Datos de cargas de equipos para cimentación: qué y cuándo
Imagine esto: la lista de documentos de una especificación de compra japonesa (kobai shiyosho) le pide al proveedor de la bomba el "rōdingu dēta" (loading data). El proveedor envía una tabla de pesos de una sola línea. Su equipo de ingeniería civil dice que con eso no puede arrancar el diseño de la cimentación, y el contratista japonés quiere los planos de cimentación congelados el mes siguiente. Esta guía explica qué son los datos de cargas del equipo, qué deben contener y cuándo se necesitan, para que pida la información correcta desde la primera vez.
En resumen: el loading data es el documento de diseño que le dice a quienes diseñan la cimentación, la estructura de acero o la losa del edificio qué cargas les transmite un equipo. Además de los pesos, muestra el centro de gravedad, los puntos de apoyo, la dirección de cada fuerza y las condiciones de operación detrás de cada valor. Una lista de pesos casi nunca basta, porque dos máquinas del mismo peso pueden cargar de forma muy distinta una cimentación si cambia su centro de gravedad o su forma de apoyo.
Contenido
¿Qué son los datos de cargas del equipo (loading data)?
El loading data ordena el peso, el centro de gravedad, las dimensiones y las fuerzas de operación de un equipo en una forma que el diseñador de la cimentación pueda usar. Los documentos japoneses también lo llaman kiki kaju-zu (plano de cargas del equipo) o kiso kaju shiryo (datos de cargas para cimentación). Por eso conviene acordar con el comprador qué debe contener el documento, en lugar de confiar en el nombre.
Aplica a cualquier equipo que transmite carga a una estructura: bombas, tanques, compresores, turbinas y distintas estructuras de soporte. Los "equipos que requieren cimentación" incluyen también los que se apoyan en la losa de un edificio o en una estructura de acero, así que la falta de una cimentación de concreto independiente no significa que no se necesiten los datos. Que el equipo vaya sobre su propia cimentación, sobre una losa o sobre una estructura metálica también cambia quién recibe los datos y qué condiciones necesita.
Qué puntos se incluyen depende del equipo y de las condiciones del pedido. La información sobre la ubicación y el empotramiento de las anclas, en particular, se define acordando quién es responsable de qué en el lado del equipo y en el lado de la cimentación, y verificando después que ambos coincidan.
Figura 1: peso, centro de gravedad y puntos de apoyo en un mismo sistema de coordenadas
Esquema solo para explicar. Defina una única convención de coordenadas para que el lector pueda ubicar el centro de gravedad y el punto donde actúa cada carga.
Qué debe incluir el loading data
Identificación y alcance del equipo
Empiece por dejar claro a qué equipo se refiere el documento. Indique en el plano la clave (tag), el modelo, la cantidad y el alcance de los accesorios, y aclare si cada peso corresponde a la máquina sola o si incluye el motor y la base común (baseplate).
Pesos por condición
El peso cambia con la condición del equipo: en seco (vacío), en operación, lleno de líquido, en prueba, etc. No mezcle valores de la máquina sola con valores que incluyen contenido, aislamiento o accesorios, y etiquete cada número con la condición que representa.
Figura 2: cada caso de carga junto con lo que incluye
Formato de ejemplo. Si queda líquido en el equipo cuando está parado, muéstrelo por separado de la condición en seco. Los casos necesarios dependen del equipo, del sitio y de las condiciones de diseño. No sume mecánicamente valores máximos de casos que no pueden ocurrir al mismo tiempo.
Masa o fuerza, estático o dinámico
"En operación o parado" y "estático o dinámico" son clasificaciones distintas. El peso propio y el peso del contenido son componentes estáticos aunque la máquina esté funcionando. Sepárelos de las fuerzas que varían con el arranque y el paro, la vibración o el movimiento rotatorio y alternativo.
"Masa de 2,500 kg" y "carga vertical de 24.5 kN" también son magnitudes físicas distintas, con unidades distintas. Indique si cada valor es una masa o una fuerza calculada a partir de la masa, y no entregue una tabla de números sueltos con la etiqueta "peso". Si en su organización se manejan kgf o toneladas, escriba la unidad junto a cada valor para evitar confusiones.
Centro de gravedad, puntos de apoyo y coordenadas
Después, muestre el centro de gravedad y los puntos de apoyo por donde la carga entra a la cimentación. Las dimensiones generales no dicen dónde está el centro de gravedad, y suponer que está en el centro de la máquina debe verificarse contra la configuración que realmente se va a entregar.
La altura del centro de gravedad también determina el momento de volteo que producen las fuerzas horizontales. Un documento del Ministerio de Agricultura, Silvicultura y Pesca de Japón (MAFF) sobre la instalación de equipos eléctricos, por ejemplo, muestra una revisión de cimentación que usa el peso del equipo, la altura del centro de gravedad y la separación de los pernos.
Ponga el origen de coordenadas en un punto que pueda identificarse en el plano, como el centro del equipo, un punto definido en el borde de la base o un punto de apoyo de referencia. Alinee las direcciones X, Y y Z y los planos de referencia de las cotas, para que el diseñador de la cimentación cometa menos errores al convertir a otro origen. Las cotas deben poder seguirse desde los mismos puntos de referencia que el equipo físico: muestre las distancias entre apoyos y las alturas sobre el plano de referencia, y haga que el centro de gravedad se lea en el mismo plano que el contorno.
Si presenta fuerzas y momentos en una tabla, indique el sentido positivo de cada componente. "La fuerza que el equipo aplica a la cimentación" y "la reacción que la cimentación ejerce sobre el equipo" tienen sentidos opuestos, así que aclare cuál muestra la tabla.
Si el punto donde se suman las cargas es distinto de aquel donde calcula el diseñador de la cimentación, comparta también esa diferencia. La misma fuerza horizontal produce un momento distinto a otra altura, así que mantenga cada valor y su punto de aplicación en el mismo documento.
Sismo, viento y cargas dinámicas
Para sismo, viento y acciones similares, el fabricante del equipo y el lado civil/estructural deben acordar quién calcula qué. Distinga lo que calculará el receptor a partir del peso y del centro de gravedad de lo que el fabricante ya calculó, para no aplicar la misma acción dos veces.
En maquinaria rotatoria, el diseñador de la cimentación puede necesitar la velocidad o la frecuencia y la dirección de la fuerza vibratoria, no solo su magnitud. Verifique si una tabla de cargas estáticas es suficiente y, si hacen falta datos dinámicos, pídalos al fabricante de forma específica.
Un valor etiquetado solo como "carga dinámica", por ejemplo, puede ser una fuerza que varía con el tiempo o una carga estática con un incremento añadido. Confirme la definición del valor, la dirección en que varía, la información de frecuencia necesaria y para qué cálculo está pensado.
Cargas de tubería y cargas admisibles en boquillas
Las cargas de tubería que actúan sobre las boquillas (nozzles) del equipo son un punto de revisión aparte. La información de planeación de KSB cubre el peso de la bomba y de su contenido, además del peso de la tubería y del líquido que contiene, y explica que también deben considerarse las fuerzas por dilatación térmica y por presión, según cómo se soporte la tubería.
Una "carga admisible en boquillas" es el intervalo de fuerza que el equipo puede aceptar en sus boquillas. No la interprete como una carga que el equipo transmite de forma continua a la cimentación. En cambio, compare las cargas de tubería que realmente actúan sobre las boquillas con los soportes que las van a tomar.
Según el equipo, el desplazamiento admisible y la precisión de instalación también pueden ser condiciones que necesita el diseñador de la cimentación. Teniendo presente la diferencia entre una junta de expansión y una manguera flexible, distinga las partes que se mueven por dilatación térmica de los puntos fijos, y aclare quién soporta las fuerzas que aparecen donde se restringe el movimiento.
Ejemplo de cálculo: por qué el peso total no basta
Para entender qué significan las reacciones en los apoyos, tome un modelo simple con dos puntos de apoyo. El equipo tiene una masa en seco de 1,500 kg y contiene 1,000 kg de líquido, de modo que su masa en operación es de 2,500 kg. Para ilustrar, use una aceleración de la gravedad de 9.8 m/s².
