Apuntes Construcción y Arquitectura Industrial

August 25, 2017 | Author: PabloCalzadoBravo | Category: Market (Economics), Product (Business), Profit (Economics), Quality (Business), Engineering

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Apuntes de la asignatura "Construcción y Arquitectura Industrial" del Máster en Ingeniería Industrial de la Es...

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UNIVERSIDAD DE SEVILLA ´ ESCUELA TECNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA

´ MASTER EN INGENIERÍA INDUSTRIAL

´ Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL CONSTRUCCION

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Índice general 1. Conceptos B´ asicos en el Dise˜ no de Plantas Industriales 1.1. Arquitectura Industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1. Definici´ on de Arquitectura Industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2. Caracter´ısticas de la Arquitectura Industrial . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. La Planta Industrial. Origen y Evolución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1. Definici´ on de Planta Industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2. Concepci´ on actual de la Planta Industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3. Origen y Evoluci´ on de las Plantas Industriales . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Consideraciones B´ asicas para el Dise˜ no de Plantas Industriales . . . . . . . . . . 1.3.1. El Proceso de Fabricación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2. La Econom´ıa del Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3. Las Consideraciones Humanas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.4. Las Consideraciones Ecológico-Ambientales . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.5. Las Consideraciones Estéticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4. Viabilidad de una Planta Industrial: Ideas Generales . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.1. Estudio de Mercado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.2. Estudio de Viabilidad Técnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.3. Estudio de Viabilidad Económica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.4. Estudio de Viabilidad Financiera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.5. Estudio de Impacto Ambiental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5. Etapas del Desarrollo de una Planta Industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6. Objetivos de cada Etapa en la Fase de Estudios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.1. Confirmaci´ on de la Tecnolog´ıa a Usar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.2. Desarrollo de la Tecnolog´ıa a Nivel Preliminar. Preingenier´ıa . . . . . . . 1.6.3. Obtenci´ on de una Nueva Evaluación de la Inversión. . . . . . . . . . . . . 1.6.4. Elecci´ on de Terrenos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.5. Revisi´ on de los Estudios de Viabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.6. Toma de Decisi´ on de Realizar la Planta Industrial. . . . . . . . . . . . . . 1.7. Objetivos de Cada Etapa en la Fase de Realización . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7.1. Obtenci´ on de la Tecnolog´ıa de la Planta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7.2. Realizaci´ on de la Ingenier´ıa Básica o Anteproyecto . . . . . . . . . . . . . 1.7.3. Tramitaci´ on y Obtención de Permisos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7.4. Realizaci´ on de la Ingenier´ıa de Detalle o Proyecto Constructivo . . . . . . 1.7.5. Realizaci´ on de las Compras de Equipos y Contratación de las Obras Civiles y Montajes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7.6. Construcci´ on de la Planta Industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7.7. Puesta en Servicio de la Planta Industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7.8. Recepci´ on Definitiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1.8. Conclusi´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.9. Bibliograf´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Localizaci´ on de Plantas Industriales 2.1. Aspectos Generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1. Naturaleza de la Industria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2. Situaci´ on de las Materias Primas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3. Situaci´ on de los Mercados para Productos Fabricados . . . . . . . . . . 2.1.4. Sistemas de Transporte Disponibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.5. Mano de Obra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.6. Consideraciones Ecol´ ogico-Ambientales . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.7. Energ´ıa y otros Servicios Auxiliares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.8. Calidad de los Terrenos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.9. Consideraciones Pol´ıtico-Económicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.10. Aspectos Sociales/Comunitarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.11. Disponibilidad de los Terrenos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Condiciones Locacionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1. Clasificaciones Formales o Legales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2. Situaciones Geogr´ aficas Tipificadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3. Caracter´ısticas del Terreno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4. Servicios Generales Existentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.5. Econ´ omicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.6. Situaciones relativas Producción-Consumo . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.7. Otros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Factores Locacionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. Métodos de Resoluci´ on de Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1. Hip´ otesis Cuantificadoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2. Clasificaci´ on de los Modelos Matemáticos . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.3. Tipos de Técnicas de Resolución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.4. Casos Sencillos. Métodos Anal´ıticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.4.1. Localizaci´ on P.I. mediante el cuadrado de la distancia Eucl´ıdea 2.4.4.2. Localizaci´ on P.I. mediante la distancia rectangular . . . . . . . 2.4.4.3. Localizaci´ on P.I. mediante la distancia Eucl´ıdea . . . . . . . . 2.4.4.4. Localizaci´ on P.I. mediante Factores Ponderantes . . . . . . . . 2.4.5. Problemas de Asignaci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.6. Problema del Transporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5. Bibliograf´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Implantaci´ on de Instalaciones Industriales 3.1. Definiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Naturaleza de los Problemas de Distribución en Planta . 3.2.1. Fases Temporales de la Distribución en Planta . 3.3. Elementos del Sistema de Producción . . . . . . . . . . 3.4. Objetivos y Principios de la Distribución en Planta . . . 3.4.1. Objetivos Generales de la Distribución en Planta 3.4.2. Objetivos B´ asicos de la Distribución en Planta . 3.4.3. Principios B´ asicos de la Distribución en Planta . 3.5. Distribuci´ on en Planta de los Medios de Producción . . 3.5.1. Tipos de Operaciones Industriales . . . . . . . .

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3.6. Tipos de Distribuci´ on en Planta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.1. Distribuci´ on por Posición Fija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.2. Distribuci´ on en cadena, en serie, en l´ınea, por producto o de desplazamiento r´ apido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.3. Distribuci´ on por Proceso, por Función o por Secciones o de Desplazamiento Lento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.4. Distribuci´ on de los Medios Directos de Producción en Sistemas Flexibles de Fabricaci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7. An´ alisis de Distribuci´ on en Planta. Metodolog´ıa S.L.P. . . . . . . . . . . . . . . . 3.7.1. Elementos B´ asicos en la Metodolog´ıa S.L.P. . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7.2. An´ alisis del Recorrido (R) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7.2.1. Diagrama de Recorrido Sencillo (Secuencia e Intensidad) . . . . 3.7.2.2. Diagrama Multiproducto (Secuencia e Intensidad) . . . . . . . . 3.7.2.3. Tabla Matricial (Intensidad) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7.3. Relaci´ on entre Actividades (S) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7.4. Relaci´ on entre Actividades (R+S). Diagramas Relacionales . . . . . . . . 3.7.5. Necesidades de Espacio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7.6. Diagrama Relacional de Espacios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7.7. Generaci´ on de Alternativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.8. Métodos de Generaci´ on de Layouts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.9. Evaluaci´ on y Selecci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.10. Bibliograf´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria 4.1. Introducci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1. Definici´ on de Movimiento de Tierras . . . . . . . . . . . 4.1.2. Origen de los Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.3. Destino de los Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.4. Consideraciones Medioambientales . . . . . . . . . . . . 4.1.5. Consideraciones Generales . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Fases y Operaciones que comprende el Movimiento de Tierras . 4.2.1. Trabajos Preliminares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1.1. Accesos a la Obra . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1.2. Retirada de los Servicios Existentes . . . . . . 4.2.1.3. Despeje y Desbroce . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1.4. Desag¨ ue Transversal . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Propiedades y Clasificaci´ on de los Materiales . . . . . . . . . . 4.3.1. Composici´ on de los Suelos . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1.1. Introducci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1.2. Diagrama de Fases . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1.3. Relaciones de Volumen . . . . . . . . . . . . . 4.3.1.4. Relaciones de Peso y Peso-Volumen . . . . . . 4.3.1.5. Peso Espec´ıfico del Suelo (con sus 3 fases) . . . 4.3.2. Clasificaci´ on de las Part´ıculas por su Tama˜ no . . . . . . 4.3.2.1. Introducci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2.2. An´ alisis Granulométrico . . . . . . . . . . . . . 4.3.3. Propiedades de la Fracción Fina . . . . . . . . . . . . . 4.3.3.1. Introducci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3.2. Consistencia y Plasticidad de los Suelos Finos

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4.3.4. Propiedades Qu´ımicas del Suelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.3.5. Clasificaci´ on de los Suelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.3.5.1. Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.4. Caracterizaci´ on de los Cambios de Volumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.5. Modelado Geométrico y Representación Gráfica de la Obra . . . . . . . . . . . . 72 4.5.1. Representaci´ on Gr´ afica de la Obra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.5.1.1. Vista en Planta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.5.1.2. Perfil Longitudinal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.5.2. Perfiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.5.2.1. Aplicaciones: Perfil Longitudinal. Modelo Oficial . . . . . . . . . 75 4.5.2.2. Aplicaciones: Perfil Transversal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.5.3. Modelos Digitales del Terreno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.6. Cálculo de Vol´ umenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 ´ 4.6.1. C´ alculo a partir de Areas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.6.2. C´ alculo a partir de Vol´ umenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.6.3. Correcci´ on por el Desbroce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.6.4. Volumen Neto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.6.5. Hoja de C´ alculo de Vol´ umenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.7. Planificaci´ on de las Operaciones de MT en Obras Lineales. El Diagrama de Masas 80 4.7.1. Introducci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.7.2. Propiedades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.7.3. Uso del Diagrama de Masas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.7.4. L´ıneas de Compensaci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.7.5. Pendiente Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.8. Valoraci´ on de las Operaciones de Movimiento de Tierras . . . . . . . . . . . . . . 84 4.9. Normativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.10. Formaci´ on de Rellenos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.10.1. Introducci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.10.2. Clasificaci´ on de los materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.10.3. Compactaci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.10.3.1. Ensayos de Compactación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.10.4. Capacidad de Soporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.10.4.1. Índice CBR de Proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.10.5. Tipos de Rellenos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.10.6. Zonas de un Relleno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.10.7. Ejecuci´ on de Rellenos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.10.8. Extensi´ on y Nivelaci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.10.8.1. La Motoniveladora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.10.9. Compactaci´ on en Obra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.10.9.1. Aspectos Generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.10.9.2. Compactaci´ on del Lado Seco y del Lado H´ umedo . . . . . . . . 104 4.10.9.3. Compactadores y Tipos de Suelos . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4.10.9.4. Tramo de Prueba y Determinación de la Producción . . . . . . . 108 4.10.10.Control de Calidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.11. Bibliograf´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.12. Conceptos Generales: Producci´ on de una Máquina . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 4.12.1. Introducci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 4.12.2. Concepto de Producci´ on y Factores que Influyen . . . . . . . . . . . . . . 112 4.12.3. Ciclo de Trabajo y Tiempo del Ciclo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

´ INDICE GENERAL

4.12.4. Ecuaci´ on de la Producción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.12.5. Eficiencia Horaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.12.6. Coste de la Unidad de Obra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.13. Clasificaci´ on de las M´ aquinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.14. Selecci´ on de M´ aquinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.15. Buld´ oceres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.15.1. Descripci´ on General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.15.2. Tipos de Buld´ oceres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.15.2.1. Tractores sobre Ruedas . . . . . . . . . . . . . . . . 4.15.2.2. Tractores sobre Cadenas . . . . . . . . . . . . . . . 4.15.3. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.15.4. Partes Estructurales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.15.5. Equipos de Trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.15.5.1. Tipos de Hojas de Empuje . . . . . . . . . . . . . . 4.15.5.2. Escarificador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.15.6. Ciclo de Trabajo como Equipo de Empuje . . . . . . . . . . . 4.15.7. Capacidad de la Hoja de Empuje . . . . . . . . . . . . . . . . 4.15.8. Producci´ on del Buldócer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.15.8.1. Gr´ aficas de Producción Máxima Teórica . . . . . . . 4.15.8.2. Método General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.15.8.3. Técnicas de Excavación y Empuje . . . . . . . . . . 4.15.9. Escarificaci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.15.9.1. Introducci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.15.9.2. Escarificabilidad de un Terreno . . . . . . . . . . . . 4.15.9.3. Producci´ on en Escarificado . . . . . . . . . . . . . . 4.15.9.4. Trabajo Combinado de Escarificado y Empuje . . . 4.16. Tra´ıllas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.16.1. Introducci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.16.2. Tipos de Tra´ıllas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.16.3. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.16.4. Partes Estructurales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.16.4.1. Unidad Tractora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.16.4.2. Caja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.16.4.3. Suspensi´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.16.5. Ciclo de Trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.16.5.1. Fase de Carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.16.5.2. Fases de Acarreo y Retorno . . . . . . . . . . . . . . 4.16.5.3. Fase de Descarga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.16.6. Métodos de Trabajo y Comparación de los Tipos de Tra´ıllas . 4.16.6.1. Técnicas de Empuje con Tractor de Cadenas . . . . 4.16.7. Capacidad de las Tra´ıllas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.16.8. Producci´ on de las Tra´ıllas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ´ 4.16.8.1. N´ umero Optimo de Mototra´ıllas . . . . . . . . . . . 4.16.9. Mototra´ıllas Convencionales con Tractor Empujador . . . . . 4.16.9.1. Mototra´ıllas con Elevador de Paletas . . . . . . . . 4.16.9.2. Mototra´ıllas de Empuje y Tiro (Push-Pull Scrapers) 4.16.9.3. Comparación de los Tipos de Mototra´ıllas . . . . . . 4.16.10.Ventajas e Inconvenientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.17. Excavadoras Hidr´ aulicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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´ INDICE GENERAL

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4.17.1. Introducci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.17.2. Tipos de Excavadoras . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.17.3. Equipos de Trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.17.3.1. Martillo Rompedor Hidráulico . . . . . . . 4.17.3.2. Gr´ ua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.17.4. Capacidad del Cazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.17.5. Ciclo de Trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.17.6. Producci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.17.6.1. Factores de que Depende . . . . . . . . . . 4.17.6.2. Producci´ on de una Excavadora . . . . . . . 4.17.6.3. Influencia de los Desplazamientos . . . . . 4.18. Palas Cargadoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.18.1. Introducci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.18.2. Par´ ametros Funcionales . . . . . . . . . . . . . . . . 4.18.3. Tipos de Cucharas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.18.4. Ciclo de Trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.18.5. Tiempo del Ciclo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.18.6. Producci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.18.7. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.19. Camiones y D´ umperes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.19.1. Introducci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.19.2. Tipos de Camiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.19.3. Capacidad de un Cami´ on . . . . . . . . . . . . . . . 4.19.4. Ciclo de Trabajo de un Camión . . . . . . . . . . . . 4.19.4.1. Paso 1: No de Cucharas (Bucket Loads) . . 4.19.4.2. Paso 2: Tiempo de Carga . . . . . . . . . . 4.19.4.3. Paso 3: Tiempo de Ida (Camión Cargado) . 4.19.4.4. Paso 3: Tiempo de Vuelta (Camión Vac´ıo) 4.19.4.5. Paso 5: Tiempo de Descarga . . . . . . . . 4.19.4.6. Paso 6: Tiempo de Ciclo . . . . . . . . . . 4.19.5. Producci´ on de un Cami´ on . . . . . . . . . . . . . . . 4.20. Bibliograf´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. Cimentaciones 5.1. Introducci´ on. Las Cimentaciones y su Tipolog´ıa . . . . . 5.1.1. Necesidad de estos Elementos . . . . . . . . . . . 5.1.2. Problem´ atica del Dise˜ no de Cimentaciones . . . . 5.1.3. Tipolog´ıa de Cimentaciones . . . . . . . . . . . . 5.2. La Cimentaci´ on por Zapatas . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1. Caracter´ısticas Generales . . . . . . . . . . . . . 5.2.2. Condiciones de Utilizaci´ on . . . . . . . . . . . . . 5.2.3. Clasificaci´ on de las Zapatas . . . . . . . . . . . . 5.3. Criterios de Dise˜ no de una Cimentación por Zapatas . . 5.3.1. Vigas Riostras o de Atado . . . . . . . . . . . . . 5.3.2. Aspectos Constructivos . . . . . . . . . . . . . . 5.3.3. El Proyecto de una Cimentación por Zapatas . . 5.4. Cimentaciones por Losa, Emparrillados y Cimentaciones 5.4.1. Emparrillados y Losas de Cimentación . . . . . . 5.4.2. Cimentaciones Semiprofundas . . . . . . . . . . .

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´ INDICE GENERAL

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5.5. Introducci´ on a las Cimentaciones Profundas . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6. Cimentaciones por Pilotes o Pilotajes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.1. Caracter´ısticas Generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.2. Condiciones de Utilización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.3. Criterios de Dise˜ no . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.3.1. Comprobación de Seguridad Frente a ELU Geotécnicos 5.6.4. Encepados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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6. El Edificio Industrial 6.1. Introducci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1. Historia del Edificio Industrial . . . . . . . . . . 6.1.2. Condicionantes y Requisitos de Dise˜ no . . . . . . 6.1.3. Costes Relativos de una Planta Industrial Pesada 6.2. Tipolog´ıa de los Edificios Industriales . . . . . . . . . . 6.2.1. Introducci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.2. Clasificaci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.2.1. Seg´ un el N´ umero de Plantas . . . . . . 6.2.2.2. Seg´ un el N´ umero de Naves . . . . . . . 6.2.2.3. Seg´ un la Forma . . . . . . . . . . . . . 6.2.3. Clasificaci´ on que Utilizaremos . . . . . . . . . . . ´ 6.3. Edificios de Nave Unica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.1. Caracter´ısticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.2. Clasificaci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.2.1. De Cerramientos Convencionales . . . . 6.3.2.2. Aporticadas . . . . . . . . . . . . . . . 6.4. Edificios de Nave M´ ultiple . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.1. Clasificaci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.1.1. De P´ orticos Adosados . . . . . . . . . . 6.4.1.2. De Entramados Continuos . . . . . . . 6.4.1.3. En Diente de Sierra . . . . . . . . . . . 6.5. Edificios de Varias plantas . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5.1. Caracter´ısticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5.2. Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6. Otras Estructuras Industriales . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.1. Construcciones Met´ alicas Industriales . . . . . . 6.7. Criterios de Dise˜ no B´ asicos . . . . . . . . . . . . . . . .

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7. Forjados 7.1. Introducci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2. Funciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.1. Estructurales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.2. Habitabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.3. Constructivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3. Tipolog´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.1. Seg´ un los Tres Posibles Caminos de las Cargas 7.3.2. Seg´ un la Forma en que Transmiten las Cargas . 7.3.3. Seg´ un Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.4. Seg´ un Ejecuci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4. Elementos de un Forjado . . . . . . . . . . . . . . . . .

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´ INDICE GENERAL

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7.4.1. Elementos Principales . . . . . . . . . . . . . . 7.4.2. Elementos Secundarios . . . . . . . . . . . . . . 7.5. Forjados Unidireccionales . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5.1. Introducci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5.2. Clasificaci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5.2.1. Losas Macizas . . . . . . . . . . . . . 7.5.2.2. Losas Nervadas . . . . . . . . . . . . . 7.5.2.3. Forjados de Viguetas . . . . . . . . . 7.5.2.4. Forjados Especiales . . . . . . . . . . 7.6. Forjados Bidireccionales . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.1. Clasificaci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.2. Tipolog´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.7. Aspectos Constructivos . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.7.1. Forjados Unidireccionales . . . . . . . . . . . . 7.7.2. Forjados Bidireccionales . . . . . . . . . . . . . 7.7.3. Criterios de Dise˜ no . . . . . . . . . . . . . . . . 7.7.4. Elementos Constructivos: Pilares . . . . . . . . 7.7.5. Elementos Constructivos de Hormigón Armado 7.7.6. Condiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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8. Sistemas de Cerramiento 8.1. Definici´ on y Funciones del Cerramiento . . . . . . . . . . . . . 8.1.1. Partes de la Fachada en Plantas Industriales . . . . . . 8.2. Tipolog´ıa de Cerramientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3. Cerramientos de F´ abrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.1. F´ abrica de Ladrillos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.2. Cerramientos de F´ abrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.3. F´ abrica de Bloques de Hormigón . . . . . . . . . . . . . 8.4. Cerramientos de Chapa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5. Cerramientos de Placas Prefabricadas de Hormigón . . . . . . . 8.6. Exigencias que Deben Cumplir los Cerramientos . . . . . . . . 8.6.1. Estabilidad Mec´ anica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6.2. Aislamiento Térmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6.2.1. Gradiente de Temperatura en los Cerramientos 8.6.2.2. Puentes Térmicos en los Cerramientos . . . . . 8.6.3. Humedades de Condensación . . . . . . . . . . . . . . . 8.6.3.1. Protecci´ on contra la Humedad . . . . . . . . . 8.6.4. Aislamiento Ac´ ustico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6.4.1. Medida del Aislamiento Ac´ ustico . . . . . . . .

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9. Protecci´ on Contra Incendios 9.1. Introducci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2. Normativa y Bibliograf´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.1. Clasificaci´ on Seg´ un Origen . . . . . . . . . . . . 9.2.2. Obligado Cumplimiento . . . . . . . . . . . . . . 9.2.3. Proyectos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.4. Bibliograf´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3. El Fuego. Definici´ on y Elementos Necesarios . . . . . . . 9.4. Extinci´ on. Métodos de Extinci´ on y Agentes Extintores.

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´ INDICE GENERAL

9.5. Clasificaci´ on de los Fuegos . . . . . . . . 9.6. Humos y Gases de Combustión. . . . . . 9.7. Sistemas Fijos de Extinci´ on . . . . . . . 9.7.1. Clasificaci´ on . . . . . . . . . . . 9.7.2. Partes del Sistema . . . . . . . . 9.8. Protecci´ on Pasiva . . . . . . . . . . . . . 9.8.1. Entorno y Accesibilidad . . . . . 9.8.2. Reacci´ on y Resistencia al Fuego . 9.8.3. Reacci´ on al Fuego . . . . . . . . 9.8.4. Resistencia al Fuego . . . . . . .

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A. Normativa 267 A.1. Normativa de Edificaci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 A.1.1. Ley de Ordenaci´ on de Edificios (LOE) de 1999 . . . . . . . . . . . . . . . 267 A.1.2. C´ odigo Técnico de la Edificación (CTE) de 2006 . . . . . . . . . . . . . . 267

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Cap´ıtulo 1

Conceptos B´ asicos en el Dise˜ no de Plantas Industriales 1.1. 1.1.1.

Arquitectura Industrial Definici´ on de Arquitectura Industrial “Arquitectura es el Arte de proyectar y construir edificios.” (DRALE).

El diccionario menciona la Arquitectura Civil, Hidráulica,. . . , Religiosa. La Arquitectura Industrial podr´ıa definirse como el Arte de proyectar y construir Industrias o Plantas Industriales o Instalaciones fabriles dedicadas a producir. El fin principal de la Arquitectura Industrial es proyectar y construir instalaciones industriales de toda ´ındole, en las que los edificios pueden tener carácter secundario o incluso no existir. . . , y en donde todo ha de estar dirigido al cumplimiento de las necesidades impuestas por un proceso industrial de producción. Por tanto, los factores econ´ omicos son preponderantes, ya que lo que se va a proyectar y construir es s´ olo un medio para producir.

1.1.2.

Caracter´ısticas de la Arquitectura Industrial

Si el Ingeniero Industrial es el que entiende de todo lo concerniente a la industria fabril, puede entenderse que sea también el profesional más capacitado para el dise˜ no y construcci´ on de Plantas e Instalaciones Industriales. La Arquitectura Industrial es un Arte, aunque con la necesidad de cumplir con unos condicionantes m´ as r´ıgidos y estrictos, que limitan las posibilidades de los proyectistas de Plantas Industriales. La Arquitectura Industrial se ocupa de ordenar, de acuerdo con un proceso elegido, todos los

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1. Conceptos B´ asicos en el Dise˜ no de Plantas Industriales

elementos y obras civiles que constituyen la Planta Industrial, y que situadas en ese orden, en una ubicación que también impone limitaciones, son capaces de dar respuesta a unos requisitos de producción. La Arquitectura Industrial se enfrenta a la resolución de problemas abiertos, que en principio admiten m´ ultiples soluciones.

1.2. 1.2.1.

La Planta Industrial. Origen y Evoluci´ on Definici´ on de Planta Industrial

Una Planta Industrial o P.I. es un medio de producción que se enmarca en un entorno empresarial, en una empresa, que a su vez está condicionada por un mercado al que va dirigido el producto o productos objeto de fabricación. Adoptando el enfoque de la Teor´ıa de Sistemas, la P.I. es un subsistema del sistema Empresa, que ha de satisfacer los requerimientos de este sistema, a la vez que los que impone su propio entorno. La Planta Industrial es una combinación de recursos materiales y humanos que act´ uan ordenadamente siguiendo un Proceso de Fabricación, previamente elegido como el más idóneo para actuar y lograr sus fines de producci´ on en el entorno de la planta. La producci´ on debe realizarse de una forma competitiva para asegurar la supervivencia de la planta. Esto quiere decir que la P.I. debe producir lo que el mercado requiera, en las cantidades demandadas por el mismo y con la calidad y precio que el mercado admita.

1.2.2.

Concepci´ on actual de la Planta Industrial

Las plantas industriales son el objeto de la Arquitectura Industrial. Las plantas industriales son instalaciones complejas cuyo dise˜ no exige tener en cuenta m´ ultiples factores. Desde el punto de vista de la teor´ıa de sistemas, la planta industrial puede contemplarse como un sistema que debe integrar de forma adecuada una serie de subsistemas, y que a su vez ha de integrarse en un entorno que la engloba, de modo que su interrelación satisfaga los requisitos que dicho entorno le impone. Los subsistemas de la planta industrial son: Proceso de producci´ on. Máquinas y equipos. Distribuci´ on en planta (Layout). Terreno. Edificios. Personal.

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1.2. La Planta Industrial. Origen y Evoluci´ on

Servicios auxiliares. Servicios generales. CONSTRUCCION Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL

Arquitectura El Diseño de la Planta Industrial Otros (en funci´ on de cadaIndustrial. caso concreto).

nº 24

Figura 1.1: Subsistemas de la planta industrial. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

El problema de concebir, dise˜ nar y construir una P.I. es muy complejo, y pasa por la decisi´ on previa de su creaci´ on que presenta ciertas incertidumbres. Los datos iniciales son el producto a fabricar, sus cantidades a lo largo del tiempo y la calidad (especificaci´ on precisa del producto), as´ı como el precio al cual el mercado aceptar´ıa el producto. La incógnita b´ asica es C´ omo debe ser la P.I. para cumplir estos requisitos de producción, dentro de un entorno que depender´ a de la ubicación de la propia planta. Surgen de este modo dos preguntas clave: 1. ¿C´ omo hacer la fabricaci´ on? 2. ¿D´ onde situar la P.I.? A la primera, la respuesta ser´ıa: con este proceso de fabricación, es decir, con estas operaciones unitarias, que ser´ an realizadas con estos medios materiales y recursos humanos. A la segunda, en aquella ubicaci´ on que proporcione mejor todos los elementos que se necesitan para la producci´ on y que sea la solución más económica para el movimiento de las materias primas y productos. Resulta que los conocimientos relativos a cómo hacer junto con la econom´ıa, as´ı como el lugar de implantaci´ on condicionan todo lo demás.

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1. Conceptos B´ asicos en el Dise˜ no de Plantas Industriales

1.2.3.

Origen y Evoluci´ on de las Plantas Industriales

La fabricaci´ on de cosas, por ejemplo, utensilios o armas para cazar o defenderse, es tan antigua como la humanidad. La fabricaci´ on ha sido artesanal hasta el siglo XVII. En 1769 se invent´ o la m´ aquina de vapor, que dio lugar a la Revolución Industrial, que comienza en Inglaterra. Se crean grandes fábricas que necesitan cantidades ingentes de mano de obra y nacen n´ ucleos de poblaci´ on alrededor de las fábricas, donde los trabajadores viven y trabajan en condiciones infrahumanas. Todo se supedita a la producci´ on y la mano de obra se considera al servicio de la misma y se le presta muy poca atenci´ on por parte de los inversores o propietarios. A lo largo del siglo XIX se producen movimientos sociales a favor de una mejora de las condiciones de trabajo, que continuaron con mayor Intensidad en el siglo XX y hasta nuestros d´ıas. Estos movimientos han logrado que la mano de obra sea considerada un factor importante de la producción que hay que cuidar y que condiciona el dise˜ no y operación de una P.I. Los cambios de car´ acter social se han visto acompa˜ nados de una mejora tecnológica sustancial de los procesos de fabricaci´ on, especialmente en los sistemas, equipos y máquinas que permiten realizar las operaciones unitarias (también en lo que se refiere a su automatización y control) que ten´ıan que ser dise˜ nadas para satisfacer las demandas de todo tipo, también de los puestos de trabajo.

1.3.

Consideraciones B´ asicas para el Dise˜ no de Plantas Industriales

Los factores b´ asicos que condicionan el dise˜ no de una P.I. son: El Proceso de Fabricaci´ on. La econom´ıa del sistema. Las consideraciones humanas. Las consideraciones ecol´ ogico-ambientales. Las consideraciones estéticas.

1.3.1.

El Proceso de Fabricaci´ on

Es un factor fundamental: si no hay proceso (modo de hacer), no habrá producción y, por tanto, no habrá f´ abrica o P.I. Definimos Proceso de Fabricaci´ on de un producto a partir de unas materias primas o

1.3. Consideraciones B´ asicas para el Dise˜ no de Plantas Industriales

5

semielaboradas al conjunto ordenado o secuencia de operaciones unitarias a las que hay que someter a esas materias primas o semielaboradas para llegar al producto final. Operaciones Unitarias son los cambios o transformaciones de carácter f´ısico, qu´ımico, f´ısicoqu´ımico o biol´ ogico de las materias primas o semielaboradas que se realizan como parte de un Proceso de Fabricaci´ on en una P.I. Con frecuencia hay diferentes procesos que permiten fabricar un mismo producto, con diferentes operaciones unitarias, partiendo o no de diferentes materias primas.

1.3.2.

La Econom´ıa del Sistema

Tanto en el caso en que el inversor o promotor busca una rentabilidad económica (obtener beneficios) como cuando se busca una rentabilidad social (satisfacer una necesidad de un colectivo sin ánimo de lucro), hay que considerar como cuestión prioritaria la Econom´ıa del Sistema. Es decir, buscar la m´ axima rentabilidad económica o social con la inversión m´ınima necesaria, teniendo en cuenta los condicionantes impuestos por el mercado y la disponibilidad de recursos para invertir. Dos situaciones que ilustran las limitaciones que pueden encontrarse: 1. El mercado acepta un determinado producto, con cierta calidad, pero siempre que su precio no supere un cierto l´ımite. No podemos fabricarlo y comercializarlo a mayor precio porque el mercado no lo aceptar´ıa en las cantidades que se quiere fabricar. 2. Estamos limitados a una cantidad para la inversión, porque no tenemos más recursos disponibles. La econom´ıa del sistema es un factor de suma importancia, hasta tal punto que para elegir un proceso de fabricaci´ on entre varios disponibles las razones económicas pueden ser decisivas.

1.3.3.

Las Consideraciones Humanas

El factor humano tiene en los tiempos actuales una gran importancia en el ámbito industrial, bien por la necesidad de cualificaci´ on de los trabajadores o bien por las necesidades derivadas de unas condiciones adecuadas de trabajo y convivencia. Por ejemplo, compa˜ n´ıas multinacionales que fabrican productos muy sofisticados, de alto valor a˜ nadido, eligieron Madrid para localizarse por la mayor facilidad para encontrar ingenieros muy preparados, capaces de aprender sus tecnolog´ıas en muy corto plazo. Por otra parte, cuanto m´ as cualificada es la mano de obra necesaria para ocupar los puestos de trabajo de un proceso de fabricación, sus necesidades son mayores. En el dise˜ no de una P.I. no s´ olo hay que tener en cuenta las necesidades más básicas de espacio, condiciones de seguridad, etc. en los puestos de trabajo, sino también atender a las necesidades sociales que requiere la mano de obra y que dan lugar a la incorporación de nuevos servicios en las P.I.

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1. Conceptos B´ asicos en el Dise˜ no de Plantas Industriales

1.3.4.

Las Consideraciones Ecol´ ogico-Ambientales

Estas afectan tanto al interior como al exterior de la P.I. Por una parte, necesitamos que el ambiente interior, en todas las dependencias de la P.I., sea el adecuado, tanto para las personas como para las máquinas o elementos de producción. Esto puede condicionar la temperatura, humedad relativa, ruido, composición del aire, etc. Además, la P.I. no debe realizar emisiones de tipo sólido, l´ıquido, gaseoso o incluso radiactivo, que perturben el entorno pr´ oximo o lejano de la P.I. En el supuesto de que esto ocurriera, habr´ıa que establecer las medidas correctoras oportunas. Hay que estudiar y limitar el Impacto Ambiental de la P.I., de manera que la perturbación en el medio ambiente sea m´ınima y en todo caso aceptable. En muchos casos no basta con limitarse a actuar en la mejora de los efluentes de una P.I., sino que es mejor actuar sobre las operaciones unitarias para intentar reducir en lo posible el caudal de los mismos y minimizar el contenido de productos y compuestos da˜ ninos. Las consideraciones ecol´ ogico-ambientales son tan importantes que incluso pueden hacer inviable la planta en un determinado lugar.

1.3.5.

Las Consideraciones Est´ eticas

Antes de realizar el proyecto de una P.I. hay que plantearse hasta qué punto la imagen que dé la planta puede traducirse en mayores niveles de aceptación social o de ventas. Estas consideraciones dependen del producto que se vaya a fabricar. Ejemplo de una planta que fabricará cemento frente a otra para productos de cosmética. Es preciso valorar en cada caso la importancia de la imagen y, por tanto, de la presentación de la P.I. en la ubicaci´ on elegida. Al mismo tiempo, se debe estimar el coste de la sobreinversión que puede representar la mejora de las cualidades estéticas. Conclusi´ on: Dadas la complejidad de todos los factores que intervienen y que, salvo los tecnológicos y econ´ omicos, son dif´ıcilmente cuantificables, se puede entender que nos encontramos en cada caso de dise˜ no con un problema con muchas soluciones posibles.

1.4.

Viabilidad de una Planta Industrial: Ideas Generales

La motivaci´ on empresarial para la creación de una nueva P.I. o de la ampliación de una existente es mejorar su posici´ on a través del aumento de sus beneficios conjuntos. El fracaso de la iniciativa empresarial de construir una nueva P.I. será la pérdida de toda o parte de la inversi´ on realizada, que va acompa˜ nada de la pérdida de prestigio de sus dirigentes. Cuando se trata de P.I. promovidas por las autoridades p´ ublicas, la motivación no es generalmente el ´ animo de lucro, sino más bien alcanzar ciertos fines sociales (dotar a la

1.4. Viabilidad de una Planta Industrial: Ideas Generales

7

comunidad de cierto producto o servicio necesario, crear puestos de trabajo, etc). El fracaso de estas iniciativas producir´ a pérdidas económicas que se traducirán en pérdidas de votos de los electores para los pol´ıticos promotores. Como cuesti´ on de fondo en ambos casos de iniciativa p´ ublica o privada está el hecho de que la P.I. debe ser rentable econ´ omicamente o socialmente. Como conclusi´ on, se llega a que en los dos escenarios es preciso realizar los estudios pertinentes que indiquen la Viabilidad de la planta. Desde el punto de vista del mercado al que van dirigidos los productos, una P.I. es viable cuando el producto o productos fabricados son adecuados en calidad, las cantidades producidas son las demandadas y a un precio que el mercado está dispuesto a pagar. Surge la cuesti´ on de c´ omo podemos confirmar razonablemente que se cumplen las condiciones expuestas. La respuesta es realizando una serie de estudios de mercado y viabilidad. Normalmente hay que realizar los siguientes estudios: Estudio de mercado. Estudio de viabilidad técnica. Estudio de viabilidad econ´ omica. Estudio de viabilidad financiera. Vamos a analizar sus objetivos y contenidos de forma somera.

1.4.1.

Estudio de Mercado

Se trata de un estudio con car´ acter de previsión, cuyo objetivo es llegar a conocer, para el producto que queremos fabricar, en qué cantidades lo puede aceptar un mercado determinado. Dicho de otra forma, responde a la pregunta o preguntas: ¿Cuánto podemos vender de este producto, de esta calidad a este precio? Los Estudios de Mercado son realizados por equipos multidisciplinares, compuestos por economistas, expertos en mercadotecnia, psicólogos, etc. Proporcionan parte de los principales datos que el ingeniero necesita para dise˜ nar una P.I.: Qué productos se fabricar´ an. En qué cantidades. A qué precio podr´ıa venderse. Relaciones cantidad-precio de venta. Como conclusi´ on del estudio puede llegarse a establecer un conjunto de curvas que definen para cada producto a fabricar cantidades que pueden venderse frente a precios de venta (curvas precio-cantidad) para distintos periodos de tiempo de la vida de la planta.

ntos periodos de tiempo de la vida de la planta. 8

1. Conceptos B´ asicos en el Dise˜ no de Plantas Industriales

Figura 1.2: Curva Precio-Cantidad.

1.4.2.

Estudio de Viabilidad T´ ecnica

a geniería de la Construcción

MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL

Departamento de Inge y Proyectos

Son objetivos de este estudio, primero, determinar si la Tecnolog´ıa necesaria para fabricar el producto y realizar la planta est´ a disponible y, segundo, si es posible adquirir esta tecnolog´ıa en el mercado a un precio razonable. Da respuesta a las siguientes cuestiones: ¿Hay tecnolog´ıas para hacer este producto? ¿Están disponibles? y ¿Quién las tiene? ¿Cuál es su precio?

Es frecuente que haya diferentes tecnolog´ıas para fabricar un mismo producto, incluso partiendo de las mismas materias primas. La selección de la más adecuada viene dada fundamentalmente por la capacidad de producción que deseamos y por el coste de producción por unidad de producto. En cuanto a la disponibilidad de la tecnolog´ıa necesaria y quién la tiene, pueden darse distintas situaciones. La tecnolog´ıa puede poseerla: Una empresa que vende el proceso de fabricación y el asesoramiento técnico que garantice que la planta se va a implementar adecuadamente (hasta su puesta en marcha). Un fabricante del producto en cuestión que vende también la tecnolog´ıa para su fabricaci´ on (en ´ areas restringidas o cobrando un royalty). Un fabricante de bienes de equipo o sistemas (unidades paquete), que venden éstos y la tecnolog´ıa necesaria para garantizar el buen resultado final. Puede estar en manos del propio promotor.

1.4. Viabilidad de una Planta Industrial: Ideas Generales

9

La conclusi´ on de este estudio es: para realizar la fabricación de este producto en estas cantidades podemos utilizar este proceso, tecnológicamente válido, y además el equipamiento y sistemas necesarios para realizar las operaciones unitarias estarán disponibles en los plazos oportunos y a precios razonables. En este estudio ser´ a necesario realizar una estimación de la inversión, como elemento que permita determinar el proceso m´ as adecuado. En esta fase el nivel de precisión de esta estimaci´ on será de un ±20 %.

1.4.3.

Estudio de Viabilidad Econ´ omica

El punto de partida de este estudio es la estimación de la inversión, obtenida del estudio anterior. El objetivo es determinar la rentabilidad que, previsiblemente, se puede obtener de la inversión necesaria para la P.I. También conviene estudiar lo que suceder´ıa si el dinero se invirtiera en otro negocio (alternativas de inversión). Estos estudios siempre conllevan incertidumbres, puesto que las variables y parámetros que intervienen pueden variar con el tiempo. Esto conduce a realizar estudios de sensibilidad que permiten analizar cómo var´ıa la rentabilidad en funci´ on de los par´ ametros más importantes: Coste de las materias primas. Precio del producto acabado. Coste de la mano de obra. Precio de la energ´ıa, etc. Para analizar la viabilidad económica de la P.I., se considera necesario determinar los siguientes elementos que ser´ an tenidos en cuenta como criterios de rentabilidad: 1. Cuenta de Explotaci´ on: resultado de la diferencia de los ingresos en ventas anuales menos costes de explotaci´ on en materias primas, mano de obra, servicios, etc., obteniéndose el Beneficio Antes de Impuestos (BAI) y Beneficio Después de Impuestos (BDI). 2. C´ alculo del Capital Circulante necesario para el funcionamiento anual de la P.I., considerando entre otros: stocks (en materias primas, productos en fabricaci´ on y terminados) y en cuentas de clientes, caja y bancos y proveedores. 3. C´ alculo de Flujos de Caja, desde el a˜ no que se inicia la construcción hasta la finalizaci´ on de la vida u ´til de la P.I. 4. C´ alculo de los Flujos de Caja Operativos (FCO) actualizados con la tasa de interés debida al coste del dinero (r). 5. C´ alculo del Valor Actual Neto (VAN) y de la Tasa Interna de Retorno (TIR). 6. C´ alculo de la Tasa de Rentabilidad Bruta (TRB) y de la Tasa de Rentabilidad Neta (TRN). 7. C´ alculo del Periodo de Recuperación del Capital (PRC).

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1. Conceptos B´ asicos en el Dise˜ no de Plantas Industriales

8. Retorno Sobre Inversi´ on (RSI). 9. Cálculo del punto de equilibrio o punto muerto, que indica la producción m´ınima necesaria para cubrir los costes fijos. 10. Estudio de sensibilidad de la rentabilidad del proyecto frente a los parámetros más importantes.

1.4.4.

Estudio de Viabilidad Financiera

Este estudio también parte de la inversión necesaria para poner la P.I. en operación y para operarla. El objetivo es determinar cu´ ales deben ser las fuentes de obtención de los fondos necesarios, tanto en la fase de puesta en marcha como en la de operación. Naturalmente, se trata de determinar las fuentes que proporcionen el menor coste del dinero. En general, puede decirse que el promotor de una P.I. debe emplear fondos propios para financiar la inversi´ on. La buena pr´ actica aconseja que la parte financiada no sea menor del 30 %. El resto de la inversi´ on puede financiarse con capitales ajenos o, como ahora es bastante frecuente, complementar con subvenciones procedentes de instituciones locales, autonómicas, etc. Los capitales ajenos pueden obtenerse en la forma de préstamos a interés fijo o variable, o bien a través de obligaciones emitidas al mercado con un interés normalmente fijo. En todo caso, el Estudio de Viabilidad Financiera debe responder a las siguientes preguntas: ¿Hay fondos disponibles que cubran la inversión en la P.I. y el capital circulante necesario para operar la planta? ¿Cuál puede ser el origen de los fondos? ¿Cuál ser´ a su coste?

1.4.5.

Estudio de Impacto Ambiental

Como en el caso de los estudios anteriores, este estudio puede ser determinante, en el sentido de que el impacto ambiental que la P.I. cause o pueda causar en el medio ambiente puede hacer inviable la planta. El objetivo de este estudio es conocer, desde un punto de vista técnico, el impacto ambiental de la P.I., tanto en situaciones de funcionamiento normal como en situaciones extremas. Puede ocurrir que no haya impacto o que éste sea tolerable. Pero cuando existe, la cuestión que se plantea es si se pueden eliminar o reducir estos impactos para llevarlos a unos niveles que sean tolerables a juicio de las autoridades ambientales competentes, con un coste soportable para la rentabilidad de la planta.

1.5. Etapas del Desarrollo de una Planta Industrial

11

Si los impactos no se pueden eliminar o el coste de eliminación es muy alto, la P.I. puede resultar inviable desde el punto de vista ambiental o económico. El problema es complejo y los aspectos medioambientales están regulados por una legislaci´ on nacional y auton´ omica que a veces no es fácil de entender.

1.5.

Etapas del Desarrollo de una Planta Industrial

El desarrollo de una P.I. sigue una serie de etapas que pueden clasificarse como: Etapas en fase de Estudios. Etapas en fase de Realizaci´ on de la Planta Industrial. Las primeras conllevan u ńicamente trabajos de ingenier´ıa, de modo que la inversión necesaria para realizarlas es peque˜ na (entre el 1 % y el 5 % de la inversión). Si el resultado no es positivo, podemos renunciar a seguir adelante con poco gasto. Las segundas comportan gastos muy importantes, como compra de terrenos, ingenier´ıa, equipos y obras civiles, que si no se llevan hasta el final, pueden originar unos pagos importantes, dependiendo del del grado de compromiso con los diferentes proveedores y contratistas. A partir de los estudios descritos anteriormente y como conclusión de los mismos, conocemos qué productos queremos fabricar y en qué cantidades, as´ı como la viabilidad de la P.I. en un determinado emplazamiento. Con todo, la viabilidad econ´ omica está sujeta a incertidumbres, dado que la inversi´ on se determinó con informaci´ on preliminar no completa. Es por ello que en esta etapa de estudios previos debemos realizar una confirmación de la evaluación y mejor aproximación de los datos. As´ı pues, en la etapa de estudios previos debemos cubrir los siguientes aspectos: Confirmaci´ on de la tecnolog´ıa a usar. Desarrollo de la tecnolog´ıa a nivel preliminar (Preingenier´ıa). Obtener una nueva evaluaci´ on de la inversión. Elecci´ on de los terrenos necesarios para la P.I. y su estudio. Revisi´ on de los Estudios de Viabilidad. Toma de decisi´ on de realizar la planta. Realizada la etapa anterior, que en plantas peque˜ nas y poco complejas podrá obviarse, se pasa a la etapa de realizaci´ on, que consta de las siguientes tareas: Obtenci´ on de la tecnolog´ıa. Realizaci´ on de la Ingenier´ıa Básica o Anteproyecto. Preparaci´ on de la documentación para la tramitación y obtención de los permisos necesarios. Realizaci´ on de la Ingenier´ıa de Detalle o Proyecto Constructivo.

12

1. Conceptos B´ asicos en el Dise˜ no de Plantas Industriales

Realizaci´ on de las compras de equipos y contrataciones de obras civiles y montajes. Construcci´ on de la P.I. Puesta en servicio de la P.I. Recepci´ on provisional. Recepci´ on definitiva.

1.6. 1.6.1.

Objetivos de cada Etapa en la Fase de Estudios Confirmaci´ on de la Tecnolog´ıa a Usar

Una vez definida la tecnolog´ıa que vamos a usar, debemos pedir al proveedor una información más detallada, con el objetivo de confirmar su viabilidad (disponibilidad de equipos principales en plazo y coste aproximado de los mismos). Confirmamos qué operaciones unitarias tenemos que realizar y la importancia de las mismas.

1.6.2.

Desarrollo de la Tecnolog´ıa a Nivel Preliminar. Preingenier´ıa

Con la informaci´ on anterior, podemos desarrollar una Ingenier´ıa Preliminar o Preingenier´ıa, determinando, de forma preliminar: Los servicios auxiliares que necesitará el equipo de proceso. Los servicios generales y puestos de trabajo. Los servicios de personal. También se determinan las edificaciones necesarias. El objetivo es poder reevaluar las inversiones con mayor precisi´ on.

1.6.3.

Obtenci´ on de una Nueva Evaluaci´ on de la Inversi´ on.

Con la nueva informaci´ on, resulta conveniente pedir a los fabricantes de los equipos una estimación del coste, as´ı como a los posibles contratistas que eval´ uen las obras civiles y montajes. El objetivo de esta etapa es obtener una aproximación del valor de la P.I. con una precisión entre el 5 % y el 10 %, que ser´ıa un buen resultado.

1.6.4.

Elecci´ on de Terrenos

Se trata de la elecci´ on del emplazamiento dentro de los posibles de un área sobre la que hab´ıamos realizado los estudios medioambientales que hab´ıan dado un resultado positivo. A la hora de elegir un emplazamiento concreto habrá que prestar atención a una serie de factores que se examinar´ an posteriormente: existencia de pol´ıgonos o parques industriales,

1.7. Objetivos de Cada Etapa en la Fase de Realizaci´ on

13

topograf´ıa, capacidad portante, accesos, acometidas, ordenanzas de aplicación, aspectos medioambientales, etc. Es muy importante estudiar el grado de aceptación de los habitantes de la zona donde se va a instalar la P.I.

1.6.5.

Revisi´ on de los Estudios de Viabilidad

Con la informaci´ on obtenida, se deben actualizar los estudios de viabilidad económica y los análisis de sensibilidad de la rentabilidad de la inversión ante la variación de los parámetros m´ as importantes.

1.6.6.

Toma de Decisi´ on de Realizar la Planta Industrial.

Toda la informaci´ on recabada o derivada en las tareas anteriores nos permitirá razonablemente tomar la decisi´ on de seguir adelante o suspender temporalmente o cancelar el proyecto de la P.I.

1.7. 1.7.1.

Objetivos de Cada Etapa en la Fase de Realizaci´ on Obtenci´ on de la Tecnolog´ıa de la Planta

Se trata de formalizar una adjudicación y la compra posterior de los equipos, fijando el alcance de los trabajos, de manera que pueda garantizarse una eficaz puesta en marcha de la planta con los par´ ametros a los que el tecnólogo se ha comprometido. Normalmente, la compra de tecnolog´ıa tiene el siguiente alcance: Diagrama de Proceso (con las operaciones unitarias). Balance de masas y energ´ıa. Especificaci´ on de los equipos o sistemas que realizan cada operación unitaria. Arquitectura de control para la operación de la planta. Especificaci´ on de los instrumentos.

1.7.2.

Realizaci´ on de la Ingenier´ıa B´ asica o Anteproyecto

A partir del proceso de fabricación, la Ingenier´ıa Básica pretende determinar los servicios auxiliares, servicios generales y servicios de personal necesarios para el funcionamiento de la P.I.; es decir, todas las instalaciones y dependencias que la planta necesita para funcionar. Servicios Auxiliares: son los necesarios para el funcionamiento de los equipos de proceso, tales como agua, vapor, energ´ıa eléctrica, aire comprimido, etc. Servicios Generales: son los necesarios para que la fabricación se lleve a cabo con normalidad, tales como almacenes de materias primas, de productos intermedios o terminados, talleres de mantenimiento, oficinas, etc.

14

1. Conceptos B´ asicos en el Dise˜ no de Plantas Industriales

Servicios de Personal: aquellos que el personal empleado en la P.I. necesita para su uso, tales como aseos, vestuarios, comedores, salas de ocio, servicios médicos, etc. La Ingenier´ıa B´ asica debe considerar además los transportes internos de la planta (puentes gr´ ua, cintas, tuber´ıas, etc.) y sus conexiones con el exterior, as´ı como los aparcamientos dentro del recinto de la P.I. Una actividad trascendental de la Ingenier´ıa Básica es la implantación de todos los equipos, sistemas, dependencias, transportes interiores y exteriores de la planta. Esta implantación es uno de los objetivos primordiales de la Arquitectura Industrial. Una vez definida la implantaci´ on, de acuerdo con las necesidades de los equipos, servicios y de las personas que ocupan los puestos de trabajo, podemos definir qué áreas deben estar cubiertas con edificios y cuales no, as´ı como establecer un dimensionado preliminar de los mismos. Definido el tama˜ no de las edificaciones, la Ingenier´ıa Básica tiene que definir y justificar los sistemas constructivos (cimentaci´ on, sistemas estructurales, cerramientos, cubiertas, pavimentos, etc.) para los distintos edificios de la P.I. Una vez definidas las edificaciones hay que determinar la implantación de conjunto general de la P.I. o Layout general. La Ingenier´ıa B´ asica tiene por objetivo decidir y justificar todas las soluciones que se adopten en el dise˜ no de la planta. Esta justificaci´ on debe ser tanto técnica como económica, de modo que deber´ıa ser realizada por técnicos con experiencia en el tipo de plantas que se considera.

1.7.3.

Tramitaci´ on y Obtenci´ on de Permisos

Se trata de preparar la documentaci´ on necesaria para la tramitación y posterior obtención de los permisos que sean necesarios para la realización y puesta en operación de la P.I. Pueden destacarse los necesarios para la concesión de la licencia de actividad y la licencia de construcción de la planta. Estas permisos son emitidos por las autoridades municipales, aunque también puede ser necesaria autorizaci´ on por parte de las autoridades autonómicas o incluso nacionales.

1.7.4.

Realizaci´ on de la Ingenier´ıa de Detalle o Proyecto Constructivo

Cuando se trata de proyectos de peque˜ no o mediano tama˜ no y poca complejidad, podemos hacer un dise˜ no completo valiéndonos de información publicada o proporcionada, sin compromiso, por los suministradores de equipos o sistemas (catálogos de fabricación, etc). Sin embargo, en P.I. que incluyan un proceso de fabricación, no siempre es posible obtener datos de los equipos de fabricaci´ on o de los equipos de los servicios auxiliares, bien porque no existen o bien porque hay que comprarlos antes para obtener sus caracter´ısticas. En este u ´ltimo caso, para hacer el proyecto constructivo necesitamos comprar antes, al menos, los equipos y sistemas principales de proceso, y a veces los equipos principales de los servicios

1.7. Objetivos de Cada Etapa en la Fase de Realizaci´ on

15

auxiliares, tales como calderas, bombas, etc. Esto implica que a la vez que se realiza la Ingenier´ıa de Detalle o Desarrollo hay que ir realizando las compras de los equipos o sistemas (unidades paquete), para obtener la informaci´ on necesaria para seguir preparando la información definitiva.

1.7.5.

Realizaci´ on de las Compras de Equipos y Contrataci´ on de las Obras Civiles y Montajes

La ingenier´ıa b´ asica debe proporcionar la documentación técnica Necesaria para comprar y contratar. A partir de esta documentación, los objetivos de una gestión de compras y contrataciones son preparar una serie de documentos que indiquen de manera precisa las condiciones de cada compra o contratación y nos permitan comprar y contratar adecuadamente. En esta etapa de Compras hay un doble objetivo, especialmente en lo que se refiere a la compra de equipos y sistemas: Conseguir la informaci´ on necesaria para poder seguir desarrollando la ingenier´ıa de detalle. Conseguir que los equipos y sistemas lleguen al sitio de construcción de la planta para su posterior montaje y funcionamiento. El que esta informaci´ on esté a tiempo tiene una gran importancia para poder cumplir los plazos de puesta en marcha de la P.I. La contrataci´ on de las obras civiles y montajes se desagrega normalmente en las siguientes contrataciones o subcontratos: Contrato(s) de Obras Civiles (desglosado o completo). Contrato de Montaje Mec´ anico (uno o varios contratos). Contrato de Montaje Eléctrico. Contrato de Montaje de Instrumentos o Instrumentación.

1.7.6.

