Diseño de torres monoposte de transmisión eléctrica y cimentaciones

Introducción: rol de las torres monoposte en redes de alta tensión

Las torres monoposte (monopole towers) se han consolidado como una alternativa técnica a las estructuras reticuladas tradicionales para líneas de transmisión y subtransmisión, especialmente en entornos urbanos, corredores congestionados y cruces especiales (carreteras, ríos, líneas existentes). Su diseño exige una integración cuidadosa entre ingeniería estructural, geotecnia y criterios eléctricos, con un impacto directo en CAPEX, OPEX, servidumbres y plazos de construcción.

En este artículo se abordan los principios de diseño de torres monoposte de transmisión, la selección y dimensionamiento de cimentaciones, los criterios normativos más habituales (IEC, EN, ASCE, NESC, CIGRÉ) y ejemplos de aplicación en proyectos reales de 110–400 kV. El enfoque está orientado a responsables de ingeniería, compras y gestión de proyectos que deben evaluar soluciones de soporte para nuevas líneas o repotenciaciones.

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1. Problema: restricciones actuales en líneas de transmisión convencionales

1.1 Limitaciones de las torres reticuladas de celosía

Las torres de celosía han sido el estándar en transmisión de energía durante décadas, pero presentan limitaciones crecientes en determinados contextos:

• Huella en planta elevada: bases típicas de 8–20 m por lado para tensiones ≥220 kV, con servidumbres amplias.
• Impacto visual y social: mayor volumen y altura aparente, lo que complica la aceptación en entornos urbanos y periurbanos.
• Complejidad de montaje: gran número de piezas, tornillería y fases de izado; mayor tiempo de construcción y necesidad de accesos amplios.
• Interferencias con usos del suelo: afección significativa a parcelas agrícolas, industriales o infraestructuras existentes.

En proyectos de refuerzo de red, repotenciación o nuevas líneas en corredores saturados, estas limitaciones pueden traducirse en retrasos regulatorios, sobrecostes en expropiaciones y restricciones técnicas (imposibilidad de mantener distancias de seguridad sin desvíos costosos).

1.2 Requisitos de las utilities y operadores de red

Los operadores de transmisión (TSO) y distribución (DSO) demandan soluciones estructurales que permitan:

• Reducción de la ocupación de suelo sin comprometer la seguridad eléctrica.
• Mayor flexibilidad de trazado en entornos complejos (nudos viales, cruces de infraestructuras, pasos urbanos).
• Plazos de instalación más cortos para minimizar ventanas de corte y riesgos de indisponibilidad.
• Mantenimiento simplificado y menor exposición a vandalismo o robo de materiales.

Las torres monoposte responden a estos requerimientos, pero implican desafíos específicos en diseño estructural y de cimentaciones debido a la concentración de esfuerzos en un único fuste.

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2. Solución: torres monoposte de transmisión y tipologías de cimentación

2.1 Concepto y ventajas de la torre monoposte

Una torre monoposte de transmisión es una estructura vertical formada por un único fuste (normalmente de acero galvanizado) que soporta crucetas o ménsulas para los conductores de fase y cable de guarda. Puede emplearse en configuraciones de suspensión, retención (ángulo) y terminal, en tensiones típicamente entre 69 y 400 kV.

Ventajas principales frente a torres de celosía:

• Huella reducida: diámetros de cimentación típicos de 2,5–6,0 m frente a bases de 10–20 m de lado en celosía.
• Menor impacto visual: sección esbelta, menor volumen aparente y posibilidad de integración paisajística (pinturas, formas especiales).
• Montaje más rápido: menos componentes, fustes seccionados en tramos bridados o telescópicos; posibilidad de premontaje en fábrica.
• Menor mantenimiento: ausencia de múltiples uniones atornilladas expuestas; menor riesgo de corrosión localizada y vandalismo.
• Aplicación en repotenciación: sustitución de torres existentes manteniendo o reduciendo la servidumbre, con incremento de capacidad de transporte.

