Movimiento de Tierras

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ÍNDICE

CAPITULO 1: CAMBIOS DE VOLUMEN EN EL MOVIMIENTO DE TIERRAS 1.1- EL MOVIMIENTO DE TIERRAS

7

1.2- OBJETO DEL CAPITULO

8

1.3- CAMBIOS DE VOLUMEN

8

1.4- ESPONJAMIENTO Y FACTOR DE ESPONJAMIENTO

11

1.5- CONSOLIDACION Y COMPACTACION

13

1.6- VALORES DEL ESPONJAMIENTO Y SU FACTOR

15

1.7- CONSIDERACIONES PRACTICAS EN EL EXTENDIDO DE CAPAS

17

CAPITULO 2: ECUACION DEL MOVIMIENTO 2.1- OBJETO DEL CAPITULO

19

2.2- ESFUERZO TRACTOR

19

2.2.1- TRACCION DISPONIBLE

19

2.2.2- TRACCION UTILIZABLE

20

2.3- BALANCE ENTRE TRACCION DISPONIBLE Y UTILIZABLE

23

2.4- RESISTENCIA A LA TRACCION

24

2.4.1- RESISTENCIA A LA RODADURA

24

2.4.2- RESISTENCIA A LA PENDIENTE

26

2.4.3- RESISTENCIA A LA ACELERACION

27

2.4.4- RESISTENCIA AL AIRE

28

2.5- ECUACION DEL MOVIMIENTO

29

CAPITULO 3: DETERMINACION DE LA PRODUCCION Y COSTE 3.1- DEFINICION DE LA PRODUCCION Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

32 1

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3.1.1- CONCEPTO

32

3.1.2- FACTORES

32

3.2- EFICIENCIA HORARIA

33

3.3- CICLO DE TRABAJO

36

3.3.1- CONCEPTO

36

3.3.2- FORMULA DE LA PRODUCCION

37

3.4- CALCULO DEL COSTE DE LA UNIDAD DE OBRA

37

3.5- CONTROL DE COSTES

39

CAPITULO 4: CLASIFICACION Y TIPOS DE MAQUINAS DE MOVIMIENTO DE TIERRAS Y EXCAVACION 4.1- SIGNIFICADO DEL MOVIMIENTO DE TIERRA

41

4.2- CONSTITUCION DE SUELOS. TIPOS DE EXCAVACION

43

4.3- TIPOS DE EXCAVACIONES

44

4.3.1- EXCAVACION A CIELO ABIERTO

44

4.3.2- EXCAVACIONES SUBTERRÁNEAS

45

4.3.3- EXCAVACIONES SUBACUATICAS

45

4.4- CLASIFICACION Y TIPOS DE MAQUINARIA

46

4.4.1- MAQUINAS QUE EXCAVAN Y TRASLADAN LA CARGA

46

4.4.2- MAQUINAS QUE EXCAVAN SITUADAS FIJAS SIN DESPLAZARSE

46

4.4.3- MAQUINAS ESPECIALES

47

4.5- CLASIFICACION ATENDIENDO A LA EXCAVABILIDAD

47

4.5.1- INDICES DE EXCAVABILIDAD, IE, DE SCOBLE, Y MUFTUOGLU

47

4.5.2- CLASIFICACION DE FRANKLIN

50

4.6- VENTAJAS Y LIMITACIONES DE LAS DISTINTAS MAQUINAS

52

4.7- ELECCION DE LA MAQUINARIA

53

4.8- MECANIZACION DE UNA OBRA

54

4.9- NEUMATICOS EN LAS MAQUINAS DE MOVIMIENTO DE TIERRAS

54

4.9.1- CAPACIDAD Y RENDIMIENTO

54

4.9.2- DURACION Y FACTORES

55

Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

2

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4.9.3- DIBUJO

56

4.9.4- DENOMINACION

56

4.9.5- CONCEPTO T.V.H.

57

CAPITULO 5: MAQUINARIA EN EL MOVIMIENTO DE TIERRAS 5.1 ESFUERZO DE TRACCIÓN Y RESISTENCIA AL MOVIMIENTO

59

5.1.1 LAS CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LA TRACCIÓN.

59

5.1.2 RESISTENCIA A LA RODADURA.

59

5.1.3 INFLUENCIA DE RAMPAS Y PENDIENTES.

60

5.2 PROBLEMÁTICA DE LA ADHERENCIA.

61

5.3 EXCAVACIÓN EN DESMONTE Y EXPLANACIÓN.

62

5.3.1 CARACTERIZACIÓN DE LA ACTIVIDAD.

62

5.3.2 EXCAVACIÓN POR MEDIOS MECÁNICOS.

62

A. EL BULLDOZER.

62

A.1. ACTIVIDAD DE EXCAVACIÓN Y TRANSPORTE.

63

A.1.1. ESFUERZO DE EXCAVACIÓN

63

A.1.2. RENDIMIENTO

64

A.1.3. CICLO DE TRABAJO PILOTO

65

A.2. ACTIVIDAD DE RIPADO. B. TRAILLAS.

66 68

B.1. ESFUERZO DE EXCAVACIÓN.

69

B.2. RENDIMIENTO DE LAS TRAILLAS.

69

C. PALAS EXCAVADORAS Y CARGADORAS.

72

D. CAMIONES Y DÚMPERS.

75

E. EXCAVACIÓN A MANO.

80

5.3.3 SISTEMAS ORGANIZATIVOS GENERALES.

80

A. LA PRODUCCIÓN.

81

B. EL COSTE.

81

C. ORGANIZACIÓN DE LOS TAJOS.

81

D. LA UTILIZACIÓN DE LA MAQUINARIA.

82

E. CONFIGURACIÓN DEL COSTE TOTAL.

83

Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

3

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5.4 EXCAVACIONES ESPECIALES

84

5.4.1 EXCAVACIÓN EN ZANJA.

84

5.4.1.A. EXCAVACIÓN A MANO.

84

5.4.1.B. EXCAVACIÓN MECÁNICA.

85

5.4.2 EXCAVACIONES EN POZO Y VACIADO.

87

5.4.2.A EXCAVACIÓN EN POZO.

87

5.4.2.B VACIADO.

88

5.4.3 ENTIBACIONES Y AGOTAMIENTOS.

88

5.4.3.A ENTIBACIONES.

88

5.4.3.B AGOTAMIENTOS.

90

5.5 TERRAPLENADO Y PEDRAPLENADO

91

5.5.1 TERRAPLENES Y PEDRAPLENES.

91

5.5.1.A EQUIPOS DE EXTENDIDO.

91

5.5.1.B EQUIPOS DE COMPACTACIÓN.

92

5.5.1.C MEDICIÓN Y ABONO.

94

5.5.2 VOLADURAS.

95

5.5.2.A CARACTERIZACIÓN DEL FRENTE DE CANTERA.

95

5.5.2.B LA PERFORACIÓN.

95

5.5.2.C. DETERMINACIÓN DE LA CARGA EN LOS BARRENOS.

97

CAPITULO 6: EXTENDIDO Y COMPACTACION 6.1 EL PROCESO DE EXTENDIDO Y COMPACTACION

100

6.2 DENSIDADES

102

6.3 ENERGÍA DE COMPACTACION

104

6.4 LA COMPACTACION SEGUN LA ESTRUCTURA FÍSICA Y PARAMETROS DE LOS SUELOS

105

6.4.1 SUELOS PERMEABLES

106

6.4.2 SUELOS IMPERMEABLES

106

6.5 TERRAPLENES

107

6.6 FINOS

108

6.6.1 IDENTIFICACION DE FINOS Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

108 4

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6.6.2 ANALISIS DE LA PARTE FINA DE UN MATERIAL

109

6.6.3 SUELOS PLASTICOS

110

6.6.4 COLAPSO DE TERRAPLENES DE SUELOS COHESIVOS

112

6.7 COMPACTADORES DE SUELOS PLASTICOS

112

6.7.1 COMPACTADORES DE ALTA VELOCIDAD, PATA DE CABRA

112

6.7.2 COMPACTADORES VIBRATORIOS PATA DE CABRA

113

6.7.3 COMPACTADORES VIBRATORIOS LISOS

114

6.8 COMPACTADORES DE SUELOS GRANULARES

115

6.9 PEDRAPLENES

116

6.10 MATERIAL TODO UNO

118

6.11 PAQUETE DEL FIRME

118

6.11.1 EXPLANADA

119

6.11.2 OTRAS CAPAS SUPERIORES

120

6.12 UTILIZACION DEL COMPACTADOR DE NEUMATICOS Y EL DE TAMBORES VIBRATORIOS

120

6.13 PRESAS DE MATERIALES SUELTOS

121

6.13.1 TIERRAS

121

6.13.2 ESCOLLERA

123

6.14 RANGO DE ESPESORES DE MATERIALES, DENSIDADES, HUMEDADES

123

6.15 RANGO DE ESPESORES Y METODO DE COMPACTACION EN MOVIMIENTO DE TIERRAS

125

6.16 TRAMO DE PRUEBA Y DETERMINACION DE LA PRODUCCION

125

APENDICE 6.1 CONTROL CONTINUO DE COMPACTACION (METODO FRANCES)

128

APENDICE 6.2 NORMAS Y EQUIVALENCIA DE UNIDADES

130

CAPITULO 7: LA SEGURIDAD Y SALUD EN EL MOVIMIENTO DE TIERRAS 7.1 PREVENCION

132

7.2 OBRAS DE TUNEL

132

7.3 CASO DE VACIADO DE SOLARES

133

7.4 EXCAVACIONES SOBRE CONDUCCIONES DE GAS Y ELECTRICIDAD

133

Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

5

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7.5 CASO DE OBRAS A CIELO ABIERTO

134

7.5.1 LINEAS ELECTRICAS

134

7.5.2 SEGURIDAD EN LAS MAQUINAS

134

7.5.3 ORGANIZACIÓN DE LA OBRA

135

CAPITULO 8: EL IMPACTO AMBIENTAL EN LAS OBRAS DE MOVIMIENTO DE TIERRAS 8.1 PROTECCION DE LAS ACTUACIONES GEOMORFOLÓGICAS

137

8.2 ALTERACIONES TEMPORALES DURANTE LA FASE DE OBRAS

138

BIBLIOGRAFÍA

140

INTERNET

141

ANEXOS: SOIL AND ASPHALT COMPACTION (BOMAG)

Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

6

144

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CAPITULO 1 CAMBIOS DE VOLUMEN EN MOVIMIENTOS DE TIERRAS.