Construcci´ on de la Planta Industrial

El objetivo de esta etapa es la ejecución material de las obras civiles y edificaciones, as´ı como el montaje de los equipos de fabricación y el montaje de todos los equipos auxiliares.

1.7.7.

Puesta en Servicio de la Planta Industrial

El final de la construcci´ on y el montaje de la P.I. lo constituye la Terminación Mecánica. A partir de ésta, se puede iniciar la Puesta en Servicio de la planta. Para conseguir la Puesta en Servicio de la planta es necesario realizar un programa que debe contener todas las actividades a realizar y su secuencia en el tiempo desde la terminaci´ on

16

1. Conceptos B´ asicos en el Dise˜ no de Plantas Industriales

mecánica. Este programa debe contener al menos lo siguiente: Definici´ on de los recursos materiales y humanos cualificados para la puesta en marcha. Manual de operaci´ on de la planta. Personal de operaci´ on de la planta. Manual de mantenimiento de la planta. Personal de mantenimiento. Laboratorios. Operaciones preliminares. Puesta en marcha parcial y total. Una vez satisfechos todos los requisitos, se realiza el acta de recepción provisional.

1.7.8.

Recepci´ on Definitiva

En el transcurso de un periodo de tiempo determinado (entre uno y dos a˜ nos), a partir de la recepción provisional, se controla el funcionamiento de la planta, detectándose los defectos y deficiencias que se ponen de manifiesto y realizando las oportunas modificaciones y reparaciones para corregirlos. Una vez pasado este periodo, se hace la recepción definitiva.

1.8.

Conclusi´ on

Las etapas descritas no se llevan a cabo de una forma secuencial, sino que pueden solaparse parcialmente en el tiempo, o realizarse en parte de forma simultanea, como puede verse en el siguiente diagrama de Gantt que ilustra las etapas de la fase de estudios y de la fase de realización para una P.I. que se concluye en un plazo total de treinta meses.

1.9. Bibliograf´ıa

1.9.

17

Bibliograf´ıa

Arquitectura y Urbanismo Industrial. Dise˜ no y Construcción de Plantas, Edificios y Pol´ıgonos Industriales. Rafael de Heredia. Sección de Publicaciones ETSII de la UPM, 1981. Construcci´ on y Arquitectura Industrial. Volumen II. Rafael de Heredia y Carlos Morales. Apuntes: Secci´ on de Publicaciones ETSII de la UPM. Dise˜ no de Plantas Industriales. Sisenando Carlos Morales Palomino. UNED, 2011. Constructions Industrielles. A.Hugon et R. Traverse. Editions Eyrolles, 1962.

19

Cap´ıtulo 2

Localizaci´ on de Plantas Industriales 2.1.

Aspectos Generales

Selecci´ on del terreno para asentar la planta industrial. se plantean dos problemas: 1. Localizaci´ on de la industria (zona o gran área). Pa´ıs/regi´ on/provincia. (Espa˜ na/Andaluc´ıa/Sevilla). 2. Emplazamiento (el lugar concreto). Parque Tecnol´ ogico Aeroespacial de Andaluc´ıa. Aerópolis. Pol´ıgono Industrial La Isla (Dos Hermanas). La localizaci´ on (elecci´ on de un área adecuada para la industria) se realiza en función de consideraciones de tipo global: Naturaleza de la industria. Situaci´ on de las materias primas. Situaci´ on de los mercados para productos fabricados. Sistemas de transporte disponibles. Mano de obra. Aspectos ecol´ ogicos y medioambientales. Energ´ıas y otros servicios auxiliares. Terrenos disponibles. Aspectos sociales: aceptaci´ on y/o rechazo de la industria por los habitantes de la zona. Consideraciones pol´ıtico/económicas. Régimen de subvenciones y fiscales. Algunos de esto aspectos son poco cuantificables. Elegida una localizaci´ on, se estudian las alternativas de emplazamientos concretos para la P.I., teniendo en cuenta los siguientes aspectos: Configuraci´ on geométrica de los terrenos disponibles.

20

2. Localizaci´ on de Plantas Industriales

Caracter´ısticas del suelo. Climatolog´ıa. Accesos e infraestructuras disponibles.

2.1.1.

Naturaleza de la Industria

¿Qué valor a˜ nadido aporta la industria a las materias primas? → Valor a˜ nadido por unidad de peso y/o de volumen a transportar. En las industrias de bajo valor a˜ nadido, el coste de transporte es una fracción importante del precio de venta., por lo que existe una gran dependencia de la localización de materias primas y mercados, lo que se traduce en una peque˜ na área de influencia de la P.I. Por ejemplo, Fábricas de cemento o Mataderos generales frigor´ıficos cuyo radio de influencia es peque˜ no (< 100 km). En las industrias de alto valor a˜ nadido, el coste de transporte es menos importante ya que existe un mayor radio de influencia de la P.I. Por ejemplo, productos electrónicos, farmacéuticos, textiles cuyo radio de influencia es elevado (> 1000 km). ¿Grado de peligrosidad de la planta? → La localización de ciertas actividades está sometida a restricciones. Por ejemplo, el Reglamento de Actividades Molestas, Insalubres, Nocivas y Peligrosas (1961), Art. 4. [Orientativo. Este reglamento quedó derogado por la Ley 34/2007 de calidad del aire y protecci´ on de la atm´ osfera]. Cumplir Ordenanzas municipales y Planes de urbanización del Ayuntamiento. En general: d ≥ 2 km del n´ ucleo más próximo de población agrupada.

2.1.2.

Situaci´ on de las Materias Primas

Disponibilidad y precio (adquisici´ on+transporte) de las materias primas. ¿Cuáles son los costes sistemáticos de transporte de las materias primas a la P.I.? Ejemplos: Plantas que producen productos qu´ımicos a granel: ubicación cerca de la fuente de materia prima (siempre que los costes de env´ıo del producto no sean mayores que los costes de transporte de la materia prima). Refiner´ıas de petr´ oleo: cerca de los puntos de consumo. Se producen muchos tipos de combustibles, cuyo transporte por separado ser´ıa costoso. Planta de cemento pr´ oxima a canteras de caliza y arcilla (materias primas), interesa reducir coste de transporte de M.P. Refiner´ıa de petr´ oleo pr´ oxima a un puerto de recepción de crudo. Refiner´ıa de ´ Puertollano. Unica refiner´ıa espa˜ nola en el interior. Oleoducto de 350 km (CartagenaPuertollano). Mayores costes de transporte que una refiner´ıa de la costa (Rábida o Algeciras). Molino de cemento dedicada a la obtención de cl´ınker de cemento a buen precio en el mercado mundial (transporte por barco) interesa colocarla cerca de un puerto.

2.1. Aspectos Generales

2.1.3.

21

Situaci´ on de los Mercados para Productos Fabricados

Demanda de los mercados y coste (fabricación+transporte) de colocar los productos en dichos mercados. Los costes de transportes permitidos dependerán del valor a˜ nadido que la P.I. aporte a sus productos. Productos con coste de fabricaci´ on por tonelada relativamente bajo, gran producción, el coste de transporte es una fracci´ on importante del precio de venta: ubicar la P.I. cerca del mercado principal. Fábricas de cemento, ´ acidos minerales, combustibles, fertilizantes. Mataderos generales frigor´ıficos. Fábrica de cemento → radio de influencia bajo (< 100 km). Productos con un elevado precio por tonelada del producto fabricado, baja producción → el coste de transporte es menos importante. Productos electr´ onicos, farmacéuticos, textiles Fábrica de coches → mayor radio de influencia (miles de km). Fábrica de ABB (C´ ordoba) de transformadores. Producto de alto valor a˜ nadido. Exporta ´ a Europa, América, Africa y Oriente Medio.

2.1.4.

Sistemas de Transporte Disponibles

Interesa aprovechar infraestructuras existentes o en desarrollo que supondr´ıa ahorrar coste fijo de construir dicha infraestructura. Si es posible, seleccionar un lugar próximo, por lo menos, de dos de las principales formas de transporte: carretera, ferrocarril, v´ıa navegable (canal o r´ıo), o un puerto mar´ıtimo. Transporte por carretera: distribución local, desde un almacén central. Transporte por ferrocarril: más económico para transportar productos qu´ımicos a granel a largas distancias. Transporte aéreo: eficiente para desplazamiento de personal, equipo, suministros esenciales. Productos de alto valor a˜ nadido.

2.1.5.

Mano de Obra

Disponibilidad de mano de obra suficiente y con la cualificación adecuada para construir y mantener la P.I.

22

2. Localizaci´ on de Plantas Industriales

2.1.6.

Consideraciones Ecol´ ogico-Ambientales

Emisiones (s´ olidas, l´ıquidas, gaseosas) de la P.I. Puede ser necesario un Estudio de Impacto Ambiental y medidas correctoras.

2.1.7.

Energ´ıa y otros Servicios Auxiliares

Disponibilidad y coste de estos factores productivos: Energ´ıa eléctrica. Combustible para generar vapor o energ´ıa. Existencia de infraestructura de transporte de energ´ıa (l´ıneas eléctricas, oleoductos, gasoductos, etc). Agua para refrigeraci´ on y uso en procesos generales.

2.1.8.

Calidad de los Terrenos

Aspectos geogr´ aficos, morfol´ ogicos y/o geológicos que puedan provocar sobrecostes de instalación. Inundabilidad. Sismicidad. Grandes pendientes implican mayores costes de explanación. Terreno con baja capacidad portante implica mayor coste de cimentación.

2.1.9.

Consideraciones Pol´ıtico-Econ´ omicas

Los gobiernos establecen pol´ıticas de desarrollo de ciertas zonas y ofrecen ventajas para la instalación de industrias via: Subvenciones. Ventajas fiscales temporales o permanentes. Clima empresarial favorable: presencia de negocios de tama˜ no similar, o compa˜ n´ıas del mismo sector industrial (Zona con tradici´ on industrial).

2.1.10.

Aspectos Sociales/Comunitarios

2.1.11.

Disponibilidad de los Terrenos

Es importante que el terreno esté disponible y el precio sea asequible.

2.2. Condiciones Locacionales

2.2.

23

Condiciones Locacionales

Caracter´ısticas significativas que puede tener un determinado lugar. Los “valores” de estas caracter´ısticas diferencian un lugar respecto de otro, a efectos de ubicar una determinada actividad ´ o servicio. Existen condiciones locacionales muy diferentes. En general, pueden agruparse tipológicamente en: Clasificaciones Formales o Legales. Situaciones Geogr´ aficas tipificadas. Caracter´ısticas del Terreno. Servicios Generales existentes. Econ´ omicos. Situaciones relativas Producción-Consumo. Otros.

2.2.1.

Clasificaciones Formales o Legales

Tradicionales: Entorno Nacional. Clasificación de Industrias por Impacto Ambiental: Normales. Molestas, Insalubres, Nocivas o Peligrosas. Clasificaci´ on de Industrias por Tipo de Proceso. B´ asicas. Transformaci´ on. Servicios. Situaci´ on Actual: Entorno Europeo–Internacional (sociedad Pos-Industrial). Ley del Suelo. Legislaci´ on Medioambiental.

2.2.2.

Situaciones Geogr´ aficas Tipificadas Urbana: • Mano de Obra Cualificada. • Edificaciones en Altura. • Servicios Urbanos y Transportes rápidos. • Facilidad de contactos exteriores. Semi-Urbana: • Impuestos Municipales moderados.

24

2. Localizaci´ on de Plantas Industriales

• Facilidad de ampliaciones. • Residencias de trabajadores cercanas. Rural: • Impuestos Municipales peque˜ nos. • Mano de Obra no cualificada-salarios bajos. • Disponibilidad de grandes espacios. • Posibilidad de realizaci´ on de cualquier proceso.

2.2.3.

Caracter´ısticas del Terreno Disponibilidad. Topograf´ıa. Explanaciones. Caracter´ısticas del Terreno, Cimentaciones. Condiciones Climatol´ ogicas: viento, agua, nieve, s´ısmico. Situación, Forma y orientaci´ on. Precio.

2.2.4.

Servicios Generales Existentes Comunicaciones: • Carretera. • Ferrocarril. • Fluvial. • Aérea. • Telef´ onica. • Inform´ aticos. Disponibilidad de Personal. Servicios P´ ublicos: • Agua - Alcantarillado. • Electricidad. • Gas. Servicios Comerciales y Viviendas. Existencia de Centros Educativos y Culturales.

2.2.5.

Econ´ omicos Exenciones Fiscales. Inversiones.

2.3. Factores Locacionales

2.2.6.

25

Situaciones relativas Producci´ on-Consumo Situaci´ on de los Proveedores de Materias Primas. Situaci´ on del Mercado de Productos Fabricados.

2.2.7.

Otros Tradici´ on Industrial de la Zona. Impacto social y ambiental producido. Condiciones Ambientales. Nivel de Vida.

2.3.

Factores Locacionales

Para un problema concreto de ubicación de una actividad o servicio, son aquellas condiciones locacionales que resultan importantes a efectos de la toma de decisión requerida. Directos: Efectos sobre Costes de Producción. • Materias Primas. • Agua y Energ´ıa. • Infraestructuras. • Mano de Obra. • Residuos - Medioambiente. Efectos sobre Ventas. • Mercado. • Comunicaciones. Indirectos: Efectos sobre Costes Globales. • Marco Natural. • Marco Legal. • Marco Social.

2.4. 2.4.1.

M´ etodos de Resoluci´ on de Problemas Hip´ otesis Cuantificadoras Costes asociados con Desplazamientos. Costes asociados con Actividades concretas.

26

2. Localizaci´ on de Plantas Industriales

Flujos de Materiales o Elementos, con valores deterministas. Flujos y Costes Conocidos.

2.4.2.

Clasificaci´ on de los Modelos Matem´ aticos Función Objetivo [M´ınimo, Minimax]. Medida de la Distancia [Rectangular, Eucl´ıdea, Cuadrática, otras]. Tipo de Espacio [Continuo, Discreto]. Tipo de Localizaci´ on [Una instalación, M´ ultiples instalaciones (Problemas con o sin interacci´ on entre las instalaciones a localizar)]. Tipo de Instalaci´ on [Manufactura, Servicios].

2.4.3.

Tipos de T´ ecnicas de Resoluci´ on Anal´ıticas. Gráficas. Numéricas.

2.4.4.

Casos Sencillos. M´ etodos Anal´ıticos

Problemas de localizaci´ on de una u ńica planta: Función objetivo: minimizar el coste. Medida de coste: proporcional a la distancia. Localizaci´ on de un u ńico elemento (P.I.). Espacio continuo. Sin restricciones. Definición del problema: Existen n almacenes (P1 , P2 , · · · , Pn ) de ubicaciones conocidas Pi = (ai , bi ). Hay que decidir la ubicaci´ on de la P.I. en un punto del espacio continuo X = (x, y). El coste total Z (e/a˜ no) es proporcional a la distancia d(X, Pi ) recorrida por cada entre X y Pi , y a los pesos wi : n X Z = f (X) = wi d(X, Pi ) (2.1) i=1

Los pesos dependen del n´ umero de env´ıos realizados cada a˜ no y del coste unitario (e/km) de cada env´ıo. e no env´ıos · wi = km a˜ no La funci´ on a minimizar es (2.1).

27

2.4. M´ etodos de Resoluci´ on de Problemas

Existen distintas medidas de distancia: • Distancia eucl´ıdea (en l´ınea recta): p d(X, Pi ) = (x − ai )2 + (y − bi )2

(2.2)

• Cuadrado de la distancia eucl´ıdea: d(X, Pi ) = (x − ai )2 + (y − bi )2

(2.3)

• Distancia rectil´ınea, rectangular, metropolitana o de Manhattan: adecuada cuando el recorrido se realiza a través de pasillos o calles distribuidos en forma rectangular. d(X, Pi ) = |x − ai |2 + |y − bi |2 (2.4)

2.4.4.1.

Localizaci´ on P.I. mediante el cuadrado de la distancia Eucl´ıdea

Utilizando el cuadrado de la distancia Eucl´ıdea: Minimizar: Z = f (X) =

n X

wi (x − ai )2 + (y − bi )2

(2.5)

i=1

Para encontrar el ´ optimo: Pn Pn n X wi a i ∂Z ∗ i=1 wi ai P = i=1 =2 wi (x − ai ) = 0 → x = = xC.G. n w ∂x w tot i=1 i i=1 Pn n X wi bi ∂Z ∗ =2 wi (y − bi ) → y = Pi=1 = yC.G. n ∂y i=1 wi

(2.6) (2.7)

i=1

En éste caso, la localizaci´ on ´ optima está en el Centro de Gravedad.

2.4.4.2.

Localizaci´ on P.I. mediante la distancia rectangular

Utilizando la distancia rectangular: Minimizar: Z = f (X) =

n X

wi |x − ai |2 + |y − bi |2

(2.8)

i=1

Se puede resolver como dos subproblemas 1D independientes: Minimizar: f1 (x) = Minimizar: f2 (y) =

n X i=1 n X i=1

wi |x − ai |

(2.9)

wi |y − bi |

(2.10)

28

2. Localizaci´ on de Plantas Industriales

Ambos son equivalentes, y resulta conveniente numerar los puntos Pi en sentido creciente de posición: ai < ai + 1. Para encontrar el ´ optimo (por ejemplo del primer subproblema): n X X ∂f1 (x) X = wi − wi = wi sgn (x − ai ) = ∂x i:ai ≤x

i=1

i:ai >x

= wcum,x − (wtot − wcum,x ) = 2wcum,x − wtot

(2.11)

Donde: P wcum,x = i:ai ≤x wi es el peso acumulado de los puntos ai situados a la izquierda de x. P P i:ai >x wi = wtot − i:ai ≤x wi = wtot − wcum,x es el peso acumulado a la derecha de x, o el peso restante desde wcum,x hasta wtot . Consideraciones: La derivada es la suma de los pesos de los puntos ai situados a la izquierda de x (que hemos denominado wcum,x peso acumulado hasta x), menos la suma de los pesos de los puntos ai situados a la derecha de x. Como el peso total es wtot es fijo, y el peso acumulado a la izquierda de x es wcum,x , el peso acumulado a la derecha de x es wtot − wcum,x . La derivada es constante en cada intervalo (ai , ai + 1) entre puntos consecutivos. Crece al pasar al siguiente intervalo. Será negativa en x en la izquierda del intervalo (i.e. cerca del punto inicial, a1 ) y positiva en la derecha del intervalo (i.e. cerca del punto final, an ). Será nula si wcum,x = wtot /2. El óptimo est´ a situado en la coordenada x de alguno de los almacenes existentes ai . La coordenada x óptima corresponde con el punto ai que no tiene a su derecha ni a su izquierda más de la mitad del peso total wtot /2. A ésta se la denomina Localizaci´ on Mediana. wtot 2 wtot ≥ 2

wcum,i−1 < wcum,i

siendo wcum,i el peso acumulado a la izquierda del punto i (incluyendo el propio punto i desde el punto 1 hasta el i). X X wcum,i = wj = wj j:aj ≤ai

2.4.4.3.

j=1

Localizaci´ on P.I. mediante la distancia Eucl´ıdea

Utilizando la distancia Eucl´ıdea: Minimizar: Z = f (X) =

n X i=1

wi

p (x − ai )2 + (y − bi )2

(2.12)

29

2.4. M´ etodos de Resoluci´ on de Problemas

Para encontrar el ´ optimo: n n n X X X ∂Z wi (x − ai ) q = =0→x gi (x, y) = gi (x, y) ai ∂x 2 2 i=1 i=1 i=1 (x − ai ) + (y − bi )

(2.13)

n n n X X X wi (y − bi ) ∂Z q =0→y gi (x, y) = = gi (x, y) bi ∂y i=1 i=1 i=1 (x − ai )2 + (y − bi )2

(2.14)

Sistema de ecuaciones de segundo grado. Se puede resolver iterativamente, usando el CG o la localizaci´ on mediana como soluci´ on inicial. Las derivadas no están definidas (son infinitas) para x = ai e y = bi , su denominador es nulo. El procedimiento iterativo (s´ olo aplicable si g(x, y) está definida): Pn (k−1) , y (k−1) i=1 ai gi x (k) con: x(0) = xC.G. x = Pn (k−1) , y (k−1) g x i=1 i Pn (k−1) , y (k−1) i=1 bi gi x (k) con: y (0) = yC.G. y = Pn (k−1) , y (k−1) g x i i=1

(2.15) (2.16)

Se trata de un problema numérico, cuando el óptimo está próximo a alguno de los puntos Pi . Una posible modificaci´ on de la iteración (procedimiento de aproximación del hiperboloide) se realiza mediante la expresi´ on: gi (x, y) = q

wi

(2.17)

(x − ai )2 + (y − bi )2 + ε

Donde ε es un n´ umero positivo arbitrariamente peque˜ no, de forma que hará que gi siempre esté definida y no haya problemas de convergencia.

2.4.4.4.

Localizaci´ on P.I. mediante Factores Ponderantes

Se sigue el siguiente método: 1. Selecci´ on de los factores m´ as relevantes. 2. Asignaci´ on del peso. 3. Evaluaci´ on de las alternativas: Asignar valores (0 − 100 %) a todos los factores. Calcular la nota media ponderada. 4. Seleccionar la localizaci´ on.

30

2. Localizaci´ on de Plantas Industriales

Por ejemplo: Tabla 2.1: Método factores ponderantes

Factores Proximidad a proveedores Costes laborales Transportes Impuestos Costes de instalaci´ on

2.4.5.

Peso Relativo ( %) 30 30 20 15 5 S=100 %

A 7 5 9 6 7 6,65

B 7 9 6 6 8 7,3

C 10 7 6 7 2 7,45

Problemas de Asignaci´ on

El objetivo es elegir la posici´ on ´ optima de la P.I. en función de: Sj : Posibles ubicaciones (j = 1, · · · , n). Cij : Costes. Nuevas plantas Fi (i = 1, · · · , q). Cubrir demanda en una serie de puntos de consumo. (Plantas existentes Ek ). Se supondrá que q = n. Si no, se a˜ naden n−q plantas ficticias sin coste. Se supone que no existe intercambio de productos entre las plantas nuevas. La distancia desde un solar Sj hasta la planta existente Ek se define como: dkj = d (Ek , Sj )

(2.18)

El coste (expresado en euros/km·a˜ no) para transporte desde Fi hasta Ek se expresa en una matriz Wik = W de dimensiones q × p siendo p el n´ umero de plantas. Se emplea una variable de asignaci´ on (cuyo valor será 0 ó 1), tal que: Xij =

1 si Fi se construye en Sj 0 en caso contrario

(2.19)

En esta matriz, cada columna es un solar Sj y cada fila es una nueva planta Fi . En cada solar Sj sólo puede construirse una planta, por lo que en cada columna sólo podrá haber un 1, siendo 0 el resto de elementos de la columna. Igualmente, una planta Fi sólo se construye en un u ńico solar Sj , por lo que en cada fila solamente podrá haber un 1, siendo 0 el resto de elementos.

31

2.4. M´ etodos de Resoluci´ on de Problemas

Matemáticamente, esto se expresa: q X

Xij = 1 ∀j = 1, · · · , n

i=1 n X

(2.20)

Xij = 1 ∀i = 1, · · · , q

(2.21)

j=1

00 de El coste fijo de construir la planta Fi en el solar Sj se expresa mediante la matriz Cij dimensiones q × n.

En cuanto a los costes variables de transporte: Coste de transporte desde Fi hasta Ek : Wik (d1k Xi1 + d2k Xi2 + · · · + dnk Xin ) = Wik

n X

dkj Xij

(2.22)

j=1

Coste total de transporte: Z=

q X p X

Wik

Pp

k=1 Wik dkj

dkj Xij =

j=1

i=1 k=1

Donde

n X

q X n X

Xij

i=1 j=1

p X

Wik dkj

(2.23)

k=1

0 , que son los costes de transporte. = Cij

Por tanto: Z=

q X n X

0 Xij Cij

(2.24)

i=1 j=1 0 + C 00 de costes variables. Finalmente, la funci´ Se conforma, pues, la matriz Cij = Cij on a ij minimizar es: q X n X Z= Xij Cij (2.25) i=1 j=1

Sujeto a las condiciones (2.20) y (2.21).

2.4.6.

Problema del Transporte

Consideraciones previas: Existen f´ abricas Fi i = 1, · · · , nf cuya producción es pi . Existen almacenes Aj i = 1, · · · , na cuya demanda es dj . Se define el coste total unitario Cij de abastecer una unidad desde Fi hasta Aj . La funci´ on a minimizar es: nf na X X Cij Xij (2.26) i=1 j=1

32

2. Localizaci´ on de Plantas Industriales

Donde Xij es la cantidad de producto abastecido desde Fi hasta Aj . Sujeto a: na X

Xij ≤ pi

(2.27)

Xij = dj

(2.28)

j=1 nf

X i=1

Xij ≥ 0

2.5.

Bibliograf´ıa

Dise˜ no de plantas industriales [Cap. 5.]. S. Morales Palomino. UNED (2011). Arquitectura y Urbanismo Industrial. R. Heredia. ETS Ingenieros Industriales. UPM (1981). Localización, Distribuci´ on en Planta y Manutención [Cap. 1.]. J.M. Vallhonrat – A. Corominas. MARCOMBO (1991). Facility Layout and Location: an analytical approach [Cap. 5.]. R.L. Francis –L.F. McGinnis – J.A. White. Prentice Hall (1992). Administración de Operaciones. Producci´ on y cadena de suministro. 12a Ed. [Cap. 11.]. R.B. Chase, F.R. Jacobs y N.J. Aquilano. McGrawHill (2009). The Dynamics of Industrial Location: the factory, the firm and the production system. R. Hayter. Wiley (1998).

(2.29)

33

Cap´ıtulo 3

Implantaci´ on de Instalaciones Industriales 3.1.

Definiciones

El problema de la Distribuci´ on en Planta, Implantación o “Layout”, como se le conoce en terminolog´ıa anglosajona, es uno de los problemas cruciales de la Arquitectura Industrial. Un objetivo primordial de la Arquitectura Industrial es la conformación espacial de los requerimientos de un sistema de producción. La Distribuci´ on en Planta tiene por objeto la ordenación de los elementos de un sistema de producción industrial, implica la ordenación f´ısica de los elementos industriales. Esta ordenaci´ on, ya practicada o en proyecto, incluye tanto los espacios necesarios para el movimiento del material, almacenamiento, trabajadores indirectos y todas las otras actividades o servicios, como el equipo de trabajo y el personal de taller (Moore, 62). La distribuci´ on en planta es el plan, o el acto de planificar, el ordenamiento óptimo de las actividades industriales, incluyendo personal, equipo, almacenes, sistemas de manutenci´ on de materiales y todos los otros servicios anexos que sean necesarios para dise˜ nar de la mejor manera posible la estructura que contenga estas actividades (Muther, 81).

3.2.

Naturaleza de los Problemas de Distribuci´ on en Planta

1. Proyecto de una planta completamente nueva. 2. Expansi´ on o traslado a una planta ya existente. 3. Reordenaci´ on de una planta ya existente. 4. Ajustes menores en distribuciones ya existentes.

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Arquitectura Industrial. El Diseño de la Planta Industrial

34

nº 9

3. Implantaci´ on de Instalaciones Industriales

NATURALEZA DE LOS PROBLEMAS DE DISTRIBUCIÓN EN PLANTA Cambios diseño del producto

1º Proyecto de una planta completamente nueva.

Proyecto planta nueva Nuevos productos

2º Expansión o traslado a una planta ya existente. 3º Reordenación de una planta ya existente. 4º Ajustes menores en distribuciones ya existentes.

Cambio demanda

Expansión/traslado a planta existente

Actividades obsoletas

Cambios en la localización del mercado

causa y efecto frecuentes causa y efecto poco frecuentes

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL causa y efecto ocurren ocasionalmente Reducción de costes nº 10 Arquitectura Industrial. El Diseño de la Planta Industrial

Figura 3.1: Naturaleza de los problemas de distribución en planta (1).

NATURALEZA DE LOS PROBLEMAS DE DISTRIBUCIÓN EN PLANTA Cambios diseño del producto Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

1º Proyecto de una planta completamente nueva.

2º Expansión o traslado a una planta ya existente.

causa y efecto frecuentes Departamento de Ingeniería de la Construcción causa yy efecto pocodefrecuentes Proyectos Ingeniería causa y efecto ocurren ocasionalmente

Máster en Ingeniería Industrial Nuevos productos

Cambio demanda

Maquinaria obsoleta

3º Reordenación de un ya existente.

Reordenación de planta existente

Puesto de trabajo inadecuado

4º Ajustes menores en distribuciones ya existentes.

Cambios en la localización del mercado

Ajustes menores

Reducción de costes

Figura 3.2: Naturaleza de los problemas de distribución en planta (2).

El estudio de la distribuci´ on en planta es esencial para que ésta responda a las necesidades de Ingeniería de la Construcción impuestas por el propio sistema productivo, siendo Departamento necesario considerar todos los factores que Máster en Ingeniería Industrial CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL y Proyectos de Ingeniería nº 11 Arquitectura Industrial. El Diseño de la Planta Industrial le son propios o sea los que le pertenecen: al proceso, a los operarios, a las necesidades de la empresa y a la sociedad (Heredia, 81).

Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

El estudio de la DISTRIBUCIÓN EN PLANTA es esencial para que ésta responda a las necesidades impuestas por el propio sistema productivo, siendo necesario considerar todos los factores que le son propios o sea los que le pertenecen: al proceso, a los operarios, a las necesidades de la empresa y a la sociedad. (Heredia, 81).

LA DISTRIBUCIÓN EN PLANTA SISTEMA SOCIEDAD

SISTEMA ECONÓMICOPRODUCTIVO

Ei E1 PI1

PIi

PLANTA INDUSTRIAL (PRODUCTO, PROCESO)

E2 EMPRESAS

MATERIAL, MAQUINARIA Y EQUIPOS, PERSONAL.

EDIFICACIONES

Gabriel Bravo Aranda Figura 3.3: Estudio de la distribuci´ on en planta. Máster en Ingeniería Industrial Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

35

3.3. Elementos del Sistema de Producci´ on CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Arquitectura Industrial. El Diseño de la Planta Industrial

3.2.1.

nº 1

Fases Temporales de la Distribuci´ on en Planta

FASES TEMPORALES DE LA DISTRIBUCIÓN EN PLANTA FASES IV.- CONSTRUCCIÓN E INSTALACIÓN (Ejecución)

Grado de

III.- DISTRIBUCIÓN DE DETALLE (Proyecto edificaciones e instalaciones)

detalle

II.- DISTRIBUCIÓN DE CONJUNTO I.- LOCALIZACIÓN 0.- DEFINIC. DEL PRODUCTO. Y SIST. PRODUCTIVO

TIEMPO

Fase 0

Fase I

Fase II

Fase III

Fase IV

Efecto retroalimentrador

3.4: Gr´ afica de las fases Gabriel Figura Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

3.3.

temporales de la distribución en planta.Departamento de Ingeniería de la Construc Máster en Ingeniería Industrial

y Proyectos de Ingeniería

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Arquitectura Industrial. El Diseño de la Planta Industrial

nº 16

Elementos del Sistema de Producci´ on ELEMENTOS DEL SISTEMA DE PRODUCCIÓN MEDIOS DE PRODUCCIÓN

MAQUINARIA

MEDIOS DE PRODUCCIÓN DIRECTA

UNIDADES AUXILIARES PARA LA PRODUCCIÓN

OPERARIOS OFICINAS MATERIALES

LABORATORIOS

ALMACENES

MEDIOS AUXILIARES DE

SERVICIOS GENERALES DE FABRICACIÓN

COMEDORES SERVICIOS DE HIGIENE

PRODUCCIÓN SERVICIOS PARA EL PERSONAL

SERVICIOS MÉDICOS SERVICIOS CULTURALES, DEPORTIVOS, ETC

Figura 3.5: Elementos del sistema de producción. Departamento de Ingeniería de la Construcción

Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

Máster en Ingeniería Industrial

y Proyectos de Ingeniería

36

3. Implantaci´ on de Instalaciones Industriales

3.4. 3.4.1.

Objetivos y Principios de la Distribuci´ on en Planta Objetivos Generales de la Distribuci´ on en Planta

Moore indica que la Distribuci´ on en Planta óptima es la que satisface los siguientes objetivos: Simplificar al m´ aximo el proceso productivo. Minimizar al m´ aximo el manejo de materiales. Disminuir al m´ aximo el trabajo en curso (WIP). Utilizar el espacio de la manera m´ as efectiva posible. Promover la seguridad en el trabajo, aumentando la satisfacción del operario. Evitar inversiones de capital innecesarias. Estimular a los operarios para aumentar el rendimiento.

3.4.2.

Objetivos B´ asicos de la Distribuci´ on en Planta

1. Integraci´ on de conjunto. 2. Distancias m´ınimas. 3. Circulaci´ on o flujo de materiales. 4. Utilizaci´ on efectiva del espacio. 5. Satisfacci´ on y seguridad de los trabajadores. 6. Flexibilidad.

3.4.3.

Principios B´ asicos de la Distribuci´ on en Planta

I. Principio de la Integraci´ on de Conjunto. La mejor distribución es la que integra las necesidades y requisitos de los operarios, los materiales, la maquinaria, las actividades, as´ı como cualquier otro factor, de modo que resulte el compromiso mejor entre todas estas partes. II. Principio de la M´ınima Distancia Recorrida. En igualdad de condiciones, es mejor la distribuci´ on que permite que la distancia a recorrer por el material entre operaciones sea más corta. III. Principio de la Circulaci´ on o Flujo de Materiales. En igualdad de condiciones, es mejor aquella distribuci´ on que ordene las áreas de trabajo de modo que cada operación o proceso esté en el mismo orden o secuencia en que se tratan, elaboran o montan los materiales. IV. Principio del Espacio C´ ubico. La econom´ıa se obtiene utilizando de un modo efectivo todo el espacio disponible, tanto en horizontal como en vertical. V. Principio de la Satisfacci´ on y de la Seguridad. En igualdad de condiciones, será siempre m´ as efectiva la distribución que haga el trabajo más satisfactorio y seguro para los operarios, los materiales y la maquinaria.

3.5. Distribuci´ on en Planta de los Medios de Producci´ on

37

VI. Principio de la Flexibilidad. En igualdad de condiciones, siempre será más efectiva la distribuci´ on que pueda ser ajustada o reordenada con menos costos o inconvenientes. La flexibilidad es la capacidad de cambiar o adaptarse con poca penalización en esfuerzo, tiempo, coste o rendimiento.

3.5.

Distribuci´ on en Planta de los Medios de Producci´ on

Factores que intervienen: El movimiento de los medios directos de producción: • Personal. • Equipos. • Materiales. El tipo de operaci´ on de producción: • Elaboraci´ on o fabricación. • Tratamiento. • Montaje.

3.5.1.

Tipos de Operaciones Industriales

1. Elaboraci´ on o Fabricaci´ on: El producto final se obtiene mediante una serie de operaciones cuya misi´ on es cambiar la forma del material inicial. Ejemplo: moldeo, mecanizado, conformado. 2. Tratamiento: El producto final se obtiene mediante una serie de operaciones cuya misi´ on es cambiar las caracter´ısticas del material de partida. Ejemplo: revenido, recocido, nitruraci´ on, pintado, pulido, barnizado, secado, ... 3. Montaje: El producto final se obtiene mediante una serie de operaciones sucesivas de adici´ on de otras piezas o materiales sobre la pieza o material inicial o base. Ejemplo: l´ınea de montaje de autom´ oviles.

3.6.

Tipos de Distribuci´ on en Planta Distribuci´ on por posici´ on fija. Distribuci´ on en cadena, en serie, en l´ınea, por producto o de desplazamiento rápido. Distribuci´ on por proceso, por función o por secciones o de desplazamiento lento. Sistemas de fabricaci´ on flexible por grupos funcionales y células de fabricación flexible.

La elección de uno u otro tipo de distribución es función de: La tecnolog´ıa de fabricaci´ on y el proceso. El movimiento.

38

3. Implantaci´ on de Instalaciones Industriales

El tipo de operaci´ on. La naturaleza de los productos. El volumen de producci´ on.

3.6.1.

Distribuci´ on por Posici´ on Fija

En la distribuci´ on en posici´ on fija, el material permanece en posición invariable, todos los Medios de Producci´ on (Directos o Auxiliares) que se necesiten para llevar a cabo el proceso productivo, se desplazan hacia la posici´ on ocupada por el material. Las operaciones de transformaci´ on o tratamiento requiere tan sólo herramientas de mano o máquinas sencillas. Se fabrica solamente una pieza o muy pocas piezas de un art´ıculo, de tama˜ no voluminoso o dif´ıcil transporte. CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL nº 30

Arquitectura Industrial. El Diseño de la Planta Industrial

La efectividad de la mano de obra se basa en la habilidad de los trabajadores (se requiere mano de obra cualificada),DISTRIBUCIÓN cuando se desea POR hacerPOSICIÓN recaer la responsabilidad sobre la calidad del FIJA producto en un trabajador. FABRICACION EN POSICIÓN FIJA

MONTAJE EN POSICIÓN FIJA

máquina A

pieza a

pieza b

pieza c

materia prima

herramienta B

operario componente principal

montaje completo

pieza terminada

Figura 3.6: Fabricación y montaje en posici´ on fija. Departamento de Ingeniería de la Construcción

Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

3.6.2.

Máster en Ingeniería Industrial

y Proyectos de Ingeniería

Distribuci´ on en cadena, en serie, en l´ınea, por producto o de desplazamiento r´ apido

En este tipo de distribuci´ on, cada producto o tipo de producto se realiza en un área, pero al contrario que la distribuci´ on por posici´ on fija, el material es el elemento que está en movimiento. La maquinaria y personal requerido est´ an ordenados de acuerdo con la secuencia de operaciones. Hay gran cantidad de piezas o productos a fabricar durante un largo per´ıodo de tiempo y el dise˜ no del producto est´ a m´ as o menos normalizado.

39

3.6. Tipos de Distribuci´ on en Planta

La demanda del producto es razonablemente estable, y el equilibrado de las operaciones y la continuidad de la circulaci´ on de materiales pueden ser logrados sin muchas dificultades. Se requiere: 1. Cantidad de producci´ on y econom´ ıa de la instalaci´ on: debe ser siempre la primera CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL nº 34 Arquitectura Industrial. El Diseño de la Planta Industrial consideraci´ on. 2. Equilibrio: las operaciones en cadena deberán tener la misma duración. DISTRIBUCIÓN EN CADENA, EN SERIE, EN

3. Continuidad: siLÍNEA, el material detiene en alguna operación, se rompe la cadena. POR se PRODUCTO O DE DESPLAZAMIENTO RÁPIDO.

máquina A

máquina B

máquina C

materia prima operación 1ª operación 2ª

máquina D

operación 4ª operación 3ª

PRODUCCIÓN EN CADENA PARA OPERACIONES DE ELABORACIÓN O TRATAMIENTO.

pieza terminada

PRODUCCIÓN EN CADENA PARA OPERACIONES DE MONTAJE. operación 1ª

operación 2ª

operación 3ª

pieza terminada

Figura 3.7: Producci´ on en cadena para elaboración/tratamiento y montaje. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

3.6.3.

Máster en Ingeniería Industrial

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

Distribuci´ on por Proceso, por Funci´ on o por Secciones o de Desplazamiento Lento

En este tipo de distribuci´ on, las operaciones de un mismo proceso o tipo de proceso est´ an agrupadas en una misma ´ area. Las operaciones similares y el equipo se agrupan de acuerdo con el proceso o funci´ on que llevan a cabo. Sus caracter´ısticas son: La maquinaria es cara y dif´ıcil de mover o requiere un tratamiento especial. Se fabrican diversos productos. Hay amplias variaciones en los tiempos requeridos por las diversas operaciones, por lo que es imposible conseguir un proceso secuencial equilibrado para la fabricación. La demanda de productos es intermitente o peque˜ na. Es frecuente utilizar la misma máquina para dos o más operaciones. Se requieren muchos puntos de inspección en la secuencia de operaciones.

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITEC Arquitectura Industrial. El Diseño

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Arquitectura Industrial. El Diseño de la Planta Industrial

40

nº 37

3. Implantaci´ on de Instalaciones Industriales

DISTRIBUCIÓN POR PROCESO, POR FUNCIÓN, POR SECCIONES O DE DESPLAZAMIENTO LENTO.

DISTRIBUCIÓN DE LOS MEDIOS DIRE SISTEMAS FLEXIBLES DE DISTRIBUCIÓN POR PROCESO PARA OPERACIONES DE ELABORACIÓN O TRATAMIENTO

DISTRIBUCIÓN POR PROCESO PARA OPERACIONES DE MONTAJE

P 1

M1

maquinaria tipo C

maquinaria tipo A

M 4

P 1

P2

operación 2ª

P

3

operación 3ª

materia prima M2

operación 1ª

P6

operación 3ª

operación 2ª

operación 1ª

P4

Hoy día, el mercado exige variedad y rapidez. P alguna garantía de éxito es necesario disponer d siendo flexibles, plazos adecuados y costes ba posible plantear un nuevos tipo de distribució características propias de las distribuciones por maquinaria tipo B M

M 6

M 5

P5

operación 4ª

3

maquinaria tipo D

P3

P2

Figura 3.8: Distribuci´ on por proceso para elaboración/tratamiento y montaje.

Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

3.6.4.

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

Máster en Ingeniería Industrial

Distribuci´ on de los Medios Directos de Producci´ on en Sistemas Flexibles de Fabricaci´ on

Hoy d´ıa, el mercado exige variedad y rapidez. Para hacer frente a la competencia con alguna garant´ıa de éxito es necesario disponer de sistemas productivos que permitan, siendo flexibles, plazos adecuados y costes bajos. Para alcanzar estos objetivos es posible plantear un nuevos tipo de distribución que tenga una combinaci´ on de las caracter´ısticas propias de las distribuciones por producto y por proceso [Vall,91]. CONTROL

CNC

CENTRO DE

CENTRO DE

MECANIZADO

MECANIZADO STOCK INTERMEDIO

PRODUCTO TERMINADO

UTILLAJE ESPECIAL

UTILLAJE AUTOMÁTICO TORNO

RCC

CNC

PRODUCTO DEFECTUOSO

MANOS ROBOT

VISIÓN CENTRO TORNO

CONTROL ROBOT

CNC

CNC

CONTROL GLOBAL CÉLULA

PANEL OPERADOR

DNC LLEGADA DE PIEZAS FUNDIDAS COMUNICACIÓN INTER-PLANTA

Figura 3.9: Esquema tecnolog´ıa de grupos.

Este "tec la d unid cier deno flex

3.7. An´ alisis de Distribuci´ on en Planta. Metodolog´ıa S.L.P.

41

Este es el enfoque de la denominada ”tecnolog´ıa de grupos”. Se propone la divisi´ on de la planta industrial en unidades capaces de funcionar con cierta independencia. Son las denominadas células de fabricaci´ on flexible. La célula de fabricaci´ on flexible (C.F.F.) puede definirse como el conjunto de dos o m´ as unidades de fabricaci´ on interconectadas por un sistema de transferencia bajo la supervisi´ on de un control central de la maquinaria, el flujo de materiales, las herramientas o u ´tiles, los programas de fabricaci´ on de piezas y las aver´ıas y fallos. Las células de fabricaci´ on flexibles forman un sistema integrado dentro del proceso de fabricación, sea éste de mecanizado o de montaje. Los subsistemas que forman la C.F.F. se organizan de acuerdo con la tecnolog´ıa de grupos.

3.7.

An´ alisis de Distribuci´ on en Planta. Metodolog´ıa S.L.P.

Se entiende por Actividad, cualquier subsistema funcional del sistema de producci´ on caracterizado por un requerimiento espacial y por un conjunto de relaciones. El dise˜ no de la Distribuci´ on en Planta es un proceso complejo en el que hay que tener en cuenta multitud de factores, integrando y compatibilizando m´ ultiples actividades, al tiempo que se respetan una serie de principios, a veces contradictorios, por lo que no es de esperar que existan recetas o procedimientos directos para resolver el problema. En 1961 Muther [Muth,68a] establece un procedimiento organizado y sistemático adecuado para resolver el problema, conocido como S.L.P. o Systematic Layout Planning. Systematic Layout Planning establece una metodolog´ıa com´ un para resolver los posibles problemas de distribuci´ on en planta independientemente de su naturaleza. S.L.P. es un método general, especialmente aplicable a problemas de distribución de plantas industriales, locales comerciales, hospitales, oficinas, etc.

3.7.1.

Elementos B´ asicos en la Metodolog´ıa S.L.P.

1. Producto (P). El concepto de producto abarca tanto a productos como a materiales, es decir: Productos fabricados por la empresa. Las materias primas. Las piezas compradas. Los productos en curso. Productos terminados. Residuos, etc. 2. Cantidad (Q). Se entiende como tal la cantidad de producto (tratado, elaborado o montado) o material utilizado durante el proceso. 3. Recorrido (R). Por recorrido se entiende el proceso y orden de las operaciones. Puede definirse por medio de hojas de operaciones, impresos gráficos, etc.

42

3. Implantaci´ on de Instalaciones Industriales

4. Servicios (S). Para llevar a cabo las operaciones de fabricación y montaje, debe existir un determinado n´ umero de Medios Auxiliares de Producción (Servicios Auxiliares, Generales de Fabricaci´ on y Servicios para el Personal) que permitan el normal funcionamiento de las instalaciones y productos. CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL

nº 53 Arquitectura Industrial. El Diseño de la Planta 5. Tiempo (T). El tiempo aparece constantemente enIndustrial el proceso de la implantaci´ on, influyendo sobre los otros cuatro elementos.

(R) RECORRIDO DE LOS PRODUCTOS

ANALISIS PRODUCTO –CANTIDAD ( P-Q )

(S) RELACIÓN ENTRE ACTIVIDADES

DIAGRAMA RELACIONAL DE RECORRIDOS Y/O ACTIVIDADES DIAGRAMA RELACIONAL DE ESPACIOS

NECESIDADES DE ESPACIO

GENERACIÓN DE ALTERNATIVAS FACTORES INFLUYENTES

A

B

. . .

ESPACIO DISPONIBLE C

LIMITACIONES PRÁCTICAS

EVALUACIÓN SELECCION

INSTALACION

Inspection station Elevated Material cell control room retrieve station

Manual wash booth

Observation deck

Fixture build-up tear down area

Calibration cube parking station

Wash module

Storage

Carrousell

Optional auto tool delivery Non Ferrous ferrous chips chips

Carrousell

Future tool delivery

Observation area

Departamento de Ingeniería de la Construcción Figura 3.10: Esquema metodolog´ Máster en Ingeniería Industrial ıa S.L.P.

Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

y Proyectos de Ingeniería

El Análisis del Recorrido de los productos implica la determinación de la secuencia de los movimientos de los materiales a lo largo de diversas etapas del proceso, a la par que la intensidad o la amplitud de esos desplazamientos. El análisis del recorrido es la base de la distribución en planta cuando: 1. Los movimientos de los materiales representan una parte importante del proceso. 2. Los vol´ umenes y materiales en juego son considerables. 3. Los costes de transporte o manutención son elevados comparados con los costes de las operaciones. El gráfico P-Q aporta informaci´ on para decidir el tipo de análisis de recorrido a utilizar. Existen tres formas de llevar a cabo el an´ alisis del recorrido de los productos. Diagrama de Recorrido Sencillo. Diagrama Multiproducto. Tabla Matricial.

43

3.7. An´ alisis de Distribuci´ on en Planta. Metodolog´ıa S.L.P. CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Arquitectura Industrial. El Diseño de la Planta Industrial

3.7.2. An´ alisis del Recorrido (R) ANÁLISIS DEL RECORRIDO (R)

BATTERY TUBES

BATTERY PLATES

COPPER STRIPS

Tube

COPPER SHEETS

COPPER CIRCLES 1

nº 57

Cut to

1 Cut to dimension

Q

ons

a

b

c

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Arquitectura Industrial. El Diseño de la Planta Industrial DIAGRAMA DE RECORRIDO SENCILLO

DIAGRAMA MULTIPRODUCTO

n

P

TABLA MATRICIAL

ANÁLISIS DEL RECORRIDO (R) Figura 3.11: Análisis del recorrido.

a)

Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

Máster en Ingeniería Industrial

DIAGRAMA DE RECORRIDO SENCILLO ( SECUENCIA ERecorrido INTENSIDAD ) 3.7.2.1. Diagrama de Sencillo (Secuencia e Intensidad) Tapa

Barniz 0.0124

9

0.0541

Tamizado 0.0120

#46730

Base

#17654

4

1

Mecanizado

9 Tm

Agua 0.0190 0.0190

Disolvente

5

10

Mezcla 0.0050

0.0620

11

Filtrado

0.0120

2

Control

abriel Bravo Aranda ofesor Titular de Ingeniería de la Construcción

1

Taladrado

0.0870

Control

Taladrado

2

4 taladros

1 Tm

Taladrado 0.0380

0.0010

6

7

Fresado

Plegado

mermas

0.0261

3 Tm 4 pernos 0.0175

Roscado

3

4 taladros

8 Tm

11 Tm 8

Montaje de tapa y base

Figura 3.12: Diagrama de recorrido sencillo.

Máster en Ingeniería Industrial

Departamento de Ingeniería de la Cons y Proyectos de Ingeniería

Arquitectura Industrial. El Diseño de la Planta Industrial

44

ANÁLISIS DEL RECORRIDO (R)on de Instalaciones Industriales 3. Implantaci´

b) DIAGRAMA MULTIPRODUCTO 3.7.2.2. Diagrama E Multiproducto (Secuencia e Intensidad) ( SECUENCIA INTENSIDAD ) Cuando se trata de tres o cuatro productos se puede realizar, para cada uno de ellos Cuando se trata de tres o cuatro productos se puede realizar, para cada uno de ellos, el de recorrido sencillo; pero cuando uelmero número de productos se amplía (de seis a d diagrama de recorrido sencillo; pero cuando el n´ de productos se ampl´ıa (de seis a doce, aproximadamente) es preferible utilizar el diagrama multiproducto. aproximadamente) es preferible utilizar el diagrama multiproducto. Nº pieza Operación

72

45

56

66

78

1

Taller soldadura

2

Pequeño montaje

1

1

Taller remachado

2

2

Sala prensas

55

77

2

1

3

2

52

79

26

2 1

1

1

63

4 3

5

1

1

1 2

Taladrado Limpieza

3 3

3

Embalaje

4

4

3

1

2

2

Inspección

48

2

3

3

3

4

3

4

4

6

3

4

4

5

4

5

5

7

4

2

En la part las operac superior lo colocados otro, en co De esta fo clarament operacion

Embarque

Figura 3.13: Diagrama multiproducto.

Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

Máster en Ingeniería Industrial

En la parte izquierda aparecen las operaciones y en la parte superior los productos colocados, uno al lado del otro, en columnas separadas. De esta forma queda claramente definida cada l´ınea operacional.

3.7.2.3.

Tabla Matricial (Intensidad)

Cuando los productos, piezas o materiales son muy numerosos, la agrupación o selección de productos exige la Tabla Matricial. Este diagrama se denomina también Diagrama Cruzado y si se indican las distancias Diagrama de Trayecto.

Departamento d y Pro

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Arquitectura Industrial. El Diseño de la Planta Industrial

nº 60

3.7. An´ alisis de(R) Distribuci´ on en Planta. Metodolog´ıa S.L.P. NÁLISIS DEL RECORRIDO

LA MATRICIAL

45

HASTA

SIDAD ) DESDE

os productos, piezas o

14

es son muy numerosos,

8

6

ción o selección de

s exige la TABLA

3

CIAL.

14

1

17

1

2

2

1 1

3

13

2

4 1

19

rama se denomina

27

2

22

DIAGRAMA

22

DO y si se indican las

2

s DIAGRAMA DE

33 39

CTO.

Figura 3.14: Tabla matricial.

Aranda Máster en Ingeniería Industrial ar de Ingeniería de la ConstrucciónIntensidad del Recorrido (MAG):

Departamento de Ingeniería de la Construcción

de Ingeniería MAG esy Proyectos una abreviatura de la palabra magnitud. Por definici´ on un MAG es igual a un art´ıculo que responde a las caracter´ısticas siguientes:

Puede ser cogido convenientemente con un sola mano. Es razonablemente s´ olido. Tiene una forma compacta y puede ser amontonado. Est´ a poco sujeto a deterioros. Es razonablemente limpio, duro y estable. Un ejemplo t´ıpico de MAG es el constituido por un trozo de madera de 5,5 cm de lado. El MAG es una medida de la dificultad de transporte de un producto y por tanto del coste unitario asociado. Factores que afectan a la transportabilidad de un producto: Las dimensiones del producto. La densidad y volumen (y por lo tanto, el peso). La forma. Peligros a los que est´ a expuesto el producto, el personal o las instalaciones. Acondicionamiento del producto. Valor o coste. 1 A MAGs = A + A (B + C + D + E + F ) ≥ 4 4

(3.1)

El factor A es el factor base, mientras que los otros (B, C, D, E y F) son de corrección. Estos valores se calculan atendiendo a las Figuras 3.15 y 3.16.

