Estructuras de Soporte

Todo sobre las Estructuras Metálicas de Soporte. Tipos, Diseño, Materiales, Fabricación, Montaje y Aplicaciones en la Industria y la Construcción. Ingeniería y Construcción de Estructuras Metálicas de Soporte en Bogotá y Colombia

Estructuras Metálicas de Soporte: Sosteniendo la Industria y la Infraestructura

Las estructuras metálicas de soporte, aunque a veces no tan visibles como los grandes edificios o puentes, constituyen una categoría esencial en el mundo de la construcción y la ingeniería. Su función principal, como su nombre indica, es proporcionar soporte a equipos, maquinaria, tuberías, conductos, bandejas portacables, pasarelas, plataformas y una amplia variedad de otros elementos. Estas estructuras son fundamentales para el funcionamiento seguro y eficiente de industrias, plantas de proceso, edificios comerciales y de servicios, e infraestructuras de todo tipo. Su diseño y construcción requieren un enfoque especializado, considerando las cargas específicas, las condiciones ambientales y los requisitos de acceso y mantenimiento.

¿Qué Define a una Estructura Metálica de Soporte?

Las estructuras metálicas de soporte se caracterizan por:

Función Principal: Soportar elementos o equipos específicos, transmitiendo sus cargas a la estructura principal del edificio o a los cimientos.
Diversidad de Formas y Tamaños: Su geometría y dimensiones varían enormemente, adaptándose a las necesidades específicas de cada aplicación. Pueden ser desde simples ménsulas o soportes hasta complejas estructuras tridimensionales.
Materiales Predominantes: Generalmente fabricadas en acero al carbono (perfiles laminados en caliente, perfiles conformados en frío, tubos), aunque también pueden utilizarse acero inoxidable o aluminio en aplicaciones especiales.
Diseño Específico: Su diseño se basa en las cargas que deben soportar, las condiciones de operación (temperatura, vibraciones, etc.), los requisitos de acceso y mantenimiento, y las normas y códigos aplicables.
Conexiones Críticas: Las conexiones entre la estructura de soporte y el elemento soportado, así como las conexiones a la estructura principal, son puntos críticos que deben diseñarse y ejecutarse cuidadosamente.
Pueden ser estructuras permanentes o temporales.

Tipos Comunes de Estructuras Metálicas de Soporte

La variedad de estructuras metálicas de soporte es muy amplia, adaptándose a las necesidades de cada proyecto. Algunos de los tipos más comunes son:

1. Soportes para Tuberías (Pipe Racks)

Función: Soportar tuberías que transportan fluidos (líquidos, gases, vapor) en plantas industriales, refinerías, plantas químicas, centrales eléctricas, etc.
Tipos:
- Soportes Simples: Ménsulas, abrazaderas, soportes en U, etc., para tuberías individuales.
- Bastidores de Tuberías (Pipe Racks): Estructuras más complejas, generalmente en forma de pórticos o marcos, que soportan múltiples tuberías en varios niveles.
- Soportes deslizantes: Permiten el movimiento de la tubería debido a la expansión térmica.
- Soportes con resortes: Para tuberías sometidas a vibraciones.
Materiales: Acero al carbono (perfiles laminados en caliente, perfiles conformados en frío, tubos), acero galvanizado, acero inoxidable (en ambientes corrosivos).
Consideraciones de Diseño: Peso de las tuberías y su contenido, cargas de viento, cargas sísmicas, expansión térmica de las tuberías, vibraciones, corrosión, acceso para mantenimiento.

2. Soportes para Equipos

Función: Soportar equipos industriales, como bombas, compresores, motores, intercambiadores de calor, tanques, recipientes a presión, torres de enfriamiento, etc.
Tipos:
- Bases o Bancadas: Estructuras que se colocan directamente sobre el suelo o sobre una losa de cimentación.
- Plataformas Elevadas: Estructuras que soportan equipos a una cierta altura sobre el nivel del suelo.
- Soportes Colgantes: Estructuras que suspenden equipos del techo o de una estructura superior.
- Marcos o estructuras.
Materiales: Acero al carbono (perfiles laminados en caliente, perfiles conformados en frío, tubos), acero galvanizado, acero inoxidable (en ambientes corrosivos).
Consideraciones de Diseño: Peso del equipo, cargas dinámicas (vibraciones), cargas de viento, cargas sísmicas, acceso para operación y mantenimiento, conexiones al equipo.

