Vol. 11/ Núm. 2 2024 pág. 3931
https://doi.org/10.69639/arandu.v11i2.562
Diseño y construcción de estructuras metálicas para áreas de
mantenimiento automotriz: un enfoque en eficiencia y
durabilidad
Design and construction of steel structures for automotive maintenance areas: a focus
on efficiency and durability
Irving Javier Guillén Figueroa
iguillenf@uteq.edu.ec
https://orcid.org/0009-0000-8327-6800
Universidad Técnica Estatal de Quevedo
Ecuador – Quevedo
John Oswaldo Cajamarca Guerrero
jcajamarcag@uteq.edu.ec
https://orcid.org/0009-0001-6949-338X
Universidad Técnica Estatal de Quevedo
Ecuador – Quevedo
Steven Saul Jaramillo Sinmaleza
sjaramillos@uteq.edu.ec
https://orcid.org/0009-0 007-5062-9658
Universidad Técnica Estatal de Quevedo
Ecuador – Quevedo
Stefano Amado Delfini García
sdelfinig2@uteq.edu.ec
https://orcid.org/0009-0004-8098-2223
Universidad Técnica Estatal de Quevedo
Ecuador – Quevedo
Artículo recibido: 20 noviembre 2024 - Aceptado para publicación: 26 diciembre 2024
Conflictos de intereses: Ninguno que declarar
RESUMEN
Este artículo describe el diseño y la construcción de una cubierta de estructura metálica para un
taller dedicado al mantenimiento y reparación automotriz, con el fin de mejorar las condiciones
laborales y aumentar la eficiencia operativa. El diseño se desarrolló empleando métodos analíticos
basados en normativas internacionales como AISC 360-22, ASCE 7-16, AWS D1.1, Eurocode 3,
BS 5950 y CSA S16-19, complementadas con regulaciones nacionales. Para asegurar la seguridad
y durabilidad del proyecto, se utilizaron herramientas avanzadas de simulación estructural, que
permitieron validar la fiabilidad de la estructura. La fabricación de la estructura se realizó con
perfiles laminados en caliente de alta calidad, lo que garantiza una resistencia mecánica adecuada.
Las dimensiones de la cubierta son 7.5 metros de altura, 10 metros de ancho y 20 metros de largo,
con un diseño a dos aguas que mejora la distribución de las cargas y optimiza los costos de
fabricación en comparación con otras configuraciones. Este diseño integra aspectos de
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funcionalidad, economía y sostenibilidad, lo que contribuye a un impacto positivo en el entorno
laboral y en la percepción de las empresas. La implementación de esta estructura metálica no solo
mejora la eficiencia operativa, sino que también refuerza la imagen y la confianza en las empresas
dedicadas al mantenimiento automotriz.
Palabras clave: diseño estructural, estructuras metálicas, mantenimiento automotriz,
simulación estructural, normativas internacionales
ABSTRACT
This paper describes the design and construction of a steel structure roof for an automotive
maintenance and repair workshop, in order to improve working conditions and increase
operational efficiency. The design was developed using analytical methods based on international
standards such as AISC 360-22, ASCE 7-16, AWS D1.1, Eurocode 3, BS 5950 and CSA S16-19,
complemented by national regulations. To ensure the safety and durability of the project,
advanced structural simulation tools were used, which allowed the reliability of the structure to
be validated. The structure was manufactured using high-quality hot-rolled profiles, which
guarantees adequate mechanical strength. The dimensions of the roof are 7.5 meters high, 10
meters wide and 20 meters long, with a gable design that improves load distribution and optimizes
manufacturing costs compared to other configurations. This design integrates aspects of
functionality, economy and sustainability, contributing to a positive impact on the working
environment and on the perception of companies. The implementation of this metal structure not
only improves operational efficiency, but also reinforces the image and trust in companies
dedicated to automotive maintenance.