ÁLISIS DEL RECORRIDO (R)

46

3. Implantaci´ EL FACTOR BASE: EL FACTOR A on de Instalaciones Industriales

Valor base en MAGs 100

50 25

10

10 3.5

1

1 0.25

1/10 0.05 1/100 0.005 1/1000 0.001

0.01

0.1

1

10

10000 100000 1000 CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA100 INDUSTRIAL Dimensión Arquitectura Industrial. El Diseño de la Planta Industrial Pulgadas cúbicas nº 64

Figura 3.15: Gr´ afica del valor del factor base. Aranda ANÁLISIS DEL RECORRIDO (R) Máster en Ingeniería Industrial ar de Ingeniería de la Construcción

Departamento de Ingeniería de la Constru y Proyectos de Ingeniería

INTENSIDAD DEL RECORRIDO. MAG FACTORES DE CORRECCIÓN GRADO

(B) VOLUMEN, DENSIDAD

-3

FACTOR (C) FORMA

(F) COSTE DEL PRODUCTO (E) ESTADO

(D) PELIGRO DE DESGASTE

Muy plano y muy

fácilmente apilable (hoja de papel o de metal)

-2

Muy ligero y sin carga (hoja de metal)

Fácil de amontonar (blocs de papel, tazas)

-1

Ligero y macizo (caja rellena con cartón ondulado)

Bastante fácil de amontonar (libro, taza de té)

0

Razonablemente sólido (bloque de madera seca)

Forma aproximadamente cuadrada y capaz de ser puesta en montones

Susceptible de quedar un poco lastimado (trozo de madera cortado a medida)

Limpio, estable y firme (bloque de madera)

+1

Bastante pesado y denso (pieza modelada a mano)

Largo, redondeado o un poco irregular (saco de harina, barra corta)

Susceptible de quedar lastimado por aplastamiento, rotura o rayado

Oleoso, inconsistente, inestable, difícil de coger (virutas grasientas)

+2

Pesado y denso (objeto forjado, pieza modelada maciza)

Muy largo, esférico o irregular (teléfono de oficina)

Susceptible de quedar muy lastimado (tubo TV)

+3

Muy pesado y muy denso (plomo, matrices)

Curvado, extremadamente largo o irregular

Sujeto a desgastes muy importantes o muy frecuentes

Cubierto de grasa, caliente, muy inconsistente o resbaladizo. Muy difícil de coger. Superficie pegajosa

Curvado, extremadamente largo y especialmente irregular (tubos macizos, sillones de madera)

Sujeto a desastres peligrosos (botellas con ácidos, explosivos)

+4

Gabriel Bravo Aranda Figura Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

No susceptible de ser aplastado (fundición) Susceptible de sufrir desgastes sin importancia

Acero en fundición

Departamento de Ingeniería de la Construcción 3.16:Máster Valores de los factores on. en Ingeniería Industrialde correcci´ y Proyectos de Ingeniería

47

3.7. An´ alisis de Distribuci´ on en Planta. Metodolog´ıa S.L.P.

3.7.3.

Relaci´ on entre Actividades (S)

Los Servicios Anexos (Medios Auxiliares de Producción) deben ser integrados en la implantaci´ on de una manera racional. A veces el recorrido de los productos es relativamente poco importante (como ocurre, por ejemplo, en la industria de la joyer´ıa o de la electrónica) al no existir circulación apreciable de materiales. El análisis del recorrido no refleja el conjunto de relaciones existentes entre las actividades o secciones y los sistemas de manutención, los Servicios Anexos, etc. Entre los Medios Auxiliares de Producción, no suele existir circulación de materiales pero s´ı relaciones.

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIA En general, y salvo excepciones, la forma de relacionar las actividades en las de quelasePlanta ven Arquitectura Industrial. El Diseño Industr

involucrados los diferentes Medios Directos de Producción (M.D.P.) y Medios Auxiliares de Producción (M.A.P.) es tal y como se indica en la Tabla 3.1.

RELACIÓN ENTRE ACTIVIDADES (S)

Tabla 3.1: Relación de actividades con M.D.P. Y M.A.P.

M.D.P. M.A.P. (S)

M.D.P. M.A.P. (S) ANALISIS PRODUCTO -CANTIDAD An´ alisis de Recorridos Relación entre Actividades T.R.A. ( P-Q ) ( R ) Relaci´ on entre Actividades T.R.A. Relación entre Actividades T.R.A.

RECORRIDO DE LOS DIAGRAMA RELACIONAL DE RECORRIDOS Y/O PRODUCTOS ACTIVIDADES La Tabla Relacional de Actividades es un cuadro organizado en diagonal en el que se plasman las relaciones de cada actividad con las demás. En ella se eval´ ua la necesidad de proximidad entre cada par de actividades atendiendo a diferentes motivos. La lista de actividades.

La Tabla Relacional de Actividades es un cuadro organizado en d En ella Una escala relaci´ on para evaluar esa cada necesidad proximidad entre actividades. dedeproximidad entre parde de actividades atendiendo a difer Un conjunto de motivos bajo los cuales se quiere estudiar la necesidad de proximidad las relaciones de cada actividad con las demás. (ruidos, plasman olores, seguridad, utilización de personal com´ un, etc).

Código Motivo Actividad 1

1

x 1

Molestia causada por ruidos excesivos

valor motivo

Actividad i

Figura 3.17: Representación tabla relacional de actividades. Gabriel Bravo Aranda Máster en Ingeniería Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

La lista de a Un conjunto cuales se qu de proximida seguridad, u común, etc.) Una escala esa necesid actividades

Industrial

Dep

48

3. Implantaci´ on de Instalaciones Industriales CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Arquitectura Industrial. El Diseño de la Planta Industrial Tabla 3.2: C´ odigos de relaci´ on para tabla relacional de actividades (T.R.A.).

nº 70

CONSTRUCCIÓN RELACIÓN ENTRE (S) C´ odigoY ARQUITECTURA Relaci´ oACTIVIDADES n Color INDUSTRIAL asociado A Absolutamente necesaria Rojo Arquitectura Industrial. El PRODUCTO Diseño de la Planta Industrial ANALISIS -CANTIDAD E Especialmente importante Amarillo (S) ( P-Q )

(R) RECORRIDO DE LOS PRODUCTOS

I O U X

Importante Verde Ordinaria DIAGRAMA RELACIONAL DE RECORRIDOS Y/O Azul ACTIVIDADES Unimportant Rechazable Marrón

RELACIÓN ENTRE ACTIVIDADES

N ENTRE ACTIVIDADES (R + S) TABLA RELACIONAL DE ACTIVIDADES ( T.R.A.) AS RELACIONALES Recepción

CÓDIGO

A

1,2,3

Almacén

1

O

O

6

RAZÓN

Utilizan la misma información

O

2 Comparten el mismo personal ANALISIS PRODUCTO -CANTIDAD Almac. herramientas 3 Comparten el mismo espacio ( P-Q ) Existe algún grado de contacto personal 4

Mantenimiento Producción

6

O

6

A

6

A

1,2,8

A

6

A

6

U

-

6

U -

-

U O

-

E 4

U -

E 4

I

6

U

U -

U

U -

O

U

5

-

O 5

5

Existe contacto a través de documentos

6

Secuencia de flujo de trabajo

9

Molestia por causa de olores

Vestuarios DIAGRAMA RELACIONAL DE RECORRIDOS Y/Osimilar Realizan trabajo 7 Comedores ACTIVIDADES 8 Utilizan el mismo equipo I

2

O

E 1,4

X -

4,5

9

Oficinas

Gabriel Bravo Aranda Figura Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

(S) RELACIÓ ENTRE ACTIVIDAD

Departamento de Ingeniería de la Construcción 3.18: Ejemplo deIngeniería tabla relacional Máster en Industrial de actividades. y Proyectos de Ingeniería

tiene a partir del Análisis de los Recorridos (Diagrama de R 3.7.4. Relaci´ on entre Actividades (R+S). Diagramas Relacionales Multiproducto o Tabla Matricial) se le llama Si el diagrama se obtiene a partir del Análisis de los Recorridos (Diagrama de Recorrido ACIONAL DE Multiproducto RECORRIDOS. Sencillo, Diagrama o Tabla Matricial) se le llama Diagrama Relacional de Recorridos. DR

5

5 20

PR 20

40 MI

30 RE

30

35

ST

AS

60

GR

20

50

15 WE

SH 10

10

25

10

20

30

WR 5

45

LA

20

45 10 PL

Diagrama Relacional de Recorridos [Mont,89] Figura 3.19: Diagrama relacional de recorridos [Mont,89].

Máster en Ingeniería Industrial

Departamento de Ingeni

Arquitectura Industrial. El Diseño de la Planta In

RELACIÓN ENTRE ACTIVIDADES (R +49S) DIAGRAMAS RELACIONALES

3.7. An´ alisis de Distribuci´ on en Planta. Metodolog´ıa S.L.P.

El S.L.P. establece un procedimiento:

ANALISIS PRODUCTO -CANTIDAD ( P-Q )

1. Una cifra por cada ( Ractividad. ) 2. Un s´ımboloRECORRIDO por tipo de actividad.

LOS 3. Un n´ umero deDE trazos para indicar la intensidad de recorrido o de la relaci´ DIAGRAMA RELACIONAL DEon. RECORRIDOS Y/O PRODUCTOS ACTIVIDADES 4. Un color convencional, de empleo facultativo, para la misma intensidad o relaci´ on anterior.

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Arquitectura Industrial. El Diseño de la Planta Industrial TIPO DE ACTIVIDAD, SECTOR O EQUIPO

SÍMBOLO Y COLOR

El S.L proced RELACIÓN ENTRE ACTIVIDADES (R + S) a) Un DIAGRAMAS RELACIONALES b) Un activid ANALISIS PRODUCTO -CANTIDAD (S ( P-Q ) c) Un (R) RELA RECORRIDO indica ENT DE LOS DIAGRAMA RELACIONAL DE RECORRIDOS Y/O ACTIVI de la r I A ACTIVIDADES E PRODUCTOS d) Un U X O emple 3.20: Simbolog´ıa del diagrama relacional de recorridos. el diagrama se obtiene Figura a partir de la Tabla Relacional de Actividadesintens (resu Si el estudio diagrama se de obtiene partir de la entre Tabla Relacional de Actividadesse (resultante lusivamente del la aRelación Actividades), le llama exclusivamente del estudio de la Relación entre Actividades), se le llama Diagrama Relacional AGRAMAdeGabriel RELACIONAL DE ACTIVIDADES. Actividades. Bravo Aranda Máster en Ingeniería Industrial Control

Operación o producción (Submontaje y Montaje)

(azul)

(rojo)

Servicios Anexos y Auxiliares

Operación o Producción (Proceso o Fabricación)

(azul)

(verde)

Actividades de transporte (Recepciones, Expediciones...)

Servicios Administrativos

(amarillo-naranja)

(pardo)

Almacenaje

(naranja)

Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción SERV 03

MECELE 05

KITSTR 04 OFFICE 09

PARK 12

SOCHL 02

LOBBY 01

OFFICE 10 MENTLT 13

Bravo Aranda Titular de Ingeniería de la Construcción

WOMTLT 14

MENLKR

EQSTOR 08

GYM 15

A E I O

WOMLKR 07

EQUSSU 11

U

Figura 3.21: Diagrama relacional de actividades.

Máster en Ingeniería Industrial

Departamento de In y Proyec

ANALISIS PRODUCTO -CANTIDAD ( P-Q )

(R) RECORRIDO DE LOS PRODUCTOS

(S) RELACIÓN ENTRE ACTIVIDADES

DIAGRAMA RELACIONAL DE RECORRIDOS Y/O ACTIVIDADES

50

3. Implantaci´ on de Instalaciones Industriales

Si el diagrama se obtiene del estudio combinado de las Relaciones entre Actividades y del Análisis de los Recorridos se le llama Si el diagrama se obtiene del estudio combinado de las Relaciones entre Actividades y del DIAGRAMA RELACIONAL DE RECORRIDOS Y ACTIVIDADES. Análisis de los Recorridos se le llama Diagrama Relacional de Recorridos y Actividades. CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Arquitectura Industrial. El Diseño de la Planta Industrial DR 5 20

PR 20

40 MI

30 RE

30

35

ST

AS

10

25 50

15

20

WE

10

20

30

WR

5

45

LA

05

KITSTR 04

+

OFFICE 09

=

PARK 12

SOCHL 02

20

45

LOBBY 01

OFFICE 10

MENTLT 13

WOMTLT 14

10 PL

EQSTOR 08

GYM 15

MENLKR

A E I

4 2 3 6 5 7 9

U

EQUSSU 11

ANALISIS PRODUCTO -CANTIDAD ( P-Q ) ( R ) Figura 3.22: Diagrama relacional de recorridos y RECORRIDO DE LOS DIAGRAMA RELACIONAL DE RECORRIDOS Y/O PRODUCTOS ACTIVIDADES Gabriel Bravo Aranda Las fases de creaci´ on de Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

1

O WOMLKR 07

nº 78

10

MECELE

RELACIÓN ENTRE ACTIVIDADES (S) DIAGRAMAS RELACIONALES GR

60

SH

10

SERV 03

5

11

8

No incluida

(S)

actividades. RELACIÓN ENTRE ACTIVIDADES

Departamento de Ingeniería de la Construcción un diagrama relacional de recorridos y actividades se muestra en la Máster en Ingeniería Industrial y Proyectos de Ingeniería

Figura 3.23. 1

11

4

1

2

4

10

2

3

3

11

2

1

7

1 4 2

11

9

5

6

8

5

10

6

4

3

3 6 5

5

8

7

7

9 9

9

11

FASE I

FASE II

FASE III

8

No incluida

FASE IV

Figura 3.23: Fases de creaci´ on de un diagrama de recorridos y actividades. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

3.7.5.

Máster en Ingeniería Industrial

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

Necesidades de Espacio

Procedimientos para determinar las necesidades de espacio: La implantaci´ on aproximada. La tendencia de los ratios. Las normas de espacio. La conversi´ on. El cálculo.

3.7.6.

Diagrama Relacional de Espacios

A partir del diagrama relacional de recorridos y actividades, se crea el diagrama relacional de espacios, donde cada actividad tiene un tama˜ no proporcional a su necesidad de espacio asociada.

strucción

DIAGRAMA RELACIONAL DE ESPACIOS 51

3.7. An´ alisis de Distribuci´ on en Planta. Metodolog´ıa S.L.P.

450

suelo 2

3

30

1

3

suelo

1

60

4

suelo 1

2

1

1

40

5

9 2

1

1

100

suelo

suelo

20

2

160

suelo 6

8 1

3

s u e l o

1

suelo

150 7 60 sue 15 3 1

75 s 11 3 1/2

6

1/2

40 sue 10 1/2 3 suelo

720 12/13 90 sue 14 2 1

1/2

16

movimiento de perfiles movimiento de viguetas relaciones entre servicios

Superficie necesaria Planta deseable en m 2 Nº y símbolo actividad Productores por equipo

movimiento de chapas

Nº de equipos

Figura 3.24: Diagrama relacional de espacios.

3.7.7.

Máster en Ingeniería Industrial Generaci´ on de Alternativas

La etapa de s´ıntesis para la obtención de alternativas de distribución en planta de la Planta Industrial depende de la calidad de la información elaborada hasta el momento y de los medios, fundamentalmente inform´ aticos (hardware y software), de que disponga el proyectista. Se pueden distinguir dos enfoques: 1. Manual, se utiliza incluso en combinación con procedimientos automáticos, para ajustar la soluci´ on. 2. Métodos de Generaci´ on de Layouts (M.G.L.), constituidos por algoritmos dise˜ nados al efecto que trabajan con la información elaborada en las etapas anteriores (Tabla Relacional de Actividades, Análisis del Recorrido de los Productos, Espacio necesario, Espacio disponible).

Depart

52

3. Implantaci´ on de Instalaciones Industriales

A partir del diagrama Relacional de Espacios se puede crear un conjunto de soluciones alternativas al problema de distribuci´ on en planta. El primer paso es conseguir una implantación ideal o teórica para posteriormente transformarla en una práctica teniendo en cuenta una serie de factores que influyen sobre la misma: Factor material. • Factor movimiento. • Factor espera. Factor maquinaria. • Factor servicio. CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL • Factor cambio. Arquitectura Industrial. El Diseño de la Planta Industrial

nº 86

Factor hombre. • Factor edificio.

GENERACIÓN DE ALTERNATIVAS. DIAGRAMA RELACIONAL DE ESPACIOS

NECESIDADES DE ESPACIO FACTORES INFLUYENTES

A

ESPACIO DISPONIBLE

GENERACIÓN DE ALTERNATIVAS . . . C B LIMITACIONES PRÁCTICAS

A medida que se van estudiando los 3.25: diferentes factores de influencia, la práctica demuestra Figura Generaci´ on de alternativas. que van apareciendo nuevas ideas para disponer el espacio, sin embargo, cada una de estas ideasAdebe ser confrontada con sus propias limitaciones prácticas. Por ejemplo, pudiera medida que se van estudiando los diferentes factores de influencia, la práctica demuestra que vanprevisto apareciendo nuevasdeideas para disponer el espacio, sin embargo, cada una de estas haberse un sistema manutención altamente automatizado y sincronizado que ideas debe ser confrontada con sus propias limitaciones pr´ a cticas. Por ejemplo, pudiera haberse posteriormente deba ser rechazado por cuestiones económicas. previsto un sistema de manutenci´ on altamente automatizado y sincronizado que posteriormente deba ser rechazado por cuestiones econ´ Nos encontramos, por tanto, pasando deomicas. la distribución teórica a la práctica, al tener en

cuenta esta serie de limitaciones. A medida que se van estudiando y confrontando las Nos encontramos, por tanto, pasando de la distribución teórica a la práctica, al tener en diferentes limitaciones prácticas, el número de alternativas que es posible generar a partir cuenta esta serie de limitaciones. A medida que se van estudiando y confrontando las diferentes del Diagramapr´ Relacional va disminuyendo, comogenerar consecuencia dedel queDiagrama va limitaciones acticas, el de n´ uActividades mero de alternativas que es posible a partir aumentando el número de restricciones a tener en cuenta. Relacional de Actividades va disminuyendo, como consecuencia de que va aumentando el n´ umero de restricciones a tener en cuenta. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

3.8.

Máster en Ingeniería Industrial

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

M´ etodos de Generaci´ on de Layouts

Se entiende por Métodos de Generaci´ on de Layouts, al conjunto de técnicas que ayudan al proyectista en la b´ usqueda de una soluci´ on para la implantación de la Planta Industrial. Los Métodos de Generaci´ on de Layouts consiguen una ordenación topológica de las actividades, llegando los m´ as sofisticados a alcanzar un control geométrico muy aceptable para su posterior aplicaci´ on en la distribuci´ on de detalle. Estos métodos surgen a ra´ız de la formulación matemática del problema de la distribución, iniciada por Koopmans y Beckmann [Koop,57], como un problema cuadr´ atico de asignaci´ on (Q.A.P.- Quadratic Assignment Problem).

3.8. M´ etodos de Generaci´ on de Layouts

53

Se pueden clasificar atendiendo a varios criterios: Por la naturaleza de la función objetivo: • Métodos cuantitativos. • Métodos cualitativos. • Métodos multicriterio. ◦ En la Generación de Alternativas. ◦ En la Selecci´ on de Alternativas. ◦ En la Generación y Selección de Alternativas Por la forma de generar la solución: • Métodos de Construcción. El algoritmo selecciona las actividades y las distribuye secuencialmente en la planta, pudiendo ser ésta de dimensiones conocidas o desconocidas. • Métodos de Mejora. Partiendo de una solución inicial, mediante alg´ un mecanismo de intercambio, se van alterando las posiciones ocupadas por las diferentes actividades buscando una mejora de la calidad de la implantación. CRAFT. • Métodos H´ıbridos. Combinan aspectos de los métodos de construcción y mejora. Por la técnica utilizada en la ubicación de las actividades: • Métodos basados en Técnicas Discretas. La formulación del problema se realiza discretizando el dominio global. La gran mayor´ıa de los métodos existentes en la bibliograf´ıa pertenecen a este grupo. • Métodos basados en Técnicas de Corte. El espacio asignado a cada actividad se determina mediante un algoritmo recursivo de cortes del dominio global. • Métodos basados en Técnicas Anal´ıticas. Obedecen a una formulación anal´ıtica del problema. Por la técnica empleada para resolver el problema: • Métodos Exactos: ◦ Métodos Enumerativos. ◦ Métodos Semienumerativos. • Métodos Heur´ısticos: ◦ Métodos generales. Son muy variados aunque en ellos predominan estrategias de intercambio tipo CRAFT. ◦ Métodos basados en Teor´ıa de Grafos. ◦ Métodos basados en Simulated Annealing. El procedimiento de optimizaci´ on se basa en el establecimiento de una analog´ıa con el comportamiento de los metales al ser enfriados. ◦ Métodos basados en Lógica Borrosa. Se centran fundamentalmente en la funci´ on objetivo utilizada durante el procedimiento de optimización. ◦ Métodos basados en B´ usqueda Tab´ u. Método de optimización con memoria a corto, medio y/o largo plazo que orienta la b´ usqueda en base a ciertas condiciones tab´ u. ◦ Métodos basados en Computación Evolucionista. El procedimiento de optimizaci´ on se basa en la simulación del proceso evolutivo de los seres vivos, a la luz de la teor´ıa Darwiniana, incorporando mecanismos de selecci´ on natural de las especies.

ULTICRITERIO DEL PROBLEMA DE LA DISTRIBUCIÓ

3. Implantaci´ as que54prsiden estos métodos son:on de Instalaciones Industriales un CONJUNTO DE SOLUCIONES (alternativas de impla 3.9. Evaluaci´ on y Selecci´ on un CONJUNTO DE PUNTOS DE VISTA, criterios o facto Las premisas que presiden estos métodos son: un factor de peso, con los que evaluar cada solución. Se tiene un Conjunto de Soluciones (alternativas de implantación). a que la SELECCIÓN obtenga la implantación MÁS SATI Se tiene un Conjunto de Puntos de Vista, criterios o factores, con una escala y un factor peso, con los que evaluar cada solución. mayoría deSede los puntos de vista. desea que la Selecci´ on obtenga la implantación más satisfactoria desde la mayor´ıa de

ería de

los puntos de vista. A C

SOLUCION OPTIMA

Flujo

A

C D B

Seguridad

C D B A

Ruidos

B C

A

D

B

D

Flexibilidad

C A

D

A C

Estética

D B

C

A D

B

B

Figura 3.26: B´ usqueda de la solución óptima.

Los métodos de evaluaci´ on y selecci´ on son:

Máster en Ingeniería Industrial

Departamento de In y Proyec

La Jerarqu´ıa Simple. Es el método más sencillo. En primer lugar, se clasifican los distintos la Construcción criterios en orden a su importancia, y para ello, se les asigna un determinado peso, es decir se procede a su ponderación. Luego, desde cada uno de los puntos de vista, se examinan las distintas alternativas, asignándole a cada una de ellas una nota o calificaci´ on. Por u ´ltimo, estableciendo un umbral de puntuación, se recorren los diversos factores, eliminando aquellas alternativas que no alcancen el m´ınimo. La Suma, versi´ on Simple. Comienza también por asignar una nota o calificación a cada alternativa desde cada punto de vista o criterio. La suma de todas las calificaciones asignadas a cada alternativa representa la puntuación conseguida por ésta y la que consiga la m´ axima puntuaci´ on será la seleccionada. Como se puede apreciar, el mayor inconveniente del método es que sólo puede ser aplicado cuando todos los criterios son igualmente importantes o relevantes. La Suma, versi´ on Ponderada. Como mejora del método anterior, se procede a la ponderaci´ on de los diversos factores, configurando as´ı la llamada suma (versión ponderada).

3.10. Bibliograf´ıa

3.10.

55

Bibliograf´ıa

La Planta Industrial y el Sistema Productivo. Ma Cristina Santa marina et al. Servicio de Publicaciones Universidad Politécnica de Valencia SPUPV-97-683. Localizaci´ on, Distribuci´ on en Planta y Manutención. J.M. Vallhonrat – A. Corominas. MARCOMBO (1991). Facility Layout and Location. An Analytical Approach. Richard L. Francis and John A. White. Prentice-Hall, 1974.

57

Cap´ıtulo 4

Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria OPERACIONES

4.1. 4.1.1.

Introducci´ on Definici´ on de Movimiento de Tierras

Se denomina Movimiento de Tierras al conjunto de operaciones que se realizan en los terrenos naturales con el fin de: 1. Dejarlos libres de los elementos que no son deseables o son un obstáculo para acometer la construcci´ on, 2. Modificar su forma, removiendo y/o aportando materiales para obtener una nueva forma que sea apropiada. 3. Corregir, en su caso, las propiedades de los materiales naturales o aportados con el prop´ osito de mejorar sus prestaciones mecánicas, de durabilidad, etc. Se produce una modificaci´ on del relieve del terreno. Existe una tipolog´ıa: Explanaciones. Vaciados. Pozos y zanjas. Perforaciones. Galer´ıas y t´ uneles. Rellenos.

de tierras y excavaciones 58

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

Figura 4.1: Corte del terreno con los diferentes elementos de un movimiento de tierras.

4.1.2.

Origen de los Materiales

Los materiales que se remueven y/o aportan se encuentran en la naturaleza, en formaciones o depósitos de tipos muy diversos que se denominan bancos o canteras. Estos bancos pueden estar situados:

s

En el sitio donde se va a construir o en perfil (por ejemplo, en la traza de una carretera u otra obra lineal). Fuera de donde se va a construir. Se dice que provienen de préstamos.

4.1.3.

Destino de los Materiales

Los materiales que se remueven o excavan pueden tener alguno de los siguientes destinos: Ser utilizados como materiales de aportación en otras partes de la misma obra para la formación de rellenos (por ejemplo, en la formación de terraplenes). Ser trasladados fuera de donde se va a construir, bien sea a zonas afectadas por la propia obra o llev´ andolos a un vertedero autorizado fuera de la obra.

3

4 4.1.4.

Consideraciones Medioambientales

Desde finales del siglo XX hay una creciente preocupación por el medioambiente, que conduce a prácticas dirigidas a minimizar el impacto producido por las obras sobre el entorno. Además, razones económicas han conducido al desarrollo de técnicas de mejora y aprovechamiento de suelos de baja calidad.

4.2. Fases y Operaciones que comprende el Movimiento de Tierras

59

Todo ello configura un contexto en el que es necesario estudiar los materiales existentes en el lugar de la obra para aprovecharlos al máximo, tratando de evitar el transporte de materiales a vertedero y limitando al m´ aximo la necesidad de traer materiales de canteras o préstamos.

4.1.5.

Consideraciones Generales

Los trabajos de construcci´ on se realizan en condiciones que pueden ser muy variadas de un proyecto a otro: geol´ ogicas, geotécnicas, hidrológicas o relativas al relieve del terreno. La aparici´ on de problemas relacionados con la naturaleza y caracter´ısticas del terreno y de los materiales que se obtienen del mismo para la construcción, han llevado a que sea imprescindible invertir los recursos necesarios en los reconocimientos del terreno previos a la construcción. A la hora de planificar y estimar los costes de los trabajos de Movimiento de Tierras, los elementos de informaci´ on cr´ıticos a determinar son: La naturaleza de los materiales objeto de las operaciones. Las cantidades de materiales a mover: cubicación o cálculo de vol´ umenes. Las distancias a que han de ser transportados. Las pendientes de todos los tramos de transporte. En la planificaci´ on y estimaci´ on de costes de los trabajos de Movimiento de Tierras es habitual el empleo de los siguientes medios: Hojas de c´ alculo, que permiten registrar la información y facilitan la realización de los cálculos de vol´ umenes. El diagrama de masas, que es una herramienta de análisis u ´til para seleccionar la maquinaria y equipos de transporte apropiados. Los programas inform´ aticos para modelado digital del terreno y cálculo de movimiento de tierras.

4.2.

Fases y Operaciones que comprende el Movimiento de Tierras

El Movimiento de Tierras puede comprender las siguientes operaciones básicas: Arranque o excavaci´ on. Carga. Acarreo o transporte. Descarga. Extendido. Correcci´ on de las propiedades. Compactaci´ on. Terminaci´ on y refino.

60

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

La excavaci´ on o arranque consiste en extraer o separar del banco porciones del material que lo forma. Cada terreno presenta un grado de facilidad o dificultad distinto a ser excavado, o excavabilidad, y por ello en cada caso se precisan medios diferentes para afrontar con eficacia y eficiencia su excavaci´ on. Los productos de excavaci´ on se colocan en un medio de transporte mediante la operación de carga, y una vez alcanzado su destino, los materiales son depositados mediante la operación de descarga. En obras p´ ublicas es frecuente formar con el material aportado capas de espesor aproximadamente uniforme, mediante la operación de extendido. De acuerdo con la funci´ on que van a desempe˜ nar las formaciones ejecutadas con materiales aportados, es indispensable que tengan un comportamiento mecánico, protección contra la humedad, durabilidad, etc. adecuados. Estos objetivos se consiguen mediante la operación de compactación, que a través de un apisonado enérgico del material consigue mejorar las caracter´ısticas indicadas. Los materiales de aportaci´ on pueden ser objeto de alg´ un tratamiento de corrección previo a su compactación con el fin de mejorar sus caracter´ısticas como material de relleno y facilitar su puesta en obra. Los tratamientos m´ as habituales son los que corrigen su humedad, granulometr´ıa o a˜ naden alg´ un aditivo para su estabilización. La fase final de la ejecuci´ on de explanaciones supone operaciones de terminación y refino, con las que se suaviza y ajusta a la forma geométrica prevista. En el caso m´ as general, como puede ser el de construcción de explanaciones, el Movimiento de Tierras puede seguir las fases siguientes: Trabajos preliminares. Ejecución de desmontes. Carga y transporte. Formaci´ on de rellenos.

4.2.1.

Trabajos Preliminares

Los trabajos de Movimiento de Tierras para la construcción de explanaciones requieren la realización de los siguientes trabajos preliminares: Accesos a la obra. Retirada de los servicios existentes. Desbroce y limpieza. Obras de desag¨ ue transversal.

4.2. Fases y Operaciones que comprende el Movimiento de Tierras

4.2.1.1.

61

Accesos a la Obra

La primera cuesti´ on a resolver es facilitar el acceso al lugar de la obra (p. ej., el acceso a la zona de la traza en una obra de carreteras). Para ello ser´ a preciso construir pistas de acceso a las distintas zonas de trabajo, si bien en la medida de lo posible debe aprovecharse la propia obra para acceder a dichas zonas. Si existe una carretera en las inmediaciones, ésta pasa a ser el eje del que partirán los accesos, a través de la construcci´ on de las intersecciones que sean precisas. Puede ser necesario reforzar el firme de la carretera y adecuar la se˜ nalización en la misma durante las obras.

4.2.1.2.

Retirada de los Servicios Existentes

Antes de proceder a las tareas propias de la construcción, es preciso retirar de la traza todas aquellas instalaciones y obras asociadas que impiden la construcción o cuya destrucción puede suponer un riesgo para la obra. De este modo, la ejecución de una obra puede encontrarse con: caminos, canales, instalaciones de suministro eléctrico, de gas, de agua potable, de saneamiento, l´ıneas telef´ onicas, gasoductos, oleoductos, etc. El desv´ıo de las servidumbres de paso suele correr a cargo del constructor. Sin embargo, es habitual que las compa˜ n´ıas suministradoras sean las encargadas de realizar los desv´ıos en el caso de los servicios, cobrando los costes por anticipado.

4.2.1.3.

Despeje y Desbroce

El despeje es la eliminaci´ on de los obstáculos que interfieren en la actuación de los equipos empleados en la construcci´ on de las explanaciones. Entre estos se pueden citar: Las edificaciones y estructuras de todo tipo, que deben ser demolidas o retiradas. Salvo casos de especial complejidad, es habitual el abono por metro c´ ubico de volumen aparente. El arbolado por encima de cierto diámetro. El abono suele ser por unidad o por metro cuadrado de bosque, si las caracter´ısticas de éste son razonablemente uniformes. El desbroce es la retirada de la cubierta vegetal, compuesta por la tierra vegetal, hierba y arbustos, hasta una profundidad algo superior a la alcanzada por las ra´ıces, y/o de los escombros, basura o cualquier otro material indeseable. Esta capa superficial del terreno se caracteriza por su elevado contenido en materia orgánica, sometida a procesos de descomposición, que la hacen inadecuada como material de relleno. Excepcionalmente, puede no retirarse. La tierra vegetal se acopia y se aprovecha normalmente para plantaciones en otras partes de la obra. Su abono puede hacerse por separado o estar incluido dentro de la unidad de excavaci´ on.

62

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

4.2.1.4.

Desag¨ ue Transversal

La construcci´ on del desag¨ ue transversal es una operación previa, dado que los rellenos que se ejecuten deben realizarse sobre las obras de desag¨ ue. Estas obras tienen por objeto permitir el paso de los cauces que atraviesan la obra, a través de su oportuna canalización, quedando la misma por debajo de la explanada. Dada la naturaleza de los materiales empleados, el tráfico de maquinaria pesada debe retrasarse hasta que se haya dispuesto una primera capa de relleno que proteja la canalización.

4.3.

Propiedades y Clasificaci´ on de los Materiales

4.3.1.

Composici´ on de los Suelos

4.3.1.1.

Introducci´ on

Los suelos son agregados de part´ıculas sólidas de distintos tama˜ nos en contacto, donde existe presencia de espacios huecos (aire+agua). Se considera un material trifásico: Fase sólida → part´ıculas. Fase l´ıquida → agua. Fase gaseosa → aire contenido en los huecos. Casos l´ımite: suelo saturado y suelo seco.

4.3.1.2.

Diagrama de Fases

Composición de los suelos

La composici´ on del suelo es, b´ asicamente:

• Diagrama de fases Vh

Va

aire

Vw

agua

Wa=0 Ww

Notación W = peso aparente V = volumen aparente Subíndices:

W=Wt s = partículas sólidas

V=Vt Vs

partículas sólidas

Ws

Figura 4.2: Diagrama de fases del suelo. El terreno y su reconocimiento. 14-nov-14

w = agua a = aire h = huecos t = total El subíndice s designa sólo a la fase sólida, no al suelo completo. 23

63

4.3. Propiedades y Clasificaci´ on de los Materiales

Donde W representa el peso aparente y V el volumen aparente. Los sub´ındices indican: s → part´ıculas s´ olidas. w → agua. a → aire. h → huecos. t → total. Existen pues 7 variables: W , V , Va , Vs , Vw , Ws , Ww , relacionadas mediante 2 ecuaciones: V = Vs + Vh = Vs + Va + Vw

(4.1)

W = Ws + Ww + Wa ' Ws + Ww

(4.2)

Es necesario fijar 5 par´ ametros independientes para definir la composición.

4.3.1.3.

Relaciones de Volumen

Índice de huecos: e=

Vh Vs

(4.3)

n=

Vh V

(4.4)

Porosidad (Rango te´ orico 0 − 100 %):

Grado de saturaci´ on (0 → seco, 100 → saturado): Sr =

Vw Vh

(4.5)

Las variables e y n no son independientes: Vh Vh Vh n V e =Composición = = de →suelos e= V los h Vs V − Vh 1−n 1− V

(4.6)

• Relaciones de volumen Relaciones de volumen, tomando como referencia el volumen del esqueleto sólido Vs.

Relaciones de volumen, tomando como referencia el volumen aparente V.

Va=n·V·(1-Sr)

aire (a)

Vh=n·V V

agua (w)

Vw=n·V·Sr

esqueleto sólido (s)

V, n, Sr W s

El terreno y su V reconocimiento. 14-nov-14 · V · Sr

Vw=e·Sr·Vs

agua (w)

Vh=e·Vs V=(1+e)·Vs

esqueleto sólido (s)

Vs

W Pesos deTodos s los volúmenes se W = cada fase: puedenw=calcular conociendo: también: W w s 

Vs, e, Sr

 · e· Vs · Sr

Figura 4.3: Relaciones de volumen.

w

n) · · n

aire (a)

Vs=(1-n)V

W Pesos de Todos los volúmenes se s= cada fase: W w pueden calcular conociendo: s· también: W w= =  ·  V w s· = (1 -

Va=e·(1-Sr)·Vs

W s

w

26

64

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

4.3.1.4.

Relaciones de Peso y Peso-Volumen

Los pesos espec´ıficos de las distintas fases: Peso espec´ıfico del agua, es una constante conocida: γw =

Ww = 9, 81 kN/m3 Vw

(4.7)

Peso espec´ıfico de las part´ıculas s´ olidas: Ws Vs

γs =

(4.8)

El peso espec´ıfico relativo de las part´ıculas sólidas es: Gs =

γs γw

(4.9)

La humedad (relaci´ on de pesos, no de volumen): ω=

Ww Ws

(4.10)

Es la medida de la cantidad de agua que hay en el suelo. Los pesos de cada fase, tomando como referencia el volumen aparente V : Ws = γs Vs = γs (1 − n) V

(4.11)

Ww = γw Vw = γw nV Sr

(4.12)

Ww = ωWs

(4.13)

Todos los vol´ umenes y pesos pueden calcularse conociendo las variables V , n, Sr , γs ,γw . Los pesos de cada fase, tomando como referencia el volumen del esqueleto sólido Vs : Ws = γs Vs = γs (1 − n) V

(4.14)

Ww = γw Vw = γw eVs Sr

(4.15)

Ww = ωWs

(4.16)

Todos los vol´ umenes y pesos pueden calcularse conociendo las variables V , e, Sr , γs ,γw .

4.3.1.5.

Peso Espec´ıfico del Suelo (con sus 3 fases)

Peso espec´ıfico aparente: γ=

W V

(4.17)

Peso espec´ıfico saturado (Sr = 1): γsat =

Ws + γw Vh V

(4.18)

65

4.3. Propiedades y Clasificaci´ on de los Materiales

Peso espec´ıfico seco (Sr = 0): Ws V Peso espec´ıfico sumergido [Principio de Arqu´ımedes: W 0 = W − γw V ]: γ0 =

γd =

(4.19)

W0 = γ − γw V

(4.20)

Para relacionar las magnitudes, es necesario conocer el n´ umero de magnitudes independientes necesario, seg´ un el caso: Composici´ on completa: 4 magnitudes independientes. Composici´ on espec´ıfica (V = 1 m3 ó W = 1 kN ): 3 magnitudes independientes. • Suelo seco (Sr = 0) o saturado (Sr = 1): 2 magnitudes independientes. Se dan las siguientes relaciones de interés: Sr =

Vw Vw γw ωγs Vs Ww ωG = = = = Vh Vh γw γw V h V h γw e

(4.21)

Para llegar a la expresi´ on del peso espec´ıfico aparente, se procede: γ=

Ws + Ww γs V s + γw S r V h V − Vh Sr Vh = = γs + γw V V V V

(4.22)

Con lo que:

También: γ=

γ = γs (1 − n) + γw nSr

(4.23)

γs Vs + γw Sr Vh γs + γw S r e = V 1+e

(4.24)

Casos particulares: Peso espec´ıfico saturado (Sr = 1): γsat = γs (1 − n) + γw n → γsat =

γs + γw e 1+e

(4.25)

Peso espec´ıfico seco (Sr = 0): γd = γs (1 − n) =

γs 1+e

(4.26)

Una relaci´ on u ´til es: γ=

Ws + Ww Ws + ωWs Ws = = (1 + ω) = γd (1 + ω) V V V

(4.27)

66

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

4.3.2. 4.3.2.1.

Clasificaci´ on de las Part´ıculas por su Tama˜ no

Clasificación de las partículas por su tamaño Introducci´ on

• Introducción

Se emplean nombres para distinguir las distintas fracciones:

–

74µm

4,76mm

Fracción fina

Fracción gruesa

CTE-DB-SE-C Fracción muy fina

33

Figura 4.4: Nombres para distinguir las distintas fracciones.

4.3.2.2.

Clasificación deetrico las partículas por su tamaño An´ alisis Granulom´

• emplean Análisis granulométrico Se tamices para clasificar las part´ıculas:

i

Ri  

Mj

j 1 M T

Figura 4.5: Tamizado de part´ıculas.

Fi  100%  Ri

34

Clasificación de las partículas por su tamaño 67

4.3. Propiedades y Clasificaci´ on de los Materiales

Diámetro eficaz D10

( D )  Figura 4.6: Gráfica del tamizado de part´ıculas.

Se calculan dos coeficientes a partir de la Figura 4.6: Coeficiente de uniformidad:

D60 D10

(4.28)

2 D30 D60 D10

(4.29)

Cu = Coeficiente de graduaci´ on: Cc =

4.3.3.

Propiedades de la Fracci´ on Fina

4.3.3.1.

Introducci´ on

Los finos son part´ıculas que pasan el tamiz no 200, como por ejemplo minerales arcillosos (Montmorillonita, illita, caolinita...). Poseen fuerzas electroqu´ımicas y propiedades coloidales. El comportamiento de las arcillas (suelos ricos en fracci´ on fina) depende de: Proporci´ on de finos. Composici´ on mineral´ ogica. Cantidad de agua (consistencia).

68

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

Propiedades de la fracción fina 4.3.3.2.

Consistencia y Plasticidad de los Suelos Finos

• Consistencia y plasticidad de los suelos finos

Existen diferentes estados de consistencia:

– Estados de consistencia

Tanque de lodos bentoníticos

Humedad ω

37

Estados de consistencia de suelos finos. Propiedades deFigura la 4.7: fracción fina

definir a partir de ensayos mediante los L´ımites de Atterberg: sistenciaSeypueden plasticidad de suelos finos (cont.)

m

lbert Mau tterberg 846-191

ciones

mite de mite plá mite líquid dice de pla 38 Figura 4.8: Ensayos de Atterberg.

(moldeabl

4.3. Propiedades y Clasificaci´ on de los Materiales

69

Se definen varios par´ ametros, que conforman los L´ımites de Atterberg: L´ımite de retracci´ on ωS . L´ımite pl´ astico ωp . L´ımite l´ıquido ωL . Índice de plasticidad Ip = ωL − ωp .

Propiedades de la fracción fina

• Consistencia y plasticidad de suelos finos (c Figura 4.9: L´ımites de Atterberg.

Otra forma de caracterizar la consistencia y plasticidad de suelos finos es mediante el diagrama de plasticidad de Casagrande:

– Diagrama de plasticidad de Casagrande

Arthur C (1902 - 1

30

50

Figura 4.10: Diagrama de plasticidad de Casagrande.

70

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

4.3.4.

Propiedades Qu´ımicas del Suelo Presenta contenido en materia orgánica, por lo que disminuye su resistencia, rigidez y compactabilidad. Contenido de sulfatos. • Disoluci´ on (p.ej. suelos yes´ıferos [sulfato cálcico] → solubles). • Colapsables al saturarse. • Ataque al hormig´ on.

Propiedades químicas del suelo

Contenido de carbonatos. • Disoluci´ on (p.ej. calizas [=carbonato cálcico] → solubles → karst). • Agente cementante.

• CTE-DB-SE-C, anejo D Seg´ un el CTE-DB-SE-C, anejo D, la agresividad qu´ımica de suelos, rocas y aguas es:

41 Figura 4.11: Propiedades qu´ımicas del suelo.

4.3.5.

Clasificaci´ on de los Suelos

4.3.5.1.

Generalidades

Suelos org´ anicos e inorg´ anicos. Suelos • • •

granulares. Gravas, arenas y mezclas. No cohesivos (bajo contenido de finos). Bien o mal graduados.

71

4.4. Caracterizaci´ on de los Cambios de Volumen

Suelos de grano fino. • Part´ıculas de las fracciones finas. • Se determina tipo de fracción fina con l´ımites de Atterberg y diagrama de plasticidad de Casagrande.

Clasificación de los suelos

• Sistema Unificado (USCS)

Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (USCS). – Datos necesarios:

• A. Casagrande/Army Corps of Eng./Bureau of Reclamation.

• Granulometría: F200, F4, utilizado CU, CC en geotecnia. –Datos necesarios: • El m´ as ampliamente • Plasticidad: p, ωL, (ωL,muestra_secada_en_horno ◦ IGranulometr´ ıa: F200 , F4 , CU , CC). ◦ Plasticidad: Ip , ωL , ωL,muestra secada en horno . • S´ımbolos:

– Símbolos G: grava (gravel) S: arena (sand) M: limo (silt) C: arcilla(clay)

O: orgánico

W: bien graduada P: mal graduada

H: alta plasticidad L: baja plasticidad

Pt: turba (peat)

43

Figuratierras 4.12: S´ımobologý ıa Sistema Unificado USCS. Movimientos de excavaciones

• Cambios de Volumen 4.4. Caracterizaci´ n de Cambios de Volumen • El volumen aparente ode unalos porción del material no es fijo

• Si modificamos la disposición de las partículas, cambia el El volumen aparente de una porción del material no es fijo, si modificamos la disposici´ on volumen de huecos también el volumen de las part´ıculas, cambia ely volumen de huecos y tambiéaparente n el volumen aparente. Las acciones mecánicas var´ıan la disposici´ on de las part´ıculas.

• Las acciones mecánicas varían la disposición de las partículas Es de interés el volumen que ocupa el material en tres estados diferenciados en el transcurso • Es de interés el volumen que ocupa el material en tres estados de la obra. Ws es constante, pero W puede cambiar. diferenciados en el transcurso de la obra:

En banco

Esponjado/suelto

Compactado

Ws constante W puede cambiar

Actuaciones sobre el terreno 14-nov-14

Figura 4.13: Vol´ umenes aparentes.

49

72

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

Al excavar, el material se disgrega y se produce un aumento de volumen o esponjamiento, que ha de ser tenido en cuenta para calcular la producción en excavación y dimensionar los equipos de transporte. La compactaci´ on produce una disminución de volumen que ha de tenerse en cuenta para calcular la cantidad de material necesaria para construir una obra de tierras de volumen final conocido. En todo momento se debe saber si los vol´ umenes y propiedades que se manejan corresponden a: Material en banco: sub´ındice B (p.ej. VB ). Material esponjado: sub´ındice E (VE ). Material compactado: sub´ındice C (VC ). Es muy importante la transformaci´ on de vol´ umenes entre estados y para ello se definen diversas relaciones de interés: Factor de esponjamiento: VB VE

(4.30)

VE − VB · 100 VB

(4.31)

VC VB

(4.32)

Fw = Esponjamiento (en tanto por ciento): Sw = Coeficiente de paso: Cp =

4.5. 4.5.1.

Modelado Geom´ etrico y Representaci´ on Gr´ afica de la Obra Representaci´ on Gr´ afica de la Obra

La representaci´ on de los trabajos de MT se realiza mediante tres clases de planos: 1. Planos de la vista en planta de la obra, que representan la disposición del relieve, de los elementos de la obra, etc. sobre un plano horizontal. 2. Perfiles longitudinales, que representan el relieve, disposición de los elementos de la obra seg´ un un plano vertical que sigue el eje de la obra. 3. Perfiles transversales, que representan la disposición del relieve y de los elementos de la obra seg´ un planos verticales normales al eje de la obra.

73

4.5. Modelado Geom´ etrico y Representaci´ on Gr´ afica de la Obra CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Construcción de la Planta Industrial – Movimiento de Tierras

4.5.1.1.

nº 55

Vista en Planta

Representación Gráfica de la Obra: Vista en planta La Figura 4.14 es un plano general de la urbanización de un pol´ıgono industrial: La figura es un plano general de la urbanización de un polígono industrial

Departamento de Ingeniería de la Construcción

Figura 4.14: Vista en planta de unINDUSTRIAL pol´ıgono industrial.y Proyectos de Ingeniería MÁSTER INGENIERÍA CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Construcción de la Planta Industrial – Movimiento de Tierras

Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

nº 56

Representación Gráfica de la Obra: Perfil longitudinal 4.5.1.2. Perfil Longitudinal En la figura aparece el perfil longitudinal de un tramo de una obra de carreteras, En la Figura 4.15 aparece el perfil longitudinal de un tramo de una obra de carreteras, que que normalmente representa el perfil así comoo la subrasante línea normalmente representa el perfil del terrenodel as´ı terreno como la subrasante l´ınea final despuéso de final después deseg´ realizado realizado el MT, un el eje deel la MT, obra.según el eje de la obra.

Figura 4.15: Perfil longitudinal de un tramo de obra. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

74

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

4.5.2.

Perfiles

Se denomina perfil de un terreno a la intersección de un plano vertical con la superficie del mismo. Existen dos clases de perfiles: Perfil directo es el obtenido con los datos de campo. Perfil deducido es el obtenido a partir de un plano curvado o un modelo digital del terreno. La forma de construir un perfil a partir de un plano curvado es: 1. Se trazan unos ejes X e Y paralelo y perpendicular, respectivamente, a la traza o eje, llevando sobre el eje X las distancias entre puntos de corte con las curvas de nivel y sobre el eje Y las cotas o altitudes de esos puntos. 2. La traza puede ser una l´ınea recta, quebrada o curva, o combinación de éstas. Cuando es una curva se lleva la longitud de la curva rectificada. 3. Por los puntos del eje X se trazan perpendiculares hasta la intersección con sus CONSTRUCCIÓN ARQUITECTURA INDUSTRIAL correspondientes cotas, obteniéY ndose as´ı los puntos que unidos entre s´ı representan el de la Planta Industrial – Movimiento de Tierras perfil delConstrucción terreno.

nº 59

4. Las escalas de los ejes X e Y pueden ser iguales o distintas. Normalmente se toma la escala vertical 10 veces mayor que la escala horizontal, denominándose entonces perfil realzado.

Trazado de perfiles

Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

Figura 4.16: Trazado de perfiles. MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL

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75

4.5. Modelado Geom´ etrico y Representaci´ on Gr´ afica de la Obra

4.5.2.1.

Aplicaciones: Perfil Longitudinal. Modelo Oficial

Se llama rasante a la l´ınea correspondiente al perfil de la superficie de una obra a realizar o ya terminada (explanaci´ on, carretera, canal, etc.). Cuando se trata de una obra lineal, el perfil corresponde a un plano vertical que se hace pasar por el eje de la construcción. El perfil longitudinal es el perfil del terreno a lo largo del eje de la obra y se toma como base para el cálculo del movimiento de tierras. En el perfil longitudinal se anotan los datos necesarios para definir con exactitud la rasante, quedando determinada gráfica y numéricamente. El modelo oficial consta de dos partes, una gráfica y otra numérica, que que se coloca debajo CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL de la gráfica. Construcción de la Planta Industrial – Movimiento de Tierras La parte gr´ afica se construye como se ha descrito anteriormente.

nº 62

En la parte numérica se anotan longitudinal. los valores que ordenados en filas se conocen como Aplicaciones: Perfil Modelo oficial “guitarra”, cuyo contenido se describe a continuación.

Figura 4.17: Modelo oficial de perfil longitudinal. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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Plano de comparaci´ on: representa el origen elegido para la representación gráfica. Se colocan cuatro franjas por debajo: alineaciones, perfiles transversales, distancias parciales y distancias al origen; y otras cuatro franjas por encima: ordenadas del terreno y de la rasante, cotas rojas de desmonte y cotas rojas de terraplén. Alineaciones: se dibuja la proyección horizontal de la obra longitudinal. Se inicia y se termina con peque˜ nos c´ırculos, que se usan también cada vez que el perfil cambia de direcci´ on. En las alineaciones rectas se indica su longitud y en las alineaciones curvas se indica su radio y su desarrollo.

76

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

Perfiles transversales: se anota el n´ umero correlativo de cada perfil, indicándose el punto del perfil longitudinal donde se han tomado datos en el terreno. En estos puntos es donde se trazar´ an los perfiles transversales para el cálculo del movimiento de tierras. Distancias: se anotan las distancias horizontales (reducidas), y se disponen en dos filas de datos, distancias parciales y al origen. Las distancias parciales son las distancias existentes entre cada dos perfiles transversales consecutivos; en tanto que las distancias al origen indican la distancia desde el origen hasta cada perfil transversal. Ordenadas: se anotan las cotas (altitudes) de los puntos, tanto del terreno como de la rasante, en dos filas distintas: ordenadas del terreno y ordenadas de la rasante. Cotas rojas: se anotan los desniveles entre el terreno y la rasante, en dos filas, cotas rojas de terraplén y cotas rojas de desmonte. Las primeras anotan los desniveles negativos entre el terreno y la rasante, es decir, los desniveles en los puntos en los que la rasante queda por encima del terreno y es necesario aportar tierras. En la fila de cotas rojas de terraplén se anotan los desniveles positivos de aquellos puntos en que la rasante está por debajo del terreno y es necesario retirar tierras.

4.5.2.2.

Aplicaciones: Perfil Transversal

Los perfiles transversales son perfiles del terreno tomados en dirección perpendicular al eje de una obra. Suelen tomarse a distancias constantes de 10, 20 ó 30 metros, as´ı como en puntos intermedios en los que el terreno presente alguna particularidad (cambios de pendiente, obstáculos, etc.). Después de construido el perfil transversal, se se˜ nala el punto que corresponde a la rasante, seg´ un la cota del perfil longitudinal, y se dibuja a partir del mismo la sección transversal de la obra hasta su intersecci´ on con elCONSTRUCCIÓN terreno. La parte básicamente horizontal se llama plataforma Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL nº 66 y las partes inclinadas donde Construcción termina la plataforma se– llaman taludes. de la Planta Industrial Movimiento de TierrasLas pendientes de los taludes se dan en forma de quebrado, a:b, o en tanto por ciento.

Aplicaciones: Perfiles transversales

 Entransversales el caso de una carretera, en al trazar loscaminos perfiles(carreteras), transversales la rasante Los perfiles son habituales obras de en ycanales, etc. En pueden presentarse tres casos, según que la explanada quede toda en el caso de una carretera, al trazar los perfiles transversales y la rasante pueden presentarse tres desmonte, toda en terraplén en media ladera, decir, en es casos, seg´ un que la explanada quede toda eno desmonte, toda en es terrapl´ enparcialmente o en media ladera, desmonte y en terraplén. decir, parcialmente en desmonte y en terraplén.

Figura 4.18: Perfiles transversales. MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL

Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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4.6. C´ alculo de Vol´ umenes

4.5.3.

77

Modelos Digitales del Terreno

Un Modelo Digital del Terreno (MDT) es una representación en 3D de la superficie de una cierta extensi´ on de terreno, creada a partir de los datos de altitud obtenidos en un levantamiento topográfico. Aunque existen diversos tipos de MDT, uno de los más empleados en los programas que se utilizan para los c´ alculos de movimiento de tierras son los que describen la superficie del terreno mediante una red irregular de tri´ angulos o TIN. En una TIN, a partir de la situación de un conjunto de puntos para los que se conoce su altitud, se traza una red de tri´ angulos adyacentes que cubra completamente la zona cuyo relieve se quiere representar. Los puntos pueden estar espaciados irregularmente. Los algoritmos que se utilizan para la construcci´ on de la malla irregular de triángulos se basan generalmente en la triangulaci´ on de Delaunay.

4.6.

C´ alculo de Vol´ umenes

El primer paso de la planificaci´ on del MT es estimar los vol´ umenes a remover. La exactitud de los cálculos depende de la densidad y precisión de las mediciones realizadas en campo, que se han reflejado en los planos. El método que se sigue para calcular los vol´ umenes depende de los medios disponibles. La mayor´ıa de las ingenier´ıas utilizan programas de ordenador para el cálculo de las áreas de desmonte y terraplenado en secciones transversales. Los cálculos que se hacen en MT comprenden: La evaluaci´ on de vol´ umenes de desmonte y terraplenado. La compensaci´ on de excavaciones y rellenos. La planificaci´ on del transporte de materiales para que sea lo más económica posible.

4.6.1.

´ C´ alculo a partir de Areas

El cálculo de vol´ umenes se realiza a partir de los perfiles transversales y comienza determinando las ´ areas de desmonte y terraplén en cada uno de estos perfiles. El procedimiento habitual consiste en subdividir el ´ area a calcular en figuras geométricas sencillas (triángulos, rectángulos, paralelogramos y trapezoides), cuya superficie puede calcularse mediante fórmulas conocidas. La precisi´ on que se logra mediante el uso de esta fórmula depende del n´ umero de divisiones pero es del orden de un ±5 %.

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Construcción de la Planta Industrial – Movimiento de Tierras

78

nº 75

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

Cálculo de Volúmenes: Cálculo de áreas

Figura 4.19: Divisi´ on secci´ on transversal en triángulos y trapezoides.

El área del tri´ angulo y el trapezoide son, respectivamente:

Área del triángulo:

Área del trapezoide:

𝐴𝑡𝑟𝑖á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 = 1

1 ∙ℎ∙𝑤 2

Atriangulo = hw 2 h1 + h2 w Atrapezoide = 2 𝐴 = 𝑡𝑟𝑎𝑝𝑒𝑧𝑜𝑖𝑑𝑒

ℎ1 + ℎ2 ∙𝑤 2

(4.33) (4.34)

La fórmula general para el ´ area (perfil en terraplén) es:

Fórmula general para elAárea 𝐴 = ℎ1 + ℎ+2h+) ⋯ + ℎ𝑛−1 + ℎ𝑛 ∙ 𝑤 = (h1 + h2 + · · · + h n−1 n w (perfil en terraplén)

(4.35)

En el caso de secciones en ladera, es habitual que se presenten áreas dedeIngeniería desmonte y Departamento de la Construcción Gabriel Bravo Aranda MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL y Proyectos de Ingeniería Profesorterraplenado Titular de Ingeniería endelala Construcción misma secci´ on transversal. Al realizar los cálculos, es preciso calcular por separado estas ´ areas.

4.6.2.

C´ alculo a partir de Vol´ umenes

El volumen de desmonte, o terraplenado, limitado por dos secciones transversales sucesivas puede calcularse promediando las ´ areas correspondientes y multiplicando por la distancia entre secciones: A1 + A2 V = L (4.36) 2 Si las dos áreas extremas son de desmonte, el volumen resultante vendrá dado en unidades de volumen en banco; si son de terraplenado, serán unidades de volumen compactado. El método no es completamente exacto, puesto que la media de dos áreas extremas no tiene por qué coincidir con el ´ area media de muchas áreas intermedias. Proporciona vol´ umenes ligeramente por encima del volumen real. Su precisión es de ±1 %. En el caso de cambios abruptos en el relieve, debe considerarse un n´ umero mayor de secciones transversales para aumentar la exactitud de los cálculos. Un espaciamiento entre perfiles de unos 7,5 m es normalmente suficiente.

4.6.3.

Correcci´ on por el Desbroce

La capa más superficial del terreno es normalmente tierra vegetal y se retira como parte de una operación de MT independiente, el desbroce.

79

4.6. C´ alculo de Vol´ umenes

Cuando se calcula el volumen de secciones en desmonte, el volumen correspondiente a esta banda debe sustraerse del volumen disponible. En el caso de secciones en terraplén, este volumen debe aportarse y, por tanto, ha de sumarse para obtener el volumen de relleno necesario.

4.6.4.

Volumen Neto

CONSTRUCCIÓN ARQUITECTURA INDUSTRIAL Los vol´ umenes calculados a partir deYlas secciones transversales corresponden a dos estadosnº 81 Construcción de la Planta Industrial – Movimiento de Tierras diferentes del material: en banco y compactado. Es decir, los vol´ umenes de excavación son m3 de volumen en banco y los vol´ umenes de terraplén calculados son m3 de volumen compactado.

Cálculo de Volúmenes: Hoja de cálculo de volúmenes

Si es preciso calcular los metros c´ ubicos de terraplén que pueden formarse con un cierto volumen de material en banco, usamos el coeficiente de paso para realizar la conversión.

• Es relativamente sencillo construir una hoja de cálculo, con Excel u otro facilitar 4.6.5.paquete Hoja desimilar, C´ alculopara de Vol´ umeneslos cálculos necesarios. La figura muestra una. Es relativamente sencillo construir una hoja de cálculo, con Excel u otro paquete similar, para facilitar los c´ alculos necesarios.

Figura 4.20: Hoja de cálculo de vol´ umenes.

1 𝑐𝑢𝑏𝑖𝑐 𝑦𝑎𝑟𝑑 = 27,008 𝑐𝑢𝑏𝑖𝑐 𝑓𝑒𝑒𝑡 Gabriel Bravo Aranda Columna Cada fila Profesor Titular de Ingeniería de1: la Construcción

𝐶𝑝 = 0,8986 Departamento de Ingeniería de la Construcción

MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL corresponde a un perfil transversal, identificado con la notaci´ on y Proyectos de Ingeniería empleada en los trabajos de topograf´ıa.

´ Columna 2: Area de desmonte del perfil (en m2 ). ´ Columna 3: Area de terraplén (en m2 ). Columna 4: Volumen de desmonte entre la sección transversal previa y la actual (en m3 de volumen en banco). Columna 5: Volumen de terraplenado entre la sección precedente y la actual (en m3 de volumen compactado). Columna 6: Volumen de la capa superficial de tierra vegetal en desmonte entre la secci´ on 3 precedente y la actual (en m en banco). Columna 7: Volumen de la capa superficial de tierra vegetal por debajo de terraplenes entre la secci´ on precedente y la actual (en m3 compactado)

80

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

Columna 8: Volumen de material excavado disponible para formar rellenos entre la sección precedente y la actual (en m3 de volumen en banco). Se obtiene restando al valor de la columna 4 el de la 6. Columna 9: Volumen total de material requerido para terraplenes entre la sección precedente y la actual (en m3 de volumen compactado). Se obtiene sumando a la columna 5 el relleno correspondiente al desbroce (valor de la columna 9). Columna 10: Volumen total de material requerido para terraplenes expresado en términos de volumen en banco. Columna 11: Diferencia entre material disponible para terraplenes y el requerido (valor de la columna 8 menos el de la columna 10). Indica el superávit (signo positivo) o déficit (signo negativo) de material disponible para rellenos entre la sección precedente y la actual, después de realizada la compensación interna. Columna 12: Ordenada de masas o balance acumulado desde un punto del eje de la obra que se toma como origen.

4.7.

4.7.1.

Planificaci´ on de las Operaciones de Movimiento de Tierras en Obras Lineales. El Diagrama de Masas Introducci´ on

El Diagrama de Masas es una representación gráfica de la cantidad de material disponible para rellenos a lo largo del eje de la obra, suma algebraica de las cantidades de materiales de excavación y terraplenado hasta el punto considerado. El material de excavaci´ on entre dos secciones transversales sucesivas se emplea primero para construir los rellenos entre esas dos secciones, sólo el exceso del material de excavación sobre el de relleno, o viceversa, contribuye a la ordenada de masas. El material empleado entre secciones se considera que se mueve perpendicularmente al eje de la obra y, por tanto es objeto de un acarreo transversal. El excedente supone un transporte longitudinal que puede analizarse con la ayuda de este diagrama. El Diagrama de Masas proporciona información relativa a: Vol´ umenes de materiales a transportar. Distancias medias de transporte. Tipos de equipos que deben usarse para realizar el trabajo. Todo esto hace que el Diagrama de Masas sea una de las herramientas de análisis más eficaces para la planificaci´ on del movimiento de materiales en obras lineales.

4.7. Planificaci´ on de las Operaciones de MT en Obras Lineales. El Diagrama de Masas 81

4.7.2.

Propiedades

La curva tiene pendiente: Positiva si hay excavaci´ on neta.

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Negativa si terraplenado neto. Construcción de la Planta Industrial – Movimiento de Tierras

nº 88

El volumen total de excavaci´ on o terraplenado entre dos puntos o estaciones puede obtenerse como la diferencia de ordenadas en la curva. Los máximos o m´ınimos de la curva representan el paso de una situaci´ on de excavación a una de terraplenado Cuando la curva corta el eje de abscisas (volumen acumulado cero) el volumen de material excavado hasta ese punto es exactamente igual al volumen empleado en los rellenos construidos hasta el mismo.

El Diagrama de Masas: Propiedades

diente: excavación neta aplenado neto

excavación o dos puntos o obtenerse como enadas en la

nimos de la curva o de una situación na de terraplenado

orta el eje de acumulado cero) erial excavado exactamente mpleado en los s hasta el mismo.

de la Construcción

Figura 4.21: Diagrama de masas.

MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL

4.7.3.

Uso del Diagrama de Masas

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

El diagrama de masas es una herramienta de análisis que permite seleccionar los equipos de excavaci´ on y transporte apropiados. El análisis se lleva a cabo mediante el uso de l´ıneas de compensaci´ on y el c´ alculo de distancias y pendientes medias de transporte. Para poder seleccionar los equipos apropiados es necesario conocer las distancias máximas de transporte en condiciones econ´ omicas de los diferentes tipos de equipos.

Masas: Líneas de compensación

longitud determinada, que se hace corresponder 82 4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria transporte en condiciones económicas de algún buja como enola figura. 4.7.4. Láparece ıneas de Compensaci´ n

.

Son l´ıneas horizontales de longitud determinada, que se hace corresponder con la distancia máxima de transporte en condiciones económicas de alg´ un tipo de equipo, y que se dibuja como aparece en la Figura 4.22:

Figura 4.22: Dibujado de l´ıneas de compensación.

Entre los extremos de una l´ınea de compensación, como los puntos A y C, el volumen de materiales excavados iguala exactamente el volumen requerido para la ejecución de rellenos. Si esta l´ınea corresponde a una mototra´ılla grande, que tiene una distancia máxima económica Departamento Ingeniería la Construcción deINGENIERÍA transporte de unos 1500 m, la cantidad de material que va ade transportar la de mototra´ ılla viene MÁSTER INDUSTRIAL y Proyectos Ingeniería determinada por la distancia vertical de la porción del d.d.m limitadadepor la l´ınea (Q en la Figura 4.22). En la ejecuci´ on de las operaciones de MT compensadas del tramo comprendido entre A y C, algunos de los acarreos ser´ an m´ as cortos y otros se aproximarán a la máxima distancia económica de transporte econ´ omica de la m´ aquina. La distancia de transporte media se puede calcular determinando primero el área encerrada por la l´ınea de compensaci´ on y el diagrama de masas y dividiéndola por el volumen total de material que ha de ser transportado. Si la curva est´ a por encima de la l´ınea de compensación, la dirección de transporte es de izquierda a derecha y si est´ a por debajo el transporte debe hacerse de derecha a izquierda.

4.7. Planificaci´ on de las Operaciones de MT en Obras Lineales. El Diagrama de Masas 83

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Construcción de la Planta Industrial – Movimiento de Tierras

nº 93

La Figura 4.23 ilustra una porción de un d.d.m. sobre el que se han trazado dos l´ıneas de compensaci´ on. En esta situaci´ on se planea utilizar bulldozers para el arranque y empuje de materiales entre C y E, de modo que la excavación entre C y D se colocará entre D y E. Después de esto, la operaci´ on de una mototra´ılla permitirá excavar el material entre A y C y transportarlo para realizar Los rellenos entre E y G.

Diagrama de Masas: Líneas de compensación

ra una porción de un el que se han trazado compensación. En n se planea utilizar ra el arranque y empuje entre C y E, de modo ación entre C y D se e D y E. Después de ación de una mototraílla avar el material entre A rtarlo para realizar Los e E y G. Figura 4.23: Dibujado de l´ıneas de compensación. CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Construcción de la Planta Industrial – Movimiento de Tierras

nº 94

Departamento de Ingeniería de la Construcción

INGENIERÍA INDUSTRIAL 4.7.5.MÁSTER Pendiente Proyectos de Ingeniería El Diagrama deMedia Masas: Pendiente ymedia

niería de la Construcción

Si perfil se representa el perfil longitudinal correspondiente la porciónpor limitada Si se representa el longitudinal correspondiente a la porcióna limitada una por una l´ınea de compensaci´ on sobre diagrama de de masas, es es posible estimar la pendiente media de la operaci´ on línea de compensación sobre eleldiagrama masas, posible estimar la pendiente de transporte en esa porci´ o n de la obra. media de la operación de transporte en esa porción de la obra. Sobre el perfil se dibuja una línea horizontal que divida el área de desmonte en dirección vertical en dos partes aproximadamente iguales y se hace lo mismo para el área de terraplenado. La diferencia de cotas entre estas dos líneas horizontales dividida por la distancia media de transporte y este cociente por cien es la pendiente media buscada. Figura 4.24: Estimaci´ on de pendiente media con l´ıneas de compensación. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

84

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

Sobre el perfil se dibuja una l´ınea horizontal que divida el área de desmonte en dirección vertical en dos partes aproximadamente iguales y se hace lo mismo para el área de terraplenado. La diferencia de cotas entre estas dos l´ıneas horizontales dividida por la distancia media de transporte y este cociente por cien es la pendiente media buscada.

4.8.

Valoraci´ on de las Operaciones de Movimiento de Tierras

El coste de las operaciones de MT depende de: El tipo de movimiento de tierras. La clase de material a remover y condiciones del terreno. Vol´ umenes. Los métodos y medios que se utilizan para: • Excavar, transportar y colocar los materiales en su disposición final. El coste de las operaciones de Excavación depende de la excavabilidad de los materiales que forman el terreno. Desde este punto de vista, se distinguen: Excavaci´ on en roca: masas de roca o materiales tan sólidamente cementados que hayan de ser excavados usando explosivos. Excavaci´ on en terreno de tr´ ansito: terrenos que para su excavación requieren la utilización de escarificadores. Excavaci´ on en tierras: terrenos que no requieren los medios anteriores. La medición y valoraci´ on de las operaciones de MT se recogen en la Tabla 4.1:

Tabla 4.1: Medici´ on y valoraci´ on de las operaciones de movimiento de tierras.

Operaci´ on Desbroce Demoliciones Escarificaci´ on y compactación Excavaci´ on explanaciones Excavaci´ on pozos y zanjas Excavaci´ on en zanja Terraplenes o pedraplenes Otros rellenos Refino de taludes

Medici´ on y abono o incluida en excavación m3 Incluida en rellenos m3 (medidos sobre perfiles) m3 (incluye entibación, etc.) m 3 m (medidos sobre perfiles) m3 Incluida en excavación, etc. m2

partir de la información anterior es posible estimar la producción que 4.9. Normativa 85 ede alcanzar.

Para realizar las operaciones de MTlas es preciso seleccionar los trabajan tipos apropiadosconectadas, de máquinas n la realización de los trabajos, máquinas a emplear y su n´ umero. A partir de la información anterior es posible estimar la producción que puede alcanzar.de producción. La producción conjunta del sistem mando unsesistema En por la realizaci´ n de los trabajos, las máquinas trabajan conectadas, un sistema ndrá limitada el ocomponente del sistema queformando tenga una deproducc producción. La producci´ on conjunta del sistema vendrá limitada por el componente del sistema enor. que tenga una producci´ on menor.

Figura 4.25: Sistema de producción por conexión de maquinaria.

riel Bravo Aranda esor Titular de Ingeniería de la Construcción

4.9.

MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL

Normativa

Departamento de Ingeniería de la C y Proyectos de Ingenierí

PG-3: Pliego de prescripciones técnicas generales para obras de carreteras y puentes.

4.10.

Formaci´ on de Rellenos

4.10.1.

Introducci´ on

La ejecuci´ on de explanaciones conlleva la realización de rellenos en los casos en que la subrasante de proyecto se sit´ ue a una cota superior a la del terreno natural. En las obras civiles estos rellenos se denominan terraplenes, pedraplenes o todounos, dependiendo de las caracter´ısticas granulométricas de sus materiales constitutivos. Para que los rellenos obtenidos sirvan de apoyo del firme o de otras construcciones, los materiales tienen que tener unas caracter´ısticas adecuadas para su uso y los métodos de ejecuci´ on y terminaci´ on deben ser apropiados.

4.10.2.

Clasificaci´ on de los materiales

Los suelos necesarios para formar los terraplenes se obtienen generalmente de los desmontes realizados en la propia obra o de préstamos adecuados.

86

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

Los mejores suelos ser´ an los que resulten fáciles de compactar y, una vez compactados, sean: Resistentes a la deformaci´ on. Poco sensibles a la humedad (cambios de volumen). Poco sensibles a la helada. No alterables. Por todo ello, los suelos ideales para estas aplicaciones son: Suelos granulares. De granulometr´ıa continua. Con una proporci´ on peque˜ na de finos poco plásticos. Que no contengan materia org´ anica. Que no contengan yeso ni otras sales solubles. Los suelos de grano fino (materiales limosos o arcillosos) pueden ser empleados en n´ ucleos, excepto las arcillas muy pl´ asticas o los limos muy compresibles de elevado l´ımite l´ıquido. En todo caso, los materiales que constituyen el cimiento del firme (coronación) deben ser de una calidad mayor. Son suelos inadecuados para su empleo en terraplenes los suelos con materia orgánica. Por ello se descartan, salvo casos extremos, materiales como la tierra vegetal, procedentes de marismas, turberas, etc. Sólo deben emplearse materiales para los que se pueda asegurar su estabilidad volumétrica y una suficiente capacidad de soporte, y para los que se tenga garant´ıas de que no van a causar la contaminación de las zonas adyacentes. Si los suelos contienen una cantidad sensible de sulfatos, pueden producir da˜ nos a los elementos de hormig´ on, tales como cimentaciones u otros elementos estructurales. En este caso, hay que emplear cementos sulforresistentes y la coronación debe evitar la infiltración de agua hacia el interior del relleno, bien por la granulometr´ıa empleada o mediante la adopción de otras medidas complementarias. La clasificaci´ on de los suelos como materiales para todo tipo de rellenos que se emplea en nuestro pa´ıs es la incluida en el Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para Obras de Carreteras y Puentes (PG-3). Esta clasificaci´ on resume la experiencia espa˜ nola en la construcción de carreteras con los suelos existentes en nuestro pa´ıs.

4.10. Formaci´ on de Rellenos

Figura 4.26: Clasificación de los materiales para rellenos.

87

88

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

Seg´ un PG-3 se clasifican en:

Rellenos

Inadecuados. Marginales. Tolerables. – Clasificación

de materiales (según PG-3)

Adecuados. • Inadecuados,

marginales, tolerables, adecuados,

Seleccionados. seleccionados

Figura 4.27: Clasificaci´ on de los materiales para rellenos seg´ un PG-3. Actuaciones sobre el terreno 19-dic-14

4.10.3.

13

Compactaci´ on

La compacidad, en términos de γd , no es una propiedad inalterable del material. La densificación por procedimientos mec´ anicos es una recolocación de part´ıculas, cuya finalidad es mejorar caracter´ısticas mec´ anicas, como por ejemplo mayor resistencia y menor deformabilidad (resistencia a la deformaci´ on), mayor estabilidad volumétrica, menor permeabilidad. Se realiza en la construcci´ on de: Terraplenes en obras de carreteras, pistas, etc. Rellenos de apoyo para construcciones. Rellenos de zanjas, etc.

89

4.10. Formaci´ on de Rellenos

Compactación de los suelos La compactaci´ on depende de los siguientes factores:la • Factores de los que depende

compactación

– Humedad Humedad: Muestra  humectación  compactar con Emec  determinar , γd repetir añadiendo más agua Emec=cte

𝜔ó𝑝𝑡 16

Figura 4.28: Cálculo de la humedad óptima.

Energ´ıa de compactaci´ on: Al aumentar Energ´ıa de Compactación, las curvas se sit´ uan por encima, no pudiéndose superar la curva de saturación, y ωopt se reduce.

Figura 4.29: Energ´ıa de compactación.

La ecuaci´ on de la curva de saturación (Sr = 1) es: γd =

γs 1 + ωGs

(4.37)

90

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

Tipo de suelo:

Figura 4.30: Influencia del tipo de suelo.

Factores: • Distribuci´ on granulométrica, forma y peso espec´ıfico part´ıculas. • Minerales arcillosos presentes.

Figura 4.31: Factores de compactación.

91

4.10. Formaci´ on de Rellenos

4.10.3.1.

Ensayos de Compactaci´ on

Dado un material: ¿Nivel de humedad para una compactación óptima? Necesidad de referencia para especificar un nivel de compactación. Se emplea el Proctor normal y modificado:

Figura 4.32: Proctor normal y modificado.

El ensayo de Proctor normal:

Figura 4.33: Proctor normal.

92

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

El procedimiento es: 1. Humectar. 2. Compactar y enrasar: γ=

W Vm

(4.38)

Donde W es el peso del suelo compactado y Vm es el volumen del molde. 3. Secado: γ=

Ws Vm

(4.39)

Donde Ws es el peso del suelo compactado. Con lo que: ω=

W − Ws γ − γd Wws = = Ws Ws γd

Figura 4.34: Gr´ afica del ensayo Proctor normal.

(4.40)

93

4.10. Formaci´ on de Rellenos

La energ´ıa aportada al suelo para producir su compactación, o energ´ıa de compactaci´ on E, en los ensayos de apisonado se expresa en términos de energ´ıa por unidad de volumen de suelo: E=

Wmaza hNg Nc Vm

(4.41)

Donde: Wmaza es el peso de la maza. h es la altura de ca´ıda libre de la maza. Ng es el n´ umero de golpes por capa. Nc es el n´ umero de capas. Vm es el volumen del molde. El ensayo Proctor modificado representa mejor las condiciones de compactación en campo, y se emplea un molde de mayor tama˜ no y aplicación de mayor energ´ıa de compactación por unidad de volumen de suelo. El ´ındice de compactaci´ on se calcula mediante: R ( %) =

γdcampo γdmax,lab

· 100

(4.42)

En trabajos de compactaci´ on se suele indicar el nivel de compactación relativo al óptimo Proctor. Normalmente se impone un valor de R≥95 %.

4.10.4.

Capacidad de Soporte

Se conoce como capacidad de soporte de una capa de suelo a su resistencia a la deformaci´ on bajo las cargas aplicadas, por ejemplo del tráfico. Los factores principales que influyen en la capacidad de soporte son: La resistencia a cortante de los materiales que la forman, que depende a su vez de la densidad alcanzada y de su humedad de puesta en obra. La humedad existente en cada momento. Los suelos saturados tienen una capacidad de soporte menor que los no saturados. La capacidad de soporte de los suelos que constituirán las capas de los terraplenes y de los materiales de las capas de los firmes se determina en el laboratorio mediante el ensayo CBR, que permite obtener el valor de ´ındice CBR (California Bearing Ratio). Este ensayo fue propuesto por Porter en 1928, fue puesto a punto en la División de Carreteras del Estado de California como parte de un método de dimensionado de pavimentos flexibles, y el U.S. Corps of Engineers lo adoptó durante la segunda guerra mundial para el proyecto de pistas de vuelo y calles de rodadura.

94

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

El ensayo sigue los pasos que se describen a continuación: 1. Se tamiza el material por el tamiz de 20 mm. Si más del 90 % pasa, se realiza el ensayo con esta fracci´ on. Si la proporci´ on que pasa es menor, se separa el material retenido y se sustituye con una cantidad igual de la fracción comprendida entre los tamices de 5 y 20 mm. Si la fracci´ on que pasa por el tamiz de 20 mm es menor que el 70 %, este ensayo no es representativo. 2. La muestra se compacta con la energ´ıa y humedad deseadas.

RUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL nº 3. Las DE muestras se colocan sumergidas en agua durante 4 d´ ıas,28sobre placa perforada y UE: MOVIMIENTO TIERRAS - TEMA 3

sobrecarg´ andolas con una presi´ on que representa el peso de las capas (del firme) que existen por encima.

Capacidad delasoporte 4. Durante inmersi´ on, se mide cada d´ıa el hinchamiento vertical. 5. Se coloca la muestra en la prensa y se aplica la carga necesaria para producir una penetraci´ on a velocidad constante. Se anotan cargas y presiones ejercidas cada 0,063 mm o 0,025 pulgadas, hasta llegar a 12,70 mm (0,5 pulgadas).

pasos que se describen a continuación:

el tamiz de 20 mm.

sayo con esta fracción. se separa el material ad igual de la fracción 20 mm. Si la fracción enor que el 70%, este

con la energía y

sumergidas en ca perforada y sión que representa ) que existen por

ide cada día el Figura 4.35: Esquema del ensayo CBR.

prensa y se aplica la El ´ındice CBR se obtiene comparando la presión ejercida por el pistón para penetraciones una penetración a velocidad constante. Se anotan cargas y de 0,1 y 0,2 pulgadas (2,54 y 5,08 mm), P1 y P2 , con las correspondientes a una muestra de una mm o 0,025 hasta a 6,90 12,70 mmMPa, (0,5respectivamente. pulgadas). grava pulgadas, tipo, cuyos valores son llegar conocidos: y 10,35 Comparando estos valores a trav´ es de susdecocientes respectivos, el mayor redondeado y Departamento Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería multiplicado por 100 es el ´ındice CBR: P2 P1 CBR = max , · 100 (4.43) 6, 90 10, 35

Master en Ingeniería Industrial

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL BLOQUE: MOVIMIENTO DE TIERRAS - TEMA 3

nº 30

95

4.10. Formaci´ on de Rellenos

Capacidad de soporte

Figura 4.36: Índice CBR.

Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería ´ de la Construcción

4.10.4.1.

Master en Ingeniería Industrial

Indice CBR de Proyecto

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL BLOQUE: DE TIERRAS El valor del ´ındice CBR de MOVIMIENTO una capa de material ejecutada -enTEMA campo3 debe ser al mismo tiempo un valor realista y conservador, de manera que siempre se cuente con una capacidad de soporte igual o superior a dicho valor.

Índice CBR de proyecto

Por ello, el ´ındice CBR de proyecto se obtiene repitiendo el ensayo tres veces con 12, 30 y 70 golpes por capa, que corresponden aproximadamente a la aplicación del 20, 50 y 120 por ciento de la energ´ıa de compactaci´ on del ensayo Proctor, y representando la curva densidad seca-CBR a través de los puntos obtenidos de los ensayos, como se indica en la siguiente figura:

Figura 4.37: Determinación del ´ındice CBR de proyecto.

nº 32

96

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

4.10.5.

Tipos de Rellenos

En el caso de obras de explanaciones, la materialización de la subrasante en los tramos en los que ésta debe discurrir por encima del terreno natural, exige la construcción de rellenos, que pueden ser de tres tipos: Terraplenes: Si el material constituyente es un suelo, con todas sus part´ıculas de tama˜ no inferior a algo m´ as de un dec´ımetro (por ejemplo, 15 cm). Pedraplenes: Si se trata de fragmentos de roca dura con un tama˜ no aproximado ligeramente inferior al metro (por ejemplo, 70 cm). Todounos: Si est´ a formado por part´ıculas de todos los tama˜ nos, desde varios dec´ımetros hasta micras. La distinción entre estos tres tipos es importante, ya que las técnicas de construcción, en especial las de compactaci´ on y su control, var´ıan seg´ un los casos. Asimismo var´ıan algunas caracter´ısticas relativas a su comportamiento, como son la resistencia a la erosión, las deformaciones diferidas o la capacidad de resistir la inmersión.

4.10.6.

Zonas de un Relleno

ARQUITECTURA INDUSTRIAL En un rellenoCONSTRUCCIÓN pueden distinguirseYvarias zonas, atendiendo a la funciones que deben cumplir nº 38 BLOQUE: MOVIMIENTO DE TIERRAS - TEMA 3 los materiales constituyentes: Cimiento: Se trata del material situado bajo la cota del terreno natural. La profundidad que se debe considerar es variable, pero puede situarse entre la altura del relleno y un tercio de ésta.

Zonas de un relleno

En un relleno pueden distinguirse varias zonas, atendiendo a Arranque: Son las primeras tongadas del relleno, inmediatamente por encima del cimiento (1 a 2 m). En esta zona puede ser necesario tomar medidas especiales relacionadas con la funciones que deben cumplir los materiales constituyentes: la geometr´ıa, si el relleno descansa sobre una ladera, o con los materiales, si se espera la circulaci´ on de agua en el contacto entre el relleno y el cimiento.

 Espaldones: Capas laterales que envuelven al núcleo protegiéndolo de los N´ ucleo: Es la zona central de la sección del relleno, que se extiende entre el cimiento y la agentescoronaci´ externos, especialmente los meteorológicos. on. Su altura es variable puesde depende de la altura del relleno a construir, puede llegar a ser de 30 m o m´ as. Espaldones: Capas laterales que envuelven al n´ ucleo protegiéndolo de los agentes  Coronación: La zona que constituye la parte superior del relleno, externos, especialmente de los meteorológicos. generalmente con un espesor entre 0,5 y 1 m. Su superficie es la Coronaci´ on: La zona que constituye la parte superior del relleno, generalmente con un explanada sobre firme, en sobre el caso obras de en espesor entre la 0,5 que y 1 m.se Su apoya superficie el es la explanada la quede se apoya el firme, el caso de obras de carreteras. carreteras.

Figura 4.38: Zonas de un relleno. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

Master en Ingeniería Industrial

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

4.10. Formaci´ on de Rellenos

97

El art´ıculo 330 del PG-3 especifica las condiciones que deben cumplir los materiales a utilizar en la formaci´ on de las distintas zonas de un relleno tipo terraplén, indicando que no se utilizar´ an suelos inadecuados en ninguna zona del terraplén. En arranque, n´ ucleos y cimientos pueden emplearse suelos tolerables, adecuados o seleccionados, si su ´ındice CBR es superior a 3 y siempre que las condiciones de drenaje o estanqueidad lo permitan. Los n´ ucleos sujetos a inundación se formarán sólo con suelos resistentes a ella, en general, suelos claramente granulares (adecuados o seleccionados), o con materiales de pedraplén o de todouno, sin finos. En los espaldones se dispone el empleo de materiales que cumplan las condiciones deseadas de impermeabilidad, resistencia, masa estabilizadora y protección frente a la erosión. Cuando en el n´ ucleo exista material expansivo, colapsable o con contenido de sulfatos mayor que el 2 %, los espaldones impedir´ an la infiltración de agua hacia el interior del mismo. En la coronaci´ on se utilizar´ an suelos adecuados o seleccionados con ´ındice CBR de valor 5 o superior o bien suelos peores estabilizados con cemento o con cal, siempre que cumplan las condiciones de capacidad de soporte exigidas. En todo caso, se emplearán los mejores materiales disponibles en esta zona del terraplén. En todos los casos, la compactación debe ser tal que se alcance una densidad seca superior o igual al 100 % del ensayo de referencia en coronación y superior o igual al 95 % de dicho valor en el resto de las zonas. En cuanto a las humedades de puesta en obra, éstas deben establecerse teniendo en cuenta: (1) la necesidad de alcanzar la densidad y el grado de saturación exigidos en el PPTP, (2) el comportamiento ante posibles cambios de su humedad (expansividad, colapso, etc.) y (3) la humedad que tiene el material después de excavarlo y transportarlo y antes de ponerlo en obra y la facilidad que presenta su modificación. El PG-3 establece que, salvo justificación en contra, la humedad esté comprendida entre ωopt -2 % y ωopt +1 % del ensayo Proctor de referencia. En el caso de suelos expansivos o colapsables, la humedad se situará en el intervalo ωopt -1 % y ωopt +3 % del ensayo Proctor de referencia.

4.10.7.

Ejecuci´ on de Rellenos

La ejecuci´ on de terraplenes comprende las siguientes tareas: Preparaci´ on de la superficie de apoyo del relleno, que incluye: el despeje y desbroce de la zona; escarificado y compactación del terreno de apoyo y, a veces, la ejecución de una capa de separaci´ on del terreno y el terraplén (capa drenante, geotextiles). Extendido de una tongada, desecación o humectación del material de la misma y compactaci´ on de la tongada. Estas operaciones se repiten cuantas veces sea preciso. Refino de los taludes y explanada.

98

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

4.10.8.

Extensi´ on y Nivelaci´ on

Los suelos que forman un relleno deben extenderse en tongadas regulares de un espesor prefijado. Estos espesores en el caso de terraplenes y presas de tierra son variables que dependen de: El tipo de suelo (granulometr´ıa, % de finos, plasticidad, humedad, etc). El tipo de maquinaria de compactación que se emplee. Del grado de compactaci´ on que se quiere alcanzar. El espesor m´ as adecuado es el que permite alcanzar las especificaciones con un rendimiento máximo en la puesta en obra del material, de forma que el coste por unidad de volumen compactado sea m´ınimo. En la práctica, los espesores id´ oneos de las capas en terraplenes var´ıan entre 0,15 y 0,60 m, aunque excepcionalmente, con suelos granulares que tengan buena compactabilidad y empleando compactadores pesados, pueden alcanzarse espesores de 0,80 m o, incluso, de 1m. En pedraplenes es habitual el extendido de capas de espesor comprendido entre 0,50 y 1m y puede llegarse a espesores de 1,50 m. En todounos el espesor suele fijarse entre el doble y el triple del tama˜ no m´ aximo empleado. Antes de extender una tongada es necesario comprobar que la anterior ha sido bien compactada y que no se encuentra encharcada o saturada de agua. El extendido y nivelaci´ on puede ser realizado directamente por las mototra´ıllas, aunque en muchos casos se emplean para estas operaciones tractores de cadenas. Sin embargo, el trabajo de estos u ´ltimos puede hacerse directamente con la hoja empujadora del compactador y prescindir de los tractores. Además de estos equipos, existe maquinaria especializada para estas labores, como es el caso de la motoniveladora, que permite obtener una precisión del orden del cent´ımetro en el espesor de las capas extendidas o, excepcionalmente, la extendedora.

4.10.8.1.

La Motoniveladora

Sus funciones principales son el extendido de tierras de aportación y la nivelación del terreno. Esto lo hace mediante una hoja que corta, desplaza y deposita las tierras, dándole forma plana. La hoja puede moverse adoptando pr´ acticamente cualquier posición para hacer su trabajo. Debido a su dise˜ no y construcci´ on, realiza las funciones indicadas de forma más rápida, precisa y económica que otras m´ aquinas de movimiento de tierras. Sus aplicaciones habituales son: Extendido y nivelaci´ on de materiales descargados por camiones. Excavaci´ on y conservaci´ on de cunetas en tierras. Perfilado y nivelaci´ on de taludes.

4.10. Formaci´ on de Rellenos

Excavaci´ on de canales de fondo llano en tierras. Mantenimiento y conservaci´ on de pistas en tierras. Refino o acabado de superficies (plataforma y taludes).

Figura 4.39: Partes estructurales de una motoniveladora.

Su equipo de trabajo: Barra de tiro. Corona o c´ırculo. Hoja vertedera.

Figura 4.40: Equipo de trabajo de una motoniveladora.

99

100

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

Barra de tiro. Esta pieza est´ a situada bajo el bastidor y unida por su parte anterior a éste por una articulaci´ on de tipo r´ otula y en su parte posterior mediante dos cilindros hidráulicos llamados brazos de elevaci´ on. Sostiene la corona o c´ırculo dentado que a su vez sujeta a la hoja vertedera. C´ırculo o corona. Est´ a situada por debajo y suspendida por varios puntos de la barra de tiro y lleva un cilindro hidr´ aulico que posibilita su desplazamiento a derecha o izquierda de la máquina. Sujeta a la hoja y hace posible el giro de ésta respecto a un eje vertical. Hoja vertedera. Es el elemento de trabajo de la motoniveladora y suspendida del c´ırculo lleva en su borde de ataque una cuchilla reemplazable. Los elementos descritos hacen posible m´ ultiples movimiento de la hoja.

Figura 4.41: Hoja vertedera de una motoniveladora.

Se denomina: Pie de la hoja: al punto de la hoja más próximo a las ruedas delanteras. Talón de la hoja: al m´ as alejado de dichas ruedas. ´ Angulo de la hoja: al ´ angulo que forma la hoja con el eje longitudinal de la máquina medido desde el pie de la hoja. El giro de la hoja respecto a un eje vertical, que permite fijar el ángulo de la hoja, define el ancho de trabajo y facilita el desplazamiento de los materiales. Se establece en función de la dureza del material a cortar o nivelar.

101

4.10. Formaci´ on de Rellenos

Producci´ on de la motoniveladora: En la realización de distintos tipos de trabajos es necesario que la motoniveladora haga varias pasadas: en prenivelado tres pasadas y en acabado (refino) seis. Si los tramos son cortos, menos de 80 m, resulta más rápido levantar la hoja y dar marcha atrás sin nivelar. Si los tramos son más largos de 80 m, interesa dar la vuelta y nivelar también en el sentido opuesto. La velocidad de nivelaci´ on var´ıa entre 6 y 14 km/h, dependiendo de si es en nivelado o refino. La velocidad de retroceso de 15 a 30 km/h, seg´ un esté plano o con obstáculos. Para calcular la producci´ on en extendido se puede emplear la ecuación: P = l e d fh nciclos /h

(4.44)

Siendo: l: ancho de extendido = longitud de la hoja x seno del ángulo de la hoja. e: espesor de extendido. d: distancia de extendido.

4.10.9. 4.10.9.1.

Compactaci´ on en Obra Aspectos Generales

Todos los materiales empleados en los rellenos deben ser compactados. Este tratamiento empieza por el cimiento, una vez terminado el despeje y desbroce, y debe afectar al menos a los primeros dec´ımetros de esta capa. La compactaci´ on en obra es producida por la acción de máquinas especializadas que, en general, se denominan compactadores. Puesto que los espesores y otros aspectos espec´ıficos de la compactación son variables a determinar de forma que se optimice el rendimiento económico de la obra, es frecuente que se realicen tramos de prueba. La humedad del suelo a la llegada a la zona de relleno deber´ıa ser la oportuna. Su correcci´ on, más sencilla al alza (humectaci´ on) que a la baja (desecación), debe realizarse en el acopio, en donde puede conseguirse un grado mayor de homogeneidad. En su puesta en obra puede hacerse una peque˜ na corrección al alza empleando un cami´ on cisterna para que el material alcance una humedad próxima a la óptima de compactación. Si el suelo llega muy seco, ser´ıa necesario a˜ nadir una gran cantidad de agua, en particular si las capas son de gran espesor, y esto har´ıa muy dif´ıcil conseguir una humedad y grado de compactaci´ on uniformes. Si la humedad natural del suelo es excesiva, esto puede suponer un impedimento para que se alcance la densidad prevista por m´ as que se aumente el n´ umero de pasadas de los compactadores. Si este exceso de humedad se debe a las precipitaciones, puede ser suficiente esperar a su desecación natural, que se puede acelerar mediante escarificado.

102

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

Si se trata, en cambio, de suelos limo-arcillosos con humedades cercanas al l´ımite plástico, el procedimiento anterior no es efectivo, y o bien se prescinde de usarlos o se procede a su estabilización con cal, escorias o cenizas volantes. La compactaci´ on tiene lugar cuando se ha extendido una tongada completa. Se dan sucesivas pasadas de los compactadores hasta que se garantice que se ha alcanzado o superado el valor de densidad seca exigido. Para conseguir una compactaci´ on eficaz tiene mucha importancia lo compactado que esté el material subyacente, pues si el material sobre el que se apoya la tongada está muy poco compactado y tiene un m´ odulo de deformación demasiado bajo, la energ´ıa se disipará por todo el macizo y no contribuir´ a a mejorar la compacidad de la estructura del suelo. Cuando se compacta en obra una capa de material, la densidad que se alcanza no es uniforme en el espesor compactado. Su variaci´ on puede ser la mostrada en la figura, donde se observa que es menor en la superficie y en el fondo que a una cierta profundidad. Puede entenderse que cuanto mayor sea la densidad exigida, menor debe ser el espesor de tongada.

Figura 4.42: Variaci´ on de la densidad seca en un espesor.

Sin embargo, la compactaci´ on de capas sucesivas de espesor adecuado produce un aumento de la compactaci´ on en las zonas de fondo de capa (zona rayada), de modo que el grado de compactación se uniformiza y puede garantizarse con un n´ umero razonable de pasadas que se alcanza el grado de compactaci´ on exigido en toda la altura compactada. Por otra parte, la energ´ıa de compactación que es necesaria para conseguir un cierto grado de compactación o valor de la densidad seca es mayor en campo, curva 2, que en el laboratorio, curva 1. Esto es debido a que en campo no se cuenta con el efecto de confinamiento del molde. Además, se observa que la mejora que se consigue al aumentar la energ´ıa de compactación es cada vez menor, hasta un punto en el que prácticamente no sirve para nada aumentar el n´ umero de pasadas.

Aspectos generales 103

4.10. Formaci´ on de Rellenos

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL BLOQUE: MOVIMIENTO DE TIERRAS - TEMA 3

Aspectos generales

El efecto de la compactación sobre una tongada es una dismin e su altura, dado que sus dimensiones horizontales apenas va s decir, se puede considerar que es una compresión unidimen

Figura 4.43: Densidad seca en función de las energ´ıas utilizadas. En la figura se tendría que al compactar una tongada de mater efecto de la compactaci´ n sobre una tongada en es unatanto disminucióque n de su altura, dado que nchura a susy Eldimensiones su longitud l ono varían, su espesor ini horizontales apenas var´ıan; es decir, se puede considerar que es una compresi´ on En la figura tendr´ ıa que al compactar una tongada material, su anchura asa a ser,unidimensional. por efecto desela compactación, hc.dea ser, a y su longitud l no var´ıan, en tanto que su espesor inicial h pasa por efecto de la l

compactaci´ on, hc . Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

Master en Ingeniería Industrial

Departamento de Ingeniería de la Co y Proyectos de Ingeniería

Figura 4.44: Compactación de una tongada de material.

Departamento de Ingeniería de la C riel Bravo Aranda Master en Ingeniería Industrial Teniendo en cuenta que el proyecto constructivo fija la altura de los rellenos en yperfil, o de Ingenier Proyectos esor Titular de Ingeniería de la Construcción

sea después de la compactaci´ on, conviene conocer la relación entre hc y hl, para extender las tongadas con el espesor adecuado. Se denomina disminuci´ on de espesor a la relación: Se =

hl − hc · 100 hl

(4.45)

La disminuci´ on de espesor depende del tipo de material, método de compactación, etc. Sin embargo, en los materiales granulares, se ha observado que la disminución de espesor es aproximadamente un 20 %, aunque es preciso comprobarlo en cada caso en obra.

bra es muy difícil comunicar la misma energía a todo el men del material y que tenga la humedad óptima en todo os. Es104necesario comunicar al desuelo una energía 4. Movimiento Tierras. Operaciones y Maquinaria por unid men mayor para garantizar las densidades exigidas. Esta 4.10.9.2. Compactaci´ Lado Seco y del Lado H´ umedo ción se refleja enonladelfigura. En obra es muy dif´ıcil comunicar la misma energ´ıa a todo el volumen del material y que tenga la humedad ´ optima en todos sus puntos. Es necesario comunicar al suelo una energ´ıa por unidad de volumen mayor para garantizar las densidades exigidas. Esta situación se refleja en la figura.

Figura 4.45: Compactación del lado seco o h´ umedo.

Aunque existen ventajas e inconvenientes en ambos casos, suele optarse por el lado h´ umedo de Ingeniería de Departamento o Aranda Master en Ingeniería Industrial cuando losConstrucción suelos tienen una elevada humedad en origen, y por el lado seco en los demás casos. y Proyectos de Ingen lar de Ingeniería de la Esto es debido a que: Es más sencillo y r´ apido aumentar la humedad que disminuirla. Del lado seco existe un ahorro de agua (ventaja en climas secos). En suelos normales, el rango admisible de humedades del lado seco es mayor que del lado h´ umedo. En el lado h´ umedo, un exceso no controlado de humedad a˜ nadida puede colocar el suelo fuera de l´ımites. Del lado seco es posible continuar la compactación si se produce una precipitación moderada.

4.10.9.3.

Compactadores y Tipos de Suelos

En la elecci´ on de la maquinaria de compactación para la ejecución de terraplenes, es necesario tener en cuenta: (1) el tipo de suelo a compactar y (2) las condiciones de humedad y meteorológicas que afectan a la capacidad de soporte y a la traficabilidad de las máquinas. El peso de las m´ aquinas es importante y no se utilizarán siempre las más pesadas y de mayor producción teórica. La compactaci´ on de cada tongada se hace desde los extremos hacia el centro. En las zonas adyacentes a los taludes se extienden tongadas más delgadas y se compactan con equipos más ligeros.

105

4.10. Formaci´ on de Rellenos

En cuanto a la compactaci´ on de distintos tipos de suelos, cabe distinguir la de suelos de grano fino y suelos granulares. Los suelos de grano fino, limos y arcillas, son aquellos en los que un 35 % o más pasa por el tamiz de 0,080 mm. Se compactan con espesores máximos de 30 cm. En el caso de las arcillas, si la plasticidad es reducida, los bolos de material arcilloso se pueden romper durante el extendido con los buldóceres, por efecto de su propio peso, o se retiran si son lentejones. Si la plasticidad es relativamente elevada, Ip > 20, son más eficaces los compactadores con rodillos de pata de cabra, cuyo efecto de amasado consigue modificar la estructura del suelo, llevándolo a una configuraci´ on de mayor compacidad. Los suelos excesivamente pl´ asticos son inadecuados seg´ un el PG-3, por ser materiales muy susceptibles a las variaciones de volumen ante cambios en su humedad. CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Sin embargo, una parte de los materiales marginales seg´ un el PG-3 pueden emplearse nº 75en la BLOQUE: MOVIMIENTO DE TIERRAS - TEMA 3 formación de n´ ucleos de terraplenes si una vez estudiados detalladamente, puede garantizarse que es posible su puesta en obra en condiciones de producción razonables y que, adoptando y tipos medidas apropiadas deCompactadores drenaje e impermeabilizaci´ on, la de obrasuelos terminada tendrá resistencia y capacidad de soporte adecuadas y deformaciones admisibles.

Los limos pueden compactarse con compactadores vibratorios de tambor u ńico.

Gabriel Bravo Aranda Figura 4.46: Compactadores de alta velocidad, Master en Ingeniería Industrial Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

pata deDepartamento cabra (pisones). de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

Constan de cuatro tambores con unas protuberancias en su superficie y una hoja extendedora en su parte frontal, que se utiliza para el extendido, haciendo que no sea necesario el uso del buldócer. Después de extendido el material, se dan las pasadas necesarias hasta alcanzar la densidad especificada. De esta forma se tienen dos máquinas en una. Son compactadores que combinan el efecto de amasado producido por las patas, con el de impacto (efecto din´ amico) originado por su alta velocidad, que produce una cierta rotura del material cuando est´ a en forma de bolos.

Compactadores y tipos de suel 106

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

La compactaci´ on se produce de abajo a arriba a medida que se suceden las pasadas. Las velocidades son m´ as lentas en las primeras pasadas y más rápidas en las u ´ltimas. Velocidad media entre 7 y 10 km/h. Los espesores dependen de la altura de las patas, que suele ser como máximo de 20 cm, no debiendo la capa superar mucho este espesor si se quiere obtener una densidad media real del 100 % del PN. Sin embargo, para lograr producciones mayores se extienden también capas de 30 cm, y en este caso deben emplearse los rodillos de mayor peso, que son de 32 t, siendo suficientes unas 6 pasadas.

Figura 4.47: Compactadores vibratorios de pata de cabra.

Gabriel Bravo Aranda

en Ingeniería Industrial Este tipo de rodillos combina de el efecto de la vibración conMaster un mayor impacto, dado que la Profesor Titular de Ingeniería la Construcción superficie de contacto de las cabezas de las patas es aproximadamente un tercio de la del tambor liso, debido a la separaci´ on entre las patas, el impacto es tres veces superior y mejora as´ı la fuerza para vencer los rozamientos internos. Por este motivo interesa que las patas penetren y no se apoye el tambor en la parte lisa, para lo cual el espesor de la capa no debe ser superior a la altura de las patas y aunque esto no pueda conseguirse en la pr´ actica exactamente, al menos deben elegirse los espesores de capa menores posibles, porque entonces mejora mucho la compactación y se necesitan menos pasadas, aumentando la producci´ on. Son recomendables los modelos m´ as pesados con tracción también en el tambor, de peso 16-20 t, alturas de pata de 100-127 mm y espesores de tongada de 20 cm. Estos modelos pueden llevar hoja empujadora, aunque ésta es peque˜ na y en este tipo de máquinas no resulta eficaz, por lo que el extendido debe realizarse con otra máquina, que normalmente es una motoniveladora o el tractor de cadenas. Este u ´ltimo realiza un extendido de estas capas intermedias con una nivelación elemental, que es suficiente, bastando 1-2 pasadas para el extendido y nivelación. Para grandes producciones en compactación de arcilla, una combinación interesante es la formada por un compactador de alta velocidad con pata de cabra, que extiende y realiza las primeras pasadas rompiendo los bolos, y un compactador vibratorio con patas de cabra, que realiza las pasadas posteriores, compactando en profundidad.

Depa

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL BLOQUE: MOVIMIENTO DE TIERRAS - TEMA 3

4.10. Formaci´ on de Rellenos

107

Compactadores y tipos de suelos

En los suelos granulares, se distinguen los suelos sin contenido apreciable de finos (menos del 5 % de tama˜ nos inferiores a 0,080 mm) y los suelos granulares con finos (entre un 5 % y un 35 % de finos).

primeros son suelos contamaño poca cohesión inferior en los que los a compactadores pesados están tienden a en Cuando lasLospartículas de 0,080 mm hundirse, por lo que son preferibles los de menor carga axial, dando las pasadas iniciales sin proporciones entreon de unlos 5gruesos, y un portambi´ ciento, la parte vibración.comprendidas Al aumentar el tama˜ no y proporci´ debe35 aumentar en la carga del compactador. tiene másaxialinfluencia en la humedad y, en consecuencia, la humed Los espesores de tongada aumentan al disminuir los tama˜ nos, llegando en arenas hasta 70 óptima tiene más importancia. cm o más, y la humedad de compactación tiene en estos suelos menos importancia, pues el grado de compactaci´ on es menos sensible a variaciones de la misma. Cuando las part´ıculas de tama˜ no inferior a 0,080 mm están en proporciones comprendidas Los espesores de tongada en los que puede conseguirse una entre un 5 y un 35 por ciento, la parte fina tiene más influencia en la humedad y, en consecuencia, la humedadeficaz optima tiene ´ m´ asreducen importancia. Loscon espesores detanto tongada enpor los queciento puede conseguirse compactación se el de finos. una compactaci´ on eficaz se reducen con el tanto por ciento de finos.

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL BLOQUE: MOVIMIENTO DE TIERRAS - TEMA 3

nº 85

Compactadores y tipos de suelos

Figura 4.48: Husos de espesores seg´ un el % de finos.

Gabriel Bravo Aranda rofesor Titular de Ingeniería de la Construcción

de la Construcción

Master en Ingeniería Industrial

Departamento de Ingeniería de la C y Proyectos de Ingenierí

Figura 4.49: Compactadores vibratorios lisos.

Master en Ingeniería Industrial

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

108

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

Si el material es granular, son adecuados los compactadores vibratorios de tambor liso, llamados también compactadores de suelos, dependiendo el modelo adecuado de las caracter´ısticas del material y espesor de la capa. Al aumentar la densidad con el n´ umero de pasadas, hay que variar la frecuencia bajándola, y si hay varias amplitudes, la u ´ltima pasada debe hacerse con la menor, para conseguir una compactación superficial.

NSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL OQUE: MOVIMIENTO DE TIERRAS - TEMA 3 4.10.9.4. Tramo de Prueba y Determinaci´ on de la Producci´ on

nº 88

La producci´ on se calcula seg´ un:

ueba y Determinación de la Producción

ción

P (m3 /h) =

e(m) L(m) v(m/h) K1 fh N

(4.46)

Donde: e: espesor de la capa después de compactada (en perfil). L: longitud del tambor. K1 : coeficiente de solape. N: n´ umero de pasadas. v: velocidad de trabajo. fh : eficiencia horaria.

Figura 4.50: Gráfica de producción.

Master en Ingeniería Industrial

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

109

4.10. Formaci´ on de Rellenos

El objeto del tramo de pruebas es poner a punto el procedimiento de extendido y compactaci´ on de modo que se consiga el mayor rendimiento económico posible, para lo que puede ser necesario determinar: La humedad necesaria. El n´ umero de pasadas y humedad, cuando el espesor de la capa es fijo. El espesor cuando no se ha fijado en el PPTP. Caracter´ısticas del compactador vibratorio, como frecuencia y amplitud. Comparaci´ on de varios compactadores para determinar el más favorable.

Figura 4.51: Tramo de prueba.

El cálculo de la producci´ on puede hacerse también estudiando un ciclo completo: P =C

60 fa t

(4.47)

Donde: C: ancho x espesor x distancia = l·e·d. t: tiempo del ciclo = no de pasadas x t de cada pasada = N·d/v. Luego: P = led

4.10.10.

v lev fh = fh Nd N

(4.48)

Control de Calidad

Para que sea eficaz, el control de calidad tiene que ser un proceso que cumpla las siguientes condiciones: Relativamente f´ acil de cumplir. Adecuado al fin propuesto.