3. Soportes para Conductos y Bandejas Portacables

Función: Soportar conductos de ventilación, aire acondicionado y bandejas portacables en edificios industriales, comerciales y de servicios.
Tipos:
- Soportes Simples: Ménsulas, abrazaderas, soportes en U, etc.
- Sistemas de Soporte Modulares: Sistemas prefabricados que permiten una fácil instalación y ajuste.
- Soportes colgantes.
Materiales: Acero galvanizado, acero inoxidable, aluminio.
Consideraciones de Diseño: Peso de los conductos y cables, cargas de viento (en exteriores), cargas sísmicas, acceso para mantenimiento, estética (en algunos casos).

4. Plataformas de Acceso y Mantenimiento

Función: Proporcionar acceso seguro a equipos, válvulas, instrumentos y otros elementos para operación, inspección y mantenimiento.
Tipos:
- Plataformas Simples: Plataformas pequeñas con barandillas.
- Plataformas con Escaleras: Plataformas con escaleras de acceso.
- Pasarelas: Pasillos elevados que conectan diferentes plataformas o equipos.
- Estructuras de acceso complejas.
Materiales: Acero galvanizado (común), acero inoxidable (en ambientes corrosivos), aluminio (para reducir peso). Rejilla metálica (para pisos).
Consideraciones de Diseño: Cargas vivas (personas, herramientas), cargas de viento, cargas sísmicas, seguridad (barandillas, pisos antideslizantes), ergonomía, acceso.

5. Estructuras de soporte para paneles solares.

Función: Soportar y orientar los paneles.
Tipos: Fijas o con seguimiento solar.
Materiales: Acero galvanizado y aluminio.

6. Torres y Postes

Función: Soportar antenas de telecomunicaciones, luminarias, líneas de transmisión eléctrica, aerogeneradores, etc.
Tipos:
- Torres Reticulares (Celosía): Estructuras trianguladas formadas por barras de acero, que ofrecen una alta relación resistencia-peso.
- Postes Monopolares: Postes de sección circular o poligonal, generalmente de acero.
- Torres Autosoportadas: No requieren cables de retención.
- Torres Arriostradas: Utilizan cables de retención (vientos) para aumentar su estabilidad.
Materiales: Acero al carbono (generalmente galvanizado), acero de alta resistencia y baja aleación (HSLA).
Consideraciones de Diseño: Cargas de viento, cargas de hielo, cargas sísmicas, peso de los equipos soportados, fatiga, corrosión, acceso para mantenimiento.

7. Estructuras de Soporte para Puentes Grúa

Función: Soportar los carriles y las vigas puente de los puentes grúa en naves industriales, almacenes y talleres.
Tipos:
- Vigas Carril: Vigas sobre las que se desplazan las ruedas del puente grúa.
- Columnas o Pórticos de Soporte: Soportan las vigas carril.
- Arriostramientos: Proporcionan rigidez lateral a la estructura.
Materiales: Acero al carbono (perfiles laminados en caliente), acero de alta resistencia y baja aleación (HSLA).
Consideraciones de Diseño: Cargas de la grúa (peso del puente, carga máxima, cargas dinámicas), fatiga, deflexiones, conexiones, alineación de los carriles.

8. Estructuras de Soporte para Cintas Transportadoras

Función:Soportan las cintas.
Tipos:
- Cabezales.
- Bastidores.
- Pórticos.
Materiales: Acero al carbono.
Consideraciones: Cargas de la cinta y del material, vibraciones y alineación.

9. Estructuras de Soporte para Señalización Vial y Publicitaria

Ya mencionadas anteriormente.

10. Andamios y Cimbras (Estructuras Temporales)

Función: Proporcionar plataformas de trabajo temporales y soporte para encofrados durante la construcción.
Tipos:
- Andamios Tubulares: Formados por tubos de acero y acopladores.
- Andamios Modulares: Sistemas prefabricados de andamios.
- Cimbras: Estructuras que soportan los encofrados para el hormigonado de elementos de concreto.
Materiales: Acero (generalmente galvanizado), aluminio.
Consideraciones de Diseño: Cargas de trabajo, estabilidad, facilidad de montaje y desmontaje, seguridad.

