Miguel Angel Villanueva De La Cruz: 2008

jueves, 28 de agosto de 2008

Productividad de equipos

INTRODUCCIÓN

En las excavaciones y en los trabajos que en ellas se realizan, el riesgo principal, se origina en los movimientos accidentales del terreno que provocan deslizamientos, desprendimientos y hundimiento de las obras de defensa, con el consiguiente sepultamiento de personas.

Estos accidentes, suelen ser de cierta gravedad y relativamente frecuentes, dándose como causa admitida la fatalidad, cuando en la mayoría de los casos es falta de previsión o confianza excesiva.

Con este tema, lo que pretendemos es aumentar el nivel de información y formación de empresarios y trabajadores del sector de la construcción, así como de aquellas personas que estén interesadas en materia de seguridad y salud, con el fin, de contribuir al descenso del número de accidentes laborales.

Para ello, el trabajo a realizar partirá de un reconocimiento del estado en que se encuentran los terrenos sobre los que vamos a trabajar y de las actuaciones previas que debemos realizar antes de comenzar los trabajos, señalando las medidas de seguridad necesarias, a fin de evitar o reducir los riesgos.

Asimismo, habrá que indicar los criterios de planificación y diseño de las excavaciones a realizar, así como considerar, los distintos sistemas de entibación, de modo que esta información, sirva para elegir el más apropiado, en función de las características y condicionantes de la obra a realizar.

EXCAVACIONES

Trabajos Previos:

Se debe tener en cuenta lo siguiente:

Características del terreno en relación a los trabajos que se van a desarrollar, tales como: talud natural, capacidad portante, nivel freático, contenido de humedad, posibilidad de filtraciones, estratificaciones, alteraciones anteriores del terreno, etc.
Proximidad de edificaciones y características de sus cimentaciones, así como posibles sobrecargas en las proximidades de las paredes de la excavación.
Existencia de fuentes de vibraciones, (carreteras, fábricas, etc.).
Existencia o proximidad a instalaciones y conducciones de agua, gas, electricidad y alcantarillado.

Reconocimiento del Terreno:

Será necesario realizar un estudio geotécnico, que nos dé información sobre el tipo de terreno con que nos vamos a encontrar y su comportamiento, para disponer de antemano de una serie de medios y cálculos con los que acometer el trabajo con una serie de riesgos ya controlados.

Edificaciones Colindantes

Se debe evitar los asentamientos y hundimientos de las cimentaciones colindantes.

Conducciones Enterradas

Se buscara planos para tener en cuenta la existencia de tuberías o conductos eléctricos.

Niveles de Excavación con Seguridad

La rotura de conducciones de agua, directamente o por descalce del terreno, puede dar lugar a socavones, corrimientos y desprendimientos. Las de gas, pueden producir explosiones y emanaciones tóxicas.

FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA ESTABILIDAD DE LOS TERRENOS

Entre estos factores podemos tener:

Ángulo de fricción.
Granulometría.
Cohesión.
Humedad.
Permeabilidad.
Estratigrafía, buzamiento y fallas
Factores climatológicos, (aguas, lluvias, hielos, sequía).
Vibraciones

PROFUNDIDAD CRÍTICA (ALTURA CRÍTICA)

Se llama profundidad crítica de excavación de un terreno, a la profundidad máxima que se puede excavar en pared vertical estable, sin ningún tipo de contención.

Como orientación podemos dar los siguientes datos:

Los factores que influyen en la estabilidad de los terrenos y que pueden afectar la profundidad crítica son:

-Climatológicos.

- Sobrecargas.

Entre los primeros, tenemos el hielo, ya que en invierno, el terreno es más compacto con las heladas, por lo que aparentemente se puede excavar a mayor profundidad en pared vertical; si hay una subida de temperatura, el hielo volverá a estado líquido, disminuyendo el volumen, por lo que el terreno se hace más esponjoso, menos resistente y surge la posibilidad de derrumbamiento; asimismo en terrenos arcillosos, este agua, actúa como lubricante de la arcilla, originando desplazamientos de masas más o menos compactas.