110

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

Que identifique los defectos a detectar. Que incluya las medidas correctoras necesarias. Que act´ ue a tiempo, de forma que las medidas correctoras afecten a una porción m´ınima del producto. En el caso de la compactaci´ on, pueden controlarse los materiales, el proceso y el producto terminado. Este u ´ltimo es imprescindible, pero si es el u ńico que se realiza se plantean problemas prácticos de plazo y coste. El control de los materiales tiene por objeto comprobar que el material que se va a utilizar cumple las especificaciones tanto en el lugar de origen como en el de empleo, y que no ha habido alteraciones en las operaciones de extracción, carga, transporte y descarga. El control del proceso se basa en la inspección de espesores y anchuras de tongadas, n´ umero de pasadas y las caracter´ısticas del compactador utilizado (tipo, peso, vibración: amplitud y frecuencia). Para ello, deben haberse fijado previamente en tramos de prueba seg´ un las caracter´ısticas del suelo y el tipo de compactador. Este control del proceso es a veces el u ńico posible en la pr´ actica, como es el caso de los todounos, pedraplenes o de suelos con muchas part´ıculas gruesas. El control del producto terminado siempre supone el control de la densidad seca alcanzada, a veces también de la humedad y, en casos especiales de la porosidad. Los ensayos de carga con placa o de huella son especialmente u ´tiles con gravas gruesas. CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL BLOQUE: MOVIMIENTO DE TIERRAS - TEMA 3

nº 96

Por u ´ltimo, ha de llevarse a cabo también un control de la geometr´ıa de la obra, para comprobar que la superficie resultante del terraplén terminado se atiene a los planos de proyecto. Se comprueban las cotas de replanteo del eje, as´ı como la anchura y pendiente transversal. Los ensayos y otras actividades de control se resumen en:

Control de calidad

Figura 4.52: Control de calidad. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

Master en Ingeniería Industrial

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

4.11. Bibliograf´ıa

4.11.

Bibliograf´ıa

Procedimientos Generales de Construcción. Movimiento de Tierras. Juan Tiktin. Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos Canales y Puertos. Construction Planning, Equipment and Methods. Robert L. Peurifoy et al. Mc Graw Hill Manual de Maquinaria de Construcción. Manuel D´ıaz del R´ıo. Mc Graw Hill. Ingenier´ıa de Carreteras. Volumen II. Carlos Kraemer et al. Mc Graw Hill.

111

112

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

MAQUINARIA

4.12.

Conceptos Generales: Producci´ on de una M´ aquina

4.12.1.

Introducci´ on

Este apartado est´ a dedicado a la definición de los conceptos de Producción o Rendimiento de una máquina, indicando los factores de que depende, ciclo de trabajo y tiempo del ciclo, eficiencia horaria y coste de la unidad de obra. El objetivo que se pretende es introducir estos conceptos generales, que afectan a todas las máquinas y equipos, de modo que puedan ser empleados y, en su caso, particularizados para cada tipo de m´ aquina concreto.

4.12.2.

Concepto de Producci´ on y Factores que Influyen

La Producci´ on o Rendimiento de una máquina se define como el n´ umero de unidades de trabajo que realiza en la unidad de tiempo: Producción =

Wunits t

(4.49)

En movimiento de tierras, las unidades de uso más frecuente son: Unidades de trabajo o de obra: el metro c´ ubico o la tonelada. Unidad de tiempo: la hora, aunque también el d´ıa. La producci´ on o rendimiento de una m´ aquina no es una caracter´ıstica intr´ınseca de la misma, sino que depende de ciertos factores que cambian de una obra a otra o, incluso, durante el transcurso de una misma obra: Condiciones de trabajo en la obra: • Naturaleza, disposici´ on y humedad del terreno. • Trazado, pendiente y estado de los accesos. • Clima (visibilidad, pluviometr´ıa, heladas). • Altitud. Organizaci´ on de la obra: Planificación de la obra. Habilidad, experiencia y motivaci´ on del operador. Estado de la m´ aquina.

4.12.3.

Ciclo de Trabajo y Tiempo del Ciclo

Se denomina Ciclo de Trabajo de una máquina a la secuencia de operaciones que realiza repetidamente para poder llevar a cabo su trabajo.

4.12. Conceptos Generales: Producci´ on de una M´ aquina

113

Tiempo del ciclo es el invertido en la realización de un ciclo de trabajo. Puede descomponerse en un tiempo fijo, una parte del mismo cuya duración es relativamente constante, y un tiempo variable. Es importante considerar separadamente la ida y la vuelta, debido al efecto de la carga (vac´ıo a la vuelta) y de la pendiente. En las m´ aquinas de MT el tiempo de un ciclo de trabajo es el tiempo total invertido por la máquina en cargar, trasladarse y/o girar, descargar y volver a la posición inicial: TC = tf ijo + tvariable + [tespera ]

(4.50)

Donde el tiempo fijo representa la carga, descarga, maniobras..., mientras que el tiempo variable representa los desplazamientos (ida y vuelta). Para la duraci´ on del ciclo de trabajo suele tomarse un valor medio, que ser´ıa el obtenido de la medici´ on de un n´ umero grande de ciclos de trabajo, para poder tener en cuenta el posible cambio en las condiciones de trabajo.

4.12.4.

Ecuaci´ on de la Producci´ on

Si se conoce la capacidad de una máquina, en términos del volumen o peso que carga, y se ha estimado el tiempo del ciclo de trabajo, su producción vendrá dada por la ecuación: P =C

nciclos t

(4.51)

Donde: P es la producci´ on. C es la capacidad (t o m3 / ciclo). t es el tiempo (h).

4.12.5.

Eficiencia Horaria

Se denomina producci´ on ´ optima o máxima, Pop , a la que podr´ıa alcanzarse trabajando sin interrupci´ on los 60 minutos de cada hora. En la pr´ actica, resulta imposible conseguir de forma mantenida ese valor, debido a que algunos de los factores de los que depende la producción originan paradas o retrasos que reducen el valor de la misma. Concretamente, la organizaci´ on de la obra, el mantenimiento y reparación de las máquinas y los factores asociados al operador, incluidos los incentivos a la producción, se traducen en paradas o retrasos que pueden tenerse en cuenta a través de la eficiencia horaria. Los valores normales de fh que se utilizan en las estimaciones de producción son de 45 o 50 minutos trabajados a la hora, que corresponden, respectivamente, a 0,75 y 0,83.

114

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

Si la obra est´ a bien organizada, las condiciones de trabajo son buenas y se dan incentivos a la producción, los valores de la eficiencia horaria serán altos, pero resulta muy dif´ıcil que se alcancen valores superiores a 0,90. Por otro lado, en condiciones adversas de trabajo y de mala organización, el valor puede llegar a ser tan bajo como 0,50 o menores. Si tomamos en consideraci´ on la eficiencia horaria, la producción normal o simplemente

CIÓN Y ARQUITECTURA producción, P, puede INDUSTRIAL expresarse como el producto: ierras – Maquinaria de Movimiento de Tierras

nº 18

P = Pop fh

(4.52)

Tambi´ es de inter´ es tener en cuenta el origen de las pérdidas de tiempo en el uso de una ibilidad deenuna Máquina máquina. En principio, el n´ umero de horas anuales de trabajo de una máquina (sin traslados ni esperas) ser´ıa de:

uperar las 1.600 horas semanas horas de uso, debido horas 52

a˜ no

40

semana

− 8 fiestas oficiales 8

dia

= 2016 horas

(4.53)

En la práctica es dif´ıcil superar las 1.600 horas de uso, debido principalmente a:

máquina

Aver´ıas de la m´ aquina. Mantenimiento o conservaci´ on.

Condiciones atmosféricas locales. o o conservación La Figura 4.53 recoge algunos de los conceptos que son com´ unmente origen de pérdidas de tiempo, as´ı como ejemplos de sus valores en condiciones medias, expresados como porcentajes del total. No es normal que concurran todos estos factores.

tmosféricas locales

los conceptos n de pérdidas os de sus valores presados como normal que ores. Figura 4.53: Factores de disponibilidad de una máquina.

Ingeniería de la Construcción Se llama disponibilidad de unaDepartamento m´ aquina al de cociente: MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL y Proyectos de Ingeniería ttrabajo D= ttrabajo + trecuperaciones

(4.54)

El cap´ıtulo de aver´ıas puede llegar a ser importante y para reducirlo es preciso prestar atención a:

115

4.13. Clasificaci´ on de las M´ aquinas

Fiabilidad de la m´ aquina. Disponibilidad y rapidez en repuestos y atención del suministrador. Cuidados y mantenimiento a cargo del propietario. Habilidad del operador. Dureza del trabajo (material, accesos).

4.12.6.

Coste de la Unidad de Obra

La selecci´ on de la m´ aquina o m´ aquinas a emplear en una obra debe estar basada en conseguir una optimizaci´ on econ´ omica en el uso de los recursos; es decir, se trata de encontrar la mejor relación entre producci´ on y gastos asociados o, lo que es lo mismo, el costo más bajo posible por unidad de obra (p. ej., unidad de material removido). El coste horario de una m´ aquina puede determinarse como la suma de varios términos: Divisi´ on del coste de adquisición entre el periodo de amortización Intereses del capital pendiente de amortización Gastos de mantenimiento y reparaciones estimado durante dicho periodo Gasto en consumo de combustible y neumáticos Mano de obra de los operarios, etc. Con todos estos costes puede obtenerse como resultado el coste en Euros/hora. Es necesario tener la precauci´ on de actualizar este valor si el periodo de amortización es largo. Una vez conocido el coste horario de la máquina y calculada la producción de la misma, es fácil estimar el coste de producci´ on: Cprod =

Chorario P

(4.55)

Como vemos las dimensiones de la fórmula anterior son: e = unidad de obra

4.13.

e hora unidad de obra hora

(4.56)

Clasificaci´ on de las M´ aquinas

Atendiendo a las operaciones b´ asicas que realizan las máquinas de Movimiento de Tierras pueden clasificarse en los tipos: Tractor de cadenas (buld´ ocer): excavación, acarreo y extendido. Excavadoras hidr´ aulicas (de pala frontal y retroexcavadoras): excavación y carga. Excavadoras de cables (Dragalinas, cuchara bivalva, etc): excavación y dragado en terrenos encharcados desde la orilla.

116

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

Tra´ıllas: excavaci´ on, carga, acarreo, descarga y extendido. Cargadoras: carga y excavaci´ on f´ acil. Camiones y d´ umperes: acarreo o transporte. Motoniveladoras: extendido, nivelación y terminación. Compactadoras: compactaci´ on. Máquinas especiales: • Topos y tuneladoras: excavación de t´ uneles y galer´ıas. • Zanjadoras: excavaci´ on de zanjas. • Dragas (y bombas de succi´ on, etc): excavación subacuática, etc. Atendiendo a si se trasladan o no mientras excavan, las máquinas de excavación pueden clasificarse en: Máquinas que excavan al tiempo que se desplazan: son máquinas que excavan al desplazarse, realizando excavaciones superficiales. A este grupo pertenecen los buldóceres (hoja frontal), tra´ıllas, motoniveladoras. Máquinas que excavan sin desplazarse: son máquinas que excavan manteniéndose en posición fija. Cuando el frente de excavación sale de su alcance, la máquina se traslada a una nueva posici´ on, pero no excava durante el traslado. A este grupo pertenecen las excavadoras hidr´ aulicas y la excavadoras de cables.

4.14.

Selecci´ on de M´ aquinas

La selección de los equipos a emplear debe hacerse teniendo en cuenta los siguientes criterios: Aptitud: que sea adecuado para el trabajo a realizar en las condiciones de la obra (del terreno, pendientes, espacio para giros, etc). Producci´ on: que permita cumplir la producción requerida (m3 /h o t/h). Econom´ıa: que permita obtener la producción con el menor coste unitario (e/m3 ). Buen acoplamiento: factor de acoplamiento igual o próximo a la unidad. Fiabilidad: fiabilidad de los equipos y servicios postventa asegurados. Organizaci´ on de la obra: que permita una fácil y poco costosa organización de la obra.

4.15.

Buld´ oceres

4.15.1.

Descripci´ on General

Un dócer es un tractor o unidad tractora que lleva una hoja de empuje en su parte delantera para excavar y empujar materiales de un sitio a otro. Los dóceres no tienen una capacidad volumétrica definida o fija. La cantidad de material que mueven será aquella que permanezca delante de la hoja al final de su recorrido en empuje.

4.15. Buld´ oceres

117

Los d´ oceres pesados de cadenas equipados con desgarradores o escarificadores se utilizan para desgarrar rocas que no sean duras y tierras muy compactas debido a la potencia y fuerza de tracción que pueden desplegar. Los dóceres son tractores o m´ aquinas especialmente dise˜ nadas para llevar a cabo operaciones que requieran acciones de empuje o de tiro. En general, los d´ oceres son m´ aquinas de excavación y empuje, que también se utilizan en extendido de materiales y como equipos auxiliares de otros equipos. Para los desplazamientos entre obras o largos trayectos dentro de una obra, los dóceres han de ser transportados. El traslado por sus propios medios, debido a las muy bajas velocidades que pueden alcanzar, produce un desgaste de las pistas que reduce la vida u ´til de la máquina.

4.15.2.

Tipos de Buld´ oceres

Atendiendo al sistema que permite su desplazamiento, existen dos tipos: 1. Tractores sobre ruedas o neumáticos. 2. Tractores sobre cadenas o sobre orugas. Tanto los tractores sobre cadenas como sobre neumáticos se clasifican por su potencia y peso (que incluye el peso de equipamientos, combustible y operador).

4.15.2.1.

Tractores sobre Ruedas

En general, los tractores sobre ruedas o neumáticos tienen las siguientes caracter´ısticas: Velocidades de desplazamiento mayores (hasta 60 km/h). Presiones transmitidas al terreno mayores (de 3,5 Kg/cm2 ). Fuerzas de empuje o de tiro inferiores (de hasta 82000 kg).

4.15.2.2.

Tractores sobre Cadenas

En general, los tractores sobre cadenas tienen las siguientes caracter´ısticas: Velocidades de desplazamiento menores (hasta 15 km/h). Presiones transmitidas al terreno peque˜ nas (de 0,4 a 0,8 Kg/cm2 ) o incluso menores en los LGP. Fuerzas de empuje o de tiro mayores (de hasta 110000 Kg). Buena adherencia al terreno (terrenos accidentados o en pendiente; pueden operar en pendientes de hasta 45o ). Capacidad de maniobra en espacios reducidos y dif´ıciles.

118

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

En terrenos blandos o rocosos dan mejores resultados los tractores sobre orugas que sobre neumáticos. En los terrenos blandos o con agua, que tienen poca capacidad de soporte, los tractores de orugas, por su gran superficie de apoyo, transmiten al terreno presiones bajas, de modo que la máquina no se hunde. En los terrenos rocosos, accidentados o con cierta pendiente, los tractores de cadenas presentan mejor comportamiento frente al deslizamiento y desarrollan mayor tracción (se considera el peso total como peso de tracción).

4.15.3.

Aplicaciones

Con hoja frontal se emplean para realizar excavaciones superficiales, empujando el material excavado a distancias peque˜ nas, normalmente hasta unos 20-30 metros y como máximo hasta unos 90 m. Son aplicaciones t´ıpicas: Explanaciones en carreteras, aeropuertos, etc. Limpieza de monteras y de pie de canteras después de la voladura. Limpieza y desbroce de terrenos. Extendido de tierras en formaci´ on de terraplenes. Extendido de materiales en pedraplenes. Abrir pistas en monta˜ na o terreno rocoso. Asistir a las tra´ıllas en la fase de carga (tractor de empuje). Con escarificador (ripper) para desgarrar la roca y preparar el terreno para su posterior arranque mediante la hoja CONSTRUCCIÓN de empuje. Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Movimiento de Tierras – Maquinaria de Movimiento de Tierras

4.15.4.

Partes Estructurales Partes

nº 39

estructurales

Figura 4.54: Partes estructurales de una máquina. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

119

4.15. Buld´ oceres

4.15.5.

Equipos de Trabajo

Aunque existen otros elementos, dos son los equipos básicos de trabajo de los dóceres: Hoja de empuje, situada en la parte delantera del tractor y unida a éste con elementos que permiten distintos movimientos de la hoja. Escarificador (ripper), también llamado desgarrador, está formado por un bastidor situado en la parte posterior del tractor, en el cual van montados uno, dos o tres vástagos con dientes.

4.15.5.1.

Tipos de Hojas de Empuje

Pueden acoplarse varios tipos de hojas seg´ un el trabajo que se pretenda realizar. Las hojas más usadas son: Hoja universal o en “U”. Sus extremos forman 25o con el plano de la hoja, lo que disminuye los derrames laterales de material. Es la hoja de mayor capacidad. º 42 Hoja recta, de menor tama˜ no, carece de extremos en ángulo, lo que le resta capacidad. Producen mejores resultados cuando se trata de excavar terrenos dif´ıciles o roca. Hoja semiuniversal, con forma y prestaciones intermedias.

Figura 4.55: Partes estructurales de una máquina.

4.15.5.2.

Escarificador

Formado por un bastidor situado en la parte trasera del tractor, en el que van montados 1, 2 ó 3 dientes, de modo que puede regularse su longitud. Mediante cilindros hidr´ aulicos que act´ uan sobre el bastidor, estos dientes descienden clavándose en el terreno y al ser arrastrados por el tractor producen surcos profundos, desgarrando y aflojando el terreno cuando éste es demasiado duro o cohesivo para ser removido u ńicamente con la hoja frontal. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Movimiento de Tierras – Maquinaria de Movimiento de Tierras

120

nº 45

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

Equipos de Trabajo: Escarificador

Profundidad del diente al comienzo de una pasada.

Profundidad del diente durante la pasada.

Figura 4.56: Escarificador. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

4.15.6.

MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

Ciclo de Trabajo como Equipo de Empuje

TRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL nº 46 de excavación y ciclo de trabajo tractor operando con la hoja de empuje como equipo o de Tierras –ElMaquinaria dedel Movimiento de Tierras acarreo consta de tres fases: 1a Fase: Excavaci´ on o arranque. El operador baja la hoja hasta que ésta se clava en el terreno. El tractor avanza en 1a velocidad, disminuyendo su velocidad y aumentando su empuje (velocidad de 2,5 a 3 Km/h).

Trabajo como Equipo de Empuje

2a Fase: Acarreo y apilado. El operador levanta la hoja y contin´ ua avanzando para acarrear el material empuj´ andolo sin excavar. Después del acarreo, apila el material para su carga posterior por la cargadora.

del tractor operando con la hoja de empuje cavación 3yFase: acarreo consta de tres fases: Retorno. El tractor se detiene, invierte La marcha y retrocede a mayor velocidad a

con la hoja levantada para comenzar un nuevo ciclo.

que. El operador clava en el 1ª velocidad, aumentando su Km/h).

El operador nzando para olo sin excavar. material para adora.

e detiene, invierte or velocidad con zar un nuevo ciclo.

ción

Figura 4.57: Fases del trabajo con hoja empujadora.

MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Movimiento de Tierras – Maquinaria de Movimiento de Tierras 121

4.15. Buld´ oceres

Capacidad de la Hoja de Empuje

4.15.7. Capacidad de la Hoja de Empuje La capacidad de la hoja de empuje no se puede determina La capacidad voluméde trica forma de la hoja puede estimarse porpuesto varios métodos: exactamente analítica, que la forma y dimensiones del montón irregular que se forma delante de 1. Mediciones del fabricante. 2. Experiencia previa (paraademás material, equipo de trabajo similares). y tipo, del misma depende, dey condiciones sus dimensiones 3. Medidas realizadas en campo. material y de sus condiciones de humedad, etc. La capacidad de la hoja de empuje no se puede determinar exactamente de forma anal´ıtica, puesto que la forma y dimensiones del montón irregular que se forma delante de la misma depende, adem´ as de sus dimensiones y tipo, del material y de susYcondiciones de humedad,INDUSTRIAL etc. CONSTRUCCIÓN ARQUITECTURA

Teóricamente, el montón puede asimilarse a una cuña, lo – Maquinaria de Tier oricamente, mont´ on puedeMovimiento asimilarse a de unaTierras cu˜ na, lo que da lugardealMovimiento siguiente da Te´ lugar al elsiguiente planteamiento: planteamiento:

𝐻 1 Capacidad la Hoja𝑤 de = Empuj 𝑉𝐸 = ∙ 𝐻 ∙de 𝑤 ∙ 𝐿;

2 H 1 1 VE = HwL; con: w = → VE = LH 2 2 tan α 2 tan α

tan 𝛼

(4.57)

Los valores de capacidad1 que se obtienen por e Donde L es el ancho 𝑉𝐸de=la hoja y H es∙la𝐿 altura ∙ 𝐻2 de la hoja.L : ancho de la hoj tienen alcance teórico,2puesto que enHla práctic ∙ tan 𝛼 : altura de la hoj montón que se forma delante de la hoja puede Los valores de capacidad que se obtienen por este método sólo tienen alcance teórico, puesto que en la que pr´ actica la forma del montón en que sela forma delante de la hoja puede asemejarse a las aparecen figuras: MÁSTER siguientes INGENIERÍA INDUSTRIAL que aparecen en la siguiente figura:

Departamento de Ingeniería de la C y Proyectos de Ingenier

Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

Sin embarg anterior tien sido adopta para estima hoja, que v expresión:

𝐶= Figura 4.58: Tipos de montones delante de la hoja empujadora. Gabriel Bravo Aranda

MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL

ProfesorlaTitular de Ingeniería la Construcción Sin embargo, u ´ltima ecuaci´ on deanterior tiene una forma que ha sido adoptada por la normativa para estimar la capacidad de la hoja, que vendrá dada por la expresión:

C = KLH 2

(4.58)

Departa

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Movimiento de Tierras – Maquinaria de Movimiento de Tierras

nº 50

Capacidad4.de la HojadedeTierras. Empuje Movimiento Operaciones y Maquinaria

122

En las tablas siguientes se recogen las características de varios modelos de tractores de distintos fabricantes con las En las tablas siguientes se recogen las caracter´ısticas de varios modelos de tractores de capacidades delassus hojas.de sus hojas. distintos fabricantes con capacidades

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Movimiento de Tierras – Maquinaria de Movimiento de Tie

Capacidad de la Hoja de Empu Figura 4.59: Hoja de caracter´ısticas de varios fabricantes.

El procedimiento de medida de la capacidad vo El procedimiento de medida de la capacidad volumétrica de la hoja en campo es el siguiente: hoja en campo es el siguiente: Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL

1. Obtener una carga normal de la hoja: el dócer empuja una carga normal a una zona 1. yObtener unala carga normal de la hoja: el dócer nivelada; se detiene mientras eleva hoja, se mueve ligeramente hacia adelante paraempuja una c crear un mont´ on simézona trico, invierte la marcha se aparta.y mientras eleva la hoja, se muev nivelada; se ydetiene 2. Medida de: las alturas del mont´ onpara en el borde de cada oruga, H1 y H2 ,invierte de los adelante crearinterior un montón simétrico, anchos del mont´ on en los mismos sitios, W1 y W2 y de la mayor longitud del montón, L.

la marcha

3. La capacidad 2. en metros c´ ubicos de: esponjados estimarse del como:montón Medida (2.1)puede las alturas

Donde W =

W1 +W2 , 2

en el borde interior d (2.2) de los anchos del C= 0, 0138HW L montón en los mismos (4.59)sitios, W1 y W longitud del montón, L. H +H yH=

1

2

2

VISTA EN PLANTA

.

VISTA EN ALZADO

H1 W1

W2

3.

La capacidad en me puede estimarse co

𝐶 = 0,0138

H2

Donde:

𝑊= Figura 4.60: Huella de las cadenas.

4.15.8.

Gabriel Bravo Aranda Profesor de Ingeniería Producci´ onTitular del Buld´ ocer de la Construcción

𝑊1 + 𝑊2 2

MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL

La producci´ on del buld´ ocer operando como máquina de excavación con la hoja de empuje, depende fundamentalmente de su potencia y de la distancia de empuje, que es la suma de las distancias de excavaci´ on y acarreo.

y

Depar

123

4.15. Buld´ oceres

Puede estimarse mediante dos procedimientos: Utilizando las gr´ aficas de producción máxima teórica que proporcionan los fabricantes CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL para los distintos modelos de tractores. nº 55 Movimiento de Tierras – Maquinaria de Movimiento de Tierras A través del método general, que pasa por estimar el tiempo del ciclo y aplicar la fórmula general de la producci´ on.

Gráficas de producción máxima teórica

Representan abscisas la distancia de empuje y en 4.15.8.1. Gr´ aficas deen Producci´ on M´ axima Te´ orica 3 ordenadas la producción en m /h de material suelto. Cada Representan en abscisas la distancia de empuje y en ordenadas la producción en m3 /h de gráfica recogeafica lasrecoge curvas de varios modelos operando con un material suelto. Cada gr´ las curvas de varios modelos operando con un tipo de hoja tipo decomo hoja determinado, como puede verse en la figura. determinado, puede verse:

Figura 4.61: Gráficas de producción máxima teórica. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

Los valores de producci´ on obtenidos de estas gráficas corresponden a la situación ideal siguiente: Utilizaci´ on 60 minutos cada hora. Habilidad y motivaci´ on del operador buenas. Material sin dificultades de excavación y empuje. Terreno horizontal. No se utilizan técnicas que reduzcan los derrames laterales. Como estas condiciones no tienen por qué darse, es preciso corregir la producción te´ orica obtenida de la gr´ afica aplicando los siguientes factores: fh : factor de eficiencia horaria. f0 : factor de habilidad y motivación del operador. fu : factor de llenado de la hoja (blade factor). fp : factor de pendiente del terreno. fm : factor del método de trabajo.

producción real, Pr, se obtiene como el oducción teórica obtenida de la gráfica y de los 124 4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria ndientes a la situación actual: De modo que la producci´ on real, Pr , se obtiene como el producto de la producción teórica obtenida de la gr´ afica y de los factores correspondientes a la situación actual:

= 𝑃 ∙ 𝑓ℎ ∙ 𝑓𝑜 ∙ 𝑓𝑙𝑙 ∙ 𝑓𝑝 ∙ 𝑓𝑚

Pr = P fh f0 fu fp fm

(4.60)

Los distintos factores pueden obtenerse: ÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL rras – Maquinaria de Movimiento de Tierras

nº 59

vación del seCONSTRUCCIÓN de la Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL

producción máxima teórica

nº 59

ovimiento de Tierras – Maquinaria de Movimiento de Tierras

Figura 4.62: Factor de habilidad y motivación f . áficas de producción máxima teórica

trucción

0

MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL

, ente: de la hoja , 𝑓𝑙𝑙 ,

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

e la tabla siguiente:

Figura 4.63: Factor de llenado de la hoja fu .

ente, 𝑓𝑝 , puede ráfica siguiente:

e e:

la Construcción

MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

Figura 4.64: Factor de pendiente del terreno fp .

MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

125

4.15. Buld´ oceres

4.15.8.2.

M´ etodo General

La producci´ on del buld´ ocer se eval´ ua mediante la fórmula general de la producción, para lo que es necesario tener en cuenta lo siguiente: La producci´ on por ciclo es la correspondiente a la capacidad de la hoja, que de no disponer de datos m´ as precisos, obtenidos de la experiencia registrada con terrenos similares o con medidas en campo, se puede estimar como se ha explicado anteriormente: (C = VE = KLH 2 ). El tiempo del ciclo se estima teniendo en cuenta los tiempos fijos y las velocidades y distancias a recorrer en cada fase.

4.15.8.3.

T´ ecnicas de Excavaci´ on y Empuje

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Movimiento de Tierras – Maquinaria de Movimiento de Tierras

nº 61

El empleo de dos o m´ as buld´ oceres operando en paralelo evita que se pierda material por el espacio entre m´ aquinas y produce un montón de superior altura, que tiene un volumen mayor Técnicas de excavación y empuje del Producción doble del obtenidodel por Buldócer: uno solo.

Figura 4.65: Método en paralelo.

El empleo de dos o más 4.15.9. Escarificaci´ on buldóceres operando en paralelo evita que se pierda material por el espacio entre 4.15.9.1. Introducci´ on máquinas y produce un montón de superior altura, que tiene un volumen Las excavaciones entendiendo como tales las que se realizan al nivel de la mayor del doble delsuperficiales, obtenido por uno superficie del terreno y afectan a una capa de espesor limitado de la misma, pueden llevarse a solo. cabo con buld´ oceres o con tra´ıllas.

Ambos equipos pueden excavar sin necesidad de escarificado previo cuando se trata de Departamento de Ingeniería de la Construcción Gabrielen Bravo Aranda tierras general. Sin embargo, u ńicamente los tractores de cadenas pesados, equipados con MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL y Proyectos de Ingeniería Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción escarificadores, pueden emplearse para desgarrar terrenos de tránsito, debido a la potencia y fuerza de tracci´ on que pueden desplegar. Los terrenos de tr´ ansito comprenden los formados por rocas blandas o descompuestas, tierras muy compactas y, en general, aquellos terrenos en los que el escarificado sea un procedimiento de excavaci´ on eficaz y econ´ omico frente al de voladura con explosivos. Aunque los terrenos rocosos se han escarificado con mayor o menor éxito desde hace muchos a˜ nos, el desarrollo habido en los métodos y equipos ha ampliado considerablemente el rango de materiales que pueden escarificarse económicamente.

126

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

Terrenos rocosos que se consideraban imposibles de escarificar no hace muchos a˜ nos se escarifican en la actualidad con relativa facilidad y con un ahorro en costes – incluido el escarificado y acarreo con tra´ıllas – que puede ser de hasta un 50 %, comparado con los costes de barrenado, voladura, carga con cargadoras y acarreo con camiones. Los principales avances que han permitido este aumento de la capacidad de escarificado son: Tractores m´ as pesados y potentes. Mejoras en el tama˜ no y prestaciones de los escarificadores, que incluye el desarrollo de escarificadores de impacto. Mejores instrumentos para determinar la escarificabilidad del terreno. Mejores técnicas en el uso de equipos e instrumentos.

4.15.9.2.

Escarificabilidad de un Terreno

Cuando en una obra es necesario excavar un terreno rocoso, es preciso considerar en primer lugar la posibilidad de escarificar. La escarificabilidad de un terreno rocoso depende de diversos factores que incluyen el estudio del tipo de roca y su densidad, as´ı como de las condiciones de la formación rocosa. Las rocas ´ıgneas, como los granitos y basaltos, son normalmente imposibles de escarificar, pues son muy duras y no presentan estratificación ni otros planos de debilidad. Las rocas sedimentarias tienen una estructura laminada, que tiene su origen en su proceso de formación, y son muy fácilmente escarificadas. Las rocas metamórficas son más o menos escarificables en función de su estratificaci´ on y grado de laminación. Las caracter´ısticas que facilitan la escarificación de la roca son: Fracturas, fallas y juntas, que act´ uan como planos de debilidad. Meteorizaci´ on o grado de alteraci´ on. Baja resistencia a compresi´ on y tracción. Alto grado de estratificaci´ on y laminación. Tama˜ no de grano grueso. Puesto que la velocidad de propagación de ondas s´ısmicas a través de la masa rocosa es una medida de la menor o mayor presencia de las caracter´ısticas enumeradas, ésta velocidad se emplea como un ´ındice de la escarificabilidad del terreno. Es posible emplear métodos geof´ısicos de la s´ısmica de refracción para obtener las velocidades de propagación y, en definitiva, determinar con una precisión razonable si el terreno rocoso es escarificable.

127

4.15. Buld´ oceres

La relaci´ on entre velocidad s´ısmica y escarificabilidad del terreno se resume en la siguiente tabla: Tabla 4.2: Escarificabilidad de un terreno

Velocidad s´ısmica V < 1000 m/s 1000 m/s ≤ V < 2000 m/s 2000 m/s ≤ V < 3000m/s ≥ 3000 m/s

Clasificaci´ on Tierra Tránsito Marginal Roca

M´ etodo excavaci´ on Convencional Escarificado Escarificado/voladura Voladura

La determinaci´ on de velocidades s´ısmicas deben ir seguidas de pruebas de escarificado, ya que la producci´ on puede variar en la proporción de 1 a 2 para una misma velocidad s´ısmica. Teniendo en cuenta que en los trabajos de escarificado los tractores sufren mucho, interesa utilizarlos s´ olo cuando la producci´ on es importante o hay problemas ambientales. En terrenos marginales, el l´ımite de producción en condiciones de rentabilidad económica puede situarse en los 200 m3 /h. Si no se superan, debe recurrirse a la voladura, aunque puede escarificarse si los vol´ umenes no so importantes. CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL

Movimiento de Tierras – Maquinaria de Movimiento de Tierras Si aparecen alternativamente rocas no escarificables y otras que s´ı lo son, no interesa utilizar el buldócer para escarificar y es m´ as rentable la voladura; es decir, el trabajo de escarificado requiere continuidad y ha de ser sistemático (esto es una regla general en obra civil).

nº 71

Escarificabilidad de un terreno

En escarificado se emplean los mayores tractores disponibles, que son los de mayor producción, menos desgaste y aver´ıas. El m´ınimo se sit´ ua en torno a las 45 toneladas de peso.

Los fabricantes proporcionan para cada modelo de tractor una tabla que recoge las posibilidades uso en defunción deltabla tipoquederecoge roca Los fabricantes proporcionan parade cada modelo tractor una las y de posibilidades de uso en funci´ la velocidad sísmica on del tipo de roca y de la velocidad s´ısmica:

Figura 4.66: Tabla Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

de escarificabilidad proporcionada por el Departamento fabricante. de Ingeniería de la Construcción MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL

y Proyectos de Ingeniería

128

4.15.9.3.

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL nº 72 Movimiento de Tierras4. – Maquinaria de Movimiento Tierras Movimiento de Tierras.deOperaciones y Maquinaria

Producción en escarificado

Producci´ on en Escarificado

La producción depende de la velocidad sísmica del terreno que se va La producci´ on depende de la velocidad s´ısmica del terreno que se va a escarificar y de a escarificar y de la potencia y peso del tractor que se emplea. Varía la potencia y peso del tractor que se emplea. Var´ıa además en cada caso con las condiciones además cada ocaso con las condiciones concretas de la formación. concretas deen la formaci´ n.

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Movimiento de Tierras – Maquinaria de Movimiento de Tierras

nº 73

Trabajo Combinado de Escarificado y Empuje Consiste en que en unaFigura parte del tiempo el tractor escarifica de forma 4.67: Producción en escarificado. INGENIERÍA INDUSTRIAL continua y, cuando ya tieneMÁSTER el material escarificado, se dedica a empujarlo como buldócer. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

4.15.9.4.

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

Trabajo Combinado de Escarificado y Empuje

La producción en escarificado y empuje puede calcularse estimando Consiste en que en una parte del tiempo el tractor escarifica de forma continua y, cuando ya el tiempo del ciclo por else procedimiento Las ovelocidades tiene el material escarificado, dedica a empujarlo como general. buldócer. La producci´ n en escarificado y empuje puede calcularse estimando el tiempo del ciclo por el procedimiento general. Las habituales en estos trabajos se recogen en la tabla velocidades habituales en estos trabajos se recogen:

Figura 4.68: Velocidades en el trabajo combinado de escarificación y empuje. Departamento de Ingeniería de la Construcción Gabriel Bravo Aranda MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL de Ingeniería Profesor Titular Las de Ingeniería de la Construcción velocidades de trabajo y retroceso dependen de la velocidad s´ısmicay Proyectos y distancia del

recorrido (usualmente no inferiores a 30 m). Las velocidades de trabajo disminuyen con la velocidad s´ısmica y aumentan con la distancia.

129

4.16. Tra´ıllas

Un problema t´ıpico consiste en determinar la fracción de un determinado tiempo t, por ejemplo una hora, que tiene que dedicar el tractor a cada una de las dos labores, escarificado y empuje. Sean: Pb la producci´ on horaria del tractor como empujador. Pe la producci´ on horaria del tractor como escarificador. tb y te los tiempos dedicados a empuje y escarificado cada hora de trabajo. X la producci´ on en empuje y escarificado, que debe ser el mismo valor. Se tiene que cumplir: te + tp = 1

(4.61)

X = Pe te

(4.62)

X = Pb tb

(4.63)

De donde: Pe Pb + Pe Pb te = Pb + Pe tb =

X = t e Pe =

Pb Pe Pb + Pe

(4.64) (4.65) (4.66)

Obsérvese que si Pe > Pb , entonces te < tb .

4.16.

Tra´ıllas

4.16.1.

Introducci´ on

Las tra´ıllas son m´ aquinas de movimiento de tierras que están dise˜ nadas para realizar funciones de arranque, carga, acarreo, descarga y extendido en capas uniformes de suelos, como arenas, arcillas, tierras en general e incluso zahorras, as´ı como de rocas previamente escarificadas. Las tra´ıllas son econ´ omicas en un rango amplio de distancias de acarreo, preferiblemente entre 150 y unos 1000 metros, si bien en los equipos mayores las distancias económicas de transporte pueden alcanzar unos 1600 metros. Puesto que las tra´ıllas son una solución de compromiso entre las máquinas exclusivamente dise˜ nadas para excavar y cargar y las máquinas de transporte, no son superiores a esos equipos en sus funciones respectivas. Las excavadoras son superiores en cuanto a rendimiento en carga. Los camiones y d´ umperes pueden alcanzar velocidades mayores y son superiores económicamente a las tra´ıllas en el transporte de materiales, especialmente en distancias grandes. Sin embargo, para el rango de distancias indicado, tener máquinas que son capaces de realizar por s´ı mismas las funciones de varios equipos hace que su uso sea ventajoso en muchas obras.

130

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

4.16.2.

Tipos de Tra´ıllas

Atendiendo a si pueden moverse por s´ı solas o no, existen dos tipos:

ECTURA INDUSTRIAL 1. Autopropulsadas, que se denominan mototra´ıllas, que a su vez pueden ser: 82motor en la unidad de tracción. ia de Movimiento de Tierras con tracción delantera y unnºsolo Convencionales, CONSTRUCCIÓN ARQUITECTURA INDUSTRIAL Tracci´ on total, Ycon dos motores, uno delantero y otro en la parte de atrás, y tracci´ n a los dos ejes. Movimiento de oTierras – Maquinaria de Movimiento de Tierras

nº 83

2. Remolcadas por tractores de cadenas, adecuadas para distancias cortas.

totraíllas ÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Tipos de Mototraíllas Seg´ un el n´ umero de motores:

rras – Maquinaria de Movimiento de Tierras

nº 84

De dos motores.

os de Mototraíllas

(a) Convencionales, con un solo motor.

(b) De dos motores.

paletas (c) Con elevador de paletas.

Figura 4.69: Tipos de mototra´ıllas atendiendo al n´ umero de motores.

4.16.3.

Aplicaciones

Entre las aplicaciones habituales de las tra´ıllas están: Carreteras: compensaci´ on de vol´ umenes en la traza. Aeropuertos, Pol´ıgonos: explanaciones. Obras Hidr´ aulicas: excavaci´ on de canales, presas de tierra.

vo Aranda ular de Ingeniería de la Construcción

RÍA INDUSTRIAL

MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

Departamento de Ingeniería de la Construcción

131

4.16. Tra´ıllas

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL

4.16.4.

Movimiento de Tierras – Maquinaria de Movimiento de Tierras Partes Estructurales

nº 86

Partes Estructurales Básicamente, una mototra´ılla consta de tres partes: Básicamente, una mototraílla consta de tres partes:

 Unidad de tracción y transmisiones.  Caja.  Suspensión.

Gabriel Bravo Aranda

Departamento de Ingeniería de la Construcción

MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL y Proyectos de Ingeniería Profesor 4.70: Titular de Ingeniería de la Construcciónen el Figura Velocidades trabajo combinado de escarificaci´ on y empuje.

4.16.4.1.

Unidad Tractora

Mueve la m´ aquina y en ella est´ a situada el motor y la cabina del conductor. El motor diésel es turboalimentado, para disminuir los problemas derivados de la altitud. Su potencia puede llegar a ser de hasta 600 CV. Las tra´ıllas de dos motores llevan otro motor situado en la parte posterior a la caja, que permite un aumento de la tracci´ on al conseguir que la carga sobre las ruedas traseras, en este caso motrices también, contribuya a la misma. Esto las hace autocargables, ayuda a reducir el tiempo de carga y mejora la capacidad de superar pendientes.

4.16.4.2.

Caja

La caja es el componente que lleva la carga a transportar. Está abierta por su parte superior y puede bascular, permitiendo el ascenso o descenso de su borde de ataque, provisto de una cuchilla recambiable para el corte o excavación del terreno. La caja consta de dos elementos destacados: La compuerta, de tipo sector y situada en su parte frontal, sirve, mediante su apertura o cierre, para permitir la carga, mantenerla y descargar. La placa eyectora, o eyector, situada en la parte posterior de la caja, puede trasladarse empujando el material hacia el exterior de la caja para conseguir su descarga.

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Movimiento de Tierras – Maquinaria de Movimiento de Tierras 4. Movimiento de Tierras.

132

nº 89

Operaciones y Maquinaria

Partes Estructurales: Caja

eyector

Gabriel Bravo Aranda

MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL

Departamento de Ingeniería de la Construcción

de Ingeniería Titular de Ingeniería de la Construcción FiguraProfesor 4.71: Vista en planta de la caja de un tra´ılla, dondey Proyectos se indica el eyector.

4.16.4.3.

Suspensi´ on

Elemento de uni´ on entre la caja y la unidad tractora, que tiene forma de “cuello de cisne”. En él se encuentran: Cilindros hidr´ aulicos de direcci´ on. El ángulo de giro es de 90o , de manera que puede dar la vuelta en un espacio menor que su longitud total. Cilindros hidr´ aulicos de suspensi´ on de la caja. Son dos cilindros que permiten la elevación y descenso de la caja. Balanc´ın de apertura de la compuerta de sector, que abre y cierra la misma.

4.16.5.

Ciclo de Trabajo

Consta de cuatro fases: 1a Fase: Carga. • La caja bascula y baja. • Se levanta la compuerta . 2a Fase: Acarreo. • La caja bascula y se levanta. • Se baja la compuerta. 3a Fase: Descarga. • La caja bascula y se baja hasta la altura deseada. • Se levanta la compuerta. • La placa eyectora fuerza al material a salir. 4a Fase: Retorno. • La caja bascula y se levanta. • Se baja la compuerta. • La m´ aquina vuelve a la zona de excavación.

anta la compuerta QUITECTURA INDUSTRIAL

de cuatro fases:

nº 92

quinaria de Movimiento de Tierras

:Acarreo. Carga.

basculayyse baja 4.16. Tra´ıllas ajabascula levanta vanta la compuerta a la compuerta

ajo de las Traíllas

133

:Descarga. Acarreo.

basculayyse sebaja levanta ajabascula hasta la altura deseada ja la compuerta anta la compuerta ca eyectora fuerza al material a salir

(a) Carga. : Descarga. ja bascula y se baja hasta la altura deseada aRetorno. deseada

la compuerta avanta bascula y se levanta aca eyectora fuerza al material a salir aalir la compuerta quina vuelve a la zona de(c)excavación Descarga.

: Retorno.

(b) Acarreo.

(d) Retorno.

Figura 4.72: Ciclo de trabajo de las tra´ ıllas. Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

randa bascula se levanta MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL aja de deseada Ingeniería de layConstrucción ja la compuerta Fasede deexcavación Carga áquina vuelve4.16.5.1. a la zona alir ción

Departamento Ingeniería la Construcción Aranda Una vez abierta la compuerta, se baja la caja hasta que apoye sobre el de terreno y la de cuchilla MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL y Proyectos de Ingeniería r de Ingeniería de la Construcción Departamento de Ingeniería deespesor la Construcción penetra en éste cortando una capa cuyo es de unos 25 cm (hasta 33 cm, normalmente). GENIERÍA INDUSTRIAL y Proyectos de Ingeniería La mototra´ılla corta el terreno por tongadas paralelas a la l´ınea de pendiente.

ción

Al avanzar la m´ aquina, el material va llenando la caja, empujado por el que sigue penetrando en ésta. Debido a que el material que va entrando en la caja se voltea en su interior al alcanzar su fondo, la resistencia a la carga depende tanto de la resistencia al corte del terreno como de la que ofrece el propio material que va llenando la caja al que va entrando. Departamento de Ingeniería de la Construcción

GENIERÍA INDUSTRIAL Proyectos de Ingeniería Después de cargada yaproximadamente la mitad de la caja, la resistencia que opone el material que hay dentro es tan grande, que no deja entrar más material, si no se cuenta con la ayuda de un tractor empujador, que adem´ as acorta el tiempo de carga.

4.16.5.2.

Fases de Acarreo y Retorno

Una vez cargada la caja, el maquinista cierra la compuerta y acciona los cilindros de suspensión que suben la caja, quedando el conjunto apoyado en las ruedas posteriores y en las de la unidad tractora. En esta situación la mototra´ılla puede alcanzar velocidades de hasta 45 Km/h. En los recorridos de acarreo y retorno conviene aprovechar al máximo la velocidad que puede alcanzar la m´ aquina, manteniendo los itinerarios en buenas condiciones con motoniveladoras dedicadas. En obras de importancia conviene proyectar unas pistas de acarreo exclusivas para las mototra´ıllas, con curvas amplias si es posible, regándolas para evitar el polvo y con zonas de aparcamiento para el caso de aver´ıas. La amortiguaci´ on de estas m´ aquinas no es como la de un automóvil y si hay baches, debido a su gran peso, el impacto es grande y puede ocasionar lesiones a los conductores, tema este que

134

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

debe considerarse en el cap´ıtulo de seguridad e higiene.

4.16.5.3.

Fase de Descarga

Al llegar a la zona de descarga, el maquinista levanta la compuerta y entra en acción el eyector, que avanza dentro de la caja en el sentido de la marcha, expulsando el material contenido en ella por la parte delantera. Previamente, mediante los cilindros de suspensión de la caja (elevándola o bajándola) se puede regular la altura de la capa formada por el material expulsado, extendiéndose as´ı una capa de espesor uniforme que es nivelada por la cuchilla. El espesor de la capa as´ı formada puede ser de unos 50 cm como m´ aximo. Es conveniente y econ´ omico aprovechar el peso de las mototra´ıllas para conseguir una cierta compactación previa.

4.16.6. 4.16.6.1.

M´ etodos de Trabajo y Comparaci´ on de los Tipos de Tra´ıllas T´ ecnicas de Empuje con Tractor de Cadenas

Las tra´ıllas de un solo motor y tracci´ on delantera no tienen tracción suficiente para cargar toda la caja. La misi´ on del tractor empujador es ayudar en la carga a las tra´ıllas convencionales. Es recomendable que los tractores vayan equipados de hoja con amortiguador, que les permite contactar con la mototra´ılla cuando ambas máquinas están en movimiento, hasta a 4,8 km/h. El tractor empuja sobre el “tope de empuje” de la mototra´ılla, situado en la parte posterior de la máquina. La intervenci´ on del tractor empujador hace que sea conveniente tener un cierto n´ umero de mototra´ıllas que haga que su empleo sea continuo. En la práctica, el empujador act´ ua hasta que ve rebosar material en la caja mientras no llegue otra tra´ılla, en cuyo caso cesa el empuje y se prepara para la siguiente. Es una equivocaci´ on perder tiempo completando la carga de una mototra´ılla en tanto que la siguiente espera, puesto que la pérdida de tiempo de una unidad en esta fase retrasa a todas las unidades, mientras que una carga incompleta no afecta a las demás. Con el fin de reducir el ciclo de carga, es muy importante dar la profundidad de corte necesaria en cada caso. Esta profundidad de corte depende de varios factores: Tipo de material a cargar. Tiempo invertido. Potencia del tractor. El conductor de la mototra´ılla debe llevar la máquina de forma que sea el empujador principalmente el que realice el esfuerzo de carga, evitándose as´ı un desgaste excesivo de los neumáticos. El conductor del empujador procurará mantener siempre la l´ınea recta.

nº 99

Movimiento de Tierras – Maquinaria de Movimiento de Tierras

Ciclo de Trabajo del Tractor Empujador 135

4.16. Tra´ıllas

En el sistema de carga en cadena, el tractor (P) empuja a la traílla (S1) durante el corte o carga, entre 20 y 25 metros de distancia, de (A) a (B), El ciclo de trabajo del tractor empujador es el siguiente: En el sistema de carga en cadena, aunqueel tractor la traílla empieza a cargar sin la ayuda del empujador, mientras éste (P) empuja a la tra´ılla (S1 ) durante el corte o carga, entre 20 y 25 metros de distancia, hace su maniobra. de (A) a (B), aunque la tra´ılla empieza a cargar sin la ayuda del empujador, mientras éste hace su maniobra.

Figura 4.73: Ciclo de trabajo del tractor empujador. CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Movimiento de Tierras – Maquinaria de Movimiento de Tierras

La maniobra del tractor debe ser la mínima, es la traílla la que lo busca. nº 100 El tractor (P)Laretrocede ángulo pocos justo maniobra del en tractor debe serunos la m´ınima, es la metros, tra´ılla la quede lo (B) busca.aEl(C), tractor (P) para retrocede en ´ angulo unos pocos metros, de (B) al a (C), justoque para dejar tra´ılla siguiente dejar que la traílla siguiente (S2) vaya corte dejóquelalaanterior. Puede ser Trabajo delserTractor Empujador (S2 ) vaya al Ciclo corte que de dej´ o la anterior. Puede en ángulo, como en la figura anterior, o marcha en ángulo, como enhasta la figura anterior, marcha atrás endel línea hasta atrás en l´ınea recta pr´ acticamente el puntooanterior (A), dependiendo ancho recta de la zona 0 Una vez ha subido la cuchilla, después de terminada la carga, el tractor debe de trabajo. Si circuito es cerrado, la(A), tra´ılladependiendo puede venir como ladel S2 . ancho de la zona de prácticamente elelpunto anterior seguir empujando unos 5 metros, que es la distancia necesaria para que las trabajo. Si traseras el vez circuito eslacerrado, la traílla puede venir S’2.seguir ha subido cuchilla, despu´ s de terminada carga, como el tractorladebe ruedasUna superen el escalón edejado por el lacorte y la traílla puede empujando unos 5 metros, que es la distancia necesaria para que las ruedas traseras superen el

continuar por sus medios.la tra´ ılla puede continuarINDUSTRIAL por sus medios.Departamento de Ingeniería de la Construcción MÁSTER INGENIERÍA

Gabriel Bravo Aranda escal´ on dejado por el corte y Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

y Proyectos de Ingeniería

´ Figura 4.74: Ultimo empujón del tractor empujador (5 m).

El tiempo del ciclo del empujador depende de si las condiciones de carga son favorables El tiempo del ciclo del empujador depende de si las condiciones de carga son favorables o o no, e incluye el tiempo de carga de la traílla no, e incluye el tiempo de carga de la tra´ılla: Favorables: si el banco es amplio para realizar maniobras fáciles, terreno previamente carga cuesta Favorables: si elescarificado banco es ,amplio para realizar maniobras fáciles, abajo y usando un tractor equilibrado con el tamaño de la escarificado, carga cuesta abajo y usando un tractor equilibrado traílla. Desfavorables: las condiciones opuestas.

terreno previamente con el tama˜ no de la

tra´ılla.

Gabriel Bravo Aranda Desfavorables: las condiciones opuestas. MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

4.16.7.

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

Capacidad de las Tra´ıllas

Los fabricantes dan para cada modelo las siguientes capacidades: La m´ axima carga, en kg, que puede llevar. Capacidad al ras, en m3 . Capacidad colmada, en m3 , para una geometr´ıa determinada que viene definida por la normativa.

apacidad colmada, en m3, para una geometría determinad ue viene definida por la normativa. 136

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

almente, las capacidades al ras y colmada se refieren a Naturalmente, las suelto capacidades al o ras excavado. y colmada se refieren a volumen de material suelto o men deexcavado. material

Figura 4.75: Superficies que limitan el volumen del colmo.

Este ángulo de talud, 1:1, es un ´ angulo al que se ajustan bien la mayor parte de suelos Departamento de Ingeniería de la Co avo Aranda usuales, pero puede variar con el tipo de material. MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL y Proyectos de Ingeniería itular de Ingeniería de la Construcción En las mototra´ıllas que se cargan con la ayuda de tractor empujador, debido al efecto de compactación sobre el material presente en la caja que ejerce el material que va entrando en la misma, el esponjamiento es algo menor que el del material vertido sobre un camión por una excavadora. Se recomienda aumentar los factores de esponjamiento habituales en un 10 %.

4.16.8.

Producci´ on de las Tra´ıllas

Se calcula por el método general: 60 fh [m3 esponjados] TC

(4.67)

60 fh Fw [m3 en banco] TC

(4.68)

P =C O bien: P =C

Para determinar el tiempo del ciclo se toman como tiempos fijos los de carga, descarga, aceleraciones, desaceleraciones, frenados y giros; y como tiempos variables los de acarreo y retorno, que dependen de la distancia de acarreo y de las velocidades que puede alcanzar la tra´ılla en los trayectos de acarreo y retorno. Resulta importante estimar estas velocidades en función de las condiciones del trayecto: Resistencia a la rodadura. Pendientes (si se vuelve por el mismo camino, serán de distinto signo). Coeficientes de tracci´ on. Para los tiempos fijos pueden tomarse los valores proporcionados por las tablas, tanto en mototra´ıllas convencionales con tractor empujador como en las de dos motores o con elevador de paletas. Cuando dos tra´ıllas de dos motores trabajan por el método de empuje y tiro, el tiempo de carga para cada una es la mitad del que recoge la tabla.

137

4.16. Tra´ıllas

4.16.8.1.

´ N´ umero Optimo de Mototra´ıllas

Un tractor empujador debe aprovecharse para asistir a varias tra´ıllas, normalmente de 3 a 5, dependiendo de la distancia de acarreo. Con el fin de que no se produzcan esperas de las tra´ıllas ni del tractor, hay que calcular el n´ umero óptimo de tra´ıllas que operarán con un tractor, que es un n´ umero ideal o teórico, no entero, que después habr´ a que redondear al n´ umero entero más conveniente. Este tipo de problemas se resuelve aplicando el principio de equilibrio: Si se consideran dos conjuntos de m´ aquinas con N1 y N2 unidades, que interaccionan durante una parte de sus ciclos, deben funcionar de forma perfectamente sincronizada y tienen, respectivamente, tiempos de ciclo T1 y T2 , se tiene que cumplir que sus frecuencias sean iguales: f1 = f2 , siendo: 1 T1 1 f2 = N2 T2 f1 = N1

(4.69) (4.70)

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL De donde: T1 de Tierras Movimiento de Tierras – Maquinaria deNMovimiento 1 = N2 T2

nº 124

(4.71)

Número Óptimo de Mototraíllas

Aplicándolo al caso de las tra´ıllas, se tiene:

Aplicándolo al caso de las traíllas, se tiene:NS = NP TS

𝑁𝑆 = 𝑁𝑃 ∙

Donde:

donde:

𝑇𝑆 𝑇𝑃

(4.72)

TP

NS es el n´ umero de tra´ıllas que puede empujar un tractor. NP es elde n´ utraíllas mero de que empujadores. 𝑁𝑆 = número puede empujar un tractor 𝑁𝑃 = número de empujadores TS es el tiempo del ciclo de la tra´ılla. 𝑇𝑆 = tiempo del ciclo de la traílla TP es el tiempo del ciclo del empujador. 𝑇𝑃 = tiempo del ciclo del empujador Si NP = 1, se obtiene:

Si 𝑁𝑃 = 1, se obtiene:

𝑇𝑆 TS 𝑁𝑆 = 𝑁ó𝑝𝑡 = 1 ∙ NS = Nopt = 𝑇T𝑃P

(4.73)

Donde Nopt es, en general, un n´ umero no entero y seg´ se tome NS > Nopt o NS 𝑁ó𝑝𝑡 es, en general, un número no entero y según seuntome 𝑁𝑆 > 𝑁ó𝑝𝑡 o tiene: 𝑁𝑆 < 𝑁ó𝑝𝑡 , se tiene:

En todo caso, debe analizarse la onomía derivada de cada una de las s opciones (€/m3).

