CAPITULO 1: CAMBIOS DE VOLUMEN EN EL MOVIMIENTO DE TIERRAS

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Juan Cherné Tarilonte Construcciones Industriales Andrés González Aguilar 5º Ingeniería Industrial

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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

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2 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

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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. 66

B. TRAILLAS. 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

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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

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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

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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:

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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.

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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.

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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:

a a V M d = 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.

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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.

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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. B S S B W d d V V F = =

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:

100 x V V V S B B S W − = SW : % de esponjamiento

O en función de las densidades:

100 x d d d S S S B W − =

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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:

B W S V S V ×      ₊ = 1 100

Para densidades resulta:

S W B d S d ×      ₊ = 1 100

El porcentaje de esponjamiento y el factor de esponjamiento están relacionados:

1 100 1 1 100 + = ×       ₊ = = W S W S B S W _S d S d d d F

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.

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14 C B h V V F =

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:

B C h d d F =

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:

100 × − = B C B h V V V S

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

C h B _S V V × − = 100 1 1 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: 100 × − = c B C h d d d S

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Sh : % de consolidación.

En este caso la relación entre densidades es:

C h B d S d ×      − = 100 1

En cualquier caso, de las expresiones del factor de consolidación y el porcentaje de consolidación se deduce que estos están relacionados por la expresión:

C h B _S V V × − = 100 1 1

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 Arcilla Húmeda 1,66 2,08 25 0,80 Seca 1,42 1,66 17 0,86 Arcilla y Grava 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 Roca Alterada 25% Roca - 75% Tierra 1,57 1,06 25 0,80

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16 Seca 1,51 1,90 25 0,80 Húmeda 1,60 2,02 26 0,79 Tierra 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 Grava 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 Arena Empapada 1,84 2,08 13 0,89 Seca 1,72 1,93 13 0,89 Tierra y Grava _{Húmeda 2,02}_2,23₁₀_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 --- --- ---

Nieve

Húmeda 0,52 --- --- ---

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.

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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

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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:

100 × − = L C L e h h h S

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: 100 100 _e l e S h h = × −

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).

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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: (km/h) Velocidad n Transmisió Rend. x (Kw) Potencia 367 (Kg) T_D = ×

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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.

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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.

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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 0,90 0,45

Arcilla seca 0,55 0,90

Arcilla húmeda 0,45 0,70

Arcilla con huellas de rodada 0,40 0,70

Mena seca 0,20 0,30

Mena húmeda 0,40 0,50

Canteras 0,65 0,55

Camino de grava suelta 0,36 0,50

Nieve compacta 0,20 0,27

Hielo 0,12 0,12

Tierra firme 0,55 0,90

Tierra suelta 0,45 0,60

Carbón apilado 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.

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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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24 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

Alta presión* Baja presión

CADENAS

Hormigón liso 17 22 27

Asfalto en buen estado 20-32 25-30 30-35

Camino firme, superficie plana, ligera flexión bajo la

carga (buenas condiciones) 20-35 25-35 30-40

Camino blando de tierra(superficie irregular con una

penetración de neumáticos de 2 a 3 cm) 50-70 35-50 40-45 Camino blando de tierra(superficie irregular, con

una penetración de neumáticos de 10 a 15 cm) 90-110 75-100 70-90

Arena o grava suelta 130-145 110-130 80-100

Camino blando, fangoso, irregular o arenoso con

más de 15 cm de penetración de los neumáticos 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

(26)

26

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:

100

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

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:

(27)

27 Rtotal = RR + RP = fR x W ± 10 x i x W       _± × × = W t f Kg t i Kg R R total 10 ) / ( ) ( 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

(28)

28 t v v t v dt dv a ₌ 2 − 1 ∆ ∆ = =

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

(

)

(

)

t v v W t v v W a g W R_A 2 1 ₂₈_,₂₉ 2 1 600 . 3 000 . 1 81 , 9 000 . 1 = × × − × − × × × = × = para v1 = 0 y v2 = v quedará:

( )

( ) (

_{( )}

)

seg t h km v t W Kg R_A =28,29× × /

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

(

) (

)

d v v v v d v v v d v v t v dt dv a 2 2 / 2 1 2 2 1 2 1 2 1 2 − ₌ − _× + ₌ − = ∆ ∆ = =

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

( )

(

)

_{( )}

(

)

m d h Km v h Km v t W d v v W R_A 2 / / 93 , 3 2 81 , 9 2 1 2 2 2 1 2 2 − ₌ _× _× − × =

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:

d v W R_A =−3,93× ×

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.

(29)

29

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:

(30)

30

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).

(31)

31

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:

(

f i

)

W Pot R Pot T Pot v R T D × ± × × = × ≤ × = 10 ρ ρ ρ

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.

(32)

32

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.

(33)

33

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

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34

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

(35)

35

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:

(36)

36

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.

(37)

37

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:

(38)

38 - 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).

(39)

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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.

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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.

(41)

41

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:

(42)

42

EXCAVACION VELOC. SISMICA MAQUINA

Tierras < 1000 m/s Tractor hoja frontal Excavadora

Traílla

Tránsito 1000 - 2000 m/s Escarificador (Tractor cadenas)

Roca > 2500 m/s 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).

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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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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.

(46)

46 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.

(47)

47 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.

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48

CLASES DE MACIZOS ROCOSOS PARAMETROS

1 2 3 4 5

ALTERACION Intensa Alta Moderada Ligera Nula

Valoración < 0 5 15 20 25

Resistencia de la Roca (MPa) < 20 20 – 60 40 – 60 60 – 100 > 100

Compresión Simple (MPa) < 0,5 0,5 – 1,5 1,5 – 2,0 2,0 – 2,35 > 3,5

Valoración (S) 0 10 15 20 25

Separación entre Diaclasas

(m) 0,3 0,6 – 1,5 0,6 – 1,5 1,5 – 2,0 > 2,0

Valoración 5 15 30 45 50

Potencia de los Estratos (m) < 0,1 0,1 – 0,3 0,3 – 0,6 0,6 – 1,5 > 1,5

Valoración 0 5 10 20 30

Tabla 4.2 Evaluación del índice de Excavabilidad.

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49 CLASE FACILIDAD DE EXCAVACION INDICE (W+S+J+B) EQUIPO DE EXCAVACION MODELOS DE EQUIPOS EMPLEADOS 1 Muy fácil < 40 A. Tractor B. Dragalina > 5 m3 C. Excavadora de Cables > 3 m3 2 Fácil 40 – 50 Tractores de ripado Dragalinas Excavadoras A. Tractor B. Dragalina >8 m3 C. Excavación de Cables >5 m3 3 Moderadamente difícil 50 – 60 A. Tractor – Excavadora – Pala Cargadora B. Excavadora Hidráulica >3 m3 4 Difícil 60 – 70 Dragalinas Excavadoras A. Tractor – Excavadora – Pala Cargadora B. Excavadora Hidráulica >3 m3

5 Muy Difícil 70 – 95 Excavadora

Hidráulica > 3 m3 6 Extremadamente difícil 95 – 100 Excavadora Hidráulica > 7 m3 7 Marginal sin voladura > 100 Excavadoras Excavadora Hidráulica > 10 m3

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50

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.