2.2 Tipologías estructurales de torres monoposte

Las principales tipologías estructurales son:

1. Monoposte tubular cónico

   • Secciones circulares o poligonales (8–16 lados).
   • Espesores típicos: 8–40 mm según altura y cargas.
   • Alturas habituales: 20–60 m para 110–220 kV; hasta 70–80 m en casos especiales.
   • Fabricación mediante chapas curvadas y soldadas, con galvanizado en caliente.

2. Monoposte de fuste troncopiramidal atornillado

   • Segmentos poligonales ensamblados mediante bridas y pernos de alta resistencia.
   • Facilita el transporte y el reemplazo de tramos específicos.

3. Monoposte con crucetas integradas o ménsulas atornilladas

   • Crucetas en acero estructural atornilladas al fuste.
   • Diseños para configuración horizontal, vertical o delta de conductores.

4. Monoposte híbrido (acero + hormigón)

   • Tramo inferior de hormigón pretensado y superior metálico.
   • Empleado en entornos con alta agresividad ambiental o requisitos arquitectónicos.

2.3 Tipologías de cimentación para torres monoposte

Dado que todas las cargas (axiales, cortantes y momentos flectores) se concentran en un único fuste, la cimentación es crítica. Las tipologías más frecuentes son:

1. Cimentación profunda con pilotes

   • Pilotes in situ (perforados) o prefabricados (hincados).
   • Configuraciones: 3–8 pilotes dispuestos radialmente o en corona circular.
   • Profundidades típicas: 8–25 m según estratigrafía.
   • Adecuada para suelos compresibles, rellenos, zonas inundables o cargas elevadas.

2. Cimentación de pozo o caisson

   • Pozo cilíndrico de gran diámetro (2,5–6,0 m) hormigonado in situ.
   • El fuste se ancla mediante placa de base y pernos de anclaje, o se empotra directamente.
   • Eficiente en suelos competentes a poca profundidad.

3. Zapatas aisladas o macizos superficiales

   • Menos frecuentes en monoposte de transmisión de alta tensión, pero viables en tensiones medias o cargas moderadas.
   • Requieren suelos de buena capacidad portante y momentos limitados.

4. Micropilotes y soluciones especiales

   • Para suelos heterogéneos, restricciones de vibración o proximidad a estructuras sensibles.
   • Diámetros típicos 100–300 mm, longitudes 6–20 m.

La selección de la solución depende de la combinación de cargas (incluyendo viento extremo y hielo), la estratigrafía, el nivel freático, la sismicidad y las restricciones constructivas (accesos, espacio, ruido, vibraciones).

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3. Beneficios técnicos y operativos de las torres monoposte

3.1 Reducción de servidumbres y costes asociados al suelo

La huella reducida de las cimentaciones monoposte permite:

• Disminuir la anchura de la franja de servidumbre en determinados tramos, especialmente en zonas urbanas o industriales.
• Reducir costes de expropiación y compensaciones a propietarios.
• Facilitar el paso de líneas por corredores existentes (vías férreas, autopistas, canales).

En proyectos de repotenciación, es habitual reemplazar torres de celosía por monoposte manteniendo el eje de la línea y liberando superficie útil para otros usos.

3.2 Mejora de la aceptabilidad social y cumplimiento normativo

Las administraciones y comunidades locales muestran mayor aceptación hacia estructuras de menor impacto visual. Las torres monoposte permiten:

• Diseños más esbeltos y discretos.
• Opciones de acabados especiales (pinturas, integración con mobiliario urbano en tensiones inferiores).
• Facilitar la obtención de permisos ambientales y urbanísticos.

3.3 Optimización de construcción y mantenimiento

• Plazos de montaje más cortos: menos piezas, menor complejidad de izado, posibilidad de premontaje en taller.
• Menor necesidad de accesos amplios: se reduce el volumen de material a transportar y el área de trabajo.
• Inspección simplificada: menos uniones atornilladas, acceso más directo a puntos críticos.
• Menor exposición a robo de materiales (no hay diagonales y perfiles fácilmente desmontables).

3.4 Comportamiento estructural y resiliencia

Cuando están correctamente diseñadas y cimentadas, las torres monoposte ofrecen:

• Buen desempeño frente a cargas de viento e hielo, con respuesta más uniforme del fuste.
• Capacidad de absorción de momentos elevados en torres de ángulo y terminales.
• Compatibilidad con requisitos sísmicos mediante diseño dúctil de fuste y conexiones, y cimentaciones profundas.