Materiales Utilizados en Estructuras Metálicas de Soporte

Los materiales más comunes utilizados en estructuras metálicas de soporte son:

Acero al Carbono: El material más utilizado, debido a su buena relación resistencia-costo y su disponibilidad. Se utilizan perfiles laminados en caliente (perfiles I, H, L, C, U, tubos circulares, cuadrados y rectangulares) y perfiles conformados en frío (perfiles C, Z, omega, U). Los grados de acero más comunes son ASTM A36, ASTM A572 Grado 50 y equivalentes europeos (S235JR, S275JR, S355J2).
Acero Galvanizado: Acero al carbono recubierto con una capa de zinc para protegerlo de la corrosión. Se utiliza ampliamente en estructuras expuestas a la intemperie, como soportes para tuberías, torres, postes y andamios.
Acero Inoxidable: Se utiliza en aplicaciones donde se requiere una alta resistencia a la corrosión, como en la industria química, alimentaria y farmacéutica, o en ambientes marinos. Los tipos más comunes son AISI 304 y AISI 316.
Aluminio: Se utiliza en aplicaciones donde se requiere ligereza y resistencia a la corrosión, como en estructuras de soporte para paneles solares, plataformas de acceso y torres de telecomunicaciones. Las aleaciones más comunes son las de la serie 6xxx (6061, 6063).
Acero de alta resistencia y baja aleación (HSLA): En aplicaciones que requieran mayor resistencia.

Diseño de Estructuras Metálicas de Soporte

El diseño de estructuras metálicas de soporte debe realizarse de acuerdo con principios de ingeniería estructural y cumplir con las normas y códigos de construcción aplicables. El proceso de diseño generalmente incluye las siguientes etapas:

Definición de Requisitos:
- Identificar el tipo de elemento o equipo a soportar.
- Determinar las cargas que actuaran sobre la estructura (peso propio, peso del equipo, cargas de viento, cargas sísmicas, cargas de operación, cargas de mantenimiento, etc.).
- Establecer los requisitos de funcionamiento (temperatura, vibraciones, corrosión, etc.).
- Definir los requisitos de acceso y mantenimiento.
- Considerar las limitaciones geométricas y de espacio.
- Identificar las normas y códigos de diseño aplicables.
Conceptualización:
- Seleccionar el tipo de estructura de soporte más adecuado (ménsula, bastidor, pórtico, torre, etc.).
- Definir la geometría general de la estructura.
- Estimar las dimensiones preliminares de los elementos estructurales.
- Definir el material a utilizar.
Análisis Estructural:
- Crear un modelo matemático de la estructura.
- Aplicar las cargas definidas en la etapa de requisitos.
- Calcular las fuerzas internas (momentos flectores, fuerzas cortantes, fuerzas axiales) en los elementos estructurales.
- Calcular las deformaciones de la estructura.
- Verificar la estabilidad de la estructura.
- Utilizar software de análisis estructural (como SAP2000, ETABS, Robot Structural Analysis, STAAD.Pro, etc.) o métodos manuales (en estructuras simples).
Dimensionamiento:
- Seleccionar las secciones transversales de los elementos estructurales (perfiles, tubos, placas) de manera que sean capaces de resistir las fuerzas internas calculadas en el análisis estructural, con un margen de seguridad adecuado.
- Verificar las resistencias a flexión, corte, compresión, tracción, pandeo, etc., según las normas de diseño.
- Verificar las deformaciones máximas para asegurar que no excedan los límites permisibles.
Diseño de Conexiones:
- Diseñar las conexiones entre los elementos de la estructura de soporte y entre la estructura de soporte y el elemento soportado o la estructura principal.
- Seleccionar el tipo de conexión (soldada, atornillada, remachada).
- Verificar las resistencias de las conexiones.
Elaboración de Planos y Especificaciones:
- Elaborar planos detallados de la estructura de soporte, que incluyan la geometría, las dimensiones de los elementos, las conexiones, los materiales y los procesos de fabricación y montaje.
- Redactar especificaciones técnicas que describan los requisitos de calidad de los materiales, la fabricación, el montaje y la inspección.
Verificación:Revisar que el diseño cumpla con todos los códigos.