Otro factor climatológico es el agua de lluvia o la procedente de roturas de conducciones, que pueden dar lugar a la inundación de los tajos con el consiguiente peligro de diluir el terreno o socavar las paredes de la excavación; si es necesario, por su importancia, se recurrirá a las bombas de achique.

Dentro del segundo grupo de factores modificativos de la profundidad crítica de excavación, se encuentran las sobrecargas, que a su vez pueden ser estáticas y dinámicas.

Las sobrecargas estáticas, pueden ser ocasionadas por diversas circunstancias como:

Tierras acumuladas al borde de zanjas, que estarán colocadas a una distancia suficiente del borde de la excavación, para que no supongan una sobrecarga que pueda dar lugar a desprendimientos o corrimientos de tierras, debiéndose adoptar como mínimo, una distancia igual o mayor a la mitad de la profundidad de la zanja, con carácter general. En terrenos arenosos, ésta distancia será mayor o igual a la de la profundidad de la zanja.
Los materiales y conducciones, para ser colocados en el interior de las mismas, que estarán suficientemente apartados de los bordes para evitar derrumbamientos.
Soportes de líneas eléctricas aéreas, postes de teléfonos, etc.
Pies derechos de andamios elevados en el suelo.
Los muros de cerca y cimientos, que serán convenientemente apuntalados.
Los árboles, cuyas raíces pueden provocar desprendimientos o existencia de rellenos de huecos dejados por árboles arrancados, que originan zonas menos compactadas con posibilidad de derrumbamiento.

Las sobrecargas dinámicas, son producidas por la circulación por carreteras, vías férreas, calles, en la proximidad de las obras, etc., o el movimiento de la maquinaria propia en la obra. Por ello, se tomarán precauciones para la circulación de maquinaria al borde de la excavación, sobre todo en el caso de lluvia reciente. Se comprobará el itinerario de la máquina, no habiendo personal debajo a su paso, ya que hay que considerar la heterogeneidad del terreno, puesto que una sobrecarga, puede afectar la estabilidad parcial del talud.

Se puede hacer una clasificación general de los terrenos según su estabilidad:

Estables, (rocosos, calizos, margas).
Poco estables, (gravas, con arcilla, terreno de arrastre).
Movedizos, (gravas sueltas y arenas).

Los terrenos rocosos, si no tienen fisuras no suelen dar problemas. Hay que tener precauciones con los estratos inclinados, cuando su inclinación está orientada hacia el corte.

La unión de los estratos de rocas sedimentarias con conglomerados que puedan ser estables, (como en granitos o calizas) o de estabilidad reducida como sedimentarias, con bancos de gravas y arenas merece especial atención, puesto que éstos pueden producir deslizamientos si la inclinación es fuerte.

Los estratos de arenas y gravas, si son compactos, están menos sujetos a deslizamientos, pero se disgregan con facilidad con el tiempo. Cuando su compacidad es pequeña, pueden producir deslizamientos, cayendo directamente o dejando huecos tras la entibación, pudiendo provocar desmoronamientos totales del frente.

Se debe desconfiar de los terrenos arcillosos, pues son extraordinariamente sensibles a la acción de la humedad. Éstos y algunos terrenos de esquistos o calcáreos con restos orgánicos, (caparazones microscópicos), pueden plastificarse con el agua, presionando entonces con el peso propio y el de los estratos superiores sobre el corte. Pueden aparentar buena estabilidad a primera vista, pero la variación del grado de humedad, en tiempo muy seco produce contracciones y fisuras, que facilitan su rotura y deslizamiento.

Los terrenos no naturales o de relleno, son peligrosos si no están suficientemente compactados ni unidos homogéneamente al terreno natural anterior al relleno.

jueves, 21 de agosto de 2008

Selección de las Excavadoras según las condiciones de trabajo

Resumen

Una de los criterios importantes que tenemos que considerar en la elección de una excavadora es su condición de trabajo del equipo en general. Los accesorios del equipo que se encuentran en contacto con el material de corte, como el trabajo del cucharon que puede ayudarnos a manipular adecuadamente el material.