1.1 EL MOVIMIENTO DE TIERRAS. Se denomina movimiento de tierras al conjunto de operaciones que se realizan con los terrenos naturales, a fin de modificar las formas de la naturaleza o de aportar materiales útiles en obras públicas, minería o industria. Las operaciones del movimiento de tierras en el caso más general son: • Excavación o arranque. • Carga. • Acarreo. • Descarga. • Extendido. • Humectación o desecación. Compactación. • Servicios auxiliares (refinos, saneos, etc.). Los materiales se encuentran en la naturaleza en formaciones de muy diverso tipo, que se denominan bancos, en perfil cuando están en la traza de una carretera, y en préstamos fuera de ella. La excavación consiste en extraer o separar del banco porciones de su material. Cada terreno presenta distinta dificultad a su excavabilidad y por ello en cada caso se precisan medios diferentes para afrontar con éxito su excavación. Los productos de excavación se colocan en un medio de transporte mediante la operación de carga. Una vez llegado a su destino, el material es depositado mediante la operación de descarga. Esta puede hacerse sobre el propio terreno, en tolvas dispuestas a tal efecto, etc. Para su aplicación en obras públicas, es frecuente formar, con el material aportado, capas de espesor aproximadamente uniforme, mediante la operación de extendido.

Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

7

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De acuerdo con la función que van a desempeñar las construcciones hechas con los terrenos naturales aportados, es indispensable un comportamiento mecánico adecuado, una protección frente a la humedad, etc. Estos objetivos se consiguen mediante la operación llamada compactación, que debido a un apisonado enérgico del material consigue las cualidades indicadas. A través de los sucesivos capítulos del libro se expondrán las distintas operaciones que comporta el movimiento de tierras, prestando atención a la maquinaria que actualmente se emplea, sus ciclos de trabajo y producciones, con ejercicios y casos prácticos.

1.2 OBJETO DEL CAPITULO. El estudio de los cambios de volumen tiene interés porque en el proyecto de ejecución de una obra de movimiento de tierras, los planos están con sus magnitudes geométricas, y todas las mediciones son cubicaciones de m3 en perfil y no pesos, ya que las densidades no se conocen exactamente. Los terraplenes se abonan por m3 medidos sobre los planos de los perfiles transversales. Los materiales provienen de industrias transformadoras, graveras, canteras, centrales de mezclas, o de la propia naturaleza. En este caso el material ha sufrido transformaciones, y ha pasado de un estado natural en banco o yacimiento a un perfil, mediante las operaciones citadas anteriormente. En las excavaciones hay un aumento de volumen a tener en cuneta en el acarreo, y una consolidación y compactación en la colocación en el perfil. En los medios de acarreo hay que considerar la capacidad de la caja en volumen y en toneladas, y elegir la menor de acuerdo con la densidad.

1.3 CAMBIOS DE VOLUMEN. Los terrenos, ya sean suelos o rocas mas o menos fragmentadas, están constituidos por la agregación de partículas de tamaños muy variados. Entre estas partículas quedan huecos, ocupados por aire y agua. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

8

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Si mediante una acción mecánica variamos la ordenación de esas partículas, modificaremos así mismo el volumen de huecos. Es decir, el volumen de una porción de material no es fijo, sino que depende de las acciones mecánicas a que lo sometamos. El volumen que ocupa en una situación dada se llama volumen aparente. Por esta razón, se habla también de densidad aparente, como cociente entre la masa de una porción de terreno, y su volumen aparente: da =

M Va

da : densidad aparente. Va : volumen aparente. M : masa de las partículas más masa de agua. El movimiento de tierras se lleva a cabo fundamentalmente mediante acciones mecánicas sobre los terrenos. Se causa así un cambio de volumen aparente, unas veces como efecto secundario (aumento del volumen aparente mediante la excavación) y otras como objetivo intermedio para conseguir la mejora del comportamiento mecánico (disminución mediante apisonado). La figura 1.1 presenta esquemáticamente la operación de cambio de volumen. En la práctica se toma como referencia 1 m3 de material en banco y los volúmenes aparentes en las diferentes fases se expresan con referencia a ese m3 inicial de terreno en banco. La figura 1.2 representa la evolución del volumen aparente (tomando como referencia 1 m3 de material en banco), durante las diferentes fases del movimiento de tierras.

Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

9

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Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

10

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Mientras no se produzcan pérdidas o adición de agua, una porción de suelo o rocas mantendrá constante el producto de su densidad aparente por su volumen aparente, siendo esta constante la masa de la porción de terreno que se manipula. Va x da = M En el movimiento de tierras esta limitación se satisface muy pocas veces (evaporación, expulsión de agua durante el apisonado, adición de agua para facilitar el apisonado, etc.), por lo que la ecuación anterior no es de aplicación general. En adelante se entenderá que los conceptos de volumen y densidad se refieren a volumen aparente y densidad aparente, aunque se omita el adjetivo aparente. La Figura 1.3 indica variaciones en volúmenes y densidades en las operaciones del movimiento de tierras comentados en el apartado 1.1.

1.4 ESPONJAMIENTO Y FACTOR DE ESPONJAMIENTO. Al excavar el material en banco, éste resulta removido con lo que se provoca un aumento de volumen. Este hecho ha de ser tenido en cuenta para calcular la producción de excavación y dimensionar adecuadamente los medios de transporte necesarios. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

11

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En todo momento se debe saber si los volúmenes de material que se manejan corresponden al material en banco (Banco, bank, B) o al material ya excavado (Suelto, loose, S). Se denomina factor de esponjamiento (Swell Factor) a la relación de volúmenes antes y después de la excavación. FW =

VB d S = VS d B

FW : factor de esponjamiento (swell) VB : volumen que ocupa el material en banco VS : volumen que ocupa el material suelto dB : densidad en banco dS : densidad del material suelto. Se tiene que: M = dS x VS = dB x VB El factor de esponjamiento es menor que 1. Sin embargo si en otro texto figura otra tabla con factores mayores que 1, quiere decir que están tomando la inversa, o sea F´ = VS / VB y si se desean emplear las fórmulas expuestas aquí, deben invertirse. Otra relación interesante es la que se conoce como porcentaje de esponjamiento. Se denomina así al incremento de volumen que experimenta el material respecto al que tenía en el banco, o sea: SW =

VS − VB x100 VB

SW =

dB − dS x100 dS

SW : % de esponjamiento O en función de las densidades:

Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

12

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Son frecuentes tablas en las que aparece el valor del esponjamiento para diferentes materiales al ser excavados. Conviene por ello deducir la relación entre volúmenes o densidades en banco y en material suelto. Para volúmenes se tiene: S  VS =  W + 1 × VB  100  Para densidades resulta: S  d B =  W + 1 × d S  100  El porcentaje de esponjamiento y el factor de esponjamiento están relacionados: FW =

dS dS 1 = = SW d B  SW  +1 + 1 × d S  100  100 

y por consiguiente conociendo el % de esponjamiento de un material se conoce su factor de esponjamiento, y viceversa, sin más que operar en la expresión anterior. En la tabla 1.1 aparecen los valores de Fw y Sw característicos de distintos materiales frecuentes en movimiento de tierras.

1.5 CONSOLIDACION Y COMPACTACION. Las obras realizadas con tierras han de ser apisonadas enérgicamente para conseguir un comportamiento mecánico acorde con el uso al que están destinadas. Este proceso se conoce genéricamente como compactación y consolidación del material (Shrinkage). La compactación ocasiona 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 conocido. Se denomina factor de consolidación a la relación entre el volumen del material en banco y el volumen que ocupa una vez compactado. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

13

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Fh =

VB VC

Fh : factor de consolidación (Shrinkage). VC : volumen de material compactado. Si en el proceso de compactación y consolidación no ha habido pérdida ni adición de agua (lo que es poco frecuente), el factor de consolidación puede expresarse según Va x da = M de la forma: Fh =

dC dB

Fh : factor de consolidación (Shrinkage). dB : densidad del material en banco. Otra relación interesante es la que se denomina porcentaje de consolidación. Expresa el porcentaje que representa la variación de volumen del material en banco al material compactado, respecto al volumen del material en banco, multiplicada por 100: Sh =

VB − VC × 100 VB

Con ello la relación entre volumen en banco y volumen del material compactado queda: VB =

1 × VC Sh 1− 100

Sh : % de consolidación.

Si en el proceso de compactación y consolidación no hay pérdida ni adición de agua (lo que no es frecuente) es de aplicación la expresión Va x da = M y el porcentaje de consolidación puede expresarse como: Sh =

Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

dC − d B × 100 dc 14

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Sh : % de consolidación. En este caso la relación entre densidades es: S   d B = 1 − h  × d C  100  En cualquier caso, de las expresiones del factor de consolidación y el porcentaje de consolidación se deduce que estos están relacionados por la expresión:

VB =

1 × VC Sh 1− 100

1.6 VALORES DEL ESPONJAMIENTO Y SU FACTOR. En cada caso concreto conviene estudiar los valores de Fw, Sw, para poder calcular con exactitud los cambios de volumen que va a experimentar el material en las distintas operaciones. A falta de un estudio particular, pueden adoptarse los valores que aparecen en la tabla 1.1.

MATERIAL

dL (t/m3)

dB (t/m3)

Sw (%)

Fw

Caliza

1,54

2,61

70

0,59

Estado natural

1,66

2,02

22

0,83

Seca

1,48

1,84

25

0,81

Húmeda

1,66

2,08

25

0,80

Seca

1,42

1,66

17

0,86

Húmeda

1,54

1,84

20

0,84

75% Roca - 25% Tierra

1,96

2,79

43

0,70

50% Roca - 50% Tierra

1,72

2,28

33

0,75

25% Roca - 75% Tierra

1,57

1,06

25

0,80

Arcilla

Arcilla y Grava

Roca Alterada

Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

15

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Seca

1,51

1,90

25

0,80

Húmeda

1,60

2,02

26

0,79

Barro

1,25

1,54

23

0,81

Granito Fragmentado

1,66

2,73

64

0,61

Natural

1,93

2,17

13

0,89

Seca

1,51

1,69

13

0,89

Mojada

2,02

2,26

13

0,89

Arena y Arcilla

1,60

2,02

26

0,79

Yeso Fragmentado

1,81

3,17

75

0,57

Arenisca

1,51

2,52

67

0,60

Seca

1,42

1,60

13

0,89

Húmeda

1,69

1,90

13

0,89

Empapada

1,84

2,08

13

0,89

Seca

1,72

1,93

13

0,89

Húmeda

2,02

2,23

10

0,91

Tierra Vegetal

0,95

1,37

44

0,69

Basaltos ó Diabasas Fragmentadas

1,75

2,61

49

0,67

Seca

0,13

---

---

---

Húmeda

0,52

---

---

---

Tierra

Grava

Arena

Tierra y Grava

Nieve

Tabla 1.1 Densidades del material en banco y suelto, para los casos más frecuentes del movimiento de fierras Al dimensionar los medios de transporte habrá de tenerse en cuenta no solo la capacidad (m3) que cada vehículo tiene, sino considerar su carga máxima. Para no sobrepasarla es necesario conocer la densidad del material que se transporta. En la tabla 1.1 se exponen las densidades del material en banco y suelto, para los casos más frecuentes del movimiento de fierras. Respecto al transporte, ha de considerarse la densidad del material suelto.

Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

16

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1.7 CONSIDERACIONES PRACTICAS EN EL EXTENDIDO DE CAPAS. La compactación en obra se realiza sobre capas de material, previamente extendido, que se conocen con el nombre de tongadas. El efecto de la compactación sobre la tongada se refleja exclusivamente en la disminución de altura, puesto que sus dimensiones horizontales apenas varían. En la figura 1.4 se observa como al compactar una tongada de material (capa rayada en el dibujo), su anchura a y su longitud l no varían, mientras que su espesor hL pasa a ser, por efecto de la compactación, hC.

Por lo anterior queda claro que el cambio de volumen del material está fielmente reflejado en el cambio de altura de la tongada. Habida cuenta que el proyecto constructivo fija la altura de tongada en perfil, o sea después de la compactación hC, conviene conocer la relación entre hC y hL para extender las tongadas con el espesor hL adecuado. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

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Se denomina disminución de espesor a la relación entre la diferencia de espesor producida por la compactación y el espesor inicial, multiplicada por 100: Se =

hL − hC × 100 hL

Se : % de disminución de espesor (en obra es denominado impropiamente esponjamiento). hL : espesor inicial de tongada hC : espesor de la tongada después de la compactación La disminución de espesor depende del tipo de material, métodos de compactación, etc. Sin embargo, en los materiales granulares (gravas, suelos - cemento, zahorras, etc.) muy frecuentes en la compactación debido a su excelente comportamiento mecánico, su escasa sensibilidad a la humedad, etc., se ha observado que la disminución de espesor es aproximadamente el 20 %. En el caso general: he = hl ×

100 − S e 100

Cuando se trata de terrenos granulares (Sc ≈ 20, es necesario comprobarlo en cada caso en la obra): hC ≈ 0,8 x hL O bien: hL ≈ 1,25 x hC Estas consideraciones han de tenerse presentes en la operación de extendido con motoniveladora o extendedoras, es decir, que la producción de una motoniveladora en extendido (material suelto) no coincide con la del compactador (material compactado).

Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

18

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CAPITULO 2 ECUACION DEL MOVIMIENTO

2.1 OBJETO DEL CAPITULO. El objeto de este capítulo es la determinación de la velocidad de traslación a la que pueden funcionar las máquinas de movimiento de tierras durante su trabajo. Para dicho cálculo será necesario conocer las características de la máquina (peso, potencia) y las del terreno sobre el que se desplaza y su pendiente. En este capítulo se estudiarán los tipos de tracción de las máquinas y los tipos de resistencia al movimiento.

2.2 ESFUERZO TRACTOR. 2.2.1 TRACCION DISPONIBLE. Una máquina dispondrá de una potencia para desplazarse producida por el motor (unidad motriz) y que se aplicará en las ruedas motrices mediante la transmisión. Al esfuerzo, producido por el motor y la transmisión, se denominará tracción disponible o esfuerzo de tracción a la rueda, siendo ésta el diámetro total del neumático, o en el caso de cadenas el diámetro de la rueda cabilla (rueda motriz). La definición de esta tracción es, por tanto, la fuerza que un motor puede transmitir al suelo. La tracción disponible se puede calcular de forma aproximada para cada velocidad de marcha mediante la expresión: TD (Kg) = 367 ×

Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

Potencia (Kw) x Rend. Transmisión Velocidad (km/h)

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El rendimiento de la transmisión, también llamado eficiencia mecánica, es la relación entre potencia que llega al eje motriz y potencia del motor. Los valores más comunes se encuentran entre el 70% y el 85%. 2.2.2 TRACCION UTILIZABLE. La máquina en función de su peso dispondrá de una fuerza determinada que se llama tracción utilizable. Esta tracción depende del porcentaje del peso que gravita sobre las ruedas motrices, que es él útil para empujar o tirar del vehículo, y de las superficies en contacto, especialmente área, textura y rugosidad, tanto de las ruedas motrices como del suelo. Para calcular la tracción utilizable se ha de multiplicar el peso total que gravita sobre las ruedas motrices por el factor de eficiencia a la tracción o coeficiente de tracción, cuyos valores más comunes se encuentran en la tabla 2.1.

Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

20

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En caso de pendiente sería su componente normal, W Cos α, Fig. 2.3.

La tracción utilizable es independiente de la potencia del motor y se calcula mediante la expresión: TU (Kg) = WD (Kg) x fT (en %) siendo WD el peso que soportan las ruedas motrices y fT el coeficiente de tracción en %. En el cálculo de la adherencia hay que tener en cuenta el número de ruedas motrices y la carga soportada por las mismas, que se denomina peso adherente.

Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

21

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En los vehículos que llevan ruedas motrices y ruedas portantes se puede admitir en primera aproximación que las ruedas motrices soportan entre 1/2 y 2/3 de la carga total.

FACTORES DE TRACCION fT TIPOS DE TERRENO

NEUMATICOS

CADENAS

Hormigón o asfalto Arcilla seca Arcilla húmeda Arcilla con huellas de rodada Mena seca Mena húmeda Canteras Camino de grava suelta Nieve compacta Hielo Tierra firme Tierra suelta Carbón apilado

0,90

0,45

0,55

0,90

0,45

0,70

0,40

0,70

0,20

0,30

0,40

0,50

0,65

0,55

0,36

0,50

0,20

0,27

0,12

0,12

0,55

0,90

0,45

0,60

0,45

0,60

Tabla 2.1 Factores de tracción. En movimiento de tierras hay tendencia a elegir, siempre que sea posible, maquinaria de tracción total, es decir, tracción a todos los ejes; en el caso de camiones dúmpers y dúmpers articulados, que se verán en el capítulo correspondiente, la tracción puede estar aplicada al eje de dirección y a los posteriores. Hoy todas las cargadoras son de tracción total, es decir, a los dos ejes, y esto se simplifica con el sistema articulado, en donde la dirección se realiza actuando en la articulación con cilindros hidráulicos, en vez de poner los dispositivos con la complejidad mecánica que llevan los tractores agrícolas con tracción también al eje de dirección delantera, en los cuales no se puede obviar este problema al ser rígidos. En los tractores y cargadoras de cadenas todo su peso es tracción utilizable.

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2.3 BALANCE ENTRE TRACCION DISPONIBLE Y TRACCION UTILIZABLE Una vez estudiados los tipos de tracción habrá que ver el movimiento del vehículo. Dicho movimiento se basa en la reacción de sus ruedas o cadenas sobre el terreno, al cual le transmite el esfuerzo TD que produce el par motor. Si el esfuerzo de tracción TD es mayor que el esfuerzo máximo de reacción del terreno TU se produce el deslizamiento, por lo que las ruedas patinan y la máquina avanza menos o puede llegar a detenerse. Por el contrario cuando TU es mayor que TD hay adherencia entre ruedas y suelo y el vehículo avanza correctamente.

De todo lo anterior se deduce que de nada sirve que una máquina tenga un grupo propulsor muy potente (que desarrolla mucha tracción disponible), si no tiene el peso suficiente para conseguir un esfuerzo tractor (tracción utilizable). Por lo tanto, uno de los criterios de elección de una máquina de movimiento de tierras es el de elegir máquinas con un equilibrio entre el grupo motopropulsor y el peso de la misma. Se entiende por grupo motopropulsor el conjunto de motor y órganos de transmisión con sus reductoras.

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2.4 RESISTENCIA A LA TRACCION 2.4.1 RESISTENCIA A LA RODADURA. Es la resistencia principal que se opone al movimiento de un equipo sobre una superficie plana. Se admite que es proporcional al peso total del vehículo, y se expresa por: RR (Kg) = fR (Kg/t) x W (t) siendo: RR : Resistencia a la rodadura fR : factor de resistencia a la rodadura W: peso del vehículo. La resistencia a la rodadura depende del tipo de terreno y tipo de elementos motrices, neumáticos o cadenas. Los valores más frecuentemente utilizados se recogen en la Tabla 2.2.

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RUEDAS

TERRENO

CADENAS

Alta presión* Baja presión Hormigón liso Asfalto en buen estado Camino firme, superficie plana, ligera flexión bajo la carga (buenas condiciones) Camino blando de tierra(superficie irregular con una penetración de neumáticos de 2 a 3 cm) Camino blando de tierra(superficie irregular, con una penetración de neumáticos de 10 a 15 cm) Arena o grava suelta Camino blando, fangoso, irregular o arenoso con más de 15 cm de penetración de los neumáticos

17

22

27

20-32

25-30

30-35

20-35

25-35

30-40

50-70

35-50

40-45

90-110

75-100

70-90

130-145

110-130

80-100

150-200

140-170

100-120

*Se puede considerar alta presión > 5 Kg/cm2, llevando ésta dúmpers y traíllas.

Tabla 2.2 Factores de resistencia a la rodadura fR (Kg/t). En general cualquier vehículo de ruedas con neumáticos debe vencer una resistencia del orden de 20 Kg/t cuando se desplaza sobre caminos o carreteras donde las cubiertas no acusan ninguna penetración. Dicha resistencia aumentará en torno a 6 Kg/t por cada incremento de penetración de las ruedas en el terreno de 1 cm. Esta resistencia también engloba la fricción de los engranajes internos y la flexión lateral de los neumáticos. Existe una expresión que calcula, aproximadamente, el coeficiente de resistencia a la rodadura: fR = 20 + 4 h, siendo h la deformación del neumático y el hundimiento del suelo (o huella bajo la carga) medida en centímetros. De todas formas, decir que hay una resistencia a la rodadura fija para un determinado tipo de carretera o camino es erróneo, puesto que el tamaño del neumático, la presión de inflado y la velocidad hacen variar dicha resistencia. Como en movimiento de tierras las velocidades son menores de 80

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Km/h, puede considerarse que no afecta la velocidad. Simplificando, se pueden asignar valores generales a varios tipos de firmes, Tabla 2.2. 2.4.2 RESISTENCIA A LA PENDIENTE. Es la componente del peso del vehículo paralela al plano de rodadura. La expresión de dicha resistencia es: RP = W x sen α → RP (Kg) = 1000 x W(t) x sen α

Y para pendientes de hasta el 20% se puede hacer la siguiente simplificación: sen α = tanα =

i ; i (en %) → RP (Kg) = ± 10 x i x W(t) 100

siendo (+) si el vehículo sube y (-) si baja. Por consiguiente la resistencia en rampa (o la resistencia a la pendiente) es de 10 Kg/t por cada 1% de rampa (o de pendiente). Recíprocamente 1% de pendiente (o de rampa) equivale a 10 Kg/t de incremento de esfuerzo tractor. De todo lo anterior se obtiene que la cantidad de Kg-fuerza de tracción requeridos para mover un vehículo es la suma de los necesarios para vencer la resistencia a la rodadura y los requeridos para vencer la resistencia a la pendiente, es decir: Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

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Rtotal = RR + RP = fR x W ± 10 x i x W  f ( Kg / t )  Rtotal ( Kg ) = 10 × W (t ) ×  R ± i 10   donde fR/10 se puede poner como una pendiente equivalente. A continuación se desarrolla una aplicación de las expresiones anteriores.