Keywords: structural design, metal structures, automotive maintenance, structural
simulation, international regulations
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INTRODUCCIÓN
En la actualidad, la industria del mantenimiento y reparación automotriz juega un papel
fundamental en el desarrollo económico de diversas regiones, especialmente en aquellas donde el
parque vehicular es extenso y el servicio automotriz es esencial para el funcionamiento de la vida
cotidiana. Los talleres de mantenimiento automotriz, que se encargan de ofrecer soluciones para
la reparación de vehículos, requieren de instalaciones adecuadas que garanticen tanto la eficiencia
operativa como la seguridad de los trabajadores. En este contexto, el diseño y la construcción de
estructuras metálicas para áreas de mantenimiento automotriz se presenta como una solución
ideal, ya que este tipo de construcción permite aprovechar de manera óptima el espacio, reducir
costos y asegurar la durabilidad de las instalaciones.
La necesidad de optimizar el espacio en los talleres de reparación es crucial debido a la
constante circulación de vehículos que requieren atención, lo que demanda áreas amplias y libres
de obstrucciones. Las estructuras metálicas, con su capacidad para cubrir grandes claros sin la
necesidad de columnas intermedias, se ajustan perfectamente a estos requerimientos, facilitando
el movimiento de vehículos dentro de las instalaciones y maximizando el uso del espacio
disponible. Además, la estructura metálica ofrece la ventaja de ser ligera y resistente, lo que
mejora la eficiencia de la construcción y reduce los costos a largo plazo, un aspecto esencial para
las empresas que buscan mantenerse competitivas y garantizar la sostenibilidad de sus
operaciones.
Este estudio tiene como objetivo principal el diseño y la construcción de una cubierta de
estructura metálica para un taller dedicado al mantenimiento y reparación automotriz. A lo largo
del trabajo, se abordarán las distintas fases del diseño estructural, desde el análisis de las
especificaciones que debe cumplir la estructura hasta la simulación y validación del diseño,
pasando por la selección de materiales y el proceso de fabricación y montaje de la estructura. La
investigación se centrará en identificar las mejores prácticas y tecnologías disponibles, con el fin
de garantizar que la estructura no solo cumpla con los requisitos operativos del taller, sino que
también proporcione un entorno de trabajo seguro y eficiente para los empleados.
El análisis estructural se desarrollará utilizando herramientas avanzadas de simulación y
modelado, como el software de elementos finitos, que permite realizar cálculos precisos sobre las
fuerzas y momentos a los que será sometida la estructura, así como la selección de los perfiles y
geometría adecuados. Se emplearán normativas nacionales e internacionales, como la AISC 360-
22, ASCE 7-16 y AWS D1.1, que proporcionan los parámetros y requisitos necesarios para
garantizar la seguridad y fiabilidad de la estructura metálica. Estas normativas no solo son
fundamentales para el diseño y la construcción de estructuras metálicas, sino que también
aseguran que el proyecto cumpla con los estándares de calidad y sostenibilidad requeridos en la
industria de la construcción.
Vol. 11/ Núm. 2 2024 pág. 3934
En el ámbito de la construcción de estructuras metálicas, las cubiertas a gran escala son una
de las soluciones más demandadas, especialmente en naves industriales, almacenes,
estacionamientos y talleres de mantenimiento automotriz, donde se requiere una amplia área sin
obstrucciones. Este tipo de estructuras se caracteriza por su capacidad de distribuir las cargas de
manera eficiente, lo que permite reducir el uso de materiales y costos asociados a la construcción,
sin comprometer la seguridad y estabilidad de la estructura. Por lo tanto, el diseño de una
estructura metálica para un taller automotriz debe ser llevado a cabo bajo criterios de eficiencia,
durabilidad y sostenibilidad.
Uno de los principales objetivos de este artículo es la optimización de los costos a través
del uso eficiente de materiales y de un diseño estructural que minimice el desperdicio y maximice
la resistencia de la estructura. La selección de materiales adecuados, como perfiles laminados en
caliente de acero de alta calidad, contribuirá a la durabilidad de la estructura y a la reducción de
costos de mantenimiento a largo plazo. Además, la utilización de tecnologías avanzadas de
simulación estructural permitirá validar el diseño y optimizar la distribución de cargas, lo que
redundará en una mayor eficiencia operativa en el taller.