Los criterios del trabajo del equipo en general como conocer la ubicación del camión y la excavadora, aplicar un ángulo de giro adecuado, conocer el volumen adecuado de corte y el volumen de carga hacia el camión. Siendo importante destacar el tipo de suelo a remover o excavar.

Condiciones de trabajo:

Las excavadoras hidráulicas tienen la posibilidad de combinar un rango de capacidades de cucharones para un mismo modelo. La selección de la capacidad del cucharón depende de la facilidad con que se puede manipular el material. Si se tiene roca bien fragmentada o material fácilmente excavable, los cucharones pequeños podrán manipular el material y no necesitarán ejercer mucha fuerza para excavar el material. Existen además una variedad de cucharones para usos específicos que les da una versatilidad aún mayor.

Otro aspecto importante en la selección del excavador es su combinación con las unidades de transporte. Se mencionó que un camión no debería llenarse con más de 5 cargas ni con menos de 4. Es decir, que la capacidad de las unidades de carga debe ser cuatro o cinco veces la dimensión del cucharón. Además, la altura de la tolva respecto al nivel del terreno o de la excavadora determina el modelo, que debe ser capaz de alcanzar la parte superior de la tolva para descargar el material. Aunque en este sentido, es posible solucionarlo colocando la excavadora a una altura por encima del camión.

Figura. Ejemplo del trabajo del azadón, excavando y cargando un camión por encima del nivel de carga.

Cuando se excavan zanjas, el ancho del cucharón será crítico para no exceder al ancho de la excavación y lograr la suficiente fuerza de corte. En este caso también es crítica la profundidad y el radio de trabajo de la excavadora. Ver figura

Esquema del trabajo de una excavadora en zanjas y la influencia de la profundidad y el radio de corte.

En cualquier caso, el peso de la carga en el cucharón no debe exceder la máxima carga de diseño o llamada también, máxima carga de equilibrio estático. De lo contrario, la excavadora puede voltearse y dañarse o causar daño al personal. Por seguridad, no se recomienda llegar al límite sino a un porcentaje de este valor, como se explica en el cálculo de la producción.

Volumen del cucharón

El volumen del cucharón se considera la capacidad colmada, afectada por los factores de llenado, como se muestra en la ecuación.

La capacidad colmada se estima a partir de la información del fabricante, que asume un acomodo del material con una loma en la parte central y una pendiente hacia los lados (Ver Figura). Está pendiente es de 1:1 para las palas y las excavadoras de azadón (especificación PCSA) y es de 2:1 para los cargadores frontales (especificación SAE).

Figura: Esquema de la capacidad del cucharón de las palas y azadón.

Este acomodo del material puede variar según sus características y condiciones. Una arena suelta seca se acomodara con una pendiente más baja mientras que si esta misma arena esta húmeda, es posible que alcance una pendiente mayor (véase la fig.). Por ello se sugieren los factores de llenado para ajustar un acomodo más realista según el material. Este valor estará en volumen suelto.

Figura. Acomodo del material en el cucharón de las excavadoras.

Se presentan tres líneas, A indica el máximo acomodo del material, generalmente sucede en materiales cohesivos o semi-cohesivos. La línea C indica un pobre acomodo del material en el cucharon, característico de los materiales granulares sueltos. La línea B indica un caso intermedio.

Tiempo del ciclo

Es una función del tipo de máquina y de las condiciones de trabajo que incluyen el ángulo de giro, la profundidad o altura de corte y en el caso de cargadores frontales, la distancia de viaje.

Un ciclo se considera como el total de las operaciones de corte, giro con carga, desplazamiento o viaje, descarga, giro vacio y regreso vacio. En el caso de palas frontales o excavadoras de azadón, el desplazamiento es nulo o muy pequeño, considerándose cero este tiempo.