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4. Detalles técnicos de diseño estructural y geotécnico

4.1 Criterios normativos y de carga

El diseño de torres monoposte se basa habitualmente en combinaciones de normas:

• IEC 60826: Criterios de diseño para líneas aéreas.
• EN 50341 (Europa) o NESC/ASCE 10 (Norteamérica) para requisitos mecánicos y eléctricos.
• Eurocódigos (EN 1990, EN 1991, EN 1993, EN 1997) para acciones, estructuras de acero y geotecnia.
• Recomendaciones CIGRÉ para cargas de viento, hielo y criterios de fiabilidad.

Las combinaciones de carga típicas incluyen:

• Peso propio del fuste y crucetas.
• Peso de conductores y cables de guarda (incluyendo herrajes).
• Cargas de viento sobre estructura y conductores.
• Cargas de hielo (acreción) combinadas con viento reducido.
• Cargas de desequilibrio por rotura de conductor o desequilibrio de fases.
• Acciones sísmicas cuando aplica.

4.2 Parámetros estructurales clave del fuste monoposte

En el diseño del fuste se consideran, entre otros:

• Altura total: determinada por distancias de seguridad a tierra, edificaciones y otras infraestructuras.
• Diámetro en base y en cabeza: función de la esbeltez, rigidez y momento máximo de diseño.
• Espesor de pared: dimensionado por esfuerzos de flexión, compresión y pandeo local.
• Límites de flecha: para controlar desplazamientos en cabeza y mantener distancias eléctricas.
• Detalles de uniones: bridas atornilladas, soldaduras circunferenciales, refuerzos locales.

Valores de referencia orientativos (que deben ajustarse en cada proyecto):

• Alturas: 25–45 m para 110–132 kV; 35–60 m para 220–400 kV.
• Diámetro en base: 800–2.000 mm.
• Espesor en base: 12–40 mm según cargas y categoría de viento.
• Acero estructural: calidades típicas S355–S460 con galvanizado en caliente según ISO 1461.

4.3 Diseño geotécnico de cimentaciones monoposte

El diseño de cimentaciones se basa en:

1. Investigación geotécnica específica por apoyo o por tramos homogéneos:

   • Sondajes, ensayos SPT/CPTu, laboratorio (granulometría, límites de Atterberg, resistencia al corte, consolidación).
   • Identificación de niveles portantes y estratos compresibles.

2. Modelo de cargas en la base del fuste:

   • Esfuerzos de cálculo (axiales, cortantes y momentos) para cada combinación de carga.
   • Consideración de excentricidad y rigidez de la conexión fuste–cimentación.

3. Verificación de estados límite últimos (ELU):

   • Capacidad portante a compresión y tracción.
   • Estabilidad frente a vuelco.
   • Resistencia a cortante lateral.
   • Capacidad de pilotes (por punta y fuste) o del pozo de cimentación.

4. Verificación de estados límite de servicio (ELS):

   • Asientos totales y diferenciales.
   • Rotaciones admisibles en cabeza de cimentación.

4.3.1 Cimentaciones con pilotes

En soluciones con pilotes, se define:

• Número de pilotes (Np): en función de la carga total y la capacidad individual.
• Diámetro de pilotes (D): 400–1.200 mm para pilotes perforados habituales.
• Longitud (L): hasta alcanzar estratos competentes o capacidad requerida.
• Disposición geométrica: en corona circular o en grupos radiales conectados por un encepado.

Se verifican:

• Capacidad por punta y fuste (fricción lateral) según el tipo de suelo.
• Interacción grupo de pilotes (reducción de capacidad por solape de bulbos de tensión).
• Resistencia del encepado y de la conexión con el fuste (pernos de anclaje, placa base).

4.3.2 Cimentaciones de pozo (caisson)

El pozo de cimentación actúa como un gran pilote rígido:

• Diámetro (D): 2,5–6,0 m.
• Profundidad (h): 4–15 m según cargas y estratigrafía.
• Hormigón armado con acero de refuerzo diseñado para flexión y cortante.