Figura 3: los mismos 24.5 kN, pero reacciones desiguales cuando el centro de gravedad no está centrado
Modelo con dos apoyos que solo soportan carga vertical. Esta figura por sí sola no permite determinar la carga en cada pata de una unidad real de cuatro patas ni en sus anclas.
Sean los apoyos A y B, separados 2.0 m, con el centro de gravedad a 0.8 m de A. Tomando momentos respecto a A se obtiene la reacción en B, y A soporta el resto de la fuerza vertical.
Repartir la carga por igual, 12.25 kN en cada apoyo, daría valores equivocados en este caso. El peso total no le dice al diseñador qué debe soportar cada apoyo, y por eso se necesitan el centro de gravedad y la ubicación de los apoyos.
En un patín (skid) real también influyen el número de apoyos, su rigidez, la forma de fijación, las fuerzas horizontales y los momentos. El ejemplo de dos apoyos solo muestra qué significa la información; no es una fórmula para dimensionar anclas ni cimentaciones.
Por qué importa el loading data: quién entrega qué a quién
El loading data conecta a quienes seleccionan el equipo con quienes diseñan la estructura que lo soporta. Aunque la capacidad y las conexiones del equipo ya estén definidas, la base de diseño de la cimentación o de la estructura de soporte está incompleta mientras no se conozcan las cargas en los apoyos.
En algunos proyectos japoneses, la obra de planta (equipos de proceso) y la obra civil/edificación se contratan por separado, lo que se conoce como bunri hatchu. En ese caso, las condiciones de diseño del fabricante del equipo deben pasar al lado de edificación. Un arreglo común: el lado planta coordina la selección y la distribución de los equipos, y el lado civil diseña la estructura con las condiciones que recibe.
Figura 4: de los planos y tablas de cargas del equipo a la base de diseño de la cimentación
Ejemplo de entrega entre contratos separados. No se limite a reenviar documentos: verifique que coincidan con el equipo y la distribución que realmente se van a entregar.
Escriba los requisitos para el fabricante en la especificación de compra (kobai shiyosho). Enumerar los casos de carga requeridos, el formato, la fecha de entrega y cómo se avisarán las revisiones, y no solo el nombre del documento, reduce malentendidos más adelante.
El lado planta verifica las claves de equipo de los documentos del fabricante contra los planos de distribución y las condiciones de tubería y accesorios. Cuando recibe un plano de referencia de la misma serie de producto, también verifica que reflejen el modelo, el motor y la base que se entregarán.
Al pasar los datos al lado civil/edificación, vincule cada carga con la ubicación y la altura de su apoyo. Si cambian el nivel de instalación o la ubicación de la cimentación, las condiciones estructurales cambian aun con el mismo peso, así que gestione la distribución y las cargas como un par.
La ubicación de los barrenos para anclas, las dimensiones de la base del equipo y las condiciones de anclaje en la cimentación deben coincidir. También importa si las anclas son ahogadas en el colado o postinstaladas, pero no juzgue la longitud de empotramiento ni la idoneidad de la cimentación solo por el diámetro del barreno en el plano del equipo.
Cuando el equipo se fija a una estructura de acero en lugar de a una cimentación de concreto, se necesitan los detalles de la conexión. Haga coincidir el método de fijación que adopte, como una placa roscada (tap plate), con las condiciones de los miembros y de las conexiones que tomarán la fuerza.
Las condiciones del lado del equipo, como el desplazamiento admisible y la vibración, le indican al lado estructural qué desempeño debe dar la estructura. A la inversa, si las condiciones de apoyo o la rigidez de la cimentación difieren de lo supuesto en el diseño del equipo, puede ser necesario repetir la evaluación del lado del equipo.
Indique si cada valor es una carga real (sin factorizar) o un valor de diseño que ya incluye incrementos o factores de carga. Un comentario verbal como "lo redondeamos hacia arriba por seguridad" no evita que el lado receptor aplique sus propios factores encima.
En la etapa de cotización en particular, algunos equipos y accesorios aún no están definidos, por lo que el diseño puede avanzar con valores aproximados. Si es así, registre el margen supuesto, qué cubre y la fecha límite para los valores definitivos, para que quede constancia de en qué se basó el diseño temprano.
Enumerar las exclusiones también ayuda a que no se pierdan cargas entre el lado del equipo y el de la cimentación. Para tubería, aislamiento, plataformas de acceso y cableado que se agregan en sitio, decida si pertenecen a los datos del equipo o si se suman por separado.
Un peso supuesto mayor no siempre queda del lado seguro. En las revisiones de levantamiento y de volteo, puede regir la condición más ligera. Comparta los valores máximo y mínimo y las condiciones en que aplica cada caso.
Preparar los datos, acusar recibo y aprobarlos para diseño son tres cosas distintas. Tomando en cuenta cómo se manejan los planos devueltos con aprobación (shonin-zu), lleve el control de quién revisó qué condiciones y qué puntos siguen abiertos.
Además de acertar con el formato, dé al lector referencias que pueda verificar. Alinee los números de plano y las revisiones del plano de contorno, del plano de cimentación y de la tabla de cargas, y aclare qué documentos van juntos.
Cuando varios equipos comparten una misma estructura, considere qué estados de operación ocurren al mismo tiempo, no solo el máximo de cada equipo. Acuerde las combinaciones necesarias (operación normal, cambio al equipo de reserva, pruebas, mantenimiento) y llévelas a las condiciones de diseño de la estructura completa.
Cuándo entregar el loading data
Como regla general, los datos se entregan antes de que las condiciones se introduzcan en el diseño estructural de la cimentación o del edificio. Si los datos finales llegan justo antes de la entrega del equipo, cuando la obra de cimentación o el diseño del edificio ya van avanzados, cualquier cambio tiene un impacto mucho mayor.
La construcción de una planta puede verse como una secuencia: planeación básica, diseño mecánico, diseño del edificio y de la cimentación, obra de cimentación, obra del edificio, instalación de equipos y, por último, tubería y obra eléctrica. En la práctica el diseño avanza en paralelo, así que no se puede esperar a que todos los detalles del equipo estén definidos para entregar datos.
Figura 5: ajustar datos preliminares, datos finales y avisos de cambio a los hitos del proyecto
Calcule hacia atrás a partir de los hitos de diseño y construcción del lado receptor, no a partir de un número fijo de días. Aun después de iniciada la obra, no deje un cambio sin atender: comparta su impacto y la respuesta con todos los involucrados.
Planeación básica. Las dimensiones y pesos aproximados de los equipos candidatos pueden usarse para estudios de distribución y de cargas en piso. Aunque todavía no sea un loading data formal, marque los valores como provisionales y enumere el alcance excluido en el plano o en la lista.
Cotización. Alinee las condiciones mediante la especificación de cotización (mitsumori shiyosho). Identifique qué puntos podrían cambiar las cargas después del pedido y cuáles deben coordinarse pronto con el lado receptor.
Pedido. Vincule la fecha límite de entrega de la especificación de compra con el programa. En lugar de un impreciso "entregar después del pedido", acuerde una fecha que permita cerrar los planos de cimentación y planear los trabajos de anclaje.
Datos finales del proveedor. Cuando lleguen los planos formales del equipo y las condiciones de carga, compárelos con los datos anteriores. Verifique peso, centro de gravedad, puntos de apoyo, contorno y accesorios, y pase al lado de la cimentación cualquier diferencia.
Alcance final. Controle el alcance final del suministro contra la especificación de entrega (nonyu shiyosho). Si solo la tabla de cargas está actualizada, pero los planos de contorno o de distribución que usa el diseñador de la cimentación son de una revisión anterior, las condiciones siguen en conflicto.
Manejo de cambios y consultas
Un aviso de cambio debe decir no solo qué cambió, sino también a qué afecta. Un aumento de masa afecta las cargas en los apoyos, y un desplazamiento del centro de gravedad afecta las reacciones y el volteo. Un cambio en la ubicación de los barrenos exige revisar las anclas. Presente cada cambio de forma que el lado receptor pueda seguirlo.
Reemplazar un plano no siempre hace que el cambio llegue a quienes hacen el trabajo. Confirme quién lo recibió, qué planos deben actualizarse, el estado actual de la obra y si el cambio afecta a anclas o piezas fabricadas que ya se pidieron.
Cuando el lado receptor envíe una consulta, responda indicando qué valor de la tabla de cargas se está revisando y bajo qué condiciones. No la cierre de palabra: refleje la respuesta en la revisión que corresponda para que la respuesta y los planos coincidan.
Si un cambio se descubre después de construida la cimentación, no basta con regresar los números a los valores anteriores y arreglar el papeleo. Muestre las condiciones reales del equipo y el estado as-built, y decidan con el diseñador del lado receptor qué reevaluación o acción se necesita.
El paquete final de entrega debe permitir rastrear las condiciones confirmadas y el historial de revisiones. Poder consultar los pesos, los puntos de apoyo y las condiciones de operación originales ayuda cuando se evalúan equipos existentes para un futuro reemplazo o ampliación.
Lista de verificación del loading data
Use esta lista cuando reciba el loading data de un proveedor japonés, o antes de pasarlo al diseñador de la cimentación. Revisar los puntos en orden permite detectar la mayoría de las omisiones básicas.
- Clave y cantidad: la clave (tag), el modelo y el número de unidades coinciden con la distribución y con el pedido
- Alcance: si cada peso incluye el motor, la base y los accesorios
- Pesos por condición: valores en seco, en operación, lleno/prueba y mantenimiento, cada uno etiquetado
- Masa o fuerza: kg o kN indicado en cada valor
- Centro de gravedad: ubicado en X, Y y Z, incluida la altura
- Puntos de apoyo: ubicaciones, y cargas o reacciones en cada punto
- Coordenadas y unidades: origen, direcciones de los ejes, convención de signos, plano de referencia
- Real o admisible: las cargas reales separadas de los valores admisibles, como las cargas en boquillas
- Datos dinámicos: definición de cualquier "carga dinámica", más velocidad/frecuencia y dirección cuando se necesiten
- Sismo y viento: quién los calcula y si los valores entregados ya los incluyen
- Factores y márgenes: si los valores están sin factorizar o incluyen incrementos o factores de carga
- Caso mínimo: la condición más ligera disponible para las revisiones de levantamiento y volteo
- Pendientes: valores provisionales, exclusiones y la fecha en que se confirmarán
- Planos relacionados: números de plano y revisiones de los planos de contorno, de cimentación y de anclas
Preguntas para el proveedor japonés
Estas preguntas sirven para pedir lo que falta sin rehacer toda la solicitud. Puede enviarlas tal cual o adaptarlas a su proyecto.
- ¿Qué condiciones representan los pesos de esta tabla (en seco, en operación, prueba, mantenimiento) y qué incluye cada una?
- ¿Estos valores son masa (kg) o fuerza (kN)? ¿Son cargas reales o valores de diseño con factores o márgenes incluidos?
- ¿Dónde está el centro de gravedad, incluida su altura, y desde qué origen y plano de referencia se mide?
- ¿Cuáles son las cargas en cada punto de apoyo y cuál es la convención de signos?
- El valor de "carga dinámica", ¿varía con el tiempo o es una carga estática con un incremento? ¿Qué velocidad o frecuencia aplica?
- ¿Estos valores ya incluyen sismo o viento, o debe calcularlos nuestro equipo estructural?
- Las cargas en boquillas que se muestran, ¿son cargas reales de tubería o valores admisibles?
- ¿Qué puntos siguen siendo provisionales y cuándo se emitirán los valores finales?
- ¿A qué revisión de los planos de contorno y de anclas corresponde esta tabla de cargas?
Ejemplo de correo de solicitud
Edite las partes entre corchetes según su proyecto.
Asunto: Loading data de [clave del equipo] – información necesaria para el diseño de la cimentación
Gracias por la tabla de pesos de [clave del equipo]. Para iniciar el diseño de la cimentación, nuestro equipo estructural necesita lo siguiente:
1. Pesos para cada condición (en seco, en operación, prueba, mantenimiento), con lo que incluye cada uno
2. Centro de gravedad en X, Y y Z, con el origen y las direcciones de los ejes
3. Cargas en cada punto de apoyo, con la convención de signos
4. Si los valores están sin factorizar y si incluyen cargas de sismo o viento
5. Datos dinámicos del equipo rotatorio (velocidad, magnitud, dirección), si aplica
6. Los valores provisionales y la fecha en que se emitirán los valores finalesNuestros planos de cimentación están programados para cerrarse el [fecha], por lo que agradeceremos recibir los datos a más tardar el [fecha]. Indíquenos también en qué revisión del plano de contorno se basan los datos.
Límites de esta guía
Lo que debe contener el loading data, cómo se le llama y quién lo prepara varían según la empresa, la industria, el contrato y el proyecto. Los casos de carga necesarios dependen del equipo, del sitio de instalación y de las condiciones de diseño, y los criterios de sismo y viento dependen del país y del proyecto; en México suelen tomarse del reglamento de construcción local y del Manual de Diseño de Obras Civiles de la CFE, y conviene confirmar con el responsable estructural cuál aplica.
El cálculo con dos apoyos de esta guía es solo una ilustración. El diseño de la cimentación, de la estructura y de las anclas debe hacerlo y revisarlo el ingeniero estructural responsable, conforme a la base de diseño del proyecto.
Preguntas frecuentes
¿Puedo preparar el loading data solo con el peso del equipo?
No. Junto con el peso, entregue lo que necesita el lado receptor: la condición que representa cada valor, el centro de gravedad, los puntos de apoyo y las direcciones de las fuerzas. Equipos del mismo peso pueden producir reacciones y condiciones de volteo distintas, así que una tabla de pesos por sí sola no es un loading data completo.
¿Quién prepara el loading data y quién lo recibe?
En un arreglo común, el fabricante del equipo da las condiciones del equipo, y el lado planta las verifica contra la distribución y las pasa al lado civil/edificación. Decida quién coordina y quién calcula o revisa cada parte según el contrato y la división del trabajo de diseño.
¿El peso con el equipo parado es lo mismo que la carga estática?
No. En operación o parado describe el estado del equipo, mientras que estático o dinámico describe la naturaleza de la fuerza. Presente el peso propio y el peso del contenido durante la operación por separado de las fuerzas que varían con el arranque, el paro o la vibración.
¿Es seguro usar cargas grandes en la etapa de cotización?
No automáticamente. Indicar el margen en los valores provisionales es útil, pero inflar todo no hace seguro el diseño: el caso más ligero puede regir algunas revisiones y los factores pueden terminar aplicándose dos veces. Comparta los casos de carga y qué representa cada valor.
Si el equipo cambia pero el peso es el mismo, ¿hay que volver a entregar los datos?
Sí, si el cambio afecta a la cimentación. Los cambios en el centro de gravedad, los puntos de apoyo, el contorno, la ubicación de las anclas o las fuerzas dinámicas afectan a la cimentación aunque el peso sea el mismo. Compare los cambios y envíe datos actualizados que cubran toda condición que afecte al lado de la cimentación.
Fuentes
- Fuerzas y pares transmitidos a la cimentación, y vibración: KSB, "Pump Foundation" (en inglés)
- Pesos del equipo y de la tubería, y fuerzas por calor y presión: KSB, "Planning Information for Tubular Casing Pumps" (en inglés)
- Cargas de tubería y cargas admisibles del equipo: KSB GIW, "Is Your Piping Stressing Your Pump?" (en inglés)
- Coordinación con la obra de edificación y revisión de cimentación con el centro de gravedad: Ministerio de Agricultura, Silvicultura y Pesca de Japón, "Instalación y cableado de equipos" (en japonés)
Artículo original en japonésEsta guía se basa en un artículo de MONOSCOPE escrito para lectores en Japón: ローディングデータとは？記載項目・作成の目的と基礎設計へ提出する時期
Acerca del editor
Editor de MONOSCOPEFOUNDER & EDITORTrabajó unos diez años en un fabricante de equipos para plantas y en una empresa de ingeniería de plantas, a cargo de propuestas, diseño y puesta en marcha de equipos, y luego se pasó al marketing digital. Hoy es consultor web para fabricantes B2B y los ayuda a explicar sus productos y su tecnología. Cuenta con licencias nacionales de Japón como Energy Manager e Ingeniero Eléctrico Jefe de Tercera Clase.
Escribe un blog de ingeniería desde 2017 (más de 500 artículos) y tiene un canal de YouTube en japonés con unos 20,000 suscriptores. Cada guía se escribe desde el punto de vista de la planta japonesa y se verifica con las normas citadas.