Factores de corte y giro

Cuando una excavadora trabaja, debe elevar y bajar su brazo, girando para poder operar la carga y descarga del material. Estas alturas o profundidades y el giro realizado en dimensiones mayores a las ideales implican un mayor tiempo del ciclo. Por ello, los datos de ciclos se han definido en base a unas condiciones definidas como ideales para cada equipo.

Por ejemplo, los tiempos del ciclo de la pala generalmente se calcula asumiendo que la altura de trabajo es la óptima y el ángulo de giro es de 90°. Para las excavadoras de azadón, las condiciones ideales consideran una profundidad de corte entre 40% y 60% de la máxima profundidad de trabajo y el ángulo de giro entre 30° y 60° (Ver Figura ). En el caso de los cargadores frontales, no importará el giro ni la altura de trabajo.

Figura: Esquema de las condiciones de giro ideal de las excavadoras

Figura: Esquema de la condición ideal de altura óptima de las excavadoras.

El porcentaje de altura óptima es la altura de trabajo dividida entre la altura óptima, que por lo general está entre el 30% y el 50% de la máxima altura de trabajo de la pala, siempre que el material sea fácil de cargar como limo, arena o grava y si es tierra común, menos del 40%. Otros materiales difíciles de cargar como arcilla pegajosa o roca requerirán que esta altura óptima sea el 50% de la máxima altura de trabajo. Estos factores pueden variar a su vez por el ángulo de giro.

No se han realizado estudios similares con otros equipos. Podría ser interesante realizar una investigación que permita sacar conclusiones sobre los factores más adecuados a usar en condiciones distintas a las ideales o descartar su aplicación.

Tabla: Factores de altura de corte y ángulo de giro para palas frontales.

Referencia:

Manual de Caterpillar 2001 Editado en EEUU.
Excavadoras, Programa de Titulación, Ingeniería Civil, Universidad de Piura 2006

viernes, 15 de agosto de 2008

Análisis de Caída de Rocas

Miguel Ángel Villanueva De La Cruz, Bach. Ing. Civil¹

Resumen: El análisis de caída de rocas, es un proceso que permite obtener una probable trayectoria de la roca o canto rodado desde su desprendimiento hasta su ubicación final, es necesario realizar este estudio antes de cualquier obra civil de estabilidad de sobre los taludes, ya que nos dará una información importante para diseñar un sistema de protección adecuado que nos permita mantener la seguridad durante la ejecución de la obra. En algunos lugares donde se cuenta con un espacio adecuado se puede realizar un análisis experimental, pero en otros con el espacio reducido el análisis experimental es imposible. Llamase análisis experimental al hecho de realizar la simulación de la caída de rocas en el lugar.

En este artículo también se plantean un conjunto de medidas de protección que se construyen ante el efecto de la caída de rocas. Del mismo modo se plantean los criterios que uno debe considerar en el análisis de caída de rocas utilizando cualquier software.

Palabras Clave: Talud; Análisis de Estabilidad; Caída de rocas; parámetros de diseño

Introducción

La caída de rocas es un tema importante porque constituye un riesgo cuando se construye en roca o suelo en ya que es un riesgo que implicaría la pérdida de vidas humanas y/o la inutilización de la obra.

Badger y Lowell (1983) resume la experiencia del Departamento de las carreteras en el Estado de Washington. Afirmaron que un número significativo de accidentes de trabajo y casi una media docena de víctimas mortales se han producido a causa de la caída de rocas en los últimos 30 años. y el 45% de todos los problemas de inestabilidad de ladera son relacionados con la caída de rocas.

Hungr y Evans (1989) nota que, en Canadá, se han producido 13 muertes por caída de rocas en los últimos 87 años. Casi todas esas muertes han sido en la carretera montañosa de la Columbia Británica.

Objetivo

Conocer el mecanismo de la caída de rocas.

Fundamento Teórico:

