Escuadras de fijación para una cubierta fotovoltaica en ambiente costero
Una empresa va a instalar 48 módulos fotovoltaicos de 21 kg sobre la cubierta de una nave situada en la costa de Bizkaia, a 800 m del mar. Cada módulo se fija con dos escuadras en L de 1,20 m de longitud y 4,4 cm² de sección, que trabajarán fundamentalmente a flexión y a compresión. El instalador propone extruir las escuadras en aleación de aluminio 6005A-T6 (Rp0,2 = 215 MPa, E = 70 GPa, ρ = 2,70 kg/dm³, α = 23·10⁻⁶ K⁻¹) o fabricarlas con perfil de acero S275 galvanizado en caliente (Rp0,2 = 275 MPa, E = 210 GPa, ρ = 7,85 kg/dm³, α = 12·10⁻⁶ K⁻¹). La tornillería disponible es de acero inoxidable A2 y los anclajes a la correa del tejado son de acero galvanizado. La cubierta alcanza 65 °C en verano y baja a 5 °C en invierno. Los taladros pueden ejecutarse ovalados. El cliente exige 25 años de vida útil con el mínimo mantenimiento posible y advierte de que la zona sufre nieblas salinas frecuentes.
1. Calcula la masa de una escuadra con cada material y compara la resistencia específica (Rp0,2/ρ) y la rigidez específica (E/ρ). ¿Qué material elegirías y bajo qué condición de diseño?
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Volumen y masa. V = 4,4 cm² · 120 cm = 528 cm³.
- Aluminio 6005A-T6: m = 528 · 2,70 = 1,43 kg
- Acero S275: m = 528 · 7,85 = 4,15 kg (2,9 veces más)
Índices específicos.
- Resistencia específica: 215/2,70 = 79,6 frente a 275/7,85 = 35,0 (el aluminio es 2,3 veces mejor).
- Rigidez específica: 70/2,70 = 25,9 frente a 210/7,85 = 26,8 (prácticamente iguales).
Decisión razonada. Con 96 escuadras, el aluminio ahorra 2,7 kg por unidad, es decir unos 260 kg sobre la cubierta, y evita renovar galvanizado durante 25 años. Pero la conclusión depende del criterio de dimensionado: si manda la tensión (flexión), el aluminio gana con claridad; si manda la flecha admisible, el aluminio no aporta nada, porque con la misma masa la flecha es la misma (EI/ρ constante) y con la misma sección flecta el triple (E = 70 frente a 210 GPa). La condición de diseño a imponer es, por tanto, «verificar la flecha con el canto disponible»; si no se cumple, hay que aumentar el canto del perfil antes que cambiar de material.
2. El perfil de aluminio se atornilla directamente a la correa de acero galvanizado y a tornillos de acero inoxidable A2. Explica el riesgo que aparece en ambiente costero y propone tres medidas concretas de diseño.
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Riesgo: par galvánico. En presencia de niebla salina (electrolito) el aluminio actúa como ánodo frente al acero inoxidable y al acero galvanizado, con diferencia de potencial de varias décimas de voltio. El resultado es corrosión localizada (picadura) del aluminio justo en el taladro y en la interfaz, zona donde además se acumula agua y se concentran tensiones. El galvanizado también se consume antes de lo previsto, y la cabeza del tornillo inoxidable actúa como cátodo inalterable.
Medidas.
- Aislar eléctricamente el par: arandelas y casquillos de poliamida o EPDM en cada unión, de modo que ningún punto de aluminio toque el acero.
- Proteger el aluminio con anodizado (mínimo 15 µm) o lacado en polvo, incluyendo el interior de los taladros ovalados, y sellar la junta con masilla neutra.
- Evitar el contacto con cobre o latón, prever taladros de drenaje para que no quede agua retenida y usar tornillería A4 en lugar de A2 si el ambiente es muy agresivo.
Además, la relación de áreas importa: un cátodo pequeño (tornillo) frente a un ánodo grande (perfil) es menos dañino que al contrario, pero la picadura se concentra igualmente bajo la cabeza del tornillo, por lo que el aislamiento es imprescindible.
3. Estima la variación de longitud de la escuadra de aluminio entre 5 °C y 65 °C y explica la consecuencia práctica sobre los taladros y el sistema de fijación.
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ΔL = α · L · ΔT = 23·10⁻⁶ · 1200 mm · 60 K = 1,66 mm en el perfil de aluminio. Para el acero: 12·10⁻⁶ · 1200 · 60 = 0,86 mm. El movimiento diferencial aluminio-acero es de unos 0,80 mm por escuadra, y a él se suma la dilatación del marco del módulo, que es de otra aleación.
Consecuencias prácticas.
- Si se atornillan ambos extremos con taladro pasante y apriete fuerte, la escuadra no puede dilatarse y trabaja a compresión/tracción restringida; en el taladro aparecen esfuerzos de cizalla y se genera holgura o grietas a lo largo de los ciclos térmicos (25 años equivalen a miles de ciclos).
- Solución: taladro ovalado con sobremedida mínima de 2 mm en el sentido longitudinal, arandela de aislamiento que permita deslizamiento y un solo punto fijo por escuadra, dejando el otro extremo como apoyo deslizante.
- El par de apriete debe ser moderado y con freno de tuerca, para no aplastar la arandela aislante ni bloquear el deslizamiento.