Se analizan:

• Capacidad portante global (punta + fuste).
• Resistencia frente a momentos y cortantes en la interfaz suelo–cimentación.
• Deformaciones y rotaciones en cabeza.

4.4 Conexión fuste–cimentación

Existen dos soluciones principales:

1. Placa base con pernos de anclaje

   • Fuste atornillado a una placa de acero anclada a la cimentación.
   • Permite desmontaje o sustitución del fuste.
   • Requiere un diseño cuidadoso de la placa, pernos y hormigón de anclaje.

2. Empotramiento directo del fuste en el hormigón

   • Parte inferior del fuste se embebe en la cimentación.
   • Mayor rigidez de conexión, pero menor flexibilidad para reemplazo.
   • Adecuado en diseños donde la durabilidad del fuste está garantizada.

En ambos casos se verifica la transferencia de esfuerzos, la resistencia a fatiga en zonas de alta solicitación y la protección frente a corrosión (recubrimientos, sellados, drenajes).

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5. Casos de aplicación y buenas prácticas de proyecto

5.1 Repotenciación de línea 132 kV en corredor urbano

En una línea de 132 kV que atravesaba una zona urbana densamente edificada, la utility necesitaba aumentar la capacidad de transporte y mejorar las distancias de seguridad sin ampliar la servidumbre.

Solución adoptada:

• Sustitución de torres de celosía existentes (bases de ~12 × 12 m) por torres monoposte de 40 m de altura.
• Configuración horizontal de fases con crucetas metálicas.
• Cimentaciones de pozo de 3,5 m de diámetro y 8 m de profundidad en suelos granulares competentes.

Resultados:

• Reducción de la ocupación en planta en más del 60 %.
• Mantenimiento del eje de línea y minimización de nuevas expropiaciones.
• Plazos de sustitución por apoyo inferiores a 48 h, coordinados con ventanas de corte.

5.2 Cruce de autopista con línea de 220 kV

Para el cruce de una autopista de alta capacidad, se requería aumentar la altura de los conductores y minimizar el número de apoyos dentro de la franja de dominio público.

Solución adoptada:

• Torres monoposte de 55 m de altura con crucetas en delta.
• Cimentaciones profundas con 6 pilotes perforados de 1.000 mm de diámetro y 18 m de longitud.
• Diseño sísmico según normativa nacional y Eurocódigo 8.

Resultados:

• Cumplimiento de las distancias de seguridad a la calzada y estructuras adyacentes.
• Reducción del número de apoyos necesarios en la zona de cruce.
• Coordinación eficaz con la concesionaria de la autopista gracias a un área de trabajo limitada.

5.3 Recomendaciones prácticas para responsables de proyecto

Para maximizar el rendimiento técnico y económico de soluciones monoposte:

1. Integrar desde fases tempranas el diseño estructural y geotécnico, evitando sobredimensionamientos o rediseños tardíos.
2. Realizar campañas geotécnicas específicas en apoyos críticos (ángulo, terminales, cruces especiales) en lugar de extrapolar datos.
3. Definir claramente las combinaciones de carga de diseño, incluyendo escenarios de rotura de conductor y condiciones extremas de viento/hielo.
4. Establecer requisitos de inspección y mantenimiento adaptados a monoposte (revisión de recubrimientos, uniones bridadas, drenajes en base).
5. Evaluar soluciones de prefabricación y montaje modular para reducir tiempos de obra y dependencia de condiciones climáticas.

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Conclusión

Las torres monoposte de transmisión, correctamente diseñadas y cimentadas, constituyen una solución robusta y eficiente para proyectos en entornos con restricciones de espacio, exigencias urbanísticas y necesidades de repotenciación. Su adopción exige una aproximación integrada que combine criterios eléctricos, estructurales y geotécnicos, apoyada en normativa internacional y en datos de campo de calidad.

Para responsables de ingeniería y compras, la clave está en evaluar las soluciones monoposte no solo en términos de coste unitario de apoyo, sino considerando el impacto global en servidumbres, plazos de proyecto, riesgos de permisos y coste del ciclo de vida de la infraestructura de transmisión.

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