Organización y montaje mecánico e hidráulico de instalaciones solares térmicas. ENAE0208
Cálculo de la tensión cortante máxima de torsión
En la teoría elemental de la torsión se admite que, en una pieza mecánica sometida a torsión pura, las secciones permanecen planas y la deformación se reduce a una rotación de las diferentes secciones alrededor de un eje perpendicular a dichas secciones. Se consiguen buenos resultados en el estudio de piezas cuya sección recta sea un círculo o una corona circular (árboles macizos o huecos).
Si consideramos el esquema de la figura, la deformación máxima se produce en la base derecha de la pieza considerada y viene definida por el ángulo de giro γ, denominado ángulo de torsión, que es el ángulo de giro total de los extremos de la barra cilíndrica.
Esa deformación consistiría en un desplazamiento relativo entre cada dos secciones próximas entre sí, sometidas a tensiones de cortadura, cuyas direcciones están contenidas en el plano determinado por las secciones rectas de la pieza.
Después de realizar cálculos de cierta complejidad y partiendo del anterior gráfico, tenemos que la tensión máxima de cortadura:
Donde:
M es el momento torsor.
R es el radio de la sección.
Recuerde
Un cuerpo sufre esfuerzos de torsión cuando existen fuerzas que tienden a retorcerlo.
4. Estructuras
Como como es lógico, un colector solar térmico debe estar apoyado sobre algún elemento que le permita conseguir, al menos, los siguientes objetivos:
1 Disponer de la inclinación adecuada, tanto al uso como al lugar.
2 Ofrecer una resistencia tal que le permita vencer las acciones de fuerzas externas al colector, como las acciones del viento.
3 Ofrecer estabilidad adecuada para que el colector no caiga o se desplace en función de la posición que ocupe.
Habitualmente, para cumplir con estos objetivos se utilizan unos soportes que permiten alojar los colectores solares térmicos. Estos soportes se denominan como “estructuras”.
El diseño de la estructura obedece a las características constructivas del colector, es decir, dimensiones, forma y peso, así como a las características de funcionamiento del mismo respecto de la instalación. Estas condiciones obligan al fabricante a que la estructura tenga un diseño determinado, que generalmente es afrontado por el fabricante del colector, ofreciendo además soluciones en función del resto de equipos que puedan ser conectados al colector.
De esta forma y, comercialmente hablado, hay diferentes modelos de estructuras, desde las que solo alojan al colector hasta las que alojan al colector y al acumulador.
Los materiales empleados suelen estar basados en perfiles planos, angulares y rectangulares, preferentemente de aluminio, que es sustituido por acero o hierro cuando las estructuras deben soportar bastantes colectores. Estos últimos materiales corresponden a diseños ac-hoc o a medida, que deben ser realizados de forma manual en todo su proceso para que cumplan con su función y además aguanten las inclemencias del tiempo a lo largo de los años de funcionamiento de la instalación.
4.1. Tipos
Tal y como ya se ha comentado, los posibles tipos de estructuras que se puede encontrar va en función del colector o colectores que deba alojar. Sin embargo, se suelen clasificar en los siguientes tipos:
1 Estructuras para cubiertas planas.
2 Estructuras para cubiertas inclinadas o con pendiente cuya capa exterior está realizada con materiales de construcción.
3 Estructuras para cubiertas inclinadas cuya capa exterior está realizada a base de tejas de cerámica.
4 Estructuras para cubiertas inclinadas basadas en estructuras metálicas como lucernarios, estructuras espaciales, etc.
5 Estructuras prefabricadas para colector.
6 Estructuras prefabricadas para equipos termosifón (colector y acumulador).
7 Estructuras a medida.
A continuación, se muestran algunos modelos.
En la siguiente figura se representa una estructura ya montada con inclinación determinada y en la cual se indican todas las barras existentes.
El siguiente gráfico muestra barras con las que cuenta la estructura con la proporcionalidad que guardan sus respectivas medidas de longitud. Cada número pertenece al primer número de las barras de la estructura anterior.
En cada posición la figura de la izquierda indica la medida total de la estructura a lo largo y el ángulo que forma con respecto al suelo. El ángulo variará dependiendo de la altura que le demos a las barras posteriores y de la distancia a la que coloquemos el soporte.
A continuación, observamos otro tipo de estructura sobre tejados inclinados de tejas:
Y en la siguiente sobre tejados inclinados y metálicos:
La siguiente figura es otro tipo de estructura sobre superficies horizontales:
4.2. Materiales
El principal material con el que se fabrican estos tipos de estructuras para la sujeción de colectores es el acero galvanizado.
Los recubrimientos que se obtienen por galvanización en caliente están constituidos por varias capas de aleaciones zinc-hierro, fundamentalmente tres, que se denominan gamma, delta y