Dada una máquina cuyo peso es de W = 22 t, la cual se desplaza por una superficie que tiene una pendiente i = -3% y con un coeficiente de resistencia a la rodadura de 50 Kg/t que equivale a una pendiente ficticia del 5%, se pide calcular la resistencia total que tiene que vencer la máquina en sus desplazamientos. Dicha resistencia total será: Rt = 50 Kg/t x 22 t - 3% x 22.000 Kg = 440 Kg o bien: Rt =10 x 22 x (5 - 3) = 440 Kg

2.4.3 RESISTENCIA A LA ACELERACION Es la fuerza de inercia. Supuesta una aceleración uniforme para pasar de la velocidad v1 a v2 en un tiempo t:

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a=

dv ∆v v 2 − v1 = = dt ∆t t

La resistencia para acelerar la masa de un vehículo de peso W(t.) será: RA =

W × (v 2 − v1 ) W W 1.000 × (v 2 − v1 ) × a = 1.000 × × = 28,29 × 9,81 3.600 × t g t

para v1 = 0 y v2 = v quedará: R A (Kg ) = 28,29 × W (t ) ×

v(km / h ) t (seg )

También Se puede expresar esta resistencia en función de la distancia recorrida por el vehículo, d(m): a=

dv ∆v v 2 − v1 (v 2 − v1 ) (v 2 + v1 ) v 22 − v12 = = = × = dt ∆t d /v d 2 2d

sustituyendo este valor de aceleración en la expresión de la resistencia a la aceleración resulta: RA =

v 2 − v12 v 2 (Km / h ) − v12 (Km / h ) W × 2 = 3,93 × W (t ) × 2 9,81 2d 2d (m )

Por ejemplo, si un vehículo, desplazándose cuesta abajo, quiere frenar en una distancia d (m), cuando circule a una velocidad v (Km/h), el esfuerzo de frenado será: R A = −3,93 × W ×

v d

Esta resistencia a la aceleración es poco importante en movimiento de tierras, pero en el caso de frenado cobra cierta importancia ya que interesa conocer la distancia o el esfuerzo de frenado del vehículo. 2.4.4 RESISTENCIA AL AIRE. Esta resistencia no se suele tener en cuenta dado que las velocidades de los vehículos y maquinaria de obra son pequeñas y se sabe que la resistencia al aire es proporcional al cuadrado de la velocidad. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

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De modo que RAIRE = K x S x V2 siendo V (m/s) la velocidad del vehículo, S la superficie desplazada normal a la dirección del movimiento y K un coeficiente que depende de la forma de la máquina (más o menos aerodinámica) y que está comprendido entre 0,02 y 0,08. Sin embargo, contra viento fuerte la resistencia al aire es un factor significativo. La cantidad determinante es el movimiento relativo del aire respecto al vehículo. Si la velocidad de la máquina es de 16 Km/h y la velocidad del aire en sentido contrario es de 64 Km/h la velocidad relativa resultante será de 80 Km/h. La resistencia al aire deberá tenerse en cuenta para valores de velocidad relativa superiores a 80 Km/h.

2.5 ECUACION DEL MOVIMIENTO Y DETERMINACIÓN DE VELOCIDADES. Definidas todas las fuerzas que actúan en el movimiento de las máquinas de movimiento de tierras, ahora hay que estudiar las relaciones entre ellas. Los factores que se oponen al movimiento son: Resistencia a la rodadura: RR = fr x W Resistencia a la pendiente: RP = ± 10 x i x W Resistencia a la aceleración: Racel. = 28,29 x W x v/t ó Racel. = 3,93 x W x v2/t Resistencia al aire: Raire = K x S x v2 La resistencia total será la suma de todas las anteriores, cuya expresión será: Rtotal = fr x W ± 10 x i x W + Racel + K x S x v2 Si no, se consideran, como se dijo anteriormente, la resistencia a la aceleración y la resistencia al aire resulta: Rtotal = fr x W ± 10 x i x W El esfuerzo que la máquina debe suministrar a los elementos motrices para superar las resistencias antes enumeradas es el menor de los siguientes valores: Tracción utilizable: TU = W x fT para que exista adherencia y el vehículo avance. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

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Tracción disponible: (es función de la velocidad) TD. Esta variará en función de la marcha y de la velocidad alcanzada por la máquina. Se deberá tener que: TD y TU ≥ Rtotal Recíprocamente, conocida la resistencia total y las tracciones utilizable y potencia útil Se puede obtener la máxima velocidad que es capaz de alcanzar la máquina en sus desplazamientos. Todo lo que se ha expresado anteriormente de forma numérica también se puede representar gráficamente en un sistema de ejes coordenados, Fig. 2.8, en el cual se colocan en abscisas las velocidades del vehículo y en ordenadas las tracciones, resultando la curva TD para plena potencia del motor y una reducción determinada de la caja de cambios. También se representa la curva TU, que es una recta al ser independiente de las velocidades y puede cortar a la curva TD, o ser exterior Tu´ Caso TU:

v1 : TU < TD, deslizamiento v2 : TU = TD, > RT, v2 es válida v3 : TU > TD , TD = RT , v3 es válida v4: TU > TD , TD < RT , falta potencia luego v2 < v < v3

Caso TU´ :

v debe ser inferior a v3, pero está limitada inferiormente por el valor v5 de máx. TD, porque a su izquierda hay inestabilidad del vehículo (falta reducción en la caja de cambios).

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Aplicando lo anterior si TU ≥ TD , siendo RT = W x ( fR + 10 x i ), TU = fR x WD x 1.000 y como debe ser TD ≥ RT , resulta TU ≥ RT y sustituyendo fT x WD x 1.000 ≥ W x ( fR + 10 x i ) debe cumplirse: 1.000 x fT x WD / W ≥ fR ± 10 x i entonces: v=

Pot × ρ Pot × ρ Pot × ρ ≤ = TD RT W × ( f R ± 10 × i )

Los fabricantes de tractores dan gráficas para cada modelo de tractor donde elegida una marcha F1, F2, F3, se obtienen la gama de velocidades y tracción disponible.

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CAPITULO 3 DETERMINACION DE LA PRODUCCION DE UNA MAQUINA Y COSTES

3.1 DEFINICION DE LA PRODUCCION. 3.1.1 CONCEPTO. La Producción o Rendimiento de una máquina es el número de unidades de trabajo que realiza en la unidad de tiempo, generalmente una hora: Producción = Unids. trabajo / hora Las unidades de trabajo o de obra más comúnmente empleadas en un movimiento de tierra son el m3 o la t, pero en otras actividades de la construcción se usan otras más adecuadas, como el metro lineal en la construcción de zanjas o de pilotes o el m2 en las pantallas de hormigón. La unidad de tiempo más empleada es la hora, aunque a veces la producción se expresa por día. 3.1.2 FACTORES. Esta cifra no es una constante del modelo de máquina, sino que depende de una serie de factores particulares de cada aplicación: a) Eficiencia horaria. b) Condiciones de trabajo de la obra en cuestión: b.1.- Naturaleza, disposición y grado de humedad del terreno. Los materiales en estado seco tienen un volumen aparente que es el que ocupa la capacidad de la máquina, pero en estado húmedo presentan una adherencia que hace aumentar la capacidad. Si la humedad es excesiva, entonces no aumenta. En el caso de margas y arcillas húmedas el rendimiento de excavación puede bajar considerablemente por adherirse el material a las paredes. b.2.- Accesos (pendiente, estado del firme).

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Repercusión de los accesos en el coste final de una obra. Tiene gran importancia el trazado y conservación de las pistas y caminos interiores de la obra, porque repercuten: - en la potencia necesaria de los vehículos y por consiguiente, en el consumo de combustible. - en el tiempo de transporte, al conseguirse menores velocidades si están en mal estado. - en la capacidad de transporte al ser mayores las cargas si están bien conservadas. - en la propia logística, si se producen averías y no hay zona de estacionamiento. Una falsa economía inicial o de proyecto puede ocasionar llevar mayor repercusión a lo largo de la obra, incluso en el plazo de ejecución si hay que variar el trazado de las pistas durante la obra. b.3.- Climatología (visibilidad, pluviometría, heladas) La climatología no sólo afecta a las interrupciones de trabajo sino al estado del firme pues el barro y la humedad reducen la tracción de las máquinas (traficabilidad). Cuando la temperatura es inferior a 20C en la sombra, deben suspenderse los trabajos de relleno. b.4.- Altitud, que puede reducir la potencia de las máquinas. c) Organización de la obra: c.1.- Planificación: Afecta a la producción de la máquina: esperas, maniobras,... Hay que cuidar el orden de los trabajos para reducir al mínimo el número de máquinas necesarias y evitar embotellamientos y retrasos. c.2.- Incentivos a la producción. d) Habilidad y experiencia del operador. Estos factores no son de aplicación total y cada uno deberá emplearse sólo cuando lo requieran las circunstancias.

3.2 EFICIENCIA HORARIA. Se denomina Producción óptima o de punta (Peak) Pop a la mejor producción alcanzable trabajando los 60' de cada hora. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

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En la práctica se trabaja sólo 45' ó 50' a la hora por lo que la producción normal Pn será: Pn = 50/60 x Pop = 0,83 Pop =fh x Pop En lo sucesivo P se referirá siempre a la Producción normal Ph. La relación fh entre los minutos trabajados y los 60' de una hora es lo que se denomina eficiencia horaria, tiempo productivo o factor operacional (operating factor). Los factores de los que depende la producción determinan la eficiencia horaria, como muestra la tabla 3.1.