< Nopt , se

* *

Figura 4.76: Optimización de mototra´ıllas. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

*En todo caso, debe analizarse la econom´ıa derivada de cada una de las dos opciones (e/m3 ).

138

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

La determinaci´ on de NS puede hacerse también imponiendo la condición de que el factor de acoplamiento, MF , sea ´ optimo, es decir, igual a la unidad: CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Producci´ on equipo 1 Movimiento de M Tierras – Maquinaria de Movimiento de Tierras =1 F = Producción equipo 2

nº 102 (4.74)

Mototraíllas con Elevador de Paletas Son mototraíllas que pueden realizar la carga por sí solas. 4.16.9.

Mototra´ıllas Convencionales con Tractor Empujador

La potencia necesaria en la fase de carga se debe a la resistencia que ofrece 4.16.9.1. alMototra´ con Elevadorde de la Paletas el material corte, ıllas al rozamiento cuchilla con el terreno y al rozamiento interno del material que está penetrando en la caja con el previamente Son mototra´ıllas que pueden realizar la carga por s´ı solas. La potencia necesaria en la fase de cargado. carga se debe a la resistencia que ofrece el material al corte, al rozamiento de la cuchilla con el terreno y al rozamiento interno del material que está penetrando en la caja con el previamente

Concargado. el objeto de aumentar la producción y reducir estas resistencias, se ha desarrollado la mototraílla con elevador de paletas que, montado en la parte Con el objeto de aumentar la producción y reducir estas resistencias, se ha desarrollado la delantera decon la elevador caja, tiene la misión de en facilitar carga. Las principales mototra´ılla de paletas que, montado la parte la delantera de la caja, tiene la misión de facilitarde la carga. principales diferencias de estas tra´ıllas con las tra´ıllas diferencias estasLastraíllas con las traíllas convencionales seconvencionales presentan en la se presentan en la forma de cargar y de descargar. forma de cargar y de descargar.

Figura 4.77: Carga y descarga de tra´ıllas con elevador de paletas. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

Carga sin ayuda la mayor parte de los materiales, salvo aquellos que presentan fragmentos demasiado grandes. Aunque el elevador produce un desmenuzamiento del material que hace que la caja se llene de forma m´ as completa, no puede triturar la roca. El elevador de paletas es un elevador en el que las paletas (2) van montadas sobre dos cadenas sin fin, que est´ an dotadas de movimiento propio accionadas mediante un motor hidráulico colocado en la parte superior del elevador, de modo que las paletas empujan el material hacia el interior de la caja. Cuando el elevador se encuentra con una piedra grande, gracias a un dispositivo que hace que se eleve su parte inferior, permite que penetre la piedra sin da˜ narlo y vuelve rápidamente a su posición inicial. La situación del elevador en la parte delantera hace que no sea utilizable el sistema de descarga usado en mototra´ıllas convencionales (abriendo la compuerta de sector). Para la descarga, el fondo de la caja se desplaza hacia atrás, a la vez que el eyector empuja el material directamente sobre el terreno, donde es extendido y nivelado por el borde posterior.

Mototraíllas con Elevador de Pale 4.16. Tra´ıllas

Carga sin ayuda la mayor parte de los materiales, salvo a presentan fragmentos demasiado grandes. Aunque el ele 139caja se lle desmenuzamiento del material que hace que la completa, no puede triturar la roca.

Elevador de paletas. Es un ele paletas (2) van montadas sobr fin, que están dotadas de mov accionadas mediante un motor en la parte superior del elevad paletas empujan el material ha caja.

Cuando el elevador se encuen grande, gracias a un dispositiv eleve su parte inferior, permite piedra sin dañarlo y vuelve ráp posición inicial. Figura 4.78: Elevador de paletas.

Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

4.16.9.2.

MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL

Mototra´ıllas de Empuje y Tiro (Push-Pull Scrapers)

Las mototra´ıllas de dos motores permiten aprovechar el peso total de la máquina para obtener esfuerzo de tracci´ on y esto unido a su gran potencia, les permite ser autocargables sin ayuda de tractor empujador. Una mototra´ılla de dos motores se complementa con una segunda mototra´ılla dispuesta en tándem con la primera, trabajando de forma conjunta, y reciben el nombre de mototra´ıllas de empuje y arrastre. La fase de carga se lleva a cabo en dos etapas: 1a Etapa: La mototra´ılla trasera vac´ıa empuja a la delantera mientras ésta carga, hasta que est´ a totalmente cargada. 2a Etapa: La mototra´ılla delantera, ya cargada y con la caja elevada, tira de la trasera mientras ésta carga. De esta manera utilizan conjuntamente la potencia de ambas para cargar cada una. Concluida la fase de carga, se desenganchan y terminan su ciclo por separado. Dispositivo de acoplamiento: La tra´ılla lleva en su parte delantera el elemento de enganche, constituido por un tope elástico de empuje y un fiador; y en la parte trasera el gancho. Para la uni´ on de ambas mototra´ıllas, baja el fiador y se engancha a la de delante. Este enganche es autom´ atico, al chocar una con otra, y el desenganche lo hace el conductor desde la cabina actuando sobre un cilindro neumático.

Departam

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Movimiento de Tierras – Maquinaria de Movimiento de Tierras

140

nº 107

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

Mototraíllas de Empuje y Tiro (Push-Pull)

Dispositivo de acoplamiento. LaDispositivo traílla lleva de enacoplamiento su parte delantera el elemento de enganche, Figura 4.79: de tra´ıllas. constituido por un tope elástico de empuje y un fiador; y en la parte trasera el gancho. Para la unión de ambas mototraíllas, baja el fiador y se engancha a la de delante. Este enganche 4.16.9.3. Comparaci´ on una de con los otra, Tipos Mototra´ıllas es automático, al chocar y elde desenganche lo hace el conductor desde la cabina actuando sobre un cilindro neumático.

La Bravo utilizaci´ omica de los distintos tipos de mototra´ıllas Gabriel Arandaon econ´ MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

depende varios de factores: Departamentode de Ingeniería la Construcción y Proyectos de Ingeniería

Naturaleza del terreno a excavar. Grado de compensaci´ on y volumen del movimiento de tierras. Estado y pendientes de los trayectos. Distancias de acarreo. Las tra´ıllas pueden utilizarse para excavar y cargar una gama amplia de materiales, incluidos terrenos de tránsito previamente escarificados y roca de voladura con grados de fragmentación tales que los tama˜ nos no superen la abertura de entrada de la caja. Los materiales ideales para cargar mototra´ıllas son los arcillosos ligeros secos. Los arenosos secos y limpios y los arcillosos h´ umedos se cargan mal. La carga de los terrenos arenosos secos se facilita regando previamente, lo que mejora su posterior compactación. Los materiales muy pegajosos se quedan adheridos a la caja, paletas, etc. y disminuyen los rendimientos. En terrenos pizarrosos y con un ´ angulo de estratificación no muy elevado, se carga bien el material aunque no se consiguen buenos rendimientos. En terrenos duros es muy conveniente escarificar previamente al corte, para aumentar la profundidad del mismo y reducir la longitud de carga y, por tanto, el tiempo que se dedica a ésta. Cuando se escarifica, no debe haber interferencia entre las labores de corte y escarificado. Si el terreno se humedece mal, el escarificado permite una mejor penetración del agua y se disponen cisternas regadoras delante de la tra´ılla en el corte, que complica los trabajos pero facilita la carga.

4.17. Excavadoras Hidr´ aulicas

141

La utilizaci´ on de mototra´ıllas resulta más rentable económicamente en la medida en que el movimiento de tierras a realizar tenga o se aproxime a las siguientes caracter´ısticas: Se trata de una obra lineal o de una explanación que afecta a una longitud o superficie media o grande. Dado que la m´ aquina realiza la excavación, acarreo y extendido, su uso es más interesante cuanto mayor es el grado de compensación a alcanzar. Si el material se destina a vertedero, tiene menos interés. Su utilizaci´ on es m´ as rentable cuanto mayor es el volumen de tierras a mover. Se ha dicho que su utilizaci´ on en una obra es rentable a partir de unos 500000 m3 . Hay que procurar que el recorrido de las tra´ıllas sea exclusivo, diferente del utilizado por otros veh´ıculos, y, si es posible, sea un circuito cerrado, es decir, que haya una pista de acarreo y otra de retorno. El estado de las pistas es importante, pues influye en las velocidades que pueden alcanzarse (resistencia a la rodadura) y en el desgaste de los neumáticos. En este sentido, conviene que tanto la zona de corte como la de acarreo estén bien niveladas, sin baches, zanjas o piedras, as´ı como libres de polvo, para lo que pueden utilizarse una motoniveladora y una cisterna. Las pendientes no pueden ser excesivas, pero esto depende del tipo de tra´ılla.

4.16.10.

Ventajas e Inconvenientes

Entre las ventajas de este tipo de equipos están: 1. Independencia: en la medida en que pueden cargar por s´ı solas, no dependen de otros equipos. 2. Compromiso entre mejor carga y mejor acarreo. 3. Depositan la carga en capas delgadas uniformes que facilitan las operaciones de extendido. 4. Alta producci´ on en condiciones favorables con econom´ıa en mano de obra. 5. Descargan al progresar sobre la traza y van realizando una compactación previa al ir circulando. 6. Son rentables hasta unos 1600 metros de distancia de acarreo.

4.17.

Excavadoras Hidr´ aulicas

4.17.1.

Introducci´ on

Las excavadoras hidr´ aulicas son máquinas dise˜ nadas para excavar el terreno y se llaman hidráulicas porque sus equipos de trabajo son accionados por circuitos y cilindros hidráulicos. Excavan en posici´ on fija, moviendo u ńicamente la parte superior de la máquina. Cuando el frente de excavaci´ on queda fuera de su alcance, la máquina se traslada a una nueva posici´ on de trabajo. También se utilizan en canteras para la carga de roca previamente volada.

142

Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria CONSTRUCCIÓN4. Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL nº 130 Movimiento de Tierras – Maquinaria de Movimiento de Tierras

Es una máquina vers´ atil que puede usarse con distintos equipos de trabajo (como gr´ ua, como martillo rompedor, con mand´ıbulas).

Tipos de Excavadoras

Tiposdistintos de Excavadoras Se 4.17.2. distinguen tipos de excavadora según sea el equipo de trabajo que incorporan o el tren de rodaje para su desplazamiento: Se distinguen distintos tipos de excavadora seg´ un sea el equipo de trabajo que incorporan o el tren de rodaje para su desplazamiento:

Figura 4.80: Tipos de excavadoras.

También se pueden clasificar seg´ un: Retroexcavadora sobre ruedas. ´ • Unicamente son del tipo retroexcavadoras. • Necesitan apoyos estabilizadores.

Gabriel Bravo Aranda MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción Retroexcavadora sobre cadenas.

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL ExcavadoraMovimiento de empujede frontal. Tierras – Maquinaria de Movimiento de Tierras

4.17.3.

nº 134

Equipos de Trabajo

Equipos de Trabajo

Figura 4.81: Equipos de trabajo de excavadoras.

a) Pluma: su elevación y descenso se produce por la acción de un par de cilindros (1). Puede formado por dos piezaspor (A lay acci´ B) oonser monobloque. Pluma:estar su elevaci´ on y descenso se produce de un par de cilindros (1). Puede estar formado por dos piezas (A y B) o ser monobloque.

b) Brazo:Brazo: es eleselemento enambos ambos extremos, quela une la ypluma el elementoC,C,articulado articulado en extremos, que une pluma el cazoyoel cazo ocuchara. cuchara. Su movimiento se produce acciónhidr´ delaulico cilindro Su movimiento se produce por la acciópor n dellacilindro 2. hidráulico 2. Cazo: puede ser de dos tipos: cazo convencional, que para descargar bascula por el giro

c) Cazo:producido puede ser dos tipos: porde el cilindro hidr´ acazo ulico 3;convencional, cazo de descarga que por elpara fondodescargar o cazo 4 enbascula 1, de en excavadoras de empuje frontal. 3; cazo de descarga por el fondo o por el uso giroexclusivo producido por el cilindro hidráulico cazo 4 en 1, de uso exclusivo en excavadoras de empuje frontal. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

143

4.17. Excavadoras Hidr´ aulicas

Se muestra la ficha técnica proporcionada por un fabricante para una sus retroexcavadoras. La máquina puede utilizar varios brazos que tienen distintas longitudes y, por tanto, distintos alcances y fuerzas de excavaci´ on. La ficha proporciona los parámetros funcionales m´ as CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA importantes, como la profundidad máximaINDUSTRIAL de excavación, etc. nº 135 Movimiento de Tierras – Maquinaria de Movimiento de Tierras

La Figura muestra la ficha técnica proporcionada por un fabricante para una sus retroexcavadoras. La máquina puede utilizar varios brazos que tienen distintas longitudes y, por tanto, distintos alcances y fuerzas de excavación. La ficha proporciona los parámetros funcionales más importantes, como la profundidad máxima de excavación, etc.

Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

Figura 4.82: INDUSTRIAL Equipos de MÁSTER INGENIERÍA

Departamento de Ingeniería de la Construcción trabajo dey Proyectos excavadoras. de Ingeniería

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Movimiento de Tierras – Maquinaria de Movimiento de Tierras

4.17.3.1.

nº 136

Martillo Rompedor Hidr´ aulico

Equipos de Trabajo: Martillo Rompedor Hidráulico

Figura 4.83: Martillo rompedor hidráulico. Departamento de Ingeniería de la Construcción

Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL

y Proyectos de Ingeniería

144

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Movimiento de Tierras – Maquinaria de Movimiento de Tierras

4.17.3.2.

Gr´ ua

nº 137

Equipos de Trabajo: Grúa

Figura 4.84: Gr´ ua. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

4.17.4.

MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

Capacidad del Cazo

La capacidad del cazo se establece de forma normalizada, definiéndose INDUSTRIAL dos valores para la CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA misma: Movimiento de Tierras – Maquinaria de Movimiento de Tierras Capacidad a ras.

nº 138

Capacidad del Cazo

Capacidad colmada, que se utiliza para calcular la producción.

Figura 4.85: Capacidad del cazo.

4.17.5.

La capacidad del cazo se establece de forma normalizada, definiéndose dos para la misma: Ciclo valores de Trabajo  Capacidad a ras

El ciclo de trabajo consta de cuatro fases:

 Capacidad colmada, que se utiliza

Fase A: La m´ aquina hinca los dientes del cazo en el terreno y lo mueve en el frente de para calcular la producción excavaci´ on carg´ andolo.

Fase B: Una vez cargado, eleva el cazo, mediante la elevación de la pluma al tiempo que Departamento de Ingeniería de la Construcción Gabriel Bravo Aranda MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL y Proyectos de Ingeniería Profesor Titular de Ingeniería Construcción gira la superestructura hasta delalaposici´ on de descarga.

145

4.17. Excavadoras Hidr´ aulicas

Fase C: Colocado el cazo sobre la caja del camión, se procede a la descarga basculando o por el fondo. Fase D: Descargado el cazo, la superestructura gira hacia el frente de excavación al tiempo que baja para situarse en posición para comenzar el siguiente ciclo.

4.17.6. 4.17.6.1.

Producci´ on Factores de que Depende

La producci´ on de una excavadora depende de los siguientes factores: Capacidad del cazo: que debe estar en correspondencia con la altura del frente de excavaci´ on. Grado de llenado: depende de la naturaleza del material y se considera a través del factor de llenado, fu . Capacidad del medio de acarreo: debe ser de 3 a 6 veces la del cazo. Duraci´ on del ciclo de trabajo: a menor tiempo del ciclo, mayor producción. ´ Angulo de giro: conviene reducir el ángulo de giro. En las tablas utilizadas para evaluar la producci´ on se supone de 90o . Organizaci´ on de la obra: se tiene en cuenta a través del factor fm . La producci´ on de una excavadora depende de la carrera, que se define como el recorrido que realiza el cazo una vez ha penetrado en el material y hasta que cesa la operación de corte y debe coincidir con la altura del frente de excavación, H. Por otra parte, se denomina carrera óptima a aquella en la que se consigue el llenado total del cazo en un solo recorrido de la misma, sin que sobre o falte material. Para que esto suceda, la capacidad del cazo debe ser proporcionada a la altura del frente. La producción depende de la relación de la carrera a la ´ optima H/L: L=

C al

(4.75)

Donde: L = carrera ´ optima de ataque (m). C = capacidad nominal de la cuchara (m3 ). a = profundidad de ataque (m). l = anchura media de la cuchara (m). En excavadoras se estima que la carrera óptima se sit´ ua entre el 30 y el 50 % de la altura máxima de excavaci´ on, siendo los valores menores representativos de materiales más fáciles de excavar. En retroexcavadoras, entre el 40 y el 60 % de la profundidad máxima de excavación que debe corresponderse con la longitud del brazo.

146

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

4.17.6.2.

Producci´ on de una Excavadora

La producci´ on de una excavadora puede evaluarse mediante la ecuación: 3600 fG FH/L fm fh P m3 E/h = Cfu TC P m3 B/h = P m3 E/h FW

4.17.6.3.

(4.76) (4.77)

Influencia de los Desplazamientos

El n´ umero de desplazamientos en una hora es: N=

P V0

(4.78)

El volumen que puede excavar sin moverse puede calcularse como: V0 = LHI0

(4.79)

Se calcula N y si: N < 4 para cazos de 0, 375 a 0, 75 m3 N < 3 para cazos de 1, 12 a 1, 9 m3 N < 2 para cazos de 2, 25 a 3 m3 Si N es superior a estos valores, la producción puede calcularse como: P = CFE

4.18.

Palas Cargadoras

4.18.1.

Introducci´ on

3600 − N td kfh fm TC

(4.80)

Las cargadoras son m´ aquinas autopropulsadas, equipadas con cuchara frontal y brazos accionados por cilindros hidr´ aulicos. La función principal de estas m´ aquinas es cargar materiales sueltos, transportarlos a distancias muy peque˜ nas y descargarlos sobre medios de transporte (camiones o d´ umperes) o sobre tolvas de altura limitada. Hay dos tipos de cargadoras: Sobre ruedas (m´ as utilizadas). Sobre cadenas.

4.18. Palas Cargadoras

147

Debido a la elevada fuerza de sus cilindros es capaz también de arrancar material en perfil de no mucha consistencia. El equipo de trabajo consta de: Mecanismo de elevaci´ on. Mecanismo de volteo. Cuchara. Puede llevar otros accesorios (escarificador).

4.18.2.

Par´ ametros Funcionales

Algunos par´ ametros funcionales que caracterizan estas máquinas son:

Altura de descarga: altura máxima desde la superficie del terreno hasta el borde de la cuchara en su posici´ onINDUSTRIAL volcada, habiendo levantado al máximo posible los brazos de TRUCCIÓN Y ARQUITECTURA nº 151 elevaci´ o n (D en la figura). o de Tierras – Maquinaria de Movimiento de Tierras Alcance: distancia m´ axima entre la l´ınea vertical tangente al borde delantero de la rueda y la vertical que pasa por el extremo del diente, estando la cuchara volcada y en su posici´ on m´ as alta (F en la figura).

Parámetros Funcionales

Carga de vuelco: peso m´ınimo que, actuando en la posición más adelantada de los brazos, produce el levantamiento de las ruedas traseras de la máquina

s funcionales que máquinas Carga m´ axima caracterizan operacional: carga de trabajo estas que suele tomarse del 50 % de la carga de vuelco en las cargadoras de ruedas.

áxima desde el borde de cada, o posible los igura).

ntre la línea antero de la or el extremo a volcada y la figura.

Figura 4.86: Par´ ametros funcionales de las palas cargadoras.

mo que, actuando en la posición más duce el levantamiento de las ruedas

carga de trabajo que suele tomarse o en las cargadoras de ruedas.

ejercer. Por este motivo se utilizan cucharas a arenas o gravas sueltas y, en cambio, para ex más consistentes se usan cucharas más estre 148

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

4.18.3.

Tipos de Cucharas

Se emplean básicamente dos tipos de cuchar que pueden tener el borde recto o en v, y de u Cuanto más anchas menor es la fuerza de arranque que pueden ejercer. Por este motivo se utilizan cucharas anchas para cargar arenas o gravas sueltas y, en cambio, para excavar materiales más consistentes se usan cucharas m´ as estrechas. Se emplean b´ asicamente dos tipos de cucharas: convencionales, que pueden tener el borde recto o en V, y de usos m´ ultiples.

Figura 4.87: Cuchara convencional de borde recto y cuchara de usos m´ ultiples.

Cuchara convencional de borde recto y cuchara de usos múltiples 4.18.4.

Ciclo de Trabajo

El ciclo de trabajo consta de cuatro fases:

Gabriel Bravo Aranda Carga: La m´ aquina avanza y clava los dientes en el material con laINGENIERÍA cuchara baja, la INDUSTRIAL llena MÁSTER Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción y la pone boca arriba elev´ andola ligeramente.

Acarreo: La m´ aquina retrocede con la cuchara llena al tiempo que la eleva y bascula para que el material cargado no se derrame, y transporta el material a peque˜ nas distancias. CONSTRUCCIÓN INDUSTRIAL Descarga: Colocado junto al medioY ARQUITECTURA de transporte, bascula la cuchara para nº 154depositar el Movimiento de Tierras – Maquinaria de Movimiento de Tierras material en la caja del mismo.

Maniobra: Retrocede y maniobra al de tiempo que baja la cuchara y se dirige de nuevo Ciclo Trabajo hasta el frente de llenado para empezar un nuevo ciclo.

Figura 4.88: Ciclo de trabajo de palas cargadoras. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL

Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

149

4.18. Palas Cargadoras

4.18.5.

Tiempo del Ciclo

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Movimiento de Tierras – Maquinaria de Movimiento de Tierras

El tiempo del ciclo de trabajo de la cargadora tiene tres componentes:

1. Tiempo fijo: es el invertido en la carga, en maniobras con cuatro cambios de direcci´ on y en la descarga.

Producción

2. Tiempo de ida: el invertido en el desplazamiento hasta el medio de transporte cuando

La producción de la cargadora depende de varios factore va cargada. 3. Tiempo de vuelta: el invertido en el desplazamiento de vuelta al frente de carga, que realiza sin carga.

 Capacidad y grado de llenado de la cuchara 4.18.6.

Producci´ on

 Velocidad de maniobra y elevación

La producci´ on de la cargadora depende de varios factores:

y grado de llenado de la cuchara.  Método deCapacidad carga: carga en V: Velocidad de maniobra y elevación. Método de carga: carga en V:

Figura 4.89: Método de carga en V.

Departamento de Ingeniería de la C abriel Bravo Aranda Los fabricantes ofrecen cucharas de distintos vol´ umenes, que se utilizan seg´ un el tipo de MÁSTER INGENIERÍA INDUSTRIAL y Proyectos de Ingenierí rofesor Titular de Ingeniería Construcción materialdea lacargar.

Como la carga m´ axima operacional para un modelo de cargadora es un valor determinado, se elige la capacidad en volumen que corresponda a la densidad del material a cargar. La cuchara se llena m´ as o menos seg´ un el tipo de material a cargar. Esto se tiene en cuenta a través del factor de llenado, fu : Cef = C fu

(4.81)

150

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

Si hay acarreo de los materiales a corta distancia, el n´ umero de ciclos por hora puede calcularse con las siguientes ecuaciones: Cargadores de cadenas: vcargada = 3 km/h = 50 m/min; vdescargada = 6 km/h = 100 m/min 60 (4.82) N= d d 0, 6 + 50 + 100 Cargadores de ruedas: vcargada = 4, 8 km/h = 80 m/min; vdescargada = 10, 8 km/h = 180 m/min 60 (4.83) N= d d 0, 5 + 80 + 180 La producci´ on se obtiene como: P = Cfu N fh = Cfu

4.18.7.

69 fh TC

(4.84)

Aplicaciones

Debido a la gran anchura de las cucharas, la fuerza de arranque es menor que la de las excavadoras y se utilizan menos en excavación. Las aplicaciones principales son: Cargando el material excavado por tractores de cadenas en camiones. En desmontes o canteras, cargando la roca volada con explosivos, con cuchara adecuada y neumáticos protegidos con tejas o cadenas protectoras. Cargan y manejan grandes bloques de roca (escolleras). Desbroce de tierra vegetal. Alimentaci´ on de tolvas con material suelto en plantas de tratamiento de áridos o de aglomerado asf´ altico.

4.19.

Camiones y D´ umperes

4.19.1.

Introducci´ on

Las caracter´ısticas de los camiones son: Adecuados para acarrear material a distancias mayores que buldóceres, tra´ıllas y mototra´ıllas. Elevada velocidad de transporte y menor coste unitario. Gran flexibilidad: Variando el no de camiones modificamos la capacidad de acarreo de la flota. La mayor´ıa pueden circular sobre cualquier superficie de rodadura que sea firme y suave, con pendiente moderada.

Introducción 4.19. Camiones y D´ umperes

• La distancia es un factor clave para seleccionar las unidades de acarreo.

151

La distancia es un factor clave para seleccionar las unidades de acarreo:

Tipos 164 Figura 4.90: Distancias generales de acarreo de sistemas móviles.

4.19.2.

Tipos de Camiones

Camión con

Seg´ un aspectos constructivos: Cami´ on con caja basculante. • Bastidor r´ıgido con caja basculante. • Seopan 06.02.00. Tractocami´ on con “ba˜ nera”. • Bastidor r´ıgido con caja basculante. • Seopan 06.02.00. D´ umper Articulado. • Bastidor articulado. Hasta 40 t. • Seopan 04.07.04.

• Bastidor rígid • Seopan 06.0

Tipos de Tipos camio

Tractocami

con Camión con Camión caja bascula • Semirremolq

Tipos de camio

Bastidor rígido Seopan 06.0 • Bastidor rígido••con caja bascul • Seopan 06.02. • Seopan 06.02.00

D´ umper R´ıgido. • Bastidor r´ıgido. 30 t -95 t (obra civil), hasta 350 t (miner´ıa). • Seopan 04.07.00.

Dúmper Art

Camión con Tractocamión caja Tractocamión conbascula “bañera

• Bastidor artic

• •Bastidor rígido• con caja Semirremolque Semirremolque cajabascu bascu • con Seopan 04.0 • •Seopan • Seopan 06.04. Seopan 06.02.00 06.04.00 (a) Cami´ on con caja basculante. (b) Tractocami´ on con “ba˜ nera”.

Dúmper Ríg Dúmper Articulado Tractocamión con “bañer Dúmper Artic

Bastidor rígid Bastidor articulado. Hasta 40 t • •Semirremolque con caja articu bascu •• Bastidor Seopan 06.04.00 04.07.04 Seopan04.07. 04.0 • •Seopan •• Seopan (c) D´ umper Articulado.

(d) D´ umper R´ıgido.

Figura 4.91: Tipos de camiones.

Dúmper Articulado Rígido Dúmper Dúmper Rígi

Bastidor articulado. rígido. 30 t Hasta -95 t rígido (obra • •Bastidor 40 t • Bastidor Seopan 04.07.04 04.07.00 • Seopan 04.07. • •Seopan

152

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

Seg´ un puedan circular o no por carretera: Intraviales. • Cumplen los requisitos legales (masa máxima autorizada) MMA o PMA, masa m´ axima por eje, dimensiones geométricas (anchura, altura, longitud, radios de giro, separaciones entre ejes, etc) para poder circular por carretera. • Tipos: ◦ Cami´ on con caja basculante (camión volquete). ◦ Tractocami´ on con semiremolque basculante (“ba˜ nera”). Extraviales. • Superan tama˜ no y/o peso legales permitidos en carreteras. ◦ Estructura reforzada. Adecuados para transportar rocas. ◦ Uso en canteras y grandes proyectos. • D´ umperes (volquetes) extraviales r´ıgidos o articulados. Requisitos legales para circular por carretera. Anexo IX, Reglamento General de Veh´ıculos (RD 2822/98): Masas m´ aximas por eje. Masas m´ aximas autorizadas (MMA). Dimensiones geométricas: • Longitud m´ axima. • Anchura m´ axima: 2,55 m (2,60 en ciertos casos). • Altura m´ axima: 4 m (4,20 y 4,50 en ciertos casos). • Radio de giro: trayectoria circular completa (360o ) en ambas direcciones dentro del ´ area entre dos c´ırculos concéntricos de radios 12,50 y 5,30 metros. Otros: Presi´ on m´ axima en la superficie de contacto: 9 kg/cm2 . Los camiones con caja vasculante son intraviales, con bastidor r´ıgido: De 2 a 5 ejes, con 1 a 4 ejes tractores. Capacidades usuales: 8 m3 , 13,5 m3 , 16 m3 , 20 m3 . Fabricaci´ on: chasis + caja: • Chasis: fabricantes de camiones. • Cajas: pueden ser fabricadas por otra empresa diferente (carrocera), que las monta sobre un chasis. • Homologaci´ on del conjunto. Los camiones d´ umper son unos camiones muy reforzados y robustos, de mayor tara que los camiones basculantes y m´ as apropiados para circular por pistas interiores de obra en mal estado, aunque pueden circular por carretera. Pueden transportar por carretera una carga de unas 13 Tn, y una carga mayor cuando circula por pistas de obra (18 a 28 Tn). El d´ umper extravial r´ıgido es un cami´ on basculante muy reforzados y robustos, con relaciones tara/carga de 0,75 (0,5 en camiones) y velocidades de hasta 60 km/h. Transporte a obra por carretera con semirremolques g´ ondola (plataforma, de fondo bajo).

153

4.19. Camiones y D´ umperes

El D´ umper extravial articulado (lagarto) está dise˜ nado para terrenos con alta RR (blando/fangoso), y tiene como caracter´ısticas: Articulaci´ on entre el tractor y el remolque, para que todas las ruedas mantengan contacto con el terreno en todo momento Tracci´ on a todas las ruedas. Neumáticos de baja presión. Ventaja: supera mayores pendientes que d´ umper r´ıgido. Inconveniente: menor velocidad (a = RT ); menor capacidad carga. Transporte a obra por carretera con semirremolques góndola (transporte especial).

4.19.3.

Capacidad de un Cami´ on

El peso m´ aximo puede limitar el volumen a transportar (p.ej. materiales muy densos: mena, arena h´ umeda). Es necesario comprobar que: Wcarga = ρVcarga ≤ Wmax

(4.85)

No es econ´ omico sobrecargar el veh´ıculo, ya que se produce un mayor desgaste de los neumáticos y del veh´ıculo (reduce su vida u ´til y aumenta gasto en reparaciones de aver´ıas), hecho que redunda en un mayor coste en e/m3 transportado. Algunos valores t´ıpicos son: Para veh´ıculos Viales (capacidad a ras, m3 ). • Cami´ on Volquete: 13,5 m3 . • Cami´ on Ba˜ nera: 24,0 m3 . Veh´ıculos Extraviales (capacidad colmada 2:1 seg´ un SAE, m3 ). • D´ umper 35 t: 23,0 m3 . • D´ umper 50 t: 34,0 m3 . • D´ umper 90 t: 60,0 m3 .

Ciclo de trabajo de un camión 4.19.4.

Ciclo de Trabajo de un Cami´ on 1. Posicionamiento y carga 2. Acarreo

3. Maniobra y descarga

4. Regreso

Figura 4.92: Ciclo de trabajo de un camión.

179

154

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

4.19.4.1.

Paso 1: No de Cucharas (Bucket Loads)

N´ umero de cucharas para llenar el camión, Nc :  Vcam  Nc1 = Vcuchara Fllenado cuchara Nc,max = min (Nc1 , Nc2 )  W  Nc2 = Wutil,cam cuchara

(4.86)

Donde: Nc,max es el no m´ aximo de cucharas que admite el camión sin superar su capacidad (peso y volumen). Nc1 es el llenado de todo el volumen de la caja del camión. Nc2 es el llenado hasta el m´ aximo peso. Nc debe ser un no entero, pero normalmente no sale entero → habrá que redondear: Redondeo hacia arriba = Carga incompleta de la u ´ltima cuchara (o rebose de material). El cami´ on se llena hasta su m´ axima capacidad: Wcamion Vtransp = min Vcamion , (4.87) ρ Redondeo hacia abajo = Cucharas completamente llenas. El camión no se llena hasta su máxima capacidad: Vtransp = Nc Vcuchara Fllenado cuchara (4.88) Las condiciones de trabajo, p.ej. pendientes elevadas o congestión de la zona de carga (bunching), hacen recomendable no llenar los camiones hasta su capacidad máxima. Regla práctica: llenar el cami´ on con 4, 5, ´ o 6 cucharas completas.

4.19.4.2.

Paso 2: Tiempo de Carga

Se calcula mediante: Tcarga = Nc Tciclo cargadora

(4.89)

Además, hay que a˜ nadir: Tiempo de espera: • Depende de la distancia de acarreo y de la organización del tajo (p.ej. área de excavaci´ on congestionada). • Estimar Tespera de 0,5 a 2,0 min. Maniobras de posicionamiento en zona de carga: El camión tiene que realizar maniobras para posicionarse en la zona de carga → incluir Tmaniobras . En maniobras de posicionamiento en zona de carga, se estima Tmaniobras : Entrada marcha atr´ as, estimar 0,5 min. Entrada de frente, estimar 0,25 min.

155

4.19. Camiones y D´ umperes

4.19.4.3.

Paso 3: Tiempo de Ida (Cami´ on Cargado)

Se calcula: Tida,t =

dida (km) 60(min/h) vida (km/h)

(4.90)

Donde vida depende de: resistencia total (RT) en el camino de ida, peso cargado y caracter´ısticas del camión.

4.19.4.4.

Paso 3: Tiempo de Vuelta (Cami´ on Vac´ıo)

Se calcula: Tvuelta,t =

dvuelta (km) 60(min/h) vvuelta (km/h)

(4.91)

Donde vvuelta depende de: resistencia total (RT) en el camino de vuelta, peso en vac´ıo y caracter´ısticas del cami´ on. Los valores de vida y vvuelta se estiman con curvas del comportamiento o con la potencia del camión: No tienen en cuenta aceleraciones y deceleraciones. Tampoco tienen en cuenta que las condiciones del trayecto y la seguridad pueden limitar la velocidad: • Caminos estrechos. • Congesti´ on. • Se˜ nales de tr´ afico en carreteras p´ ublicas.

4.19.4.5.

Paso 5: Tiempo de Descarga

Depende del tipo de cami´ on y de la congestión de la zona de descarga. En zonas de descarga suele haber equipo auxiliar (bulldozers o motoniveladoras extendiendo el material, compactadoras). Los tiempos de maniobra y descarga (estimación, Peurifoy): Veh´ıculos de descarga trasera: tienen que posicionarse previamente (parar + retroceder una cierta distancia). • Condiciones favorables: T=0,7 min. • Condiciones desfavorables: T=1,5 min. Veh´ıculos de descarga inferior: descargan mientras se mueven. • Condiciones favorables: T=0,3 min. • Condiciones medias: T=0,6 min. • Condiciones desfavorables: T=1,5 min. Otra estimaci´ on de Tdesc para camiones de descarga trasera. • D´ umperes 1,0 min.

156

4. Movimiento de Tierras. Operaciones y Maquinaria

• Camiones 1,5 min. • ”Ba˜ neras”2,5 min. Los factores espec´ıficos de proyecto son: Condiciones de la superficie de rodadura en la zona de vertido. Congesti´ on de la zona de vertido.

4.19.4.6.

Paso 6: Tiempo de Ciclo

El tiempo de ciclo se calcula seg´ un: Tciclo cam = Tcarga + Tida + Tdescarga + Tvuelta

4.19.5.

(4.92)

Producci´ on de un Cami´ on

La producci´ on de un cami´ on se calcula: 3 Vtransp m3 E min m E = fh,cam Pcam h Tciclo cam (min) h

(4.93)

Donde fh,cam es el factor de eficiencia horaria del camión. La producci´ on de una flota de Ncam camiones iguales se calcula suponiendo que todos ellos tienen la misma eficiencia horaria: Ptransp = Ncam Pcam

(4.94)

Para conocer la eficiencia horaria, es necesario considerar tres factores cr´ıticos: 1. Congesti´ on (bunching): En el punto de equilibrio entre cargadora y camiones, la congestión produce una reducci´ on de la producci´ on de 10 a 20 %. Si hay camiones extras, el efecto se reduce porque siempre hay una cola de camiones esperando para ser cargados. 2. Conductor: Normalmente, mayores distancias de acarreo conllevan una mejor eficiencia del conductor. A partir de 2,4 km la eficiencia del conductor no crece más, y permanece constante. 3. Disponibilidad de los equipos: Condiciones del equipo, mantenimiento y repostaje, descansos del conductor. Roturas. Si solo hay una m´ aquina de un tipo (p. ej. excavadora), su rotura paraliza la producci´ on.

4.20. Bibliograf´ıa

157

Otros factores que influyen en la producción: Posicionamiento del cami´ on para cargarlo: Más eficiente si se posiciona el camión sin dar marcha atr´ as (menos tiempo). También es más seguro. Alcance de la excavadora-cargadora: Comprobar que la cargadora tiene alcance suficiente (distancia horizontal desde las ruedas delanteras hasta el borde de la cuchara, con el brazo completamente elevado y la cuchara en posición de descarga a 45o ). Altura de descarga de la cuchara: Debe ser mayor que la altura de las paredes del cami´ on. Si no es suficiente, se puede construir una rampa. Ancho de la cuchara: Comparar con la longitud del cuerpo del camión. Recomendaci´ on: entre 1:1,4 y 1:1,5.

4.20.

Bibliograf´ıa

Procedimientos Generales de Construcción. Movimiento de Tierras. Juan Tiktin. Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos Canales y Puertos. Construction Planning, Equipment and Methods. Robert L. Peurifoy et al. Mc Graw Hill. Manual de Maquinaria de Construcción. Manuel D´ıaz del R´ıo. Mc Graw Hill).

30/01/2015 159

Introducción

Cap´ıtulo 5

Cimentaciones 5.1.

7

Cimentaciones superficiales y semiprofundas 30/01/2015 Introducci´ on. Las Cimentaciones y su Tipolog´ıa

Cimentaciones superficiales (o directas): • Aplicables en suelos firmes o para cargas peque˜ nas, principalmente. • Su objetivo es transferir cargas al terreno subyacente. Cimentaciones profundas: • Principalmente aplicables en suelos Introducción poco resistentes o para cargas grandes. • Para transferir cargas al terreno subyacente.

• Cimentaciones profundas

– ~ principalmente aplicable en suelos poco resistentes o par ~ para transferir cargas al terreno subyacente

Suelo poco resistente

Terreno firme

Lecho de roca Lecho de roca Cimentaciones superficiales y semiprofundas 30/01/2015 (a) Cimentaciones superficiales. (b) Cimentaciones profundas.

superficiales y semiprofundas 30/01/2015

P I L O T E

8

Figura 5.1: Tipos de cimentaciones.

5.1.1.

Necesidad de estos Elementos Estructura: • Hormig´ on: Ej. HA-25. • Acero: Ej. S-275. • Geometr´ıa definida por el proyectista. • Caracter´ısticas mec´ anicas conocidas.

4

160

5. Cimentaciones

Terreno: • No lo escogemos. • Resistencia y rigidez inferiores a la estructura: Ej. 0.2 MPa. • Incertidumbre en propiedades mecánicas. Cimentaci´ on: • Hormig´ on armado o en masa. • Elemento de transici´ on: A>>a. Misiones: Reparto de cargas. p + Wz < qadm A S > Sadm q=

(5.1) (5.2)

Caracter´ısticas m´ as usuales: • Elementos de gran volumen: A>>a. • Materiales que pueden ser menos resistentes. • Poca influencia econ´ omica en coste total: 3-8 %. • Gran repercusi´ on en el comportamiento futuro de la estructura.

a

P A q

Terreno

Figura 5.2: Esquema cimentación.

5.1.2.

Problem´ atica del Dise˜ no de Cimentaciones

Objetivos: Compatibilizar las caracter´ısticas del edificio y el terreno para conseguir un conjunto estable. Transmitir adecuadamente las acciones que recibe de la estructura al suelo.

Introducción 161

5.1. Introducci´ on. Las Cimentaciones y su Tipolog´ıa

• Problemática del Diseño de Cimentaciones – Objetivos Aspectos geotécnicos y estructurales. Exigencias b´ asicas debásicas SE (Art´ıculo CTE): • Exigencias de10,SE (Artículo 10, CTE): • SE1: Resistencia y estabilidad (Art. 10.1). – SE1: Resistencia y estabilidad (Art. 10.1) • SE2: Aptitud al servicio (Art. 10.2).

– SE2: Aptitud al servicio (Art. 10.2)

30

18

Cimentaciones superficiales y semiprofundas 30/01/2015 Figura 5.3: Extracto CTE.

Introducción

Problem´ atica del dise˜ no de cimentaciones:

no Geotécnico: • Dise˜ Problemática del Diseño de Cimentaciones

• (Cap 2. DB-SE-C): Seguridad frente al hundimiento del terreno (4.2.1.1. DB-SE-

– Diseño Geotécnico (Cap 2. DB-SE-C) C).

• Seguridad frente al hundimiento del terreno (4.2.1.1. DB-SE-C) carga Q

Q

Q

s asiento

asiento s

Fallo general por cortante generalizado

Fallo por cortante local

Q (kN)

Fallo por densificación (por punzonamiento)

Q

Q

s

s

s (cm) Cimentaciones superficiales y semiprofundas 30/01/2015

Figura 5.4: Seguridad frente al hundimiento.

19

162

5. Cimentaciones

◦ Presi´ on de hundimiento del terreno:

Qh A

= qadm .

Q+Wz A

◦ Presi´ on aplicada: = q. ◦ Coeficiente de seguridad frente al hundimiento Fh > 1.

Figura 5.5: Seguridad frente al hundimiento del terreno.

Presi´ on admisible (qadm ):

qh = qadm > q Fh Coeficientes de seguridad parciales: Tabla 2.1 DB-SE-C.

(5.3)

◦ La presi´ on de hundimiento del terreno depende de: Resistencia a cortante del terreno (c, φ). Dimensiones y forma de la cimentación. Profundidad de enterramiento de la cimentación. Peso espec´ıfico del terreno. Situaci´ on del nivel freático. ◦ Para hacer un predise˜ no, se suele tomar un valor constante que depende del tipo de terreno y su consistencia o grado de compactación. ◦ Presiones admisibles a efectos de predise˜ no (CTE):

Figura 5.6: Extracto CTE.

5.1. Introducci´ on. Las Cimentaciones y su Tipolog´ıa

• Limitar deformaciones y vibraciones (Aptdo 2.4.3.DB-SE-C): ◦ Asientos diferenciales (δsij ). ◦ Distorsi´ on angular: αij =

δsij Lij

Figura 5.7: Asientos diferenciales y distorsión angular.

• Deformaciones admisibles (Tablas 2.2 y 2.3. DB-SE-C):

Figura 5.8: Extracto CTE.

Dise˜ no Estructural (Instrucción EHE): • Resistencia como elemento estructural. • Durabilidad.

163

164

5. Cimentaciones

5.1.3.

Tipolog´ıa de Cimentaciones

Se pueden clasificar seg´ un: Profundidad de apoyo: • Superficiales. • Semiprofundas. • Profundas. Respecto nivel m´ as bajo del edificio Df . Relativa al ancho Df /B.

(a) Clasificaci´ on seg´ un profundidad.

(b) Esfuerzos que solicitan las cimentaciones.

Figura 5.9: Tipos de cimentaciones.

165

5.1. Introducci´ on. Las Cimentaciones y su Tipolog´ıa

Seg´ un los dos u ´ltimos puntos: Superficiales Df < 3 m, Df /B < 4: • Zapatas aisladas o corridas. • Vigas de cimentaci´ on. • Emparrillados. • Losas de cimentaci´ on. Semiprofundas 3 m < Df < 6 m, 4 < Df /B < 10 (Pozos). Profundas Df > 6 m, Df /B > 10: • Pilotes convencionales. • Micropilotes. • Zapilotes. • Elementos de pantalla. • Cajones y pozos indios. • Columnas de grava o terreno inyectado. Pilote: Elemento de cimentación de gran longitud ( longitud de anclaje.

5.3.3.

El Proyecto de una Cimentaci´ on por Zapatas

Resultados de un proyecto de cimentación: Plano de situaci´ on en planta. Detalles: • Zapatas. • Vigas riostras y centradoras. Cuadros. • De armado. • De dimensiones. • De coeficientes de seguridad. • De materiales.

172

5. Cimentaciones

5.4.

5.4.1.

Cimentaciones por Losa, Emparrillados y Cimentaciones Semiprofundas Emparrillados y Losas de Cimentaci´ on

Caracter´ısticas generales: Hormigón armado Soportan todos los pilares de la estructura: • Losa: ocupa toda el ´ area en planta. ◦ M´ınimiza presi´ on transmitida al terreno, pero el bulbo de presiones es muy grande (asientos). ◦ Trabaja como placa (para luzmin /hmedio > 4): flexión bidimensional. • Emparrillado: malla de zapatas corridas entrecruzadas. Garantizan el arriostramiento horizontal de la base de los pilares. Condiciones de utilizaci´ on: Reducir asientos diferenciales (Terrenos heterogéneos, cargas diferentes entre pilares). Losa: • S´ otanos bajo el nivel fre´ atico: Estanqueidad. Empujes ascensionales del agua. • Cimentaci´ on compensada o parcialmente compensada. (edificios con sótanos). Presi´ on neta qneta : incremento de tensiones respecto a la situación antes de construir. Se supone terreno excavado homogéneo, con peso espec´ıfico γ: qneta =

R z − Wt Rz = − γDf = qbruta − γDf ≤ qadm,neta A A

(5.4)

Donde: ◦ Wt : peso de las tierras excavadas. ◦ Df : profundidad de apoyo de la losa. • Cimentaci´ on compensada: qneta = 0. • Cimentaci´ on parcialmente compensada: qneta ≤ qadm,neta . • Presi´ on neta admisible: qadm,neta . Criterio para seleccionar cimentación superficial por losas frente a zapatas o emparrillados: Acim 50 % en suelos arcillosos ≥ (5.5) 30 % en suelos arenosos A Donde: • Acim : ´ area de cimentaci´ on superficial necesaria. • A: ´ area en planta del edificio. Además, para cimentaciones superficiales debe cumplirse: Acim ≤ A. Si no se cumpliera, probar: • Cimentaci´ on compensada. • Cimentaci´ on profunda.

5.4. Cimentaciones por Losa, Emparrillados y Cimentaciones Semiprofundas

173

Criterios de dise˜ no: Rigidez relativa losa-terreno. Habitualmente: losas flexibles frente al terreno. Seg´ un el Modelo de Winkler, la longitud elástica es: r α=

4

Ec h3 D D= ks [kN/m3 ] ks 12 (1 − νc2 )

(5.6)

Resultante de cargas actuantes sobre el edificio debe pasar por el n´ ucleo central de la losa: • Si zapata r´ıgida: no se levanta ning´ un punto de la losa. • No se produce vuelco. • Inclinaci´ on peque˜ na del edificio. Evitar formas geométricas extra˜ nas: • Aparecen torsiones. • Normalmente: losa rectangular y de espesor constante.

Figura 5.15: Aspectos constructivos.

174

5. Cimentaciones

5.4.2.

Cimentaciones Semiprofundas

Caracter´ısticas generales: Transmitir cargas a un estrato resistente situado a unos pocos metros (3-6m) de profundidad. Se realiza mediante: Cimentaci´ on con pedestales intermedios. El pedestal requiere encofrado: • Zapata de hormig´ on armado a la profundidad requerida. • Pedestal de gran rigidez para unir zapata y pilar. Cimentaci´ on por pozos. Frente a cargas horizontales y momentos: la colaboración lateral del terreno es muy importante. Las cargas transmitidas al terreno a través de las paredes laterales pueden ser elevadas (gran superficie): • Relleno de hormig´ on pobre. • Zapata apoyada sobre dado de hormigón. • Pilar unido directamente al dado de hormigón. Pilotes circulares de gran di´ ametro, con o sin base ensanchada.

Figura 5.16: Cimentaciones semiprofundas.

Condiciones de utilizaci´ on: Estrato resistente poco profundo (3-6m). Cimentar en suelos expansivos para salvar la capa activa (variación estacional de humedad). Transmitir fuerzas horizontales o momentos elevados, p.ej. cimentación de torres eléctricas. Dificultades que pueden presentarse: • Infiltraciones de agua. • Desprendimiento de las paredes de la excavación.

5.4. Cimentaciones por Losa, Emparrillados y Cimentaciones Semiprofundas

(a) Zapata peraltada.

(b) Pozo.

Figura 5.17: Aspectos constructivos.

175

176

5. Cimentaciones

5.5.

Introducci´ on a las Cimentaciones Profundas

Criterio de dise˜ no: La profundidad de apoyo. Respecto nivel m´ as bajo del edificio Df > 6 m. Relativa al ancho Df /B > 10. Tipolog´ıa de cimentaciones profundas: Pilotes convencionales. Micropilotes (φ < 25 cm). Zapilotes (base ensanchada). Elementos de pantalla. Cajones y pozos indios. Columnas de grava o terreno inyectado.

8

Figura 5.18: Tipolog´ıa de cimentaciones profundas.

Condiciones de utilizaci´ on: Terreno poco resistente → B´ usqueda de estrato resistente. Disminuir asientos. Cargas altas y/o concentradas. Permeabilidad del suelo impide superficiales. Si el estrato firme est´ a por debajo de 25 m se estudian otras opciones: Mejora del terreno. Cimentaci´ on compensada.

177

5.6. Cimentaciones por Pilotes o Pilotajes

5.6. 5.6.1.

Cimentaciones por Pilotes o Pilotajes Caracter´ısticas Generales

Elementos de una cimentaci´ on por pilotes: Encepado. Viga de atado o riostra. Pilotes. Pilar Encepado Pilotes

30/01/2015 Figura 5.19: Elementos de una cimentación por pilotes.

Partes de un pilote: Cabeza. Fuste.

Cimentaciones por pilotes o pilotajes

Punta.• Características generales (cont.)

6

– Partes de un pilote • Cabeza • Fuste • Punta

13

Cimentaciones profundas 30/01/2015

Figura 5.20: Pilote.

178

5. Cimentaciones

Figura 5.21: Funcionamiento de un pilote.

5.6.2.

Condiciones de Utilizaci´ on

Figura 5.22: Condiciones de utilización de un pilote.

– Características C t í ti generales l – Condiciones de utilización – Clasificación 5.6. Cimentaciones por Pilotes o Pilotajes – Criterios de diseño – Encepados Transferir cargas a través de suelo blando o agua hasta estrato resistente adecuado: – Aspectos constructivos Aumenta carga de hundimiento. – Proyecto de cimentación por pilotes Disminuyen los asientos.

41

Cimentaciones profundas 30/01/2015

(a) Zapata peraltada.

(b) Pozo.

Figura 5.23: Condiciones de utilización.

5.6.3.

Cimentaciones por pilotes o pilotajes

Criterios de Dise˜ no

• Criterios de diseño

Acciones sobre los pilotes:

– Acciones sobre los pilotes

Tracci´ on-compresi´ on principalmente.

• Tracción-compresión principalmente • Cortante y flexión

Cortante y flexi´ on.

Cimentaciones profundas 30/01/2015

Figura 5.24: Acciones sobre los pilotes.

Fallo de un pilote: Hundimiento frente a cargas verticales de compresión. Fallo de un pilote por arrancamiento: • Frente a cargas verticales de tracción. • Cargas horizontales.

42

179

180

5. Cimentaciones

Figura 5.25: Fallo de pilotes por hundimiento y ante cargas horizontales.

Estados l´ımite: Asiento l´ımite: S ≥ Smax . Carga de hundimiento: • De un pilote aislado. • De un grupo de pilotes. Carga de arrancamiento: • De un pilote aislado. • De un grupo de pilotes. Resistencia estructural: Estados l´ımite de hormigón estructural. Hinca. Durabilidad.

5.6.3.1.

Comprobaci´ on de Seguridad Frente a ELU Geot´ ecnicos

Seguridad frente al hundimiento: Z Qh,i,aislado = qp Ap +

L

p τf (z) dz 0

Donde: Qh,i,aislado : Carga de hundimiento de un pilote aislado. qp : Resistencia unitaria por punta. ´ Ap : Area fuste a compresi´ on. p: Per´ımetro de la secci´ on transversal del pilote. τf (z): Resistencia unitaria por fuste a compresión.

(5.7)

23

181

5.6. Cimentaciones por Pilotes o Pilotajes

Si la resistencia en fuste en constante a tramos: Qh,i,aislado = qp Ap +

nestratos X

τf,j Af,j

(5.8)

j=1

Donde Af,j = p Hj es el ´ area lateral del fuste en el estrato j y Hj es la longitud de pilote dentro del estrato j.

τf(z)

τf,1

H1

τf,2

H2

τf,3

H3

z Figura 5.26: Resistencia por tramos.

Seguridad frente al arrancamiento: Ti − Wp,i = −Qi − Wp,i ≤ Tadm,i =

Tarranc,i γR

(5.9)

Carga de arrancamiento de un pilote aislado (Sólo hay contribución del fuste): Z Tarranc,i,aislado =

L

p 0, 7τf (z) dz

(5.10)

0

Resistencia unitaria por fuste a tracción = 0, 7τf seg´ un el aptdo. 5.3.5 del DB-SE-C. En grupos de pilotes, El momento Mg produce una reducción de la carga vertical de compresión en los pilotes de la izquierda (Xi < 0) y un aumento de la compresión de los pilotes de la derecha (Xi > 0). Pg produce una compresión de todos los pilotes.

182

5. Cimentaciones

Z O

X

Figura 5.27: Grupos de pilotes y solicitaciones.

Hipótesis simplificativas habituales (aptdo. 5.2.1. DB-SE-C): Pilotes de igual longitud. Pilotes articulados al encepado: No reciben momentos flectores ni torsores en la cabeza. El terreno que atraviesan todos los pilotes es el mismo. El origen del sistema de referencia (punto O) está situado: • En la base del encepado. • En el c.d.g. de la distribución de pilotes. x, y son ejes principales de inercia de la distribución de pilotes: P.ej. uno de ellos es de simetr´ıa. Compresión y cortantes transmitidos a la cabeza del pilote i, cuyo baricentro está situado en la posición (xi , yi ): Compresión: f´ ormula de Navier. Ai Ai y i Ai x i Qi = P V −P Mx + P My Ai Ai yi2 Ai x2i

(5.11)

Cortantes: Ai Ai y i Mz Hxi = P Hx − P Ai Ai x2i + yi2 Ai Ai x i Mz Hyi = P Hy − P Ai Ai x2i + yi2

(5.12) (5.13)

183

5.6. Cimentaciones por Pilotes o Pilotajes

Eficiencia, fen´ omeno de interacción: La eficiencia se obtiene en función del espaciamiento e = s/d donde e es la eficiencia, s es la separación entre centroides de los pilotes del grupo y d el diámetro de los pilotes (CTE DB-SE-C). La capacidad portante real: Qh,i,grupo = η Qh,i,aislado

5.6.4.

(5.14)

Encepados

Caracter´ısticas generales: Elementos estructurales. Gran canto. Se clasifican seg´ un: Atendiendo a su forma en planta (no pilotes) R´ıgidos / flexibles: Normalmente son r´ıgidos: vmax < 2h.

65

Cimentaciones profundas 30/01/2015

Figura 5.28: Encepados.

Criterios de dise˜ no: Armadura principal: Se dispone para crear el mecanismo de bielas y tirantes, y conecta las cabezas de los pilotes. Armadura secundaria (resistir esfuerzos secundarios): • Armadura longitudinal en cara superior para absorber excentricidades. • Armadura de piel horizontal y vertical en forma de cercos.

184

5. Cimentaciones

Figura 5.29: Armadura principal de encepados.

Figura 5.30: Armadura secundaria de encepados.

185

Cap´ıtulo 6

El Edificio Industrial 6.1. 6.1.1.

Introducci´ on Historia del Edificio Industrial

En el siglo XVIII (1769) se inventó de la máquina de vapor, con lo que: Sobreviene la revoluci´ on industrial. Aparece la industria como tal y con ella el concepto de fábrica y edificio industrial. Los trabajadores viven entorno a las fábricas. Ciudades en las que todo esta mezclado, fábrica y vivienda. Lo importante es la producción. Se carece de un sentido social y de una legislación apropiada que regule el establecimiento de las industrias. A finales del siglo XIX - comienzos del siglo XX: El hombre es un factor m´ as en la producción. El proceso productivo comienza a acaparar mayor interés. Se exigen grandes rendimientos, tanto a las máquinas como a los hombres. M´ aquinas y procesos han de seguir orden o secuencia lógica. Todo ello repercute en las caracter´ısticas del edificio industrial y en su construcción. El concepto actual de f´ abrica es el lugar donde hay que producir, con arreglo a un determinado proceso de fabricaci´ on, en las condiciones más económicas, cumpliendo además con unas condiciones ´ optimas de trabajo y sociales para el trabajador.

186

6. El Edificio Industrial

Edificios y estructuras industriales

6.1.2.

Condicionantes y Requisitos de Dise˜ no

Los requisitos b´ asicos a cumplir por el Edificio Industrial son: Constituir un medio eficaz para la producción.

Introducción

Hacer que la producci´ on pueda desarrollarse de forma económica.

• Condicionantes y requisitos de diseño

10

– Requisitos básicosy arequisitos cumplir por elunEdificio Industrial Figura 6.1: Condicionantes de dise˜ no de edificio industrial. • Constituir un medio eficaz para la producción • Hacer que la producción pueda desarrollarse de forma económica

Introducción

Edificios y estructuras industriales 6.1.3. Costes Relativos de

una Planta Industrial Pesada

• Costes relativos de una planta industrial pesada TERRENOS (compra, movimiento de tierras, accesos, etc.)

10%

EQUIPOS MECÁNICOS Y ELÉCTRICOS

35%

NECESIDADES PARA LOS EQUIPOS ANTERIORES (cimientos, sótanos, galerías, desagües, calderería, etc.)

10%

EDIFICIOS (estructura, cubierta, cierres, pavimentos, etc.)

15%

ENERGÍA ELÉCTRICA (sub-estación, red, protecciones, etc.)

5%

INSTALACIONES DE AGUA, AIRE, VAPOR, FUEL, ETC.

3%

INSTALACIONES AUXILIARES (talleres, grúas, etc.)

7%

SERVICIOS VARIOS (oficinas, laboratorios, vestuarios, etc.)

5%

VARIOS (impuestos, ingeniería, imprevistos, etc.)

10%

Figura 6.2: Costes relativos de una planta industrial Fuente, pesada. IDOM

Edificios y estructuras industriales

striales 6.2. Tipolog´ıa de los Edificios Industriales

6.2. 6.2.1.

187

Tipolog´ıa de los Edificios Industriales Introducci´ on

Proyectar un edificio al margen total de la estructura y al final tratar de encajarla como sea, es dif´ıcil por la cantidad de condicionantes que se plantean en cualquier edificio: Utilizaci´ on de soluciones estructurales apropiadas seg´ un econom´ıa. Modulaciones b´ asicas. Por ejemplo, los cantos de forjados condicionados por las luces. Aunque en determinadas Plantas Industriales los edificios o bien no existen, o bien carecen de importancia, el caso m´ as general y frecuente es que existan y sean absolutamente necesarios. Se puede hacer la clasificaci´ on seg´ un: Seg´ un el n´ umero de plantas. Seg´ un el n´ umero de naves. Seg´ un la forma.

Figura 6.3: Aspectos a considerar en una planta industrial.

Tipología de los edificios industriales

Tipología •  Clasificaciónde los edificios industriales

188

6.2.2.

6. El Edificio Industrial

– Clasificaci´ Según el número de plantas on

•  Clasificación 6.2.2.1.

Seg´ un el N´ umero de Plantas

–  Según el número de plantas

ü  Los edificios construidos en una sola planta se utilizan con más profusión que los de varias. En general el único problema que plantean es la necesidad de una mayor superficie del terreno. Pero por otra parte, las circulaciones y el layout se hacen de manera más natural en una sola planta que en varias. ü  Los edificios industriales construidos en varias plantas deben tener una aplicación restringida. Solo son aptos para industria ligera, pero nunca para industria pesada, y solo en aquellos casos en que el proceso productivo lo exija. Figura 6.4: Clasificación seg´ un el n´ umero de plantas. ü  Los Edificios edificios construidos y estructuras industrialesen una sola planta se utilizan con más profusión que los de Los varias. En general el único problema que plantean es la necesidad de una edificios construidos en una sola planta se utilizan con más profusión que los de varias. mayor superficie delproblema terreno. poresotra parte, las circulaciones y eldellayout En general el u ńico quePero plantean la necesidad de una mayor superficie terreno.se hacen más natural en yuna sola se planta en varias. Perode pormanera otra parte, las circulaciones el layout hacen que de manera más natural en una sola

planta que en varias.

ü  Los edificios industriales construidos en varias plantas deben tener una Los edificios industriales construidos en varias debenligera, tener una aplicaci´ on restringida. aplicación restringida. Solo son aptos paraplantas industria pero nunca para Solo son aptos para industria ligera, pero nunca para industria pesada, y solo en aquellos casos industria pesada, y solo ende aquellos casos en queindustriales el proceso productivo lo exija. Tipología los edificios en que el proceso productivo lo exija.

Edificios y estructuras industriales

•  Clasificación Seg´ un el N´ umero de Naves

6.2.2.2.

–  Según el número de naves

Tipología de los edificios industriales Figura 6.5: Clasificación seg´ un el n´ umero de naves.

ü  Para cubrir un mismo área, los edificios de nave única serán en general de

Para cubrir mismoque area, ´ los edificios navemúltiples. u ńica serán en general de coste más elevado coste másunelevado cuando existen de naves que cuando existen naves m´ ultiples.

ü  La nave única sin pilares intermedios da una mayor flexibilidad a la utilización •  Clasificación del espacio; pero como intermedios esta ventaja tiene un mayor coste generalmente debe La nave u ńica sin pilares da una flexibilidad aelevado, la utilizaci´ on del espacio; utilizarse solo cuando el proceso de fabricación así lo imponga, hecho que se pero como esta ventaja tiene un coste generalmente elevado, debe utilizarse solo cuando el deriva del estudio de la implantación. proceso de fabricaci´ on as´ı lo imponga, hecho que se deriva del estudio de la implantación.

–  Según el número de naves Edificios y estructuras industriales

6

A dos aguas

Múltiples a dos aguas

Con lucernarios

Tipología de los edificios industriales

6.2. Tipolog´ıa de los Edificios Industriales

189

• Clasificación Seg´ un la Forma

6.2.2.3.

– Según la forma En diente de sierra

A dos aguas

Edificios y estructuras industriales

En diente de sierra

Cubierta plana con claraboyas

Múltiples a dos aguas

Cubierta plana con claraboyas

Combinación

Con lucernarios

Combinación

Clasificaci´ on seg´ un su forma. TipologíaFigura de6.6:los edificios industriales Edificios y estructuras industriales

Clasificaci´ on queque Utilizaremos •  Clasificación utilizaremos

6.2.3.

Tipología de los edificios industriales • Clasificación que utilizaremos

Figura 6.7: Clasificación que emplearemos.

Edificios y estructuras industriales

Edificios y estructuras industriales

Edificios y estructuras industriales 190

6.3. 6.3.1.

6. El Edificio Industrial

´ Edificios de Nave Unica Caracter´ısticas

Edificios de nave única

T´ıpicamente con luces entre 20-30 m y separación entre pórticos 6 m. Sus componentes son: Perfiles laminados o armados, vigas en celos´ıa, ... Elementos prefabricados de hormigón. • Características

simple o única FiguraNave 6.8: Nave simple ou ńica.

– Típicamente con luces entre 20-30m y separación 6.3.2. entre Clasificaci´ on pórticos 6m – Componentes 6.3.2.1. De Cerramientos Convencionales • Perfiles laminados o armados, vigas en celosía … Caracter´ısticas: • Elementos prefabricados de hormigón Las más antiguas. Edificios y estructuras industriales Cerramiento resistente reforzado con pilastras. Pilastras frente a esfuerzos horizontales de viento.

Edificios de nave única

Sobre las pilastras descansan la cerchas. Materiales del cerramiento. • F´ abrica de ladrillo cer´ amico. • Bloques de hormig´ on.

•  Clasificación

Figura 6.9: Nave de cerramientos convencionales. –  Las más antiguas –  Cerramiento resistente reforzado con pilastras –  Pilastras frente a esfuerzos horizontales de viento –  Sobre las pilastras descansan la cerchas

´ 6.3. Edificios de Nave Unica

6.3.2.2.

191

Aporticadas

Constituidas por un entramado resistente o pórtico al que se fija lateralmente el cerramiento y superiormente la cubierta también a base de correas. Existen los siguientes tipos: 10/9/13

Triarticulados o p´ orticos L: • F´ acil montaje y construcción. • Alturas peque˜ nas y luces hasta 12-13 m.

• Dificultades de transporte no permiten alturas y luces mayores salvo que la fabricaci´ on se realice a pie de obra. Edificios de nave única 10/9/13 Biarticulados LAMBDA: Constan de dos piezas: los soportes en forma de L y el dintel. •  Clasificación • Su fabricaci´ on y montaje exige mayor precisión. • Permiten llegar a luces y alturas mayores tanto por el transporte como por su forma de trabajo.

Edificios de nave única Biarticulados: Pies derechos Edificios de nave únicaempotrados en la cimentación que reciben en cabeza vigas

de secci´ on constante o variable. • Luces medias y grandes. •  Clasificación

•  Clasificación

–  Triarticulados o pórticos L

Monoarticulados en cumbrera: •  Fácil montaje y construcción • Los pilares se•  empotran en las zapatas se atornillan r´ıgidamente con los dinteles Alturas pequeñas y luces hastay12-13 m que se articulan entre s´ ı en la cumbrera. •  Dificultades de transporte no permiten alturas y luces salvo fabricación se realice pie de obra • Por sus formasmayores lineales sonque delaf´ acil fabricaci´ on y atransporte.

• Su punto s delicado es la unión pilar-dintel. Edificiosm´ ya estructuras industriales 10/9/13 –  Pórticos de nudos rígidos Pórticos de nudos r´ıgidos: –  Biarticulados Pórticos simples, sin articulación alguna • P´ orticos simples, sin articulación alguna.•  En la pr´ actica, salvo en prefabricaciones •  Pies derechos empotrados en la cimentación que reciben en •  En la práctica, salvo en prefabricaciones a pie de obra y a pie constante de obra yo luces cortas, solo se construyen con estructura metálica. cabeza vigas de sección variable luces cortas, solo se construyen con estructura metálica •  Luces medias y grandes Articulado en la cimentaci´ on: El pórtico metálico y con el fin de reducir momentos en

Edificios de nave únicabiarticuladodeennave única los apoyosde y en la cimentaci´ la base. Edificios nave única on se suele diseñar tambiénEdificios 10/9/13 Edificios y estructuras industriales

Edificios y estructuras industriales

•  Clasificación

•  Clasificación

•  Clasificación

Edificios de nave única Edificios de nave única

Edificios de nave única

(a) Triarticulados o p´ orticos L. (b) Biarticulados LAMBDA. (c) Biarticulados. •  Clasificación •  Clasificación –  Biarticulados LAMBDA –  Biarticulados •  Clasificación –  Triarticulados o pórticos L

•  Constan de dos piezas: los soportes en forma de Lempotrados y el dintel en la cimentación que reciben en •  Pies derechos •  Fácil montaje y construcción •  Su fabricación y montaje exige mayor precisión cabeza vigas de sección constante o variable •  Alturas pequeñas y luces hasta 12-13 m •  Permiten llegar a luces y alturas mayores poryel •  Luces tanto medias grandes transporte •  Dificultades de transporte no permiten alturas ycomo lucespor su forma de trabajo mayores salvo que la fabricación se realice a pie de obra Edificios y estructuras industriales

Edificios y estructuras industriales

Edificios y estructuras industriales

(d) Monoarticulados en cumbrera. (e) P´ orticos de nudos r´ıgidos.

(f) Articulado en la cimentaci´ on.

–  Articulado en la cimentación

–  Pórticos de nudos rígidos •  El pórtico metálico y con el fin de reducir momentos en los –  Monoarticulados en cumbrera Figura 6.10: Tipos de naves aporticadas.

• 

Pórticosy simples, sin articulaciónapoyos algunay en la cimentación se suele diseñar 10 también •  Los pilares se empotran en las•  zapatas se atornillan rígidamente con los dinteles que se articulan entre sí en la biarticulado en de la base •  En la práctica, salvo en prefabricacionesEdificios a pie obrade y nave única cumbrera cortas, solo se construyen con estructura metálica Edificios de naveluces única •  Por sus formas lineales son de fácil fabricación y transporte •  Clasificación •  Su punto más delicado es la unión pilar-dintel Clasificación

Edificios y estructuras industriales

Edificios y estructuras industriales

Edificios y estructuras industriales

s industriales 192

6. El Edificio Industrial

6.4.

Edificios de Nave M´ ultiple

Sus caracter´ısticas son: Compuestas de dos o m´ as naves simples.

EdificiosLa de nave senave desarrolla enmúltiple ambos sentidos. Ventajas constructivas de repetici´ on de elementos iguales.

sticas

Versatilidad de adaptaci´ on a transformaciones en los procesos de producción.

estas de dos oDificultad más de evacuación de aguas. Falta de iluminaci´ on lateral. imples se desarrolla en sentidos s constructivas de ón de elementos

dad de adaptación a maciones en los s de producción d de evacuación de

e iluminación lateral

s industriales Figura 6.11: Edificios de nave m´ ultiple.

6.4.1.

Clasificaci´ on

6.4.1.1.

De P´ orticos Adosados

Disposición paralela y adosada de p´ orticos simples. Las naves están compuestas de pilares rectos y vigas de secci´ on constante o variable. La duplicaci´ on de pies derechos conlleva: Sobrecoste. Pérdida de espacio.

13

Clasificación 6.4. Edificios de Nave M´ ultiple

193

Edificios de nave múltiple

lasificación

–  Disposición paralela y adosada de pórticos simples p´ orticos LAMBDA, se evita duplicar pilares: –  NavesMediante compuestas de pilares rectos y vigas de sección constante o variable –  Duplicación de pies derechos Figura 6.12: Nave de pórticos adosados.

•  Sobrecoste •  Pérdida de espacio

Edificios de nave múltiple Pórticos LAMBDA Figura 6.13: Nave de pórticos LAMBDA.

ificios y estructuras industriales

lasificación

Disponiendo ménsulas en pilares se permite la disposición distintas altura. Dicha organizaci´ on permite la iluminaci´ on lateral y la construcción de naves adosadas a distinta cota:

Evita duplicar pilares

Edificios de nave múltiple Clasificación Pilares de doble ménsula

y estructuras industriales

Figura 6.14: Nave con pilares de doble ménsula.

  Disponiendo ménsulas en pilares se permite disposición distintas altura

Edificios y estructuras industriales

194

6. El Edificio Industrial

6.4.1.2.

De Entramados Continuos

Edificios de nave múltiple

Figura 6.15: Nave de entramados continuos.

Edificios y estructuras industriales

6.4.1.3.

•

Edificios de nave múltiple

En Diente de Sierra

Proporcionan iluminaci´ on cenital indirecta. Se emplean pilares rectos o en V y en cubierta cuchillos triangulados o en V invertida. Se utilizan vigas Vierendel y vigas rectas dispuestas con la inclinación de cubierta.

Figura 6.16: Nave m´ ultiple en diente de sierra.

a

ngulados o en V invertida – Vigas Vierendel y vigas rectas dispuestas con la inclinación de cubierta Edificios y estructuras industriales

15

195

6.5. Edificios de Varias plantas

6.5. 6.5.1.

Edificios de Varias plantas Caracter´ısticas

Al igual que las naves, los edificios industriales pueden organizarse en una cruj´ıa (análogos a la nave u ńica) o de varias (a la m´ ultiple). Sin embargo al contrario que aquellas, se prefieren los de varias cruj´ıas por razones de rigidez y de reparto de cargas dadas las mayores acciones a que están sometidas. En general los edificios industriales, construidos en el extrarradio de las ciudades y con limitaciones volumétricas y de aprovechamiento de parcela, no tienen los condicionamientos de implantaci´ on al solar que los edificios urbanos. Por este motivo suelen proyectarse mediante entramados longitudinales dispuestos paralelamente a la fachada principal, salvo que existan esfuerzos horizontales importantes en cuyo caso se aportican transversalmente a aquella. Por cuestiones econ´ omicas, comerciales y estéticas suelen organizarse con disposiciones simétricas y con igualdad de luces. Por razones de rapidez de montaje, hasta hace unos pocos a˜ nos, se prefer´ıan las met´ alicas. Actualmente, la mayor´ıa se prefabrica en hormigón, ya que, a igualdad de tiempo de montaje, aventaja a la construcci´ on metálica en reducción de costos, mantenimiento y sobre todo en la mayor resistencia al fuego. En general, los entramados metálicos se proyectan con nudos articulados, los de hormig´ on in situ con nudos r´ıgidos y las construidas con elementos prefabricados de hormig´ on pueden ser articulados, r´ıgidos o mixtos seg´ un el sistema.

6.5.2.

Funcionamiento

Frente a cargas verticales

Frente a cargas horizontales

Figura 6.17: Respuesta ante cargas externas de los edificios de varias plantas.

Edificios de varias plantas • 196Entramados metálicos

6. El Edificio Industrial

Edif

•  Prefabricados

os de varias plantas hormigón (a) Entramados met´ alicos.

Edificios y estructuras industriales

Edificios de varias plantas • Entramados de hormigón (b) Entramados de hormig´ on.

(c) Prefabricados de hormig´ on.

Figura 6.18: Tipos de entramados.

6.6. 6.6.1.

Edificios y estructuras industri

Otras Estructuras Industriales Construcciones Met´ alicas Industriales

19

Ejemplo de edificio met´ alico industrial de varias plantas (inducido por el propio proceso).

•  Construcciones metálicas industriales

–  Estructuras para equipos •  Construcciones metálicas industria

–  Edificio industrial

6.7. Criterios de Dise˜ no B´ asicos

197

Planta térmica:

Diferentes estructura soporte para calderas, depósitos, chimeneas, redes de tuberías, cintas, …

10/9/13

Edificios y estructuras industriales

Otras estructuras industriales Figura 6.19: Edificio metálico industrial de varias plantas. Otras estructuras industriales

•  ConstruccionesEjemplo metálicas industriales de edificio metálico industrial de varias plantas (inducido •  Construcciones metálicas industriales Estructuras para equipos: –  Estructuras para equipos Planta –  térmica Estructuras para equipos

Edificios y estructuras industriales

(a) Estructura soporte.

Diferentes estructura soporte para calderas, depósitos, chimeneas, redes de tuberías, cintas, … Edificios y estructuras industriales

(b) Estructura met´ alica t´ıpica.

Estructura metálica típica definida por condicionantes del propio proceso

Figura 6.20: Estructuras para equipos. Edificios y estructuras industriales

Estructuras laminares, como depósitos y silos metálicos, y otras estructuras, como: Dep´ ositos y silos de hormig´ on. Torres de enfriamiento.

Otras Chimeneas.

estructuras industriales

•  Construcciones metálicas industriales –  Estructuras equipos 6.7. Criterios de para Dise˜ no B´ asicos T: Luz transversal. L: Cruj´ıa. H: Altura Libre.

198

6. El Edificio Industrial

El proceso es: 1. Consideraci´ on de limitaciones estructurales y resistentes. 2. Coste econ´ omico. Para el cálculo de T, L y H se sigue: T: Proceso + Limitaciones resistentes. L: Limitaci´ on resistente de las correas. H: Fijada por el proceso.

199

3

Cap´ıtulo 7

Forjados Introducción 7.1.

Introducci´ on

• Definición

– Elemento estructural superficial, plano, resistente y

Un forjado es un elemento estructural superficial, plano, resistente y generalmente horizontal que sirve de separaci´ on entre plantas.

4 Figura 7.1: Forjado y los esfuerzos que lo solicitan.

El forjado no forma parte de la estructura principal, sino que transmite las cargas a ésta. Debe tener una rigidez suficiente, es decir, no debe deformarse en exceso.

5

200

7. Forjados

7.2. 7.2.1.

Funciones Estructurales

Funciones

Debe ser resistente a:

•  Estructurales

–  Resistente Acciones verticales externas: •  Acciones verticales externas • Concargas (peso propio + permanentes) y sobrecargas gravitatorias. –  Concargas (peso propio + permanentes) y sobrecargas gravitatorias • Recibir las acciones verticales externas y transmitirlas a otros elementos –  Recibir las acciones verticales externas y transmitirlas a otros resistentes de la estructura. elementos resistentes de la estructura

Mecanismo resistente con transmisión indirecta de las cargas gravitatorias en un forjado con vigas y viguetas

6 Figura 7.2: Mecanismo resistente con transmisión indirecta de las cargas gravitatorias en un forjado con vigas y viguetas.

Funciones

Acciones horizontales externas: • Viento (a través de las fachadas) y sismo. sistente • Viga de gran canto situada en el plano horizontal. Acciones horizontales externas • Constituir un diafragma de rigidización horizontal. –  Viento (a través de las fachadas) y sismo • Transmitir esfuerzos horizontales de viento, sismo, a los elementos encargados de –  Viga de gran canto situada en el plano horizontal resistirlos (pantallas,...). –  Constituir un diafragma de rigidización horizontal • Arriostrar elementos verticales. –  Transmitir esfuerzos horizontales de viento, sismo,… a los elementos encargados de resistirlos (pantallas,…) –  Arriostrar elementos verticales

cturales

El forjado reparte las cargas horizontales a los elementos verticales en función de sus rigideces sus posiciones relativas en el conjunto la planta Figuray 7.3: El forjado reparte las cargasdehorizontales a los

y sus posiciones relativas en el conjunto de la planta.

elementos7 verticales en función de sus rigideces

3

201

7.2. Funciones

Acciones internas: • Provenientes de la propia estructura. ◦ Excentricidades construcción. ◦ Asientos diferenciales. • Absorci´ on de las acciones internas. Se recurre a soluciones constructivas que permitan reducir el peso propio del forjado confiando la resistencia a determinadas bandas del mismo, y rellenando los espacios de separaci´ on entre ellas con elementos ligeros. Con ello, para igual capacidad resistente obtenemos una mayor ligereza de la solución constructiva.

Funciones

•  Estructurales

De estabilizaci´ on: –  De estabilización • Solidarizar horizontalmente los entramados frente a la acción del viento.

•  Solidarizar horizontalmente los entramados frente a la acción del viento • Formaci´ on de un diafragma de rigidización horizontal en los elementos verticales •  Formación de un diafragma de rigidización horizontal en los elementos reduciendo sus longitudes de pandeo. verticales reduciendo sus longitudes de pandeo

Figura 7.4: Función de estabilización de un forjado.

7.2.2.

9

Habitabilidad Definici´ on de espacios: Definir el plano de separación entre pisos y, eventualmente, las rampas que sirven de conexi´ on entre ellos. Separaci´ on de espacios: • Aislar unas plantas de otras

Funciones

• Satisfaciendo requisitos de: ◦ Aislamiento térmico (NBE-CT-79).

•  De habitabilidad ◦ Aislamiento ac´ ustico (NBE-CA-88).

–  Definición◦de espacios Protecci´ on contra incendios (NBE-CPI-91).

•  Definir el de separación ◦ plano Salubridad (humedad).entre pisos y, eventualmente, las rampas que sirven de conexión entre ellos.

–  Separación de espacios •  Aislar unas plantas de otras •  Satisfaciendo requisitos de

202

7. Forjados

7.2.3.

Constructivas Apoyo al pavimento. Conformar el techo o soportar el falso techo. Alojar conducciones horizontales.

Tipología

7.3.

Tipolog´ıa

•  Clasificación 7.3.1. Seg´ un los Tres Posibles Caminos de las Cargas –  Tres posibles caminos de las cargas •  •  • 

Forjado-soportes-cimentaci´ on-terreno. Forjado-soportes-cimentación-terreno Forjado-vigas-soportes-cimentaci´ on-terreno. Forjado-vigas-soportes-cimentación-terreno Forjado-muros-cimentaci´ on-terreno. Forjado-muros-cimentación-terreno

Transmisión directa de las cargas gravitatorias a

Figura 7.5: Transmisi´ on directa de cargas a los pilares en un forjado sin vigas. los las pilares en ungravitatorias forjado sin vigas

7.3.2.

Seg´ un la Forma en que Transmiten las Cargas Forjados unidireccionales: Transmiten las cargas en una sola dirección perpendicular a las vigas o muros donde apoya. Forjados bidireccionales: Transmiten las cargas seg´ un las dos direcciones, generalmente ortogonales, definidas por la ret´ıcula de un entramado espacial.

Tipología •  Clasificación –  Según la forma en que transmiten las cargas: •  Forjados unidireccionales

13

lasificación – Según la forma en que transmiten las cargas – Según la forma en que transmiten cargas: • las Forjados bidireccionales • Forjados unidireccionales

– Transmiten las cargas según las dos direcciones, 203

7.3. Tipolog´ıa

– Transmiten las en una sola dirección perpendicular a las vigas generalmente ortogonales, definidas por la retícula o muros donde apoya entramado espacial

Líneas resistentes del forjado

Líneas resistentes del forjado

(a) Forjados unidireccionales.

(b) Forjados bidireccionales.

14 Figura 7.6: Tipos de forjados seg´ un la forma en la que transmiten las cargas.

7.3.3.

Seg´ un Material Acero (vigueta met´ alica): • Viguetas met´ alicas trabajo a flexión (perfiles en I). • El plano del piso se consigue utilizando elementos de relleno ligero entre perfiles. 7 • Enrasando con mortero antes de colocar el pavimento. • Con piezas de entrevigado. • Inconvenientes: ◦ Alta deformabilidad por flecha. ◦ Mala resistencia al fuego. ◦ Deficiente aislamiento térmico. ◦ Caro con respecto al de hormigón.

Tipología

• Clasificación – Según material:

• Acero (vigueta metálica) Hormig´ on armado: • Tradicionales: nervios armados en una sola dirección trabajo ejecutados en obra. (perfiles en I) – Viguetas metálicas a flexión • Posibilidad de prefabricación (rapidez de ejecución). – El plano del piso se consigue utilizando elementos d • Posibilidad de pretensado de las armaduras: ligero entre perfiles ◦ Se reduce la deformación por flecha. – Enrasando con mortero ◦ Se consiguen mayores resistencias con menor canto.antes de colocar el pavimen Capa de regularización (aren • Posibilidad de transmisión de cargas en más de una dirección. Viguetas metálicas • Soluci´ on preferida por: Revoltón o bóveda de rasillas ◦ Abaratamiento debido al uso de piezas prefabricadas. ◦ Condiciones resistentes y de durabilidad.

Solución tradicional de un forjado de viguetas metálicas

Clasificación –  Según material:

Tipología

•  Acero (vigueta metálica) –  Viguetas metálicas trabajo a flexión (perfiles en I) 204 –  El plano del piso se consigue utilizando elementos de relleno ligero entre perfiles –  Enrasando con mortero antes de colocar el pavimento

Tipología

Tipología

•  Clasificación –  Según material:

7. Forjados

•  Acero (vigueta metálica) –  Con piezas de entrevigado

•  Clasificación Clasificación –  Según material: –  Según material:

Capa de regularización (arena o mortero) Viguetas metálicas Revoltón o bóveda de rasillas

•  Acero (vigueta metálica) •  Acero (vigueta metálica) –  Con piezas de entrevigado

–  Inconvenientes

»  Alta deformabilidad por flecha »  Mala resistencia al fuego »  Deficiente aislamiento térmico Solución tradicional de un forjado de viguetas 16 metálicas (a) Viguetas met´ alicas. piezas de entrevigado. »  Caro (b) conCon respecto al de hormigón

(c) Piezas de entrevigado.

8

19 (d) Inconvenientes vigueta met´ alica.

Figura 7.7: Tipos de forjados de acero.

7.3.4.

Seg´ un Ejecuci´ on Tipología

Construidos totalmente “in situ”: Las nervaduras Clasificación hormigón armado confeccionado “in situ”. –  Según material: Parcialmente prefabricados:

o l´ıneas resistentes se realizan con

Tipología

•  Acero (vigueta metálica) • S´ olo parte de sus elementos (nervaduras y aligeramientos intermedios) se ejecutan –  Con piezas de entrevigado en taller.

• En obra s´ olo se montan y se ejecuta una capa superior de hormigón realizada “in •  Clasificación situ”. –  Según material: • Siguiendo las siguientes operaciones en obra: ◦ Montaje del encofrado. •  Hormigón armado ◦ Colocaci´ on de armaduras.

–  Tradicionales: nervios armados en una sola dirección ◦ Vertido y compactación del hormigón. ejecutados en obra. Totalmente prefabricados: sus elementos se fabrican en taller y en obra sólo se –  Posibilidad deTodos prefabricación (rapidez de ejecución) montan las piezas. Por ejemplo, placas alveolares. –  Posibilidad de pretensado de las armaduras »  Se reduce la deformación por flecha »  Se consiguen mayores resistencias con menor canto

–  Posibilidad de transmisión de cargas en más de una dirección –  Solución preferida por: »  Abaratamiento debido al uso de piezas prefabricadas »  Condiciones resistentes y de durabilidad

9

do

Tipología

205

7.4. Elementos de un Forjado

Tipología •  Clasificación –  Según ejecución: •  Construidos totalmente “in situ”

Tipología

–  Las nervaduras o líneas resistentes se realizan con hormigón armado confeccionado (a) Partes del forjado “in de situ” hormig´ on armado.

: nervios armados en una sola dirección • Clasificación n obra. – Según ejecución: e prefabricación (rapidez de ejecución) • Totalmente prefabricados – Todos sus elementos se fabrican en taller y en obra sólo se e pretensado de las armaduras montan las piezas

e la deformación por flecha – Ejemplo: »  placas alveolares (b) Forjados de hormig´ on armadocanto construido totalmente in situ. uen mayores resistencias con menor

21

e transmisión de cargas en más de una dirección erida por:

iento debido al uso de piezas prefabricadas es resistentes y de durabilidad Tipología •  Clasificación (c) Forjados mediante placas alveolares. Figura 7.8: Tipos de forjados de hormigón armado. –  Según ejecución: •  Parcialmente prefabricados –  Sólo parte de sus elementos (nervaduras y aligeramientos intermedios) se ejecutan en taller 7.4. Elementos de un Forjado –  En obra sólo se montan y se ejecuta una capa superior de hormigón realizada “in situ” 7.4.1. Elementos Principales –  Siguiendo las siguientes operaciones en obra:

20

Elemento de entrevigado: Elemento de relleno y aligeramiento entre nervaduras. Tiene poca o ninguna contribuci´ on a la labor resistente del forjado. • Bovedillas. • Bloques prism´ aticos: Material cerámico, hormigón, poliestireno expandido.

Índice

Material de horizontalizaci´ on: • Capa de hormig´ on que eventualmente puede tener una contribución en la Montaje del encofradoy produce el reparto Colocación de armaduras Vertido y compactación hormigón resistencia uniforme de cargas en todadel la superficie del 22 forjado. • Normalmente, hormigón in situ con armadura de reparto.

• • • • •

Introducción Funciones Tipología Elementos de un forjado Forjados unidireccionales

11

206

7. Forjados

7.4.2.

Elementos Secundarios

Usados para definir los huecos, ´ abacos, bordes de voladizos, etc.

Forjados unidireccionales

Brochales: Nervaduras que transmiten su carga a otras nervaduras.

Zunchos: Elementos de borde de forjados que sirven para asegurar el trabajo en conjunto de las nervaduras en el extremo, en el apoyo sobre un muro o en un borde volado.

• Introducción

7.5. Forjados – Forma deUnidireccionales trabajo

• Las cargas se transmiten en una única dirección, Introducci´ on perpendicularmente a las líneas sustentantes definidas por muros vigas Forma de trabajo:oLas cargas se transmiten en una u ńica dirección, perpendicularmente a

7.5.1.

las l´ıneas sustentantes por cubren muros o la vigas, – Unasdefinidas viguetas luzmientras menor que unas viguetas cubren la luz menor y las vigas cubren la luz mayor.

– La

por Figura 7.9: Entramados paralelos entre s´ı, enlazados por forjados losas dirección trabajando en una sola dirección. forjados o losas trabajando en unao sola

7.5.2.

Clasificaci´ on “In situ” (losas): • Losas macizas. • Losas nervadas. Prefabricados: • De viguetas: ◦ Semirresistentes. ◦ Resistentes. • Especiales: ◦ Prelosas. ◦ Forjados mixtos. ◦ Losas prefabricadas.

Forjados unidireccionales

• Clasificación

– “In situ” (losas)

• Losas macizas • Losas nervadas

– Prefabricados

31

–  Armado: •  Armadura principal longitudinal –  Absorben las tensiones que se producen en la flexión y se colocan en:

207

7.5. Forjados Unidireccionales

7.5.2.1.

»  La cara inferior en el centro del vano. »  La cara superior en los empotramientos extremos. Losas Macizas

Enteramente de hormig´ on armado, de espesor constante y pueden extenderse como vigas de gran achura sustentadas en bordes opuestos. El armado se realiza mediante: Armadura principal longitudinal, que absorben las tensiones que se producen en la flexi´ on 33 y se colocan en: • La cara inferior en el centro del vano. • La cara superior en los empotramientos extremos.

Forjados unidireccionales •  Losas macizas –  Armado: •  Armadura de reparto transversal Figura 7.10: Armadura principal longitudinal.

–  Perpendicular a la dirección de flexión

»  Reparto de flexiones imprevistas Armadura de reparto transversal, que es perpendicular a la dirección de flexión: »  Absorber tracciones de eventuales flexiones transversales o • Reparto deacciones flexioneshorizontales imprevistas. • Absorber tracciones de eventuales flexiones transversales o acciones horizontales.

Figura 7.11: Armadura de reparto transversal.

La ejecuci´ on en obra: Realizaci´ on de un tablero continuo que sirva de fondo al encofrado. Colocaci´ on de armaduras. Hormigonado.

34

• Realización de un tablero continuo que sirva de fondo al encofrado • Colocación de armaduras 208 7. Forjados • Hormigonado tablero continuo sopandas puntales

Figura 7.12: Ejecución en obra.

Inconvenientes de las losas macizas: Elevado peso. Lentitud de ejecuci´ on. Carest´ıa por la necesidad de ejecutar un tablero continuo.

Forjados unidireccionales

• Losas macizas – Inconvenientes

Figura 7.13: Evolución de los forjados sin vigas.

• Elevado peso Losas Nervadas • Se Lentitud de ejecuciónon resistente a determinadas bandas paralelas del forjado aligeran, encomendando la misi´ o• nervaduras. Carestía por la necesidad de ejecutar un tablero continuo

7.5.2.2.

El aligeramiento puede conseguirse: Por encofrado tradicional o prefabricado, quedando las nervaduras vistas. Mediante bloques de aligeramiento, quedando las nervaduras ocultas (el más empleado).

35

209

7.5. Forjados Unidireccionales

Figura 7.14: Losas nervadas.

El armado se realiza: Armadura principal longitudinal: • Armadura inferior en centro de vanos. • Armadura de negativos en los empotramientos extremos. Armadura de reparto → Mallazo en toda la cara superior para absorber: • Esfuerzos de retracci´ on. • Esfuerzos debidos a variaciones térmicas. • Flexiones transversales. • Reparto de cargas puntuales imprevistas. • Transmisi´ on de acciones horizontales. Disponer en las nervaduras cercos o estribos de cortante donde sea preciso. Ejecuci´ on en obra: Forjados tradicionales de nervaduras vistas: Encofrado complejo, gran consumo de mano de obra. Forjados de nervaduras ocultas: • Basta con encofrar los fondos de los nervios, apoyando entre ellos los bloques o encofrados prefabricados, para luego colocar las armaduras y finalmente hormigonar. • Reduce tiempo de ejecución y mano de obra.

Figura 7.15: Ejecución en obra de losas nervadas.

210

7. Forjados

7.5.2.3.

Forjados de Viguetas

Las viguetas son nervaduras de forjado prefabricadas constituidas por perfiles de acero laminado (en desuso) y prefabricadas de hormigón u hormigón y cerámica. Tipos de viguetas: Seg´ un armaduras: • Piezas armadas: Armadura pasiva. • Piezas pretensadas: Armaduras activas.

Figura 7.16: Tipos de viguetas seg´ un sus armaduras.

Seg´ un su capacidad resistente: • Resistentes o autorresistentes: Soportan por s´ı mismas todo el momento de vano del forjado. • Semirresistentes: Requieren de la contribución de una capa superior de hormigón in situ para poder resistir los esfuerzos de flexión.

(a) Viguetas autorresistentes.

(b) Viguetas semirresistentes.

Figura 7.17: Tipos de viguetas seg´ un su capacidad resistente.

correspondientes las cabezas traccionadas en los Forjadosa unidireccionales empotramientos extremos.

•  Forjados de viguetas 211

7.5. Forjados Unidireccionales

–  Forjado de viguetas resistentes

•  La capa de hormigón “in situ” sólo tiene la misión de crear la superficie horizontal superior y embutir el mallazo reparto El forjado de viguetas resistentes: La capa de hormig´ on “in situ” sólo tiene de la misi´ on de crear la superficie horizontal superior y embutir el mallazo reparto y las armaduras de negativos y las armaduras de negativos endelos empotramientos en los empotramientos extremos. extremos.

43

Forjados unidireccionales •  Forjados de viguetas –  Forjado deFigura viguetas semiresistentes 7.18: Forjado de viguetas resistentes.

•  El hormigón ejecutado “in situ” tiene la misión de contribruir a42 absorber las tensiones de compresión en el centro del vano. El forjado de viguetas semiresistentes: El hormigón ejecutado “in situ” tiene la misión de Adicionalmente crea el plano horizontal superior, engloba al contribruir a absorber las tensiones de compresión en el centro del vano. Adicionalmente crea el mallazo de reparto y alberga las armaduras de negativos plano horizontal superior, engloba al mallazo de reparto y alberga las armaduras de negativos a las en cabezas traccionadas en los correspondientescorrespondientes a las cabezas traccionadas los empotramientos extremos. empotramientos extremos.

Forjados unidireccionales

• Forjados de viguetas

– Forjado de viguetas semiresistentes • El hormigón ejecutado “in situ” tiene la misión de contribruir a absorber las tensiones de compresión en el centro del vano. Adicionalmente crea el plano horizontal superior, engloba al mallazo de reparto y alberga las armaduras de negativos correspondientes a las cabezas traccionadas en los 43 (a) Esquema. empotramientos extremos. Canto

Luces

Forjados unidireccionales (b) Dimensiones. •  Forjados de viguetas

Figura 7.19: Forjado de viguetas semiresistentes. –  Forjado de viguetas semiresistentes

•  El hormigón ejecutado “in situ” tiene la misión de contribruir a absorber las tensiones de compresión en el centro del vano. Adicionalmente crea el plano horizontal superior, engloba al mallazo de reparto y alberga las armaduras de negativos correspondientes a las cabezas traccionadas en los empotramientos extremos.

44

212

7. Forjados

Figura 7.20: Forjado de viguetas semiresistentes.

7.5.2.4.

Forjados Especiales

De prelosas: Elemento prefabricado en taller (prelosas de poco espesor que incluyen las armaduras de positivos de centro de vano), sobre el que se colocan las armaduras de negativos y en su caso, el mallazo de reparto, ejecutándose a continuación una capa de hormigón “in situ”. • Se evita el tener que disponer encofrados. Sin embargo, en la mayor parte de los casos es necesario “sopandarlas”. • En la parte hormiganada “in situ” pueden incluirse bloques ligeros para disminuir el peso de la losa. • Con objeto de mejorar la conexión y aumentar el monolitismo del conjunto, las prelosas llevan embutidas armaduras de celos´ıa. Forjados mixtos: Sistema mixto de construcción que permite edificar sin encofrados de madera y disponer para uso inmediato de las plantas construidas. • Materiales hormig´ on y acero. La placa metálica sirve de encofrado perdido. • Ambos materiales resisten conjuntamente los esfuerzos (perfecta adherencia). • Se emplean conectores o mallazos soldados a la placa para transmitir el esfuerzo rasante. • Se prefieren las placas plegadas a las onduladas. • Tiene como ventajas su reducido espesor y peso, y su rápido montaje. El hormig´ on contribuye al reparto transversal de las cargas y aporta protección a la corrosión y contra incendios. Si no hay mallazo de conexión, la chapa presenta resaltos para mejorar la adherencia.

Forjados unidireccionales 213

7.5. Forjados Unidireccionales

Losas prefabricadas: Contienen todas las armaduras precisas para la resistencia del forjado. • Hormigonado u ńicamente entre juntas. • Ejecuci´ on en obra muy rápida. • Longitud = luz a salvar por el forjado y ancho ' 1 m. • Requieren una cuidadosa ejecución en taller. • Aunque no precisan de encofrados ni estructuras auxiliares de apeo, s´ı obligan a utilizar maquinaria y mano de obra experta.

Forjados unidireccionales (a) Prelosas.

48

(b) Forjado mixto.

sas prefabricadas

Ejemplo: Forjado mixto. (d) Losa prefabricada. •  Alveoplacas o(c)placas alveolares de hormigón pretensado

Figura 7.21: Forjados especiales.

–  La placa alveolar pretensada es un panel de hormigón pretensado co • Ejemplo: aligerado Alveoplacas o placas alveolares alveolos de hormigón pretensado: canto constante, mediante longitudinales. ◦ La placa alveolar pretensada es un panel de hormigón pretensado con –  Su perfil está diseñado de aligerado modo mediante que, alalveolos adosar las placas, quedan en canto constante, longitudinales. Su perfil inferior est´ a dise˜ nado de modo que, al para adosar mejorar las placas, quedan en contacto por el◦ borde achaflanado el aspecto de contacto por el borde inferior achaflanado para mejorar el aspecto de la unión, mientras uni´ que en el borde superior quedan separadas para on, mientras que en el borde superior quedan separadas para permitir el macizado hormigón de lade junta, as´ı el monolitismoasí del el permitir el macizado conconhormigón la asegurando junta, asegurando pa˜ no y la formación de una llave que solidarice las placas. monolitismo del paño y la formación de una llave que solidarice las ◦ Para que un conjunto de placas pueda considerarse como un forjado es placas. necesario darle una continuidad transversal que establezca la colaboraci´ on de unas placas con otras, redistribuyendo la carga entre ellas, lo que –  Para que un conjunto deactuaci´ placas pueda considerarse como un permite su on como diafragma y asegura las condiciones de forjado aislamiento estanqueidad requeridas. es necesario darle una ycontinuidad transversal que establezca la ◦ Permiten salvar luces entre 6 m y 12 m. colaboración de unas placas con otras, redistribuyendo la carga entre ellas, lo que permite su actuación como diafragma y asegura las condiciones de aislamiento y estanqueidad requeridas.

•  Losas prefabricadas –  Ejemplo:

214

7. Forjados

•  Alveoplacas o placas alveolares de hormigón pretensado –  Permiten salvar luces entre 6m y 12m. ◦ Se pueden ejecutar con o sin capa de compresión, siendo adecuada ésta –  Se pueden ejecutar con o sin capa de compresión, siendo en el caso de fuertes acciones laterales o para aumentar el monolitismo adecuada ésta en el caso de fuertes acciones laterales o para del conjunto.

aumentar el monolitismo del conjunto..

52 Figura 7.22: Placas alveolares de hormigón pretensado.

7.6.

Forjados Bidireccionales

En forjados unidireccionales, el aumento de la luz del vano implica tener que aumentar el módulo resistente con un aumento del canto del forjado. Ello supone soluciones constructivas de mayor peso con una mayor flecha. Soluciones: Pretensado: Piezas m´ as resistentes y con menores deformaciones. Forjado bidireccional: Nervaduras ortogonales y flexión 2D.

7.6.1.

Clasificaci´ on Fabricados “in situ” • Placas macizas • Nervaduras vistas: Casetones recuperables. • Nervaduras ocultas: Encofrados cerámicos, de plástico u hormigón perdidos. Prefabricados

7.6.2.

Tipolog´ıa Reticulares. Losa maciza.

215

7.7. Aspectos Constructivos

Forjados bidireccionales •  Losa maciza (a) Reticulares.

(b) Losa maciza.

Figura 7.23: Tipolog´ıa de forjados bidireccionales. 57

7.7. 7.7.1.

Aspectos Constructivos Forjados Unidireccionales

Índice •  •  •  •  •  •  • 

Introducción Funciones Tipología Elementos de un forjado Forjados unidireccionales Forjados bidireccionales Aspectos constructivos

58

Figura 7.24: Forjado viguetas prefabricadas.

29

Aspectos constructivos • Forjados unidireccionales

216

7. Forjados

– Forjado mixto

Aspectos constructivos Figura 7.25: Forjado viguetas prefabricadas.

• Forjados bidireccionales Forjado Bidireccionales reticular 7.7.2. – Forjados • Montaje de un encofrado para forjado reticular

Aspectos constructivos • Forjados bidireccionales – Forjado reticular • Montaje de un encofrado para forjado reticular

63

Figura 7.26: Montaje de un encofrado para forjado reticular.

7.7.3.

Criterios de Dise˜ no

La elección del sistema estructural del forjado condiciona la situación de pilares en planta: Unidireccional: pilares situados para que los pórticos resulten planos (facilidad constructiva y econom´ıa). Reticular: Admite distribuci´ on caprichosa de pilares (generando flexiones y encareciéndolos). 62

Elementos constructivos: pilares 217

7.7. Aspectos Constructivos

ipología: Distribución 7.7.4.

Elementos Constructivos: Pilares

  Cuando el sistema estructural admita vigas de ca acusado bajo los pilares, es posible la modulació rectangular Elementos constructivos: pilares La distribuci´ on de pilares se realiza:

Cuando el sistema estructural admita vigas de canto acusado bajo los pilares, es posible la modulaci´ on rectangular:

•  Tipología: Distribución

Vigas de canto viguetas

Dirección

–  Cuando el sistema estructural admita vigas de canto acusado bajo los pilares, es posible la modulación rectangular

  En forjados planos

viguetas

Dirección

Vigas de canto

Figura 7.27: Modulación rectangular de pilares.

En forjados planos:

Vigas planas

Vigas planas

–  En forjados planos

En el encuentro con pilares de esquina o necesidad de anchos comparales Figura 7.28: Forjadosmedianería, planos. 67

Forjados

En el deencuentro con pilares En el encuentro con pilares de esquina o medianer´ıa, necesidad anchos comparales.

de medianería, necesidad de anchos c

7.7.5.

Forjados

Elementos Constructivos de Hormig´ on Armado

El Hormig´ on est´ a hecho especialmente para cada obra, y su manejo en la misma afecta a la calidad.

Introducción

Componentes: Cemento. Agua. ´ Aridos (agregado). Aditivos.

Introducción

218

7. Forjados

Se hace seg´ un:

Hormigón fresco

< 12 horas

Puesta en obra

Fraguado

Hormigón endurecido Elementos constructivos de Hormigón Armado Amasado ~28 días

Figura 7.29: Creación de hormigón.

Figura 7.30: Algunos elementos constructivos de hormigón armado.

Forjados 7.7.6.

Condiciones Monolitismo: Rigidez en su plano para poder transmitir las acciones horizontales e internas. • Nervios o viguetas y una losa superior de hormigón de espesor m´ınimo. • Bloque o bovedilla: ◦ Resistente. ◦ Aligerante. • Capa de compresi´ on. • Armadura de reparto para absorber tensiones de retracción y térmicas.

Condiciones

Enlazabilidad: Capacidad de uni´ on con la estructura que lo soporta. • Hormig´ on: Empotrarse en las jácenas. • Met´ alicas: Conectores, embebido de los perfiles...

• Monolitismo

Continuidad: Capacidad de absorción de momentos negativos.

– Rigidez sudisponga plano lasabsorberlos. • Que el en forjado en lapara capa de poder compresióntransmitir de un armado para • En un caso de apoyo simple, armadura para absorber 1/4M donde M es el acciones horizontales e internas momento positivo del vano. • Nervios o viguetas y una losa superior de hormigón de espesor mínimo • Bloque o bovedilla

73

219

7.7. Aspectos Constructivos

Forjados bidireccionales

Rigidez: Impedir oscilaciones sensibles y flechas limitadas (Forjado que no ha de soportar).

o reticular

Forjado reticular. Detalles de montaje:

les de montaje

Forjados bidireccionales

orjado reticular Detalles de montaje

Figura 7.31: Detalles de montaje forjado reticular (1).

Forjados

78

3

Figura 7.32: Detalles de montaje forjado reticular (2).

Forjados

79

221

Cap´ıtulo 8

Sistemas de Cerramiento 8.1.

Definici´ on y Funciones del Cerramiento

El sistema de cerramiento o simplemente cerramiento es la envolvente f´ısica de los edificios, o parte de la construcci´ on que los cierra y delimita, tanto lateralmente, mediante cerramientos verticales o de fachada, como por su parte superior e inferior, formando la cubierta del edificio y su solera, respectivamente. Su misi´ on es separar los espacios interiores del edificio del exterior, que constituye su entorno, contribuyendo a la habitabilidad, seguridad y funcionalidad de dichos espacios interiores, con el fin de que puedan realizarse, con condiciones adecuadas, las actividades para las que han sido dise˜ nados. En instalaciones industriales no siempre son necesarios.

Figura 8.1: Envolvente del edificio.

222

8. Sistemas de Cerramiento

Las fachadas constituyen la envolvente lateral que protege el interior del edificio de las inclemencias del clima y ambientales: Protecci´ on contra el agua y la humedad. Protecci´ on frente a las variaciones de temperatura. Protecci´ on contra el viento. Protecci´ on contra el ruido exterior. Y también frente a otros fen´ omenos accidentales que pueden presentarse: Posibles choques de veh´ıculos. Protecci´ on contra el fuego. Protecci´ on contra intrusos. Las fachadas deben contribuir al mantenimiento de un ambiente interior adecuado a las necesidades del proceso de fabricaci´ on y de los usuarios del edificio, de modo que se aprovechen las condiciones favorables que puede ofrecer el ambiente exterior: Iluminaci´ on natural. Ventilaci´ on. Soleamiento. Por u ´ltimo, las fachadas constituyen la cara visible de una construcción, de modo que el aspecto estético puede adquirir una gran importancia, pues puede servir para transmitir una cierta imagen que dé identidad a la planta.

8.1.1.

Partes de la Fachada en Plantas Industriales

Las fachadas en edificios industriales pueden considerarse constituidas, en general, por tres partes: El zócalo o parte baja de la fachada. La parte intermedia. La zona superior que se une a la cubierta. El zócalo es la parte de la fachada comprendida entre el nivel del suelo y 1,5 ó 2 metros de altura, que presenta mayores riesgos de sufrir impactos, tanto de veh´ıculos como de personas o de la maquinaria, por lo que deber´ıa tener una resistencia mayor ante estas acciones. La parte intermedia de la fachada normalmente sólo recibe la acción de los agentes meteorológicos, entre las que cabe destacar la acción del viento. La parte superior de la fachada, aparte de cerrar esa zona de la fachada, tiene la misión de servir de enlace con la cubierta del edificio y, en su caso, canalizar adecuadamente las aguas de lluvia procedentes de la misma.

8.2. Tipolog´ıa de Cerramientos

223

Figura 8.2: Nave con un z´ ocalo de hormigón y una fachada metálica de color negro.

8.2.

Tipolog´ıa de Cerramientos

Los cerramientos pueden clasificarse atendiendo a varios criterios: Por su situaci´ on en el edificio: • De cubierta (superior). • De fachada (laterales). • De solera (inferior). Medianera es un cerramiento vertical compartido, o que linda, en toda o parte de su superficie, con otro edificio. Por su capacidad portante: • Estructurales (muros de carga). • No estructurales (no portante). A´ un trat´ andose de muros de cerramiento no portantes, las fachadas reciben cargas, siendo la carga de viento la m´ as importante. Una de las principales funciones de la fachada es la de absorber y transmitir esta carga a la estructura. Por su tecnolog´ıa: • Fachadas convencionales o pesadas. • Fachadas ligeras: de paneles o muros cortina. Son las de poco peso por unidad de superficie y precisan de una estructura auxiliar que las sustente y transmita las cargas a la estructura del edificio. Pueden estar formadas por paneles y quedar encajadas entre forjados de pisos sucesivos y entre pilares o formar un plano continuo que queda situado por delante de los forjados y suspendido de éstos mediante la estructura auxiliar del cerramiento, como en el caso de los muros cortina.

224

8. Sistemas de Cerramiento

Atendiendo a su construcci´ on: • Construidas in situ. • De elementos prefabricados en taller y montadas en obra. De estos dos tipos, en edificios industriales de proceso, es más frecuente utilizar fachadas prefabricadas con z´ ocalos construidos in situ. En edificios de servicios generales o de personal son m´ as frecuentes las construidas in situ, o bien completamente formadas por elementos prefabricados. Materiales empleados: • De obra de f´ abrica: ◦ Mamposter´ıa. ◦ F´ abrica de ladrillo. ◦ Bloques cer´ amicos. ◦ Bloques de hormig´ on. • De hormig´ on: ◦ In situ. ◦ Prefabricado: Paneles/placas planas. Placas nervadas. Placas alveolares. • Met´ alicos: ◦ De chapa simple. ◦ Sandwich. • Acristalados (muros cortina). En edificios de plantas industriales los materiales preferidos para fachadas construidas in situ, por razones de econom´ıa, plazos de ejecución y funcionalidad, son los siguientes: Fachadas de f´ abrica de ladrillo. Fachadas de f´ abricas de bloques. Fachadas de hormig´ on en masa o armado. Fachadas de chapa met´ alica con z´ ocalos de fábrica.

8.3.

Cerramientos de F´ abrica

Se denomina f´ abrica a la construcci´ on que se realiza a partir de piezas relativamente peque˜ nas comparadas con las dimensiones de los elementos constructivos, que se unen con mortero, tales como: Fábricas de ladrillo. Fábricas de bloques de hormig´ on. Fábricas de bloques cer´ amicos. Fábricas de piedra.

225

8.3. Cerramientos de F´ abrica

La uni´ on y resistencia del conjunto se consigue a través de la disposición adecuada de las piezas, de modo que se consiga su trabazón, y del uso de un conglomerante que aporta la cohesi´ on necesaria entre las mismas. Se llama aparejo a la disposici´ on que se adopta en la colocación de los elementos de una obra de fábrica, y las leyes que deben seguir las posibles disposiciones se conocen como leyes de traba.

8.3.1.

F´ abrica de Ladrillos

Los ladrillos son piezas de arcilla cocida y forma paralelepipédica, que pueden manejarse con una sola mano y se emplean en la formación de fábricas para la construcción de muros y de otros elementos constructivos. Las caras y dimensiones de un ladrillo reciben los siguientes nombres:

Figura 8.3: Nombres de las caras y las dimensiones de los ladrillos.

Atendiendo a su forma, dimensiones y menor o mayor presencia de perforaciones, los ladrillos pueden clasificarse en los siguientes tipos:

(a) Macizo.

(b) Perforado.

(c) Hueco.

(d) Rasilla.

Figura 8.4: Distintos tipos de ladrillos.

de diversas formas: 226

 A soga

 A tizón8. Sistemas de Cerramiento

A soga.  A rosca o (a) sardinel

A tiz´ on.  A (b) panderete

(c) A rosca o sardinel.

(d) A panderete.

(e) Aparejo inglés.

(f) Aparejo flamenco.

Figura 8.5: Diferentes tipos de disposición de ladrillos.

En los aparejos se distinguen distintos elementos: Hiladas: conjunto de piezas que definen superficies de junta continuas y normalmente horizontales (cada fila de ladrillos de la fábrica). Juntas: zonas de la f´ abrica ocupadas por el mortero que une las piezas entre s´ı. Rosca: conjunto de piezas dispuestas a sardinel, cuyas tablas definen superficies de junta no continua y normales al paramento.

Figura 8.6: Rosca.

23

227

8.3. Cerramientos de F´ abrica

8.3.2.

Cerramientos de F´ abrica

Primera Ley de Traba: Se deben disponer solapes o solapos entre las piezas, de forma que las juntas verticales no tengan continuidad.

Figura 8.7: Primera Ley de Traba.

La rotura de la f´ abrica ante los esfuerzos de tracción que puedan solicitarla se produce a lo largo de las juntas verticales de uni´ on. La presencia de solapes hace que sea mayor la longitud resistente de junta y transmite estos esfuerzos en la forma de esfuerzos rasantes que son mejor resistidos al estar muy limitada la posibilidad de deslizamiento entre piezas. A veces por la marcha de la obra no se puede levantar todas las paredes a la vez, siendo necesario dejar entrantes y salientes en los muros con el fin de enlazar posteriormente otros muros. A estos salientes se les conoce con el nombre de enjarjes:

Figura 8.8: Enjarjes.

228

8. Sistemas de Cerramiento

Figura 8.9: Cerramiento Trasdosado con C´ amara y Tabique: Muro exterior + Cámara de aire + Tabique, Tabic´ on o Prefabricado interior.

8.3.3.

F´ abrica de Bloques de Hormig´ on

Los bloques de hormig´ on son piezas prefabricadas de hormigón, de forma sensiblemente ortoédrica, que pueden manejarse con las dos manos y que deben cumplir ciertas limitaciones dimensionales y de otros tipos. Se distinguen dos tipos de bloques: Macizos. Huecos.

Figura 8.10: Bloque de hormigón.

229

8.3. Cerramientos de F´ abrica

Fábrica de Bloques de Hormigón

Fábrica de Bloques de Hormigón Junta horizontal discontinua

Junta vertical adherida

Junta horizontal continua

35

Junta vertical vertida 36

Figura 8.11: Bloques de hormigón.

Los bloques de hormig´ on pueden clasificarse atendiendo a distintas caracter´ısticas: Índice de macizo, ρ (relaci´ on entre la sección neta y la sección bruta): bloque macizo si ρ > 0,8 y hueco si 0,4 < ρ < 0,8. Acabado: bloque cara vista, si su textura es lisa, fina y cerrada y bloque a revestir, si su textura es rugosa, gruesa y abierta. Su categor´ıa resistente, en función de su resistencia a compresión nominal respecto a su secci´ on bruta.

Fábrica de Bloques de Hormigón 230

8. Sistemas de Cerramiento

Los bloques de hormigón pueden fabricarse con distintas Los bloques hormig´ on pueden con distintas formas para resolver los diferentes formas paraderesolver losfabricarse diferentes detalles constructivos. detalles constructivos:

Fábrica de Bloques de Hormigón Los bloques de hormigón pueden fabricarse con distintas a, b) Pasante c, d) Con frentediferentes liso e, f) Dintel pieza en U formas para resolver los detalles constructivos. 38

Fábrica de Bloques de Hormigón Los bloques de hormigón pueden fabricarse con distintas formas para resolver los diferentes detalles constructivos. g, h) Con fondo ciego

i, j) Cara vista

k, l) Especial y de cadena

39

ll) De esquina

m) Doble de esquina

Figura 8.12: Formas de bloques de hormigón. 40

Fábrica de Bloques de Hormigón En muros de fábrica se suele utilizar la cimentación 8.3. Cerramientos de F´ abrica 231 continua por zapatas corridas si el terreno es de características adecuadas, a poca profundidad. Previo al En muros de f´ abrica se suele utilizar la cimentación continua por zapatas corridas si el terreno arranque del muro se construye un zuncho de atado. es de caracter´ısticas adecuadas, a poca profundidad. Previo al arranque del muro se construye un zuncho de atado.

Zuncho sobre el macizo de cimentación

Zuncho que forma parte de la cimentación

Figura 8.13: Zunchos.

41

La ejecuci´ on comienza con (1) la colocación de miras o regles en las esquinas o extremos y el tendido de lienzas entre regles, y (2) colocación de bloques seg´ un las leyes de traba.

Figura 8.14: Ejecución de fábrica de bloques de hormigón.

232

8. Sistemas de Cerramiento

Figura 8.15: En f´ abricas no reforzadas se disponen armaduras horizontales de anclaje en esquinas y encuentros.

Figura 8.16: En f´ abricas reforzadas las armaduras van a lo largo de toda la junta horizontal del muro, embebidas en los tendeles.

Figura 8.17: En f´ abricas no reforzadas se dispone una armadura de encadenado vertical para resolver el encuentro de muros (nudos de hormig´ on).

8.3. Cerramientos de F´ abrica

233

Figura 8.18: En f´ abricas reforzadas la armadura vertical se sit´ ua en las perforaciones de los bloques o entre bloques en muros dobles.

La coronaci´ on de la f´ abrica se realiza mediante un zuncho perimetral de atado que sirve también de apoyo al forjado.

Figura 8.19: Zuncho dispuesto en piezas especiales en U.

234

8. Sistemas de Cerramiento

Figura 8.20: Zuncho dispuesto sobre bloque ciego en su cara superior.

Figura 8.21: Detalle de esquina con hormigón en los huecos y armadura horizontal.

8.4.

Cerramientos de Chapa

Las fachadas met´ alicas est´ an formadas por paneles de chapa metálica, normalmente grecada aunque también puede ser ondulada, unidos entre s´ı. Estos paneles se fijan a la estructura del edificio mediante una estructura auxiliar, que a su vez es un entramado metálico.

8.4. Cerramientos de Chapa

235

Las chapas met´ alicas pueden ser de distintos materiales (sobre todo de acero, que puede ser galvanizado, pero también de aluminio, etc.), y en función de sus capas pueden clasificarse como: Paneles de chapa simple. Paneles sandwich. Los paneles de chapa simple están constituidos por una sola chapa directamente colocada sobre la estructura auxiliar de fachada y fijada a ésta mecánicamente.

Figura 8.22: Detalle sección de fachada en chapa simple.

Las fachadas sandwich est´ an formadas por una chapa interior fijada a la estructura auxiliar, aislamiento y chapa exterior vertical fijada mediante uniones mecánicas a la estructura auxiliar. El panel sandwich se puede montar en la propia obra o bien venir prefabricado. En el primer caso, primero se monta la estructura auxiliar, después se fija a ella la chapa grecada interior, a continuaci´ on se coloca el aislante desde la parte de fuera y, finalmente, se cierra todo mediante la chapa met´ alica exterior.

236

8. Sistemas de Cerramiento

Paneles de Chapa Figura 8.23: Componentes de un panel de chapa.

Figura 8.24: Detalle secci´ on de fachada en panel sandwich in situ.

57

8.5. Cerramientos de Placas Prefabricadas de Hormig´ on

8.5.

237

Cerramientos de Placas Prefabricadas de Hormig´ on

Estas fachadas se forman a partir de placas prefabricadas de hormigón que pueden ser encargadas a medida. Puesto que se fabrican industrialmente, tal y como salen de fábrica se transportan a obra, donde se montan con la ayuda de una gr´ ua. Entre sus ventajas principales están: Mejor calidad del producto debido al proceso de fabricación. Organizaci´ on m´ as sencilla y eficaz del proceso constructivo. Ahorro de tiempo por la sencillez de su puesta en obra. Permiten gran variedad de acabados superficiales. Las fachadas prefabricadas de hormigón presentan algunas limitaciones o inconvenientes: El edificio proyectado debe ajustarse a la modulación definida. Debido a que durante el transporte o colocación pueden sufrir da˜ nos, puede ser necesaria la reparaci´ on de las piezas una vez colocadas. Su coste inicial es mayor, puesto que al coste de las piezas habrá que a˜ nadir el de transporte, aunque tienen en general menores costes de mantenimiento. Requiere mano de obra cualificada, especialmente en lo que se refiere a las juntas. Las fachadas prefabricadas de hormigón pueden estar formadas de los siguientes tipos de placas: Placas planas. Placas nervadas. Placas alveolares. Los paneles son elementos prefabricados de hormigón que se fijan con anclajes a la estructura resistente del edificio ya sea ésta una estructura metálica o de hormigón. Las placas alveolares son placas no macizas de hormig´ on que presentan huecos interiores que las hacen más ligeras.

8.6.

Exigencias que Deben Cumplir los Cerramientos

Las exigencias que deben satisfacer los cerramientos se refieren a los siguientes aspectos: Estabilidad mec´ anica. Aislamiento térmico. Protecci´ on contra la humedad. Aislamiento ac´ ustico. Resistencia al fuego. Iluminaci´ on y soleamiento. Ventilaci´ on.

238

8. Sistemas de Cerramiento

8.6.1.

Estabilidad Mec´ anica

La resistencia y estabilidad ser´ an las adecuadas para que no se generen riesgos indebidos. Esta exigencia puede verificarse con los procedimientos incluidos en el Documento Básico SE-F (Seguridad Estructural: F´ abrica.)

Figura 8.25: Extracto DB SE-F (1).

Las variaciones dimensionales o de forma de los cerramientos deben producirse sin que la fábrica sufra da˜ nos.

Figura 8.26: Extracto DB SE-F (2).

Figura 8.27: Junta de movimiento con solape. Esquema en planta.

La dimensión (ancho) de una junta de movimiento que absorba dilataciones higrotérmicas se puede determinar mediante las siguientes dos ecuaciones. La primera sirve para determinar el cambio de longitud de los elementos entre juntas: ∆L = L0 (α∆T + E) Donde: α: Coeficiente de dilataci´ on térmica (mm/m o C). ∆T : Máxima diferencia de temperatura esperada (o C). E: Cambio de longitud por humedad (mm/m). L0 : Longitud del elemento (entre juntas).

(8.1)

239

8.6. Exigencias que Deben Cumplir los Cerramientos

La segunda permite determinar el ancho m´ınimo de junta: Amin =

∆L · 100 ∆Lperm

(8.2)

Donde ∆Lperm es la capacidad permitida de dilatación del sellante.

Figura 8.28: Distancia m´ axima entre juntas de movimiento de fábricas sustentadas.

8.6.2.

Aislamiento T´ ermico

Aislamiento térmico de acuerdo con las condiciones exigidas por el CTE DB-HE-1: “Ahorro de Energ´ıa: Limitaci´ on de Demanda Energética”. Esta exigencia limita la transferencia de calor a través del cerramiento.

Aislamiento térmico

El aislamiento se consigue mediante el uso combinado de materiales y espesores adecuados. Los materiales aislantes se disponen en los cerramientos multicapa, constituyendo una capa intermedia (protegidos). Las discontinuidades pueden convertirse en puentes térmicos.

Figura 8.29: Transmisión de calor.

74

Aislamiento térmico 240

8. Sistemas de Cerramiento

Figura 8.30: Transmisión de calor por conducción.

75

El coeficiente de conductividad t´ ermica de un material mide el flujo de calor a través 2 de un material de 1 m de espesor y 1 m de superficie, durante una hora, cuando la diferencia de temperatura entre sus caras de es 1o C. Qe W λ= (8.3) T St mK

Figura 8.31: Rangos t´ıpicos de valores λ de diversos materiales de construcción.

La resistencia t´ ermica (R) mide la dificultad frente al flujo de calor a través de un cuerpo homogéneo de espesor conocido y 1 m2 de superficie, durante un tiempo de 1 hora, cuando la diferencia entre sus caras es de 1o C. e T St m2 K R= = (8.4) λ Q W

8.6. Exigencias que Deben Cumplir los Cerramientos

La transmitancia t´ ermica (U ) es el inverso de la resistencia térmica. 1 W Q U= = R T St m2 K

241

(8.5)

En el caso de un cerramiento de varias capas: U=

1 1 =P RT Ri

(8.6)

Aislamiento térmico

La transimisi´ on superficial es combinación de: Conducci´ on. Convecci´ on. Radiaci´ on.

Figura 8.32: Comportamiento térmico de algunos elementos constructivos. 82

8.6.2.1.

Gradiente de Temperatura en los Cerramientos

La variaci´ on de temperatura en cada etapa del cerramiento es proporcional a su resistencia térmica. e1 1 e3 e4 1 1 + + + + + he λ1 a λ1 λ4 hi Rn ∆Tn = (Ti − Te ) RT RT =

(8.7) (8.8)

242

8. Sistemas de Cerramiento

Aislamiento térmico Figura 8.33: Gradiente de temperatura en los cerramientos.

8.6.2.2.

Rn

Puentes T´ ermicos en los Cerramientos

Son discontinuidades en el material aislante, que producen zonas con diferente aislamiento. Pueden aparecer en: Encuentros de los cerramientos con otros elementos (pilares, forjados). Discontinuidades del cerramiento (materiales diferentes, huecos, carpinter´ıas). Se convierten en sumideros térmicos (especialmente en invierno), incrementando el consumo energético y disminuyen la temperatura superficial del cerramiento.

85 Figura 8.34: Situación de puentes térmicos.

8.6. Exigencias que Deben Cumplir los Cerramientos

8.6.3.

243

Humedades de Condensaci´ on

El aire presente en un edificio siempre tiene alguna humedad en la forma de vapor de agua. La cantidad de vapor de agua contenido en el aire se denomina humedad. Es importante saber cómo de cerca est´ a la humedad de una muestra de aire de la de saturación, que se mide a través de la humedad relativa: mw, aire, T ωrel = (8.9) mw, sat, T La humedad relativa en los edificios debe situarse entre el 40 y el 60 % para que el ambiente sea confortable. La capacidad de retener humedad del aire depende de su temperatura. A medida que la temperatura desciende, esta capacidad disminuye, hasta que el aire alcanza la saturación. La temperatura a la que empieza a condensar vapor de agua se denomina punto de roc´ıo. Esto puede ocurrir tanto en las superficies de paredes y ventanas, condensación superficial, como en el interior de los materiales de cerramiento, como condensación intersticial. La condensaci´ on superficial puede crear varios problemas: crecimiento de moho, da˜ no estructural, deterioro de los acabados superficiales (pintura, madera, enlucidos de yeso) y adem´ as puede afectar a la salud de los ocupantes. La condensaci´ on intersticial reduce la eficacia de los bloques de hormigón y de los materiales aislantes, debido a la mayor conductividad del agua frente a la de estos materiales.

Figura 8.35: Diagrama psicrométrico.

244

8. Sistemas de Cerramiento

Los problemas de condensaci´ on superficial pueden mitigarse mediante alguna(s) de las siguientes acciones: Temperatura: mediante el calentamiento del aire (calefacción) podemos conseguir que el aire retenga m´ as humedad. Es preciso conseguir que la temperatura del aire esté siempre por encima de su punto de roc´ıo. Ventilaci´ on: la temperatura del aire exterior en invierno es menor que la del interior, de modo que su contenido de humedad puede ser inferior al del interior. Ventilando adecuadamente, el aire cargado de humedad del edificio se expulsa y puede entrar aire fresco con menor humedad. Aislamiento: dotando a los elementos constructivos de un aislamiento adecuado podemos asegurarnos de que las superficies interiores no se enfr´ıen demasiado. La mayor parte de los materiales de construcción, a excepción de los metales, son permeables al vapor de agua. Si la temperatura del material en alg´ un punto cae por debajo del punto de roc´ıo del vapor de agua, se producir´ a condensaci´ on. La condensación que se produce dentro de un elemento constructivo se denomina condensaci´ on intersticial. El ritmo de flujo de vapor de agua a través de un elemento, por ejemplo, de un muro de fachada, depende de la diferencia de presiones de vapor entre el interior y el exterior del mismo. Las superficies interna y externa de los cerramientos y los materiales porosos que se emplean ofrecen una resistencia muy baja al flujo de vapor de agua medida en términos de su resistividad al vapor o factor de resistencia a la difusión del vapor de agua, rv , otros materiales muestran cierta resistencia. La resistencia a la difusi´ on del vapor de una capa material, Rv , que mide su eficacia para resistir el flujo de vapor a través de la misma, puede determinarse como: Rv = rv e

(8.10)

La resistencia total de un componente puede calcularse sumando las resistencia al vapor de todas sus capas constituyentes. Para determinar el riesgo de condensaciones intersticiales en un componente, primero se determinan las temperaturas en las superficies de cada capa del componente, es decir, el perfil de temperaturas en el componente, y después se obtiene: 1. A partir del diagrama psicrométrico, las presiones de vapor en el aire interior y en el aire exterior del componente y la diferencia entre ellas, Pi − Pe . 2. Se calcula la ca´ıda de presi´ on de vapor en cada capa como

Rvn Rv,total

(Pi − Pe ).

3. Se calcula la presi´ on de vapor en la superficie de cada capa y se determinan las temperaturas de roc´ıo que corresponden a esas presiones de vapor a partir del diagrama psicrométrico. 4. Se conectan con segmentos rectos los puntos de roc´ıo determinados para obtener el perfil de puntos de roc´ıo.

8.6. Exigencias que Deben Cumplir los Cerramientos

245

5. Existe riesgo de condensación intersticial en aquellas zonas donde el perfil de temperaturas en el componente quede por debajo del perfil de puntos de roc´ıo. La condensaci´ on intersticial puede evitarse manteniendo la humedad tan baja como sea posible. La humedad relativa m´ınima en condiciones de confort es del 40 %. Esto puede conseguirse mediante un control estricto de las fuentes de humedad de modo que la cantidad de vapor que pasa a través de los cerramientos sea m´ınima. El flujo de vapor de agua puede minimizarse mediante el uso de materiales de baja permeabilidad; esto es, mediante la interposición de barreras al vapor, que se aplican en la ´ cara caliente del cerramiento. Estas son de dos tipos: Tipo membrana, como l´ aminas de polietileno, papel impregnado de bet´ un, etc. Tipo l´ıquido o pintura, pinturas o esmaltes con aluminio.

8.6.3.1.

Protecci´ on contra la Humedad

Los cerramientos de un edificio deben ser estancos, de modo que evite el paso de fluidos (filtración de agua y paso de aire) a través de los mismos. Esto puede conseguirse mediante la continuidad f´ısica, espesor e impermeabilización de las capas del cerramiento o bien separando f´ısicamente las capas del mismo con soluciones que permitan la evacuación o evaporación del agua que llega al espacio entre capas. Los puntos singulares (encuentros, huecos, juntas) requieren un tratamiento espec´ıfico (superposici´ on, solape o sellado).

Figura 8.36: Protecciones contra la humedad.

246

8.6.4.

8. Sistemas de Cerramiento

Aislamiento Ac´ ustico

Figura 8.37: Normativa de aislamiento ac´ ustico.

El sonido es una sensaci´ on f´ısica producida por variaciones periódicas de presión o densidad del aire u otro medio el´ astico, que tienen su origen en un objeto o fuente vibrante y se propaga en forma de onda. Las ondas sonoras no pueden propagarse en el vac´ıo, sino a través de un medio material elástico.

Figura 8.38: Comparaci´ on de la velocidad del sonido en el aire, agua y algunos materiales sólidos.

8.6. Exigencias que Deben Cumplir los Cerramientos

247

Siendo λ la longitud de onda (m) y f la frecuencia del sonido (Hz), se cumple la conocida relación: v = λf (8.11) En la pr´ actica, la mayor parte de los sonidos son una mezcla de frecuencias. El rango del espectro audible para los seres humanos es el comprendido entre 20 Hz y 20.000 Hz, aunque el l´ımite superior disminuye con la edad. La velocidad del sonido en un s´ olido depende de su densidad y de su módulo de elasticidad. El sonido viaja a una velocidad m´ as alta a medida que el módulo de elasticidad de un sólido es mayor. La velocidad del sonido en materiales sólidos puede determinarse mediante la relación: s E v= (8.12) ρ El sonido se produce cuando una fuente sonora perturba el aire y transmite una onda sonora a través del mismo en todas las direcciones. La potencia sonora de una fuente es el ritmo al que produce energ´ıa sonora (W). Nuestros o´ıdos son sensibles u ńicamente al ritmo con que la energ´ıa sonora los alcanza, y como al propagarse en todas las direcciones el área de la superficie sobre la que inciden las ondas aumenta a medida que lo hace la distancia a la fuente, la intensidad del sonido que se percibe decrece con la distancia a la fuente sonora. I=

Psonora (W ) Asuperf (m2 )

(8.13)

La intensidad del sonido se define como la potencia sonora por unidad de área de la superficie sobre la que inciden las ondas sonoras: Puesto que los sonidos audibles son ondas de presi´ on, la presión del sonido, definida como la variación de la presión respecto a la presión atmosférica producida por una onda sonora, puede utilizarse para cuantificar la intensidad del sonido: I=

p2 ρv

(8.14)

Muchas medidas del sonido se hacen con relación a un umbral de audición estándar, que se define como el sonido m´ as débil que el o´ıdo humano medio puede o´ır. El umbral de audici´ on var´ıa con la frecuencia, pero a 1.000 Hz, los valores son: En términos de intensidad: I0 = 1 · 10−12 W/m2 . En términos de presi´ on: p0 = 2 · 10−5 N/m2 . El sonido m´ as fuerte que el o´ıdo humano puede tolerar se define como umbral ac´ ustico de dolor y disminuye con la edad. Los valores del umbral de dolor son: En términos de intensidad: Ip = 100 W/m2 . En términos de presi´ on: pp = 200 N/m2 .

248

8. Sistemas de Cerramiento

El rango de valores entre el umbral de audición y el umbral de dolor es tan grande que el uso directo de valores de intensidad o presión como medida de la fuerza del sonido no resulta conveniente. Además, la respuesta del o´ıdo a cualquier cambio de la presión depende de la presión existente previamente, es decir, es una comparaci´ on de los niveles sonoros nuevo y existente. Con el fin de disponer de una escala de valores que refleje adecuadamente la forma en que el o´ıdo responde al sonido se ide´ o la escala en belios, una escala logar´ıtmica de la razón de dos niveles sonoros. I1 (8.15) Nivel de intensidad sonora (en belios) = log10 I0 O más habitualmente en decibelios:

I1 Nivel de intensidad sonora (en dB) = 10 log10 I0 p1 Nivel de intensidad sonora (en dB) = 20 log10 p0

(8.16) (8.17)

Figura 8.39: Niveles de intensidad sonora t´ıpicos de distintos ambientes o fuentes sonoras y su comparación con los umbrales de audici´ on y dolor en belios y decibelios.

Cuando dos o m´ as fuentes producen sonido simultáneamente, el efecto global puede obtenerse como la suma de los efectos individuales en términos de intensidades o presiones sonoras.

8.6. Exigencias que Deben Cumplir los Cerramientos

249

Sin embargo, si los valores se dan en decibelios, no pueden sumarse sin más y han de ser convertidos a intensidades o presiones sonoras. También puede hacerse de forma aproximada mediante el uso de la siguiente escala:

Figura 8.40: Escala para cálculo de efecto global ac´ ustico.

El sonido se transmite hacia el interior de/en los edificios como ruido aéreo o como ruido de impacto. El ruido aéreo es el que producido por una fuente sonora se desplaza a través del aire como ondas de presi´ on, como el producido por instrumentos musicales o por el tráfico. El ruido de impacto o ruido estructural se produce cuando se hace vibrar un elemento constructivo por impacto, como el producido por pisadas, golpes en una pared, máquinas que vibran o portazos (en parte). Las ondas sonoras producidas por fuentes como el tráfico se desplazan a través del aire e inciden sobre la cubierta, ventanas, puertas y fachadas en general y hacen vibrar estos elementos. Parte de la energ´ıa se utiliza en este proceso, el resto se transmite al interior del edificio. Cualquier abertura o grieta que pueda existir alrededor de puertas o ventanas constituye un paso franco para las ondas sonoras. El sonido también puede transmitirse a través de paredes, suelos y otros componentes a otras partes del edificio que es lo que se denomina transmisión por flancos.

Figura 8.41: Transimisión por flancos.

250

8. Sistemas de Cerramiento

La perturbaci´ on debida al sonido es uno de los aspectos más molestos del estilo de vida moderno, Cualquier sonido no deseado se considera ruido. El ruido debido al tr´ afico constituye una parte importante del ruido generado en el exterior de los edificios. El ruido de los aviones también afecta a la salud de las personas. Parte de los que viven bajo pasillos aéreos sufren de altos niveles de molestia, estrés y trastornos del sue˜ no. La exposición a altos niveles de ruido puede producir una pérdida temporal de sensibilidad auditiva, que si es continuada puede volverse permanente. Los elementos en que se basa un buen aislamiento ac´ ustico son: Masa. Separaci´ on completa. Construcci´ on discontinua. Evitación de resonancias y efectos de coincidencia. El aislamiento proporcionado por un elemento de separación es proporcional a su masa. Las ondas sonoras pueden hacer vibrar f´ acilmente a los elementos ligeros de separación y transmitir el ruido hacia el interior del edificio. El aislamiento ac´ ustico de las paredes puede mejorarse bien aumentando su espesor o empleando materiales m´ as densos. De forma general puede decirse que doblar la masa de un elemento de separaci´ on aumenta su aislamiento ac´ ustico en 5 dB. La envolvente externa de un edificio contiene puertas y ventanas que proporcionan un aislamiento menor que el debido al cerramiento. Las puertas y ventanas se encajan en aberturas dejadas en el cerramiento y es posible que los espacios entre marcos y muros no se sellen completamente. Antes de adoptar otras medidas para mejorar el aislamiento ac´ ustico, debe considerarse la eliminación de huecos y grietas alrededor de puertas y ventanas. En los casos en que es preciso utilizar materiales ligeros se puede hacer uso de una construcción discontinua, por ejemplo, la construcción de muros con cámara de aire (que debe tener más de 50 mm) y el espacio relleno con materiales que absorban el ruido. Ejemplos t´ıpicos de construcci´ on discontinua son: ventanas de doble hoja, muros con cámara y suelos flotantes. Si la frecuencia natural de los elementos de separación es igual a las de las ondas sonoras, se producirá resonancia y se amplificar´ an las vibraciones. Las ondas sonoras pueden flectar hacia dentro y hacia fuera un elemento de separación. Cuando el sonido incidente alcanza un elemento de separación con ángulos menores de 90o , su longitud de onda proyectada puede coincidir con la de las ondas resonantes de flexión del elemento. La frecuencia a la que coinciden las dos longitudes de onda se conoce como frecuencia cr´ıtica. El fenómeno, que tiene lugar a frecuencias altas se conoce como coincidencia y produce una transferencia eficaz de energ´ıa sonora de una parte a otra del cerramiento, reduciendo su aislamiento.

8.6. Exigencias que Deben Cumplir los Cerramientos

251

Como la intensidad del sonido es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia a la fuente sonora, un edificio deber´ıa estar situado tan lejos de la fuente sonora como sea posible. El ruido puede controlarse en tres momentos o puntos: en la fuente, en su camino (ruido aéreo) y/o en el receptor. En la fuente: si las m´ aquinas en las fábricas producen un ruido excesivo, deben alojarse en salas aisladas que las contengan. Para reducir el nivel de ruido dentro de la sala pueden revestirse las paredes con material absorbente del ruido, como lana mineral. Las vibraciones de las m´ aquinas pueden transmitirse a través del suelo a otras partes del edificio y deben minimizarse instalando las máquinas sobre apoyos anti vibración hechos de goma, corcho, etc. Las fuentes más habituales de ruido de impacto son las pisadas o la ca´ıda de objetos en suelos con superficie dura. El impacto puede reducirse cubriendo el suelo con una alfombra gruesa o con recubrimientos de materiales de buena resiliencia. También puede utilizarse un suelo flotante, que supone la disposición de una capa de materiales con buena resiliencia entre la superficie superior y la estructura de apoyo principal. Ruido aéreo: el ruido puede reducirse interponiendo una barrera en el camino de las ondas sonoras. Para que una barrera sea efectiva tiene que ser tan densa como sea posible, de altura suficiente y tener una masa de unos 10 kg/m2 . Pueden hacerse de diversos materiales: madera, hormig´ on, acero, ladrillos, plástico, tierras... La solución más barata es una valla de madera, suficientemente alta para maximizar la diferencia de caminos. El ruido puede transmitirse de una sala a otra en un mismo edificio como sonido directo y/o por transmisi´ on por flancos. En este u ´ltimo caso el ruido se transmite a través de las paredes laterales, suelos y techos y puede reducirse interponiendo una capa de material resiliente (bandas de elast´ omeros) en las juntas entre elementos constructivos. En el receptor: cuando es inevitable la exposición a niveles intensos de ruido es preciso adoptar medidas de protecci´ on del receptor. Hay diversas posibilidades, la más usual es el uso de protecciones para los o´ıdos. Cuando el sonido alcanza un elemento de separación, dependiendo de los materiales que lo constituyen y de su acabado superficial, una parte de la energ´ıa sonora se refleja, otra es absorbida y la restante es transmitida a través del elemento.

Figura 8.42: Absorción de sonido.

252

8.6.4.1.

8. Sistemas de Cerramiento

Medida del Aislamiento Ac´ ustico

El ´ındice de reducci´ on sonora (R) de un elemento es una medida del aislamiento ac´ ustico (en dB) que proporciona un elemento. Su valor depende de las magnitudes de la energ´ıa incidente y transmitida, y viene dado por la expresión: Esonora incidente (8.18) R = 10 log10 Esonora transmitida En definitiva, el CTE exige que se tomen medidas para la reducción de los ruidos en el interior.

253

Cap´ıtulo 9

Protecci´ on Contra Incendios 9.1.

Introducci´ on

En la seguridad contra incendios: Todos exigimos seguridad La seguridad absoluta no existe, coste infinito.

Introducción

Beneficiarios de la seguridad usuario final de productos y servicios, “no quien la paga”. Conflicto: “lo que es necesario y lo que es realmente posible”. Seguridad entra en espa˜ na en los a˜ no 60, se toma conciencia en los a˜ nos 80.

VARIABLES PROCESO PRODUCTIVO

Tratamiento discontinuo y por tramos de la seguridad.

PRODUCTIVIDAD

MEDIO AMBIENTE

CALIDAD SEGURIDAD Figura 9.1: Variables del proceso productivo.

9

Normativa y bibliografía

– Administración: - Europea. Europea - Central. 254

9. Protecci´ on Contra Incendios - Territorial: Autonómicas Autonómicas, Locales Locales, Diputaciones Diputaciones.

- Órganos de Normalización del Estado Normativa Bibliograf´ – Entidades E tid d y d de carácter á t ıapúblico úbli o privado. i d

9.2. 9.2.1.

Clasificaci´ on Seg´ un Origen

- Siempre S es obligatorio el cumplimiento de las Normas Administraci´ on: promulgadas • Europea. por la Administración en el ámbito • Central. competencia. • Territorial: Auton´ omicas, Locales, Diputaciones. ´ • Organos de Normalizaci´ on del Estado.

de su

Entidades de car´ acter p´ ublico o privado. 13

Siempre es obligatorio el cumplimiento de las Normas promulgadas por la Administración en el ámbito de su competencia. ´ No son de obligado cumplimiento los textos emanados de los Organos de Normalización. Excepto cuando son espec´ıficamente recogidos en alg´ un texto de la Administración.

Normativa y bibliografía

No son de obligado cumplimiento los textos que tengan su origen en Agrupaciones o Entidades de carácter P´ ublico o privado.

CLASIFICACIÓN SEGÚN ORIGEN: Tipos de textos

A m bito de aplicación

O bligatoriedad de cum plim iento (1)

C om unidad E uropea

D isposiciones i i i adm inistrativas

C om unidad Europea

SI (4)

D el Estado C entral

D isposiciones adm inistrativas

T erritorio del Estado

SI

D isposiciones d iinistrativas i i adm

C om unidad ó iica autonóm

SI

D iputaciones

O rdenanzas

Provincia

SI

A yuntam ientos

O rdenanzas

M unicipio

SI

Ó rgano norm alizador del Estado

N orm as nacionales

T erritorio del Estado

N O (2)

A grupaciones o Entidades de carácter público o privado

R eglas C ódigos de práctica

El propio de la Entidad

N O (3)

O rigen de los textos

A dm inistración pública

Entes autonóm icos Territorial

– (1): Dentro de su ámbito de aplicación. aplicación – (2): Sólo se hace vinculante su cumplimiento cuando son recogidas por algún texto de la Administración Pública. – (3): No son de obligado cumplimiento su observancia puede ofrecer alicientes o ventajas. – (4): Las directivas deben ser traspuestas y publicadas en el BOE. Los Reglamentos tienen fuerza legal, tras su publicación en el diario oficial de la Comunidad Europea (DOCE).

Figura 9.2: Clasificación seg´ un origen.

9.2.2.

15

Obligado Cumplimiento

Estas normas son Condiciones de M´ınimos, y permiten responder a las preguntas ¿Qué? y ¿Cómo?.

9.2. Normativa y Bibliograf´ıa

255

¿Qué?: C.T.E. (R.D. 314/2006 de 17 Marzo) y modificaciones. RSCIEI (R.D. 2267/2004). APQ (R.D. 2085/1994) y sus modificaciones. Reglamento de Instalaciones Petrol´ıferas (R.D. 2985/1994) y sus modificaciones. Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión (R.D. 842/2002). Reglamento Seguridad de Subestaciones y Centros de Transformación (R.D. 3275/1982). Reglamento De Equipos a Presión. (R.D.2060/2008). Reglamento Seguridad y Salud en los Centros de Trabajo (R.D. 486/97). Ordenanzas Locales (Madrid, Marbella, Badajoz, Huelva ...). Reglamentos Auton´ omicos. (Comunidad de Madrid D.31/2003 ANULADO T.S.M. 6-62006). ¿Cómo?: R.I.P.C.I. (R.D. 1942/93) y Normas UNE, relacionadas en anexos. No son de obligado cumplimiento: • CEPREVEN. • NFPA. • FM.

9.2.3.

Proyectos

Al elaborar un proyecto hay que tener en cuenta: Norma UNE-157653. (Enero 2008). “Criterios generales para la elaboración de proyectos de protecci´ on contra incendios en edificios y establecimiento”. CTE. UNE-157653 → OBJETO: Establecer las consideraciones generales que permitan precisar las caracter´ısticas que deben satisfacer los proyectos de protección contra incendios: Para materializar el objeto del proyecto. Para obtener su aprobaci´ on o registro. Documentos: Índice general. Memoria. Anexos. Planos. Pliego de condiciones técnicas.

256

9. Protecci´ on Contra Incendios

Estado de mediciones. Presupuesto. Estudio con entidad propia. (Estudio de seguridad, plan de autoprotección, uso y mantenimiento, impacto ambiental...). Orden de prioridad de documentos: 1. Planos. 2. Pliego de condiciones técnicas. 3. Presupuesto. 4. Memoria.

9.2.4.

Bibliograf´ıa ´ “Seguridad Contra Incendios”. Alvaro Fernández de Castro D´ıaz y Carlos Ruiz- Frutos. Ed. Tecnos.(2003). “Manual de Seguridad Contra Incendios”. Fundación Mapfre Estudios (1997).

9.3.

El Fuego. Definici´ on y Elementos Necesarios

El fuego es un proceso de ´ oxido-reducción rápido, automantenido y acompa˜ nado de la producción de calor y luz en intensidades variables, es decir, una combustión. Reactivos: Combustible = agente reductor. (C, H2 , CO...). Comburente = agente oxidante. (O2 ...).

Comburente = agente oxidante. (O2...).

Productos de la reaccióión:

Reactivos Combustión Energía de activación

•Gases de combustión •Calor •Llamas •Humos visibles •Aumento de presión

Figura 9.3: Elementos para la combustión.

25

• Reactivos: Reactivos: Combustible==agente agentereductor. reductor.(C, (C,HH22, ,CO CO......).). ––Combustible Comburente agente oxidante. (O22...). ...). 9.3. El Fuego. Definici´ on y Elementos Necesarios ––Comburente ==agente oxidante. (O

Reactivos Reactivos

Un incendio se puede modelar seg´ un:

257

Productos de de la la Productos reacción: ió reacción: ió

•Gasesde decombustión combustión •Gases

Incendio(x, y, z, T, t, q, c, P, G) = 0 Combustión Combustión •Calor •Calor

(9.1)

•Llamas Ll •Llamas Ll •Humosvisibles visibles •Humos •Aumentode depresión presión •Aumento

Donde:

nergía deactivación activación ergía de x, y, z: coordenadas.

T: temperatura desde el inicio al fin del incendio. t: tiempo que dura el incendio.

25 25

q: carga de fuego. c: concentraci´ on combustible/comburente. P: protecci´ on pasiva e instalaciones fijas de extinción. G: Geometr´ıa del escenario.

Condiciones de contorno (Antes del inicio): ego ego. Definición elementos necesarios necesarios. go go. Definición yy elementos necesarios necesarios. x = 0, y = 0, z = 0.

t = 0, T = T . mentos que intervienen en el el proceso proceso de de mentos que intervienen en mbustión: bustión: ambiente

riángulodel delfuego fuego iángulo

gnición) nición)

(a) Tri´ angulo del fuego (Ignici´ on).

etraedrodel delfuego: fuego: etraedro gg

mbustión automantenida) bustión automantenida)

ta alguno de estos a alguno de estos ntos, la combustión tos, la combustión el fuego se extingue extingue. l fuego se extingue extingue. (b) Tetraedro del fuego (Combusti´ on Automantenida).

27 27

Figura 9.4: Elementos que intervienen en el proceso de combustión.

258

9.4.

9. Protecci´ on Contra Incendios

Extinci´ on. M´ etodos de Extinci´ on y Agentes Extintores.

El objetivo es eliminar uno o m´ as elementos necesarios para la combustión. Seg´ un el elemento sobre el que se act´ ue: Dilución: Eliminar el cbs, o actuar sobre él reduciendo o aumentando su concentración (p. ej, en gases cbs., inyectando aire ´ o inyectando cbs) fuera de los l´ımites de inflamabilidad. Enfriamiento: Absorber parte de la energ´ıa generada, hasta que la energ´ıa disponible sea menor que Es . Sofocaci´ on: Eliminar el cbr o impedir que entre en contacto con el cbs, manteniendo el aislamiento un tiempo suficiente para que se enfr´ıe el cbs. Inhibici´ on catal´ıtica: • Imposibilitar la reacci´ on en cadena. • Etapas intermedias de la reacción de combustión: se forman productos intermedios inestables (radicales libres). Los inhibidores neutralizan estos radicales, rompiendo la cadena.

Figura 9.5: Modos de actuaci´ on de los agentes extintores más habituales.

30

259

9.5. Clasificaci´ on de los Fuegos

9.5.

Clasificaci´ on de los Fuegos

Clasificación de los fuegos fuegos.

Seg´ un el tipo de combustible (UNE-EN 2:1994/A1 de 2005):

•

Según g el tipo de combustible ((UNE-EN 2:1994/A1 de 2005): )

Clases de Fuego A

B

Definición Fuegos de materiales sólidos comunes comunes, generalmente de tipo orgánico, cuya combustión tiene lugar normalmente con f formación de brasas. Fuegos de líquidos y sólidos de bajo punto de fusión. (1).

C

Fuegos de gases.

D

Fuego de metales y compuestos químicos reactivos.

F

Derivados del uso de ingredientes para cocinar en los aparatos de cocina.

Combustible madera, carbón, cartón, etc gasolinas, grasas, aceites, etc butano, propano, gas natural, etc aluminio(polvo), (p ), magnesio, sodio, etc Aceites, grasas vegetales y animales, etc

(1) Termoplásticos (PET, PVC...) “Líquidos congelados”. Figura 9.6: Clasificación de los fuegos seg´ un UNE-EN 2:1994/A1.

9.6.

Humos y Gases de Combusti´ on.

La principal causa de muerte en un incendio es la inhalación de humos y gases tóxicos. El humo es: Gases calientes con part´ıculas (sólidas y l´ıquidas) en suspensión. Desplazamiento por convección, a velocidad elevada. Puede propagar el incendio a otros puntos. Afecta a las personas: • • • • •

Visibilidad. Irritaci´ on garganta, ojos y mucosa. Afectar al ritmo normal de respiración. Causa de p´ anico y desorientación. Capacidad de respuesta o de reacción.

La producci´ on de humo depende de: Cantidad y tipo de combustible. Nivel de ox´ıgeno existente (ventilación).

260

9. Protecci´ on Contra Incendios

La cantidad y tipos de gases de combustión producidos en un incendio depende de. Composici´ on qu´ımica del combustible. Cantidad de ox´ıgeno disponible. Temperatura. El efecto de los gases t´ oxicos y humos sobre las personas depende de: Tiempo de exposici´ on. Concentraci´ on de los gases en el aire. Condiciones f´ısicas individuales.

9.7.

Sistemas Fijos de Extinci´ on

Conjunto de elementos convenientemente instalados de forma constante en una dependencia, edificio o equipo para protegerlo en caso de incendio. Se aplica: Situaciones en las que habitualmente no hay personas. Instalaciones de gran tama˜ no, ante las que resulta insuficiente la capacidad humana. Inaccesibles. Respuesta r´ apida. De gran valor.

9.7.1.

Clasificaci´ on

Se clasifican por el agente extintor y por la actuación: Agente extintor: Todos los agentes extintores pueden aplicarse por medio de sistemas fijos. Más utilizado el agua. Actuación: • Autom´ aticos: la descarga del agente extintor, se origina de forma automática, sin intervenci´ on humana. • Manuales: la descarga del agente extintor se origina con la intervención humana.

9.7.2.

Partes del Sistema Almacenamiento del agente extintor (a). Dispositivos de disparo (b). L´ınea de distribuci´ on (c). Boquillas de descarga (d). Equipos de control y alarma (e).

261

9.8. Protecci´ on Pasiva

Figura 9.7: Partes del sistema fijo de extinción.

9.8.

Protecci´ on Pasiva

Objetivos protecci´ on pasiva: Prevenir inicio del incendio. Evitar la propagaci´ on del incendio. Favorecer la extinci´ on. Facilitar la evacuaci´ on. ´ Ambitos de actuaci´ on protecci´ on pasiva: Entorno , accesibilidad. Materiales y elementos constructivos (Reacción y Resistencia al fuego). Sectorizaci´ on. Medios de evacuaci´ on. Protecci´ on estructural.

262

9. Protecci´ on Contra Incendios

9.8.1.

Entorno y Accesibilidad

Mejorar la intervenci´ on de bomberos: Condiciones de aproximaci´ on y entorno: condiciones que deben cumplir los espacios y viales de aproximaci´ on. Anchura, galibo, capacidad portante y tramos curvos. Accesibilidad por fachada: condiciones de huecos por fachada. Anchura, altura y acceso.

9.8.2.

Reacci´ on y Resistencia al Fuego

Hasta la entrada en vigor CTE (R.D. 314/2006 de 17 de marzo), caracter´ısticas de materiales y elementos constructivos NBE CPI-96. Directiva 89/106/CEE: Contempla las obligaciones de los Estados miembros de la Comunidad Econ´ omica Europea de adoptar determinadas reglas y actuaciones en el ámbito de cada Estado, dirigidas a eliminar obst´ aculos a los intercambios comerciales de productos de construcción dentro del territorio comunitario, fundadas en el principio de libre circulación de bienes. Fija requisitos esenciales para los materiales a utilizar en obras. Requisitos seguridad contra incendios: Capacidad de sustentaci´ on de elementos portantes durante un tiempo Aparición y propagaci´ on de un incendio y humos, limitados dentro del edificio. Limita la propagaci´ on del fuego a edificios próximos. Evacuaci´ on de ocupantes por sus propios o por otros medios. Seguridad equipos de rescate. Establece el marcado CE como forma de garantizar el cumplimiento de dichos requisitos esenciales. R.D. 312-2005 “Clasificaci´ on de los productos de la construcción y de los elementos constructivos en funci´ on de sus propiedades de reacción y resistencia al fuego”. Obliga a las nuevas clasificaciones. Obligatorio con la entrada en vigor CTE (R.D. 314/2006 de 17 de Marzo). R.D. 110-2008 REAL DECRETO 110/2008, de 1 de febrero, por el que se modifica el Real Decreto 312/2005, de 18 de marzo, por el que se aprueba la clasificación de los productos de construcción y de los elementos constructivos en función de sus propiedades de reacción y de resistencia frente al fuego. Normas de clasificaci´ on de productos: UNE-EN-13.501-1-07. “Clasificaci´ on a partir de datos obtenidos en ensayos de reacción al fuego”. UNE-EN-13.501-2-09. “Clasificaci´ on a partir de datos obtenidos de los . ensayos de resistencia al fuego, excluidos instalaciones de ventilación”.

9.8. Protecci´ on Pasiva

9.8.3.

263

Reacci´ on al Fuego

Respuesta de un material al fuego medida en términos de su contribución al desarrollo del mismo con su propia combusti´ on, bajo condiciones espec´ıficas de ensayo. Los factores que determinan la respuesta frente al fuego de un material: Poder calor´ıfico. Inflamabilidad. Combustibilidad. Propagaci´ on de la llama. Producci´ on de gotas/part´ıculas en llamas. Generaci´ on y opacidad de humos. Generaci´ on de gases t´ oxicos y nocivos. Desde la entrada en vigor del CTE, la clasificación de los productos de construcci´ on y elementos constructivos en funci´ on de sus propiedades de reacción y resistencia frente al fuego se realiza conforme al RD 312/2005. Ensayos para productos de la construcción: Materiales construcci´ on. Materiales revestimientos, suelos, paredes y techos. Materiales de aislamiento térmico y ac´ ustico. Conducciones. Clases: A1: No Combustible. Sin contribución en grado máximo al fuego. A2: No Combustible. Sin contribución en grado menor al fuego. B: Combustible. Contribuci´ on muy limitada al fuego. C: Combustible. Contribuci´ on limitada al fuego. D: Combustible. Contribuci´ on media al fuego. E: Combustible. Contribuci´ on alta al fuego. F: Sin clasificar. Algunas clases exentas de clasificación adicional: s (smoke): velocidad de propagación y producción de humos: • s1 baja. • s2 media. • s3 alta. d (drop): ca´ıda de gotas o part´ıculas inflamadas: • d0 nula. • d1 media. • d2 alta.

264

9. Protecci´ on Contra Incendios

Clasificación seg´ un su colocaci´ on: Paredes y techos sin sub´ındices. Suelos, sub´ındice FL (Floor). Productos lineales, aislamientos de tuber´ıa, sub´ındice L (Line).

9.8.4.

Resistencia al Fuego

Capacidad de un elemento de construcción para mantener un periodo de tiempo determinado la función portante que le sea exigible, as´ı como la integridad y/o el aislamiento térmico en los términos especificados en el ensayo normalizado. CTE establece clasificaci´ on seg´ un UNE 13-501-2:2004 excluidas. instalaciones de ventilación: R (resistance) Capacidad portante: la función resistente de la estructura a´ un a pesar de la acción del incendio al tiempo para que fueron dise˜ nadas. E (integrity) Integridad: capacidad del elemento constructivo de soportar la exposición al fuego en una cara, sin que exista transmisión del incendio a la cara no expuesta debido al paso de la llama o gases calientes. I (insulation) aislamiento: capacidad del elemento constructivo de soportar la exposición al fuego en una cara, sin que se produzca la transmisión del incendio debido a una transferencia de calor significativa de la cara no expuesta. Elementos constructivos, requisitos: R: capacidad portante. E e I: separaci´ on. R, E e I: Capacidad portante y separación. Escalas de tiempo normalizadas: 10 minutos. 15 minutos. 20 minutos. 30 minutos. 45 minutos. 60 minutos. 90 minutos. 120 minutos. 180 minutos. 240 minutos. 360 minutos.

Tiempos normalizados ensayados en laboratorio en horno horno, 9.8. Protecci´ on Pasiva curva, temperatura-tiempo,

teórica.

265

Figura 9.8: Tiempos normalizados ensayados en laboratorio en horno, curva, temperatura-tiempo, te´ orica.

Ejemplos: REI 60: mantienen las tres cualidades R (resistance), E (integrity) e I (insulation) durante 60 minutos. Capacidad portante y compartimentación. EI 90: mantiene las cualidades E (integrity) e I (insulation) durante 90 minutos. Compartimentaci´ on.

267

Ap´ endice A

Normativa A.1.

Normativa de Edificaci´ on

A.1.1.

Ley de Ordenaci´ on de Edificios (LOE) de 1999

Exige una serie de Requisitos B´ asicos de los edificios: Funcionalidad. • Utilizaci´ on: Correcto desarrollo de la actividad para la que está previsto. • Accesibilidad: Facilidad de acceso para personas de movilidad reducida. • Acceso TIC. Seguridad del usuario: • Estructural. • Contra incendios. • Utilizaci´ on: Barandillas en escaleras, depósitos, etc. Habitabilidad (confort usuario): • Higiene y salud. • Protecci´ on contra el ruido. • Ahorro de energ´ıa y aislamiento térmico.

A.1.2.

C´ odigo T´ ecnico de la Edificaci´ on (CTE) de 2006

Se divide en dos partes, la parte I y la parte II: Parte I: Exigencias b´ asicas. (Obligado cumplimiento). Se menciona los requisitos básicos de LOE y los ampl´ıa. Se trata, pues, de una extensión de estos. • Seguridad. • Habitabilidad.

268

A. Normativa

Parte II: Documentos b´ asicos. Encargados de satisfacer las exigencias básicas y los requisitos b´ asicos LOE. • Seguridad: ◦ Estructural: DB-SE. ◦ Incendios: DB-SI. ◦ Utilizaci´ on: DB-SU. • Habitabilidad: DB-HS. No son de obligado cumplimiento, pues es posible cumplir otras normas alternativas: • EHE 08. • EAE. • EC-3. • RFCI (Incendios).

Apuntes Construcción y Arquitectura Industrial

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