Normas y Códigos de Diseño

El diseño de estructuras metálicas de soporte debe realizarse de acuerdo con las normas y códigos de construcción vigentes. Algunas de las normas más importantes son:

Estados Unidos:
- AISC 360: Specification for Structural Steel Buildings (para estructuras de acero en general).
- ASCE 7: Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures (para cargas).
- Normas específicas para diferentes tipos de equipos o industrias (por ejemplo, normas ASME para recipientes a presión, normas API para tanques de almacenamiento, normas ANSI/ASSP para plataformas y escaleras).
Europa:
- Eurocódigo 3 (EN 1993): Design of steel structures.
- Normas específicas para diferentes tipos de equipos o industrias.
Colombia:
- NSR-10: Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente. Título F - Estructuras Metálicas.
- NTC (Normas Técnicas Colombianas).
Otros países: Cada país, tiene sus normas.

Fabricación y Montaje

La fabricación y el montaje de estructuras metálicas de soporte siguen procesos similares a los de las estructuras metálicas principales y secundarias, pero con algunas particularidades:

Fabricación:
- Se realiza generalmente en taller, siguiendo los planos y especificaciones del proyecto.
- Los procesos incluyen corte, perforado, plegado, soldadura, limpieza y pintura o galvanizado.
- Se debe prestar especial atención a la precisión dimensional y a la calidad de las soldaduras.
Montaje:
- Puede realizarse en el sitio de la construcción o en el taller (en el caso de estructuras prefabricadas).
- Se deben seguir las instrucciones del fabricante y los planos de montaje.
- Se deben utilizar los equipos de elevación y las herramientas adecuadas.
- Se deben verificar las conexiones y la alineación de los elementos.
- Se deben tomar medidas de seguridad para prevenir accidentes.
- En muchos casos, el montaje se realiza en condiciones difíciles (espacios reducidos, alturas elevadas, etc.).

Consideraciones Especiales en el Diseño de Estructuras de Soporte

Además de los aspectos generales de diseño, hay consideraciones especiales para este tipo de estructuras:

Cargas Dinámicas:
- Muchos equipos y máquinas generan vibraciones y cargas dinámicas. Estas cargas deben considerarse cuidadosamente en el diseño de la estructura de soporte para evitar resonancias y fatiga.
- Se pueden utilizar amortiguadores, aisladores de vibración y otros dispositivos para reducir la transmisión de vibraciones a la estructura.
Expansión Térmica:
- Las tuberías y otros elementos soportados pueden experimentar cambios significativos de longitud debido a la expansión térmica.
- La estructura de soporte debe diseñarse para permitir estos movimientos sin generar tensiones excesivas en los elementos soportados o en la propia estructura.
- Se pueden utilizar juntas de expansión, soportes deslizantes, guías y otros dispositivos para acomodar la expansión térmica.
Corrosión:
- Las estructuras de soporte a menudo están expuestas a ambientes agresivos (humedad, productos químicos, altas temperaturas).
- Se debe seleccionar el material adecuado (acero galvanizado, acero inoxidable, aluminio) y/o aplicar una protección anticorrosiva adecuada (pintura, recubrimientos) para garantizar la durabilidad de la estructura.
Acceso y Mantenimiento:
- La estructura de soporte debe diseñarse de manera que permita un acceso seguro y fácil para la operación, inspección y mantenimiento de los equipos o elementos soportados.
- Se deben proporcionar plataformas, escaleras, pasarelas y otros medios de acceso según sea necesario.
Flexibilidad y Adaptabilidad:
- En algunas aplicaciones, es deseable que la estructura de soporte sea flexible y adaptable a futuros cambios o modificaciones.
- Se pueden utilizar sistemas modulares o diseños que permitan ajustes o ampliaciones.
Interacción con la Estructura Principal:
- Se debe analizar cuidadosamente la interacción entre la estructura de soporte y la estructura principal del edificio o instalación.
- Las cargas de la estructura de soporte deben transmitirse adecuadamente a la estructura principal sin sobrecargarla.
- Se deben evitar interferencias entre la estructura de soporte y otros elementos estructurales o instalaciones.