ORGANIZACION DE OBRA

CONDICIONES DE TRABAJO

Buena

Promedio

Mala

Buenas

0,90

0,75

0,60

Promedio

0,80

0,65

0,50

Malas

0,70

0,60

0,45

Tabla 3.1 Factores de eficiencia fh. Si se consideran incentivos a la producción, sobre todo con buenos factores de organización, estos coeficientes se verán incrementados, pero en cualquier caso será difícil que alcancen valores superiores a 0,90. Por otro lado, en condiciones adversas de trabajo y organización, el tiempo real puede llegar solamente a ser el 50% del tiempo disponible.

INCENTIVO

ORGANIZACION

MIN/HORA

Fh

SI

BUENA

50

0,83

SI

MALA

42

0,70

NO

MALA

30

0,50

Tabla 3.2 Incentivos a la producción. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

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Naturalmente una máquina no trabaja sólo una hora sino varias al día durante el período que dure la obra, que puede ser de muchos meses. Esto hay que tenerlo presente al calcular la eficiencia media, y que las condiciones y la organización pueden ir cambiando con el transcurso de la obra. También es necesario tener en cuenta las pérdidas de tiempo que se ocasionan, ya que el tiempo de trabajo continuo anual de una máquina (sin traslados ni esperas) sería de: 52 (semanas/año) x 40 (horas/semana) – 8 fiestas oficiales x 8 (horas/día) = 2.016 h y en la práctica es difícil superar las 1.600 horas, principalmente debido a: - Averías de la máquina. - Mantenimiento o conservación cada cierto número de horas de trabajo, aunque no se incluirán en las pérdidas por realizarse normalmente en horas no laborables para la máquina durante las de espera. - Condiciones atmosféricas locales, que además de afectar a la producción de la máquina entorpecen la marcha general de la obra. La tabla 3.3 expone algunos de los conceptos más comunes y ejemplos de sus valores en condiciones medias, expresado como porcentaje. No es normal que se den todos simultáneamente.

METEOROLOGÍA

9%

MANIOBRAS

8%

ESPERAS

11%

AVERÍAS MECÁNICAS

6%

HABILIDAD DEL OPERADOR

15%

TOTAL MÁXIMO

60%

Tabla 3.3 Pérdidas de tiempo. Se llama disponibilidad de una máquina (availability) a: disponibilidad = horas de trabajo/ (horas de trabajo + horas de reparaciones)

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Es conveniente antes de comenzar la obra hacer un estudio de las posibles condiciones climatológicas que se puedan presentar durante su desarrollo. El capítulo de averías de la máquina puede llegar a ser importante y para disminuirlo hay que prestar atención a: - Fiabilidad de la máquina. - Rapidez en los repuestos y atención del suministrador. - Cuidados y mantenimientos a cargo del propietario. - Habilidad del operador. - Dureza del trabajo (material, accesos). Todo lo anterior lleva en determinados casos a la compra de maquinaria nueva para una obra, o a la adquisición de unidades de repuesto si se emplean muchas iguales, con objeto de asegurar la continuidad de la misma y no interrumpir otras unidades de obra.

3.3 CICLO DE TRABAJO. 3.3.1 CONCEPTO. Se denomina Ciclo de Trabajo a la serie de operaciones que se repiten una y otra vez para llevar a cabo dicho trabajo. Tiempo del Ciclo será el invertido en realizar toda la serie hasta volver a la posición inicial del ciclo. Por ejemplo, en las máquinas de movimiento de tierras el tiempo de un ciclo de trabajo es el tiempo total invertido por una máquina en cargar, trasladarse y/o girar, descargar y volver a la posición inicial. La suma de los tiempos empleados en cada una de estas operaciones por separado determina el tiempo del ciclo. En los capítulos posteriores correspondientes a las máquinas más importantes se llevará a cabo un análisis de las operaciones o fases características de cada una de ellas.

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El tiempo de un ciclo puede descomponerse en fijo y variable. El primero (fijo para cada caso) es el invertido en cargar, descargar, girar y acelerar o frenar para conseguir las velocidades requeridas en cada viaje, que es relativamente constante. El segundo es el transcurrido en el acarreo y depende de la distancia, la pendiente, etc. Es importante considerar separadamente la ida y la vuelta, debido al efecto del peso de la carga (vacío a la vuelta) y la pendiente, positiva en un caso y negativa en el otro. Para un resultado más preciso de la duración de un ciclo suele tomarse un valor medio, obtenido de la medición de un gran número de ciclos, mientras que un número insuficiente puede llevar a resultados erróneos, debido al cambio en las condiciones externas (material, climatología, ...) 3.3.2 FORMULA DE LA PRODUCCION. Una vez calculada la duración del ciclo de trabajo, ¿5 posible estimar los ciclos que la máquina realiza en una hora (60/durac. en minutos) y conociendo la capacidad de la máquina (volumen de carga, ...) es inmediato el cálculo de la producción: Producción (t ó m3) = Capacidad (t ó m3/ciclo) x Nº ciclos/hora Esta es la producción teórica horaria, pero la efectiva o real será la resultante de aplicar a la anterior los factores correctores que se considere en cada caso y entre los que encuentran algunos de los ya estudiados. Otros importantes se refieren al trabajo diurno o nocturno o al empleo de neumáticos o cadenas. Si C es la capacidad, la producción real es: Pr = C x nº ciclos / hora x f1 x f2 x f3 x ... xfn

3.4 CALCULO DEL COSTE DE LA UNIDAD DE OBRA. En el empleo de maquinaria en una obra se deberá buscar su utilización óptima, a fin de no desperdiciar los recursos. Por ello se tratará de encontrar la mejor relación entre rendimiento y gastos, es decir, el costo más bajo posible por unidad de material movido. El coste horario de una máquina puede hacerse exhaustivamente mediante la suma de varios factores. Los principales son: - División del coste inicial entre el período de amortización que se pretende. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

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- Intereses del capital pendiente de amortización. - Gastos de mantenimiento y reparaciones que se estima durante dicho período. - Gasto en consumos de carburante y neumáticos. - Mano de obra de los operarios, etc. Con todo esto es posible llegar a un resultado de coste en Pts/hora. Hay que tener la precaución de actualizar dicho valor si el período de amortización es grande. Para un Jefe de Obra, los costes que influyen en relación con la maquinaria son: - mano de obra de maquinista: interviene en el coste de m3 de la unidad de obra. - consumo de gasoil: coste de gasoil/m3. - reparaciones por averías, y pérdidas de producción por paradas. La amortización contable de maquinaria es un coste que le llega de la central y que le es ajeno en su dirección de obra, pero la depreciación de la máquina, sí que depende de la forma de utilizarla y del modo de conservarla.

AMORTIZACIÓN

40 %

CONSUMO GASOIL

13 %

MANO DE OBRA

17 %

AVERÍAS Y REPARACIONES

22 %

GASTOS GENERALES

8%

Tabla 3.4 Precio del m3 (valores medios) en movimiento de tierras. Existe un manual de coste de maquinaria (Seopan-Atemcop) admitido por el MOPMA. Existe otra forma de estimar los costes horarios, procedente de la experiencia y válida solamente para una primera aproximación. Consiste en tomar como coste horario un porcentaje del coste inicial o precio de compra, 200-400 Pts/Millón, siendo inversamente proporcional al tamaño de la máquina y añadir el coste del maquinista del maquinista incluyendo cargas sociales, unas 2.500 Pts/hora (1993). Como orientación del precio de una máquina puede tomarse entre 1.000 y 1.500 Pts./Kg. (1993). Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

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Los parques de maquinaria de las grandes empresas evalúan los costes horarios atendiendo a sus propios criterios de amortización y gastos, para luego facilitarlo a la obra. Estos costes están contrastados con los precios de alquiler de la maquinaria en el exterior y son similares, por lo que existen unos precios que se aceptan como costes horarios de mercado para los diferentes modelos de máquinas y que generalmente

se dan sin combustible, con o sin operador, que se añadirá

posteriormente. Una vez conocido el coste horario de la máquina y calculado el rendimiento según se explicaba en el apartado anterior, es fácil estimar el coste de producción: COSTE DE PRODUCCION = COSTE HORARIO / PRODUCCION La fórmula más general es: Pts/Unids.Obra = (Pts/Hora) / (Unids.Obra/Hora) En el movimiento de tierras lo más usual es: Pts/t ó m3 = (Pts/Hora) / (t ó m3/Hora) refiriéndose la unidad de obra a material en perfil de carretera, cuando se da en volumen. Pueden evaluarse los resultados con los oportunos factores, si bien con la precaución de no aplicar más de una vez el factor correspondiente a un obstáculo.

3.5 CONTROL DE COSTES. En la obra hay que tener una estadística actual de los costes horarios totales incluido operador, de las distintas máquinas, de forma que con el seguimiento de la producción de las distintas unidades se pueda conocer al día los costes de dichas unidades y en caso de desviaciones negativas respecto a los precios que figuran en la oferta se puedan hacer ajustes o cambios. Los costes de una obra se dividen en directos e indirectos. - Son directos todas las unidades de obra subcontratadas, y aquellas que el contratista principal ejecuta con su personal. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

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- Indirectos, los de su propio personal de control de calidad, dirección y administración, de forma que aunque los precios de los subcontratistas sean fijos, retrasos de éstos en la ejecución repercuten en sus costes indirectos y en aquellas unidades suyas que no avanzan de forma que los costes aumentan con los retrasos. En resumen, una vez fijados unos costes y unos plazos, éstos quedan muy ligados entre sí. Dado que los costes fijos de una empresa son proporcionales al numero de días de ejecución de una obra para disminuir éstos gastos generales hay que reducir el plazo. Es necesario hacer un estudio económico, pues normalmente hay ciertos costes de producción que aumentan al disminuir el plazo. Los plazos de ejecución vienen determinados en ocasiones por motivos políticos, caso de Obras Públicas ya que tienen fija la fecha de inauguración, o económicos de rentabilidad o reinversión si el cliente es privado. Retrasos en el comienzo de las obras son antieconómicos cuando se tiene una fecha fija de terminación. El control de costes entra en la planificación económica. La planificación (informatizada) de una obra se divide en: a) Plan de obra o programa técnico: es un estudio del proceso constructivo descompuesto en actividades y de sus plazos de ejecución, mediante un modelo gráfico, PERT, Red de Precedencias, etc. b) Planificación

económica,

o plan de objetivos,

de costes,

resultados

y producción

(certificaciones) con su seguimiento y actualización cada determinado tiempo.

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CAPITULO 4 CLASIFICACION Y TIPOS DE MAQUINAS DE MOVIMIENTO DE TIERRAS Y EXCAVACION.

4.1 SIGNIFICADO DEL MOVIMIENTO DE TIERRAS. En construcción de carreteras, los capítulos en que se descompone la obra suelen ser: - Retirada y reposición de servicios. - Movimiento de tierras. - Drenajes y obras de fábrica (marcos, tubos, cunetas). - Estructuras (viaductos, pasos superiores e inferiores, puentes). - Túneles. - Firmes. - Señalización (pintura, señales, barreras, mallas de cierre). - Anejo de integración ambiental (plantaciones, hidrosiembra, pantallas). La retirada y reposición de servicios comprende: accesos a fincas, vías de servicio, cruces de líneas telefónicas, eléctricas, acequias, conducciones de agua y alcantarillado. Los materiales que aparecen en movimiento de tierras son: - Tierras. - Tránsito. - Rocas. Estos materiales se pueden clasificar según su velocidad sísmica, y tomando unos valores orientativos se utilizarán las máquinas que posteriormente 'se verán, y que pueden resumirse en el siguiente cuadro, en una primera aproximación simplista:

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EXCAVACION

VELOC. SISMICA

Tierras

< 1000 m/s

Tránsito

1000 - 2000 m/s

Roca

> 2500 m/s

MAQUINA Tractor hoja frontal Excavadora Traílla Escarificador (Tractor cadenas) Explosivos Perforadoras

Tabla 4.1 Velocidades sísmicas Los volúmenes principales en que se descompone el movimiento de tierras figurarán en el proyecto con sus precios como unidades de obra, las cuales se corresponden con distintas actividades, pudiendo estar algunas de éstas agrupados en un sólo precio o unidad de obra. Las distintas actividades son: a) Despeje y desbroce del terreno (m2): Consiste en la demolición de obstáculos, como construcciones, arbolado, etc. b) Excavación en tierra vegetal (m3): Es el levantamiento de 1 cobertura de tierra vegetal y traslado a vertederos o acopios para posterior revegetación de taludes. c) Excavación en suelos (m3): d) Excavación en préstamos para el núcleo (m3). e) Excavación en roca con voladura (m3). f) Terraplenes (m3). g) Pedraplenes con productos de voladura o escarificación (m3). h) Explanada mejorada (m3). i) Refino de taludes en desmonte (m2). j) Refino de taludes en terraplén (m2). k) Saneo de taludes en roca (m2). l) Apertura de pistas de acarreo y caminos de acceso a los distintos tajos.

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El movimiento de tierras puede representar en la variante de una autovía alrededor de 125.000 200.000 m3/Km, y con un precio orientativo de 350 Pts/m3, resultan de 45 a 70 Mill. Pts/Km, y si se estima para la autovía un costo de 400 - 500 Mill. Pts/Km, representa aproximadamente el 20%, ocupando del 50-60% del plazo de ejecución. El movimiento de tierras en una presa de materiales sueltos depende de la longitud de la presa y caudal punta de aliviadero, que es el que condiciona el volumen de hormigón, el cual puede tener un costo económico total mayor que el del movimiento de tierras (el precio de la unidad de obra de hormigón es muy superior al de las tierras). Unas cifras de valores medios situarían el movimiento de tierras del 45 al 75 %, del presupuesto total. En el caso de presas de hormigón puede representar del 5 al 10 %. En resumen, como orientación, movimiento de tierras: - Autovías: ~ 20-30 %. - Presas de tierras: ~ 45-75 %. - Presas de hormigón: ~ 5-1 %.

4.2 CONSTITUCION Y TIPOS DE SUELOS. Los diversos tipos de suelos que son considerados en el movimiento de tierras pueden variar desde roca sólida hasta tierra sola, pasando por todas las combinaciones de roca y tierra. Así los diferentes tipos de materiales ofrecen diferente resistencia para ser movidos, dependiendo del peso del material, dureza, rozamiento interno y cohesión. Se tiene que una menor resistencia de remoción implica una mayor facilidad de carga, siendo ésta última fundamental en la elección del equipo o tipo de maquinaria a utilizar. Los distintos tipos de tierras se forman con rocas desintegradas, residuos vegetales y animales. Una vez formada, comprende materia mineral, materia orgánica, agua y aire.

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Movimiento de Tierras

Las tierras, en general, pueden dividirse básicamente en cinco grupos: arcillas, limos, arena, gravas y materia orgánica. La realidad dice que se pueden encontrar estos materiales en forma independiente o en varias combinaciones y mezclas.

4.3 TIPOS DE EXCAVACIONES. Los tipos de excavación, se pueden dividir en tres grupos: a cielo abierto, subterráneas y subacuáticas. Dependiendo de la constitución del terreno y del material excavado, se tendrán que utilizar unos u otros medios de excavación. 4.3.1 EXCAVACION A CIELO ABIERTO. La clasificación podría ser la siguiente: - En roca: es necesario utilizar explosivos. - En terreno duro: uso de explosivos o ripado. - En terreno de tránsito: término poco definido, en general se puede excavar por medios mecánicos, pero no a mano. - En tierras: se puede excavar a mano. - En fangos: es necesario emplear medios especiales de transporte o hacer una desecación previa. Todos los trabajos pueden hacerse en seco o con agotamiento, nivel freático por debajo del plano de excavación. En este tipo de excavaciones es fundamental la elección del equipo idóneo para transporte y carga. Como norma general hay que considerar que el equipo de transporte debe ser cargado entre 3 y 6 cargadoras o ciclos del equipo de carga. Los puntos a tener en cuenta para seleccionar el equipo de transporte son: Recorrido, distancia, pendientes y curvas, material a transportar, producción requerida y equipo de carga disponible.

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Los correspondientes al equipo de carga, por orden de preferencia, son: Producción requerida, zona de trabajo o carga (amplitud y condicionantes), características del material a cargar (en banco, ripado, volado), disponibilidad requerida, equipo de transporte a utilizar. 4.3.2 EXCAVACIONES SUBTERRANEAS. Pueden ser: - En túnel y galerías: Normalmente es necesario el uso de explosivos o topos según longitud y tipo de terreno. Debe tener sección suficiente para permitir el uso de medios mecánicos de excavación, carga y acarreo (mayor de 3 m2). También se utilizan rizadoras y martillos de percusión. Los escudos cuando los terrenos son inestables. - En pozo: Excavación en vertical o casi vertical, teniendo que ser extraídos los productos por elevación. Las dificultades, organización, medios auxiliares y coste de éstas excavaciones subterráneas, están fuertemente condicionadas por la distancia de los frentes de ataque a los accesos y bocas de entrada y por la presencia de agua, especialmente en excavaciones descendentes. 4.3.3 EXCAVACIONES SUBACUATICAS. Son aquellas en las que no es posible una actuación desde tierra, siendo necesario el empleo de material flotante o medios análogos. Según la naturaleza del fondo, se pueden clasificar en: - Arenas y fangos: Se pueden transportar por tubería los productos de excavación mediante bombas y dragas de succión. - Fondos moderadamente duros: Arenas consolidadas y rocas blandas dragas de succión con cabe, al cortador. - Fondos duros: Mediante dragas de arranque o rosario. El material extraído no puede transportarse por tubería, por componerse normalmente de trozos grandes. - Rocas: Mediante martillo romperrocas o voladuras subacuáticas.

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4.4 CLASIFICACION Y TIPOS DE MAQUINARIA. Se puede clasificar la maquinaria de excavación y movimiento de tierras, atendiendo a su traslación, en tres grandes grupos. 4.4.1 MAQUINAS QUE EXCAVAN Y TRASLADAN LA CARGA. - Tractores con hoja empujadora. - Tractores con escarificador. - Motoniveladoras. - Mototraíllas. - Cargadoras. Son máquinas que efectúan la excavación al desplazarse, o sea, en excavaciones superficiales. La excepción es la cargadora, que cuando excava es en banco, pero luego se traslada con la carga, aunque la aplicación normal de ésta máquina es para cargar material ya excavado o suelto. 4.4.2 MAQUINAS QUE EXCAVAN SITUADAS FIJAS, SIN DESPLAZARSE. Realizan excavaciones en desmontes o bancos. Cuando la excavación a realizar sale de su alcance, el conjunto de la máquina se traslada a una nueva posición de trabajo, pero no excava durante este desplazamiento. El desplazamiento necesario entre el órgano de trabajo (hoja, cuchara, cazo, cangilón, etc.) se efectúa mediante un dispositivo cinemático que modifica la posición relativa de este órgano de trabajo y el cuerpo principal de la máquina. En este grupo se encuentran: - Excavadoras hidráulicas con cazo o martillo de impacto. - Excavadoras de cables. Dragalinas. - Excavadoras de rueda frontal. - Excavadoras de cangilones. - Dragas de rosario. - Rozadoras o minadoras de túnel.

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4.4.3 MAQUINAS ESPECIALES. La excavación se efectúa empleando otros dispositivos, siendo su campo de aplicación generalmente más limitado. - Topos: La presión sobre el terreno se logra por mediante el desplazamiento del cabezal de la máquina y el desgarramiento del mismo por un órgano dotado de movimiento rotativo. - Dragas y bombas de succión: El material (arenas, limos) es arrastrado formando una emulsión por una corriente de agua que es aspirada por una bomba, que puede impulsarla por una tubería. - Dardos y chorros de agua: A gran presión, utilizan la energía cinética y el electo de disolución del agua para atacar y remover materiales disgregables. - Fusión térmica: Se utilizan productos que rebajan el punto de fusión y permiten la perforación y corte de rocas. Se emplea para corte y perforación de rocas y hormigón en circunstancias especiales.

4.5 CLASIFICACION ATENDIENDO A LA EXCAVABILIDAD. 4.5.1 INDICES DE EXCAVABILIDAD, IE, DE SCOBLE Y MUFTUOGLU. Se estudian cuatro parámetros geomecánicos importantes que son: - W: alteración por meteorización. - S: resistencia a compresión simple. - J: separación entre diaclasas. - B: potencia de los estratos. Se rellena así el siguiente cuadro:

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CLASES DE MACIZOS ROCOSOS PARAMETROS 1

2

3

4

5

Intensa

Alta

Moderada

Ligera

Nula

Valoración

100

Compresión Simple (MPa)

< 0,5

0,5 – 1,5

1,5 – 2,0

2,0 – 2,35

> 3,5

0

10

15

20

25

0,3

0,6 – 1,5

0,6 – 1,5

1,5 – 2,0

> 2,0

5

15

30

45

50

< 0,1

0,1 – 0,3

0,3 – 0,6

0,6 – 1,5

> 1,5

0

5

10

20

30

ALTERACION

Valoración (S) Separación entre Diaclasas (m) Valoración Potencia de los Estratos (m) Valoración

Tabla 4.2 Evaluación del índice de Excavabilidad.

En función de éste índice, resultan unos rangos de utilización de distintos tipos de máquinas.

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CLASE

FACILIDAD DE

INDICE

EQUIPO DE

EXCAVACION

(W+S+J+B)

EXCAVACION

MODELOS DE EQUIPOS EMPLEADOS A. Tractor

1

Muy fácil

B. Dragalina > 5 m3

< 40

Tractores de ripado

2

Fácil

40 – 50

C. Excavadora de Cables > 3 m3

Dragalinas

A. Tractor

Excavadoras

B. Dragalina >8 m3 C. Excavación de Cables >5 m3 A. Tractor –

3

Moderadamente difícil

Excavadora – Pala 50 – 60

Cargadora B. Excavadora Dragalinas Excavadoras

Hidráulica >3 m3 A. Tractor – Excavadora – Pala

4

Difícil

60 – 70

Cargadora B. Excavadora Hidráulica >3 m3

5 6 7

Muy Difícil Extremadamente difícil Marginal sin voladura

Excavadora

70 – 95

Hidráulica > 3 m3 Excavadoras

95 – 100

Excavadora Hidráulica > 7 m3 Excavadora

> 100

Hidráulica > 10 m3

Tabla 4.3 Rango de utilización de maquinaria según el Indice de Excavabilidad.

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4.5.2 CLASIFICACION DE FRANKLIN DE UTILIZACION DE MAQUINARIA DE EXCAVACION. Como complemento a las clasificaciones anteriores, el cuadro de Franklin relaciona zonas de utilización de excavadoras, tractores (escarificación), según espaciamiento entre fracturas y un índice de resistencia a cargas puntuales. En el ensayo de Franklin, IS (MN/m2) es un índice de resistencia a cargas puntuales (load point test). En Geotecnia se considera RC ≈ 20 Is. Franklin da una correlación entre Is y RC (Resistencia a compresión, el espaciamiento entre fracturas o grado de agrietamiento, el índice RQD (Rock Quality Desiguation, índice de calidad conocido en mecánica de rocas) y el procedimiento de arranque. Se deduce de todo lo anterior, que cuando se trata de rocas la velocidad sísmica es un dato más de los que hay que considerar para utilizar excavadoras, tractores ó voladuras.

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RESISTENCIA ESPECIFICA A

DESCRIPCION DE SUELO/ROCA

GENERAL 0 I

II

Material granular Blando. suelo suelto y arenoso Suelo relativamente denso

LA EXCAVACION

EJEMPLOS Carbones. Minerales blandos. etc. Arenas

RESISTENCIA A COMPRESION

KL(N/cm)

KA(N/cm2)

(N/cm2)

-

-

-

100 - 500

4 – 13

300

200 - 650

12 - 25

300-800

250 - 800

20 - 38

800-1.000

400 - 1.200

30 -50

1.000-1.500

500 - 1.600

50 - 70

6.000 – 8.000

Arenas arcillosas blandas; Grava media a fina; Arcillas blandas o húmedas Arenas arcillosas duras;

III

Suelo denso

Arcillas; Lignitos blandos; Grava Dura

IV

V

Suelo muy denso

Arcilla dura; Pizarra arcillosa; Carbón duro

Roca semisólida de baja

Pizarra arcillosa; Arcilla muy

resistencia; Rocas con

dura; Fosforita blanda; Caliza

bastantes grietas

muy blanda; Carbones Caliza blanda; Mármol;

Roca semisólida VI

relativamente dura; Roca con grietas

Yesos;

2.000 – 3.000

Arenisca; Fosforita dura;

900 – 1.950

Pizarra;

70 – 200

3.000 8.000

Carbón muy duro; Mineral muy fracturado

VII

VIII IX

Roca semisólida dura;

Caliza dura a extremadamente

Suelos helados duros;

dura; Mármol; Yeso; Arenisca

Rocas con algunas

dura; Mineral pesado con

grietas

algunas grieta

Rocas con pocas grietas Roca prácticamente monolítica

Mineral pesado con pocas grietas Mineral pesado y masivo

1.400 – 2.600

180 – 500

3.000 – 6.000

-

-

8.000

-

-

8.000

Tabla 4.4 Ensayos geomecánicos para evaluar la excavabilidad de las rocas mediante rotopalas.

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4.6 VENTAJAS Y LIMITACIONES DE LAS DISTINTAS MAQUINAS. La selección del tipo de máquina para carga, depende de los materiales, así como de las circunstancias que concurren en la carga. - Las cargadoras necesitan materiales a granel y que no precisen excavación, tierras fácilmente excavables y cargables, rocas sueltas, etc., debiendo realizarse la carga en terreno firme con las de neumáticos y en terrenos encharcados o con barro con las de cadenas. - Las retroexcavadoras de cadenas pueden realizar su trabajo en terrenos difíciles, encharcados, con malos accesos y salidas (zanjas, barrancos) y con una base de trabajo irregular. También para aquellos trabajos que requieran gran altura de carga y corte, y donde el pavimento sea malo para los neumáticos. Las retroexcavadoras de neumáticos por su movilidad pueden considerarse más como urbanas y auxiliares. - Las excavadoras de empuje frontal eléctricas pueden utilizarse cuando además de concurrir las condiciones anteriores, hay facilidad para utilizar una línea eléctrica. (Las grandes cargadoras exigen motores eléctricos y se necesita tender una línea: Minería, fábricas de cemento, ...). - Dragalinas; para el movimiento de materiales encharcados o fangosos, con frentes de trabajo blandos que no soportan el peso de las máquinas convencionales.

MÁQUINA

APLICACIÓN

ALCANCE, OBSERVACIONES

Tractor, cadenas

Sólo arranque y extendido

~ 15 m

Retroexcavadoras

Arranque y carga

~ 10 m

Corte + Descarga + Acarreo + Descarga + Extendido

~ 20 m

Cargar Complemento de un equipo

3–5m

Motoniveladora

Extendido – nivelación Mantenimiento de pistas

~ 10 m

Dragalina

Arranque – dragado Limpieza cauces en zonas húmedas y blandas

~ 30 m Donde se hunden tractor y retros

Traílla Cargadora

Tabla 4.5 Principales características de máquinas fundamentales en movimiento de tierras. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

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4.7 ELECCION DE LA MAQUINARIA. Deben tenerse en cuenta como requisitos previos los siguientes: - Cumplir la producción requerida. - Que se adapte y sea flexible a las condiciones presentes y futuras de operación. - Que provoque una organización lo menos costosa y complicada posible. - Que tenga una fiabilidad suficiente. - Que tenga asegurado por el fabricante, para un cierto tiempo de su vida, asistencia técnica y repuestos (Servicio postventa). En la elección de las máquinas es importante la nueva doctrina del Aseguramiento de la Calidad. Esto se refiere a que el fabricante haya conseguido por algún organismo (T.U.V., por ejemplo) la certificación de sus sistemas de calidad, de acuerdo a las exigencias de las normas U.N.E.. Esta certificación de calidad puede cubrir también otros aspectos muy necesarios para el usuario como son los servicios postventa. Los criterios económico-financieros para la elección de una máquina, pueden resumirse de la siguiente forma:

CRITERIOS GENERALES DE ELECCION DE UNA MAQUINA

POR PRODUCCION

m3 ó t/h

ECONOMICOS (Por coste)

Pts/m3 ó t COMPRA LEASING

FINANCIEROS

INVERSION AMORTIZACION

ALQUILER SUBCONTRATACIÓN DE LA UNIDAD DE OBRA

Tabla 4.6 Criterios generales de elección de una máquina.

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4.8 MECANIZACION DE UNA OBRA. En construcción de autovías se necesitan fuertes inversiones en maquinaria. Un ejemplo de esto es la Autovía de Andalucía, un tramo de 49,628 Km, con un presupuesto de 22.500 millones de pesetas; la inversión del Contratista General en maquinaria fue de 3.000 millones. Indice de mecanización de una obra = Valor maquinaria en la obra/Obra ejecutada en 1 año Si la duración fue de 3 años, sale un índice del 40% y en 1,5 años del 20%, lo que quiere decir, que a menor duración se requiere más maquinaria para una mayor producción. En obras de carreteras, el índice tiende al 100%, considerando como maquinaria la del Contratista General y la de todos los subcontratistas. El índice de inversión de maquinaria de una empresa es la relación entre el valor anual de adquisición de maquinaria y la obra total anual. El índice de inversión de las nueve principales empresas del Seopan en todo el conjunto de obras varía entre el 3,6 y el 13,3%, de media 8% (Año 1991). Resulta decreciente con los años porque sólo considera la maquinaria propia, no la de los subcontratistas, y lo que evidencia es que cada vez se subcontrata más. Dos reglas elementales respecto a la maquinaria en la obra: - Las máquinas son siempre baratas para el trabajo que realizan si están bien elegidas. - Los nuevos modelos hacen obsoletos a los anteriores y antieconómicos de producción y disponibilidad.

4.9 LOS NEUMATICOS EN LAS MAQUINAS DE MOVIMIENTO DE TIERRAS. 4.9.1 CAPACIDAD Y RENDIMIENTO Es importante la elección de los neumáticos de las máquinas de acuerdo con las condiciones en que han de trabajar, para obtener un adecuado rendimiento.

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El elemento sobre el cual se puede influir más directamente para variar el rendimiento de los neumáticos es el inflado. Al variar la presión de inflado varía el área de la huella, la resistencia a la rodadura, la flotabilidad, etc. En general, en un terreno blando o arenoso se deben usar neumáticos de medidas mayores con la mínima presión de inflado, para que la presión unitaria sobre el terreno sea la menos posible. 4.9.2 DURACION Y FACTORES. La vida óptima de un neumático podría ser 5.000 horas o 80.000 Km (corresponde a una velocidad media de 16 Km/h) y la duración promedio de unas ruedas motrices es de unas 3.000 horas.

1º Grado de carga para la presión de aire con que se trabaja FACTORES QUE INFLUYEN EN LA DURACION DE LOS NEUMATICOS

T.V.H.

2º Velocidad de marcha Operario 3º Mantenimiento Comprobación Inflado periódico 4º Calidad abrasiva del material Tabla 4.7

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CONDICIONES DE USO A. Presión del neumático (kg/m2), en comparación con la especificada B. Carga del neumático, en comparación con la especificada C. Velocidad media (Km/h)

FACTOR A APLICAR 1,0

0,9

0,8

0,7

0,6

100 %

90 %

80 %

75 %

70 %

100 %

110 %

130 %

150 %

...

16

24

32

40

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D. Posición de la rueda

Traseras arrastre

Frontales

De tracción en camiones basculantes

De tracción en camiones basculantes

Mototraílla

E. Clase de superficie de recorrido

Tierra blanda

Camino de grava

Grava angulosa

Grava angulosa

Roca angulosa

Tabla 4.8 Factores de reducción de la vida de los neumáticos En la actualidad el tamaño de las grandes máquinas de movimiento de tierras está limitado en gran medida por la duración de los neumáticos, ya que suponen una parte importante del costo total de la máquina y su duración puede llegar a ser reducida si las condiciones de temperatura, velocidad, terreno, etc. son adversas ya que se producen calentamientos excesivos que los deterioran muy rápidamente. 4.9.3 DIBUJO. También es importante el dibujo de los neumáticos para su posterior comportamiento en el trabajo. 4.9.4 DENOMINACION. La denominación de un neumático se realiza de forma universal por dos números, (por ejemplo 24,00 x 25) expresados en pulgadas. El primero indica el diámetro del balón del neumático, mientras que el segundo expresa el diámetro de la llanta metálica de la rueda.

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Terreno blando

Dibujo con surcos profundos Dibujo con surcos profundos

Terreno firme DIBUJO DE LOS NEUMATICOS

Terreno rocoso

Terreno que se hunde

Dibujo poco profundo con surcos gruesos Dibujo poco profundo con surcos gruesos Huella lisa y lo mayor posible Mínima presión de inflado

Mínima presión unitaria sobre el terreno

Tabla 4.9 Dibujo de los neumáticos

4.9.5 CONCEPTO T.V.H. Es un criterio para comparar resultados de la vida de neumáticos fuera de carretera (off road), caso de dúmperes, traíllas, etc. T.V.H. representa toneladas medias transportadas por la velocidad media y por las horas recorridas. (Toneladas x Km recorridos en su vida). Ejemplo: El camión A acarrea 35 t. a una velocidad media de 16 Km/h y se han cambiado los neumáticos cada 3.000 horas. El camión B acarrea 35 t. a 20 Km/h, y se cambian los neumáticos a las 2.500 horas. Camión A: T.V.H. = 35 x 16 x 3.000 = 1.680.000 t x Km Camión B: T.V.H. = 35 x 20 x 2.500 = 1.750.000 t x Km Luego, han dado mejor resultado los del B.

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Cada neumático tiene una cifra de fabricante de T.V.H., si las exigencias de trabajo son superiores, habrá que reducir velocidad, o carga, o usar neumáticos con mayor T.V.H

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CAPITULO 5 MAQUINARIA EN EL MOVIMIENTO DE TIERRAS

5.1 ESFUERZO DE TRACCIÓN Y RESISTENCIA AL MOVIMIENTO. 5.1.1 LAS CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LA TRACCIÓN. Los tractores, utilizados normalmente en el movimiento de tierras, están caracterizados por una relación muy bien determinada entre el esfuerzo que proporciona el motor y la velocidad ideal que proporciona. Esta relación es consecuencia directa de las curvas [par-rpm]. Sabiendo el número de [rpm]a las que el motor trabaja, se obtiene el esfuerzo de tracción. 5.1.2 RESISTENCIA A LA RODADURA. La resistencia que opone el terreno al avance de una determinada máquina, se obtiene de la forma: Rr = Kr Pt Siendo: Rr : Resistencia al desplazamiento(rodadura) (Kg) Pt : Peso del vehículo en orden de marcha, con su carga (t) Kr : Coeficiente de rodadura (Kg/t) El valor de Pt se suele obtener multiplicando el valor del peso de la máquina sin aditamentos, por 1.45. Los valores usualmente empleados del coeficiente de rodadura son los siguientes:

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NEUMÁTICOS

ORUGAS

30 60 75 80 100 125 170 20 30 50 75 100

32 40 55 65 80 90 110 ------

Macadam Tierra seca Tierra no trabajada Tierra trabajada Tierra y barro Arena y grava Mucho barro Pista dura y lisa Pista firme y lisa Pista de tierra con rodadas Pista de tierra con rodada blanda Pista de grava suelta

Tabla 5.1 Coeficiente de rodadura

5.1.3 INFLUENCIA DE RAMPAS Y PENDIENTES. Dado que las pendientes o rampas no tienen mucha inclinación, se puede utilizar la siguiente relación fácilmente deducible: R p = ±10 p ⋅ Pt

siendo: Rp : Resistencia a pendientes o rampas (Kg). p : Inclinación de la pendiente en valor absoluto en %. Para rampas (+) Para pendientes (-). Pt : Peso del vehículo en orden de marcha, con su carga (t) Se desprecian otras resistencias como las debidas al aire o las debidas a la inercia. Se denomina esfuerzo útil al esfuerzo capaz de proporcionar la máquina menos el esfuerzo debido a la rodadura menos (o más) el debido a la rampa (o pendiente).

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5.2 PROBLEMÁTICA DE LA ADHERENCIA. Los elementos motrices de las máquinas (neumáticos, orugas,..) pueden no tener una adherencia perfecta con el suelo. De nada serviría una máquina con un esfuerzo de tracción útil elevado si por falta de adherencia (órganos de rodadura-suelo) no lo pueden desarrollar. La condición de la adherencia debe comprobarse en todos los cálculos para tener situaciones reales de comportamiento. El esfuerzo máximo que puede establecerse está dado por la simple expresión: Ea = Ka Pt Siendo: Ea : Esfuerzo adherente Ka : Coeficiente de adherencia Pt : Peso total de la máquina, en orden de marcha más su carga (Kg) El coeficiente se calcula experimentalmente, pudiendo establecer los siguientes valores:

Arcilla dura seca Arcilla dura húmeda Marga arcillosa seca Marga arcillosa húmeda Arena seca Arena húmeda Suelo de cantera Camino de grava Tierra firme Tierra suelta

NEUMÁTICOS

ORUGAS

0.9 0.2 0.5 0.4 0.2 0.4 0.6 0.4 0.6 0.45

0.6 0.3 0.9 0.7 0.3 0.5 0.5 0.5 0.9 0.6

Tabla 5.2 Coeficiente de adherencia

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5.3 EXCAVACIÓN EN DESMONTE Y EXPLANACIÓN. 5.3.1 CARACTERIZACIÓN DE LA ACTIVIDAD. Es el conjunto de operaciones para nivelar y desmontar el terreno en el que ha de asentarse una obra o para extraer de préstamos las tierras necesarias para ejecutar un terraplén. Atendiendo a la dureza del terreno, la excavación se clasifica en: - excavación en roca, - excavación en terreno de tránsito, - excavación en tierra. Este tipo de actividades se suele realizar con equipos pesados de maquinaria de Obras Públicas, dado que cuando el volumen de tierras a excavar es importante, resulta necesario emplear maquinaria, por tratarse siempre de la solución más económica. 5.3.2 EXCAVACIÓN POR MEDIOS MECÁNICOS. A. EL BULLDOZER. Los bulldozer son tractores dotados de una cuchilla frontal rígidamente unida a él, que forma un ángulo de 90º con el eje del tractor. La cuchilla tiene movimiento vertical. Se emplea para realizar excavaciones superficiales en terrenos compactos, para la limpieza de capas vegetales y extendido de tierras y árido. La distancia óptima de trabajo es hasta 100 m y velocidad hasta 10 Km/h montado sobre orugas y hasta 25 Km/h montado sobre neumáticos El angledozer es similar al bulldozer, pero con posibilidad de dar a la cuchilla giro en plano horizontal. La cuchilla está más separada de la máquina y no forma un conjunto tan rígido, resultando menos apropiados los angledozer para los trabajos de potencia.

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En las especificaciones técnicas de los diferentes fabricantes, están detalladas las dimensiones, los pesos, los sistemas internos de configuración, … , incluso las curvas que caracterizan el esfuerzo.

Figura 5.1. Bulldozer DD80(L) de DAEWOO. A.1. Actividad de excavación y transporte. A.1.1. Esfuerzo de Excavación En la excavación del material se realiza un esfuerzo, evaluado por la siguiente relación: Ee = [C1+C2H] l Siendo: Ee : Esfuerzo arranque en Kg. h : Espesor tongada en cm. Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

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H : Altura tierras arrastradas en cm. C1 y C2 Coeficientes En el momento de empezar la excavación h = H, permitiendo evaluar el espesor inicial de la tongada a excavar en función del esfuerzo disponible.

Tierra común Arena y grava Piedra suelta Arcilla o material granular

C1

C2

140 115 190 230

6.5 9 8 7

Tabla 5.3 Valores de los coeficientes C1 Y C2 A.1.2. Rendimiento El rendimiento de bulldozer viene dado por la fórmula siguiente:

(

)

R m3 h =

Vc ⋅ 60 ⋅ Fe ⋅ Ct ⋅n Tc

Vc : Capacidad de la cuchilla, en m3 de material esponjado. Fe : Factor de eficacia de la máquina. No se puede lograr que la máquina trabaje de forma continuada. Su mayor o menor eficacia depende del conductor, estado de la máquina, clase de terreno y tipo de trabajo. El factor de eficacia suele varia entre el 70% y el 80%. Ct : Coeficiente de transformación. Se pueden establecer los valores medios del siguiente cuadro, según que el material transportado por la máquina se cubique s/perfil, esponjado o compactado.

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VOLUMEN (m3) CLASE DE TERRENO

S/PERFIL

ESPONJADO

COMPACTADO

Tierra Arcilla Arena

1.00 1.00 1.00

1.25 1.40 1.10

0.90 0.90 0.95

Tabla 5.4 Tc : Tiempo empleado en el ciclo, en minutos. Es la suma del tiempo fijo y del tiempo variable. Tiempo fijo es el que se emplea en maniobras El tiempo variable depende de la distancia y de la velocidad de marcha. N : Coeficiente de gestión, acoplamiento al tajo y adaptación. Varía entre 0.8 y 0.9.

A.1.3. Ciclo de trabajo piloto Puesta e movimiento e hinca de la hoja ………………………………………. 5 seg. Excavación …………………………………………………………………….

Lexc Vexc

Parada …………………………………………………………………………. 2 seg. Giro ……………………………………………………………………………. 2 seg. Inversión de marcha …………………………………………………………… 1 seg. Retroceso ………………………………………………………………………

Lretroc Vretroc

Parada …………………………………………………………………………. 2 seg. Giro ……………………………………………………………………………. 2 seg. Inversión de marcha …………………………………………………………… 1 seg.

Juan Cherné Tarilonte Andrés González Aguilar

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Construcciones Industriales 5º Ingeniería Industrial

Movimiento de Tierras

A.2. Actividad de ripado. En terrenos muy compactos es necesario utilizar un bulldozer para ripar la superficie, siempre que ésta no exceda el valor de 3500m/seg de velocidad sísmica. La gran importancia económica del ripado reside en el abaratamiento del costo de extracción de ciertos materiales que no son excavables directamente. El parámetro que decide si un terreno es ripable o no es su velocidad sísmica.

Vs: VELOCIDAD SÍSMICA (m/seg.)

RIPABILIDAD

Vs