La investigación también tiene una fuerte orientación hacia la sostenibilidad, buscando una
solución que sea eficiente tanto desde el punto de vista económico como ambiental. El uso de
materiales reciclables y la minimización de los desperdicios durante el proceso de construcción
son aspectos clave en el diseño de la estructura metálica, lo que asegura que el proyecto no solo
sea rentable, sino que también cumpla con los estándares ambientales actuales. En este sentido,
el diseño de la estructura metálica se integrará a la perfección con las necesidades operativas del
taller, ofreciendo una solución eficiente y sostenible.
MATERIALES Y MÉTODOS
El presente estudio se enmarca dentro de un enfoque de investigación aplicada y
experimental, orientado a la evaluación y optimización del diseño y construcción de estructuras
metálicas para áreas de mantenimiento automotriz. El diseño utilizado es de tipo
cuasiexperimental, ya que se desarrolla un proceso iterativo de simulación, validación y análisis
de los resultados obtenidos en las fases de prediseño y diseño estructural.
Para la recopilación de datos, se empleó una metodología cuantitativa basada en el uso de
herramientas avanzadas de simulación estructural, junto con un análisis documental de
normativas nacionales e internacionales. Se utilizó el software de elementos finitos para el
modelado estructural, permitiendo obtener las fuerzas, momentos y esfuerzos a los que la
estructura metálica estaría sometida durante su vida útil. Los cálculos estructurales fueron
realizados bajo las normativas AISC 360-22, ASCE 7-16 y AWS D1.1, garantizando el
cumplimiento de estándares internacionales de seguridad, durabilidad y eficiencia operativa.
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La población de estudio está compuesta por la estructura metálica propuesta para el taller
de mantenimiento automotriz, con un enfoque específico en la optimización de materiales y el
análisis de la distribución de cargas. La muestra en este caso no se refiere a una selección de
elementos o unidades, sino a la totalidad de la estructura diseñada, que incluye todos los perfiles
estructurales y componentes que componen la cubierta metálica.
El muestreo se realiza a través de un proceso de selección de materiales, en donde se eligen
perfiles de acero de alta calidad, fabricados por proveedores especializados, lo que garantiza una
excelente resistencia mecánica y durabilidad. La selección de estos materiales se basa en su
capacidad para soportar las cargas estructurales calculadas y en su comportamiento frente a
factores ambientales y de corrosión.
El instrumento principal de recolección de datos fue el software de simulación estructural,
el cual permitió modelar la estructura en 3D y simular las condiciones de carga bajo diferentes
escenarios. Los datos obtenidos se utilizaron para realizar un análisis comparativo de las opciones
de diseño, evaluando la eficiencia en el uso de materiales, la distribución de cargas y la
optimización de costos.
El proceso de validación de los resultados se realizó mediante simulaciones que
corroboraron la integridad estructural del diseño y su cumplimiento con las normativas de
seguridad y fiabilidad. Además, se revisaron los planos de construcción generados a partir del
modelo 3D, asegurando que la ejecución del proyecto cumpliera con los estándares de calidad
establecidos.
Este enfoque metodológico, que combina simulaciones avanzadas, selección de materiales
basada en criterios técnicos y validación mediante software especializado, asegura la
optimización del diseño de la estructura metálica, garantizando su eficiencia, durabilidad y
adaptabilidad a las necesidades operativas del taller de mantenimiento automotriz.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Deflexión Máxima de las Estructuras
Las estructuras metálicas presentan diferencias significativas en su comportamiento ante
cargas. Los valores de deflexión máxima para las estructuras cerchada y tubular se presentan en
la Tabla 1 y Figura 1.
Tabla 1
Deflexiones máximas en zonas de los pórticos
Pórtico
Estructura cerchada 𝜹𝒛 (𝒄𝒎)
Estructura tubular 𝜹𝒛 (𝒄𝒎)
1
-0.183
-4.03
2
-0.294
-6.06
3
-0.318
-5.02
4
-0.327
-5.3
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5
-0.208
-4.86
Fuente: Autores
Figura 1
Escala de deflexión de los elementos estructurales
Fuente: Autores
Nota: Simulaciones realizadas en SAP2000 bajo las normas AISC 360-22.
Porcentajes de Demanda de Elementos
Los porcentajes de demanda de los elementos principales de la estructura cerchada y de
tubos rectangulares se presentan en la Tabla 2 y Figura 2.
Tabla 2
Porcentaje de demanda de elementos principales
Elemento
Perfil
Demanda (%)
Cordón
C125x50x3mm
83.6
Montante
L20x3mm
70.8
Fuente: Autores
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Figura 2
Elementos con mayor demanda
Fuente: Autores
Nota: Se observa que los elementos restantes tienen demandas entre el 30% y 60% de su capacidad.
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Análisis del Periodo de Vibración
El periodo de vibración obtenido en el análisis modal cumple con las normativas sísmicas.
El resultado se presenta en la Figura 3.
Figura 3
Periodo de vibración del sistema estructural
Fuente: Autores
Nota: El periodo calculado es de 0.385, dentro del rango permitido por las normativas NEC.
Diseño de placa base
El diseño de la placa base garantiza la transferencia adecuada de las cargas desde la
estructura metálica al concreto, siguiendo normas internacionales como la AISC 360-22 y NEC.
Este diseño se verificó mediante cálculos analíticos y simulaciones estructurales.
En la Tabla 3 se muestran las dimensiones calculadas de la placa base para soportar cargas
axiales, momentos y tracción en pernos.
Tabla 3
Dimensiones y Cálculos de la Placa Base
Parámetro
Fórmula Utilizada
Resultado
Unidad
Largo (L)
𝐿=√𝑀
𝜎
300
𝑚𝑚
Ancho (B)
𝐵= 𝐿
1.5
200
mm
Espesor (t)
𝑡= 𝑀
𝜎∗𝑘
20
mm
Separación entre pernos (s)
𝑠=𝐵
2
100
mm
Fuente: Autores
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Configuración de Pernos de Anclaje
Para las dimensiones de ancho, largo de la placa base nos ayudamos de acuerdo a los
criterios sobre la norma AISC 360-22 tomando en cuenta las distancias entre el centro de los
agujeros para los pernos de anclaje y los límites de la placa base y del perfil de la columna. La
Figura 4 muestra la disposición de los pernos en la placa base.
Figura 4
Disposición de dimensiones de la placa base
Fuente: Autores
Nota: La figura muestra las dimensiones de la placa base de acuerdo a las dimensiones de los perfiles de la columna y
los agujeros de los pernos de anclaje. Donde: 𝐶 = Distancia del centro del perno al eje del alma o del ala del perfil
(distancia recomendada 5cm), 𝐿𝑒ℎ = Distancia horizontal del extremo de la placa base al eje del perno (distancia
recomendada 5cm), 𝐿𝑒𝑣 = Distancia horizontal del extremo de la placa base al eje del perno (distancia recomendada
5cm).
Los dimensionamientos usados dentro de la investigación en la placa base de acero y de la
base de concreto se muestran de acuerdo a la Figura 5.
Figura 5
Configuración de placa base de acero y concreto
Fuente: Autores
Verificación de Resistencia
Se calcularon las fuerzas internas para verificar la resistencia del acero y del concreto
subyacente.
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• Momento Máximo: 50 𝑘𝑁
• Fuerza Axial Máxima: 200 𝑘𝑁
• Excentricidad Crítica: 25 𝑚𝑚
Tabla 4
Verificación de Resistencia
Esfuerzo
Valor Máximo
Valor Permisible
Cumple (Sí/No)
Tensión (Acero)
250 𝑀𝑃𝑎
300 𝑀𝑃𝑎
Sí
Compresión (Concreto)
20 𝑀𝑃𝑎
25 𝑀𝑃𝑎
Sí
Cortante (Pernos)
100 𝐾𝑁
150 𝑘𝑁
Sí
Fuente: Autores
Diseño de Soldadura en Uniones Críticas
El diseño de soldaduras en uniones críticas es esencial para garantizar la integridad
estructural y la transferencia adecuada de esfuerzos en las conexiones. Este diseño se realizó
siguiendo la norma AWS D1.1 y estándares internacionales relacionados con soldaduras
estructurales.
Para los parámetros de la soldadura se seleccionaron cordones de soldadura tipo filete,
considerando los esfuerzos cortantes y la distribución de cargas.
• Tipo de Soldadura: Filete
• Material de Soldadura: E7018
• Espesor del Cordón: 6 mm
Tabla 5
Parámetros de Diseño de Soldadura
Parámetro
Fórmula / Valor Calculado
Resultado
Unidad
Esfuerzo Cortante
𝜏=𝐹
𝐴
80 𝑀𝑃𝑎
𝑀𝑃𝑎
Resistencia del Metal
410 𝑀𝑃𝑎
𝐸7018
𝑀𝑃𝑎
Factor de Seguridad
2.0
𝐶𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒
𝑁/𝐴
Espesor Requerido
𝑡= 𝜏
0.6𝐹𝑦
6 𝑚𝑚
𝑚𝑚
Fuente: Autores
Análisis de Esfuerzos en la Unión
Los esfuerzos en la soldadura fueron analizados considerando cargas cortantes primarias y
secundarias.
Vol. 11/ Núm. 2 2024 pág. 3941
Tabla 6
Verificación de Esfuerzos
Esfuerzo
Valor Máximo
Valor Permisible
Cumple (Sí/No)
Cortante Primario
80 𝑀𝑃𝑎
246 𝑀𝑃𝑎
Sí
Cortante Secundario
45 𝑀𝑃𝑎
246 𝑀𝑃𝑎
Sí
Tensión Axial
0.0 𝑀𝑃𝑎
246 𝑀𝑃𝑎
Sí
Fuente: Autores
Propiedades del Cordón de Soldadura
El diseño incluyó consideraciones sobre resistencia al esfuerzo combinado y propiedades
del metal de aporte.
Tabla 7
Propiedades del Metal de Aporte (E7018)
Propiedad
Valor
Unidad
Resistencia a la Tracción
410 𝑀𝑃𝑎
𝑀𝑃𝑎
Límite elástico
310 𝑀𝑃𝑎
𝑀𝑃𝑎
Ductilidad
22 %
Porcentaje
Fuente: Autores
Costos Comparativos
Los costos y tiempos asociados a las estructuras cerchada y tubular se detallan en la Tabla
8.
Tabla 8
Comparación de costos y tiempos
Tipo de estructura
Costo (USD)
Tiempo (días)
Tubos Rectangulares
8,156.40
5
Cerchada
6,784.48
10
Fuente: Autores
CONCLUSIONES
Las conclusiones del estudio resaltan la eficiencia y versatilidad de los diseños propuestos
para la cubierta metálica en un taller automotriz. La estructura metálica tipo cercha se identificó
como la opción más eficiente económicamente, reduciendo el costo en un 16.8% en comparación
con la estructura tubular rectangular. Esto la posiciona como la solución ideal para aplicaciones
donde predominan las cargas axiales y no se requieren grandes resistencias a momentos flectores.
Por otro lado, aunque la estructura tubular presentó menores deflexiones gracias a su mayor
rigidez, su costo y demanda de material resultaron significativamente más altos, lo que la hace
más adecuada para aplicaciones que requieren alta resistencia a flexión.
Ambos diseños cumplen con las normativas internacionales AISC 360-22 y NEC,
garantizando la estabilidad estructural y la seguridad bajo condiciones de carga críticas. Las
Vol. 11/ Núm. 2 2024 pág. 3942
simulaciones realizadas confirmaron que las demandas no superan el 90% de la capacidad de los
elementos, validando la seguridad y eficiencia de los diseños.
La construcción de una cubierta metálica en el taller automotriz no solo optimiza las
condiciones de trabajo al mejorar la organización y ofrecer protección frente a factores climáticos,
sino que también refuerza la confianza de los clientes al presentar un espacio funcional y
profesional. Este estudio destaca la importancia de integrar análisis estructurales avanzados y
simulaciones en proyectos industriales, logrando configuraciones replicables en talleres,
almacenes y naves industriales, con adaptabilidad a diferentes requisitos funcionales y
presupuestarios.
Finalmente, se recomienda explorar combinaciones híbridas de perfiles metálicos y
materiales compuestos, con el objetivo de optimizar aún más el rendimiento estructural y reducir
los costos de fabricación y mantenimiento a largo plazo.
Vol. 11/ Núm. 2 2024 pág. 3943
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