser:
- Q235 galvanizado por inmersión en caliente;
- Q355 galvanizado en caliente;
- Q235 con un recubrimiento galvanizado continuo Z275;
- Q355 con otro sistema de protección galvanizada.
Un invernadero duradero requiere ambas cosas: una resistencia estructural suficiente y una protección adecuada contra la corrosión.
Por qué la protección contra la corrosión es especialmente importante en los invernaderos
El interior de los invernaderos suele contener:
- Alta humedad;
- Condensación;
- Agua de riego;
- Fertilizantes;
- Productos agroquímicos;
- Fluctuaciones de temperatura.
En las zonas costeras, la niebla salina también puede acelerar la corrosión.
Aunque se utilice acero Q355, una protección contra la corrosión deficiente puede reducir la vida útil de la estructura, ya que la corrosión reduce gradualmente el espesor efectivo del acero.
En ese caso, el problema no es que el tipo de acero original fuera demasiado débil. El problema es que la sección estructural se va reduciendo con el paso del tiempo.
Por lo tanto, en las aplicaciones en invernaderos, la resistencia a la corrosión puede ser tan importante como la resistencia del acero.
El galvanizado en caliente, el pregalvanizado y el tipo de acero son conceptos distintos
Términos como:
Galvanizado en caliente
Pregalvanizado
Sendzimir
Z275
describir los sistemas de protección de superficies o de recubrimiento de zinc.
Las normas Q195, Q235 y Q355 describen la resistencia de los materiales.
Estos dos tipos de información deben evaluarse siempre por separado.
El tipo de acero influye en la capacidad de carga, mientras que el recubrimiento galvanizado influye principalmente en la resistencia a la corrosión a largo plazo.
No siempre se puede considerar que el mismo grado Q235 sea idéntico en todos los espesores.
Una orden de compra en la que solo se indica lo siguiente:
“Material: Q235”
no proporciona toda la información necesaria para el diseño estructural.
En las normas sobre acero estructural, los requisitos mínimos de límite elástico pueden variar en función del espesor del material.
Por lo tanto, el diseño profesional también debe identificar:
- Dimensiones del tubo;
- Espesor de la pared;
- Calidad del acero;
- Norma sobre materiales aplicable;
- Método de fabricación;
- Condiciones de entrega, cuando proceda.
Esto es especialmente importante en los proyectos de invernaderos de mayor envergadura.
El mero hecho de afirmar que “utilizamos Q355” no demuestra que la estructura sea segura.
Lo importante es dónde se utiliza el Q355, qué sección y espesor se eligen, y si se ha calculado toda la estructura para las cargas requeridas.
Por qué los invernaderos de cristal suelen requerir más acero de alta resistencia
El plástico es muy ligero, por lo que la carga permanente de un invernadero de plástico es relativamente baja.
Los invernaderos de cristal son muy diferentes.
El vidrio es más pesado y también más sensible a la deformación estructural.
Si el marco principal se deforma en exceso, esto puede afectar no solo a la estabilidad estructural, sino también a la integridad del acristalamiento, a las juntas y a los sistemas de fijación.
Por este motivo, los invernaderos de cristal suelen hacer mayor hincapié en:
- Rigidez de la columna;
- Rigidez de la estructura;
- Deformación articular;
- Estabilidad general del bastidor.
Por ello, es posible que el Q355 se utilice de forma más generalizada que en un invernadero convencional con lámina.
Los invernaderos de policarbonato suelen situarse a medio camino entre las estructuras de plástico y las de cristal.
La elección del acero para invernaderos es, en última instancia, una cuestión de equilibrio entre seguridad y rentabilidad
La ingeniería no consiste en utilizar el material más caro en todas partes.
Si el Q235 cumple de forma segura los requisitos de diseño de un proyecto, sustituir todos los elementos por Q355 podría aportar pocos beneficios prácticos.
Por otro lado, en un invernadero grande expuesto a fuertes vientos, intentar ahorrar dinero utilizando acero de menor resistencia en todas partes puede requerir elementos de mayor espesor y más refuerzo, lo que puede aumentar el peso total del acero.
Por lo tanto, la comparación real debería ser: la eficiencia estructural total y el coste del invernadero, siempre que se cumplan las cargas de diseño requeridas.
No debería ser simplemente:
“¿Qué tipo de acero es más barato por tonelada?”
Comparación entre los grados de acero chinos y los europeos, estadounidenses y japoneses
En los proyectos internacionales de invernaderos, es posible que los clientes extranjeros estén más familiarizados con los grados de acero europeos, ASTM o JIS.
Desde una perspectiva general en cuanto al nivel de fuerza:
- El Q195 es similar a los calibres europeos de menor resistencia, como el S185;
- El Q235 se suele comparar con el EN S235, el ASTM A36 y el JIS SS400;
- El Q355 se suele comparar con el EN S355, el ASTM A572 Grado 50 y el JIS SM490.
Estas comparaciones resultan útiles para comprender los niveles de fuerza relativa, pero no deben interpretarse como una equivalencia exacta.
Las distintas normas pueden establecer requisitos diferentes en cuanto a:
- Composición química;
- Límite elástico;
- Resistencia a la tracción;
- Alargamiento;
- Resistencia al impacto;
- Rango de espesor;
- Condiciones de entrega.
Por ejemplo, las calidades europeas como S235JR, S355JR, S355J0 y S355J2 también incluyen distintos requisitos de tenacidad al impacto.
Por lo tanto, las comparaciones internacionales en materia de acero deben entenderse como clases de resistencia similares, y no como normas automáticamente intercambiables.
¿Qué tipo de acero es el más adecuado para un invernadero?
No hay una respuesta única.
Un pequeño invernadero de túnel de uso estacional situado en una zona de clima templado puede dar muy buenos resultados con los modelos Q195 o Q235.
Un invernadero comercial convencional de múltiples tramos con cubierta de plástico puede utilizar acero Q235 para la mayoría de los elementos estructurales.
Un invernadero más alto y más ancho, con materiales de recubrimiento más pesados, puede utilizar una combinación de Q235 y Q355.
Un invernadero situado en una isla ventosa, en una región costera o en una zona con fuertes nevadas puede requerir una mayor proporción de Q355 en los elementos estructurales críticos.
Por lo tanto, la pregunta inicial correcta no es:
“¿Qué tipo de acero deberíamos utilizar?”
Es:
“¿A qué cargas debe resistir este invernadero?”
La diferencia entre los aceros Q195, Q235 y Q355 no se reduce simplemente a una diferencia en el precio del material. Se trata de una diferencia en la clase de resistencia, la función estructural y la eficiencia técnica.
El Q195 suele ser más adecuado para componentes de uso ligero y secundarios. El Q235 se utiliza ampliamente como acero estructural principal en los invernaderos comerciales convencionales. El Q355 resulta más adecuado para proyectos de invernaderos de gran luz, gran altura libre, expuestos a vientos fuertes, con cubiertas pesadas y de alto nivel.
Sin embargo, ningún tipo de acero por sí solo puede garantizar la seguridad de un invernadero.
Para que un invernadero sea fiable, deben tenerse en cuenta, como un sistema integrado, las propiedades del acero, las dimensiones de los tubos, el espesor de las paredes, la estabilidad estructural, las cargas de viento y nieve, las uniones, los cimientos y la protección contra la corrosión.
Por lo tanto, la ingeniería profesional de invernaderos no consiste en utilizar acero de máxima resistencia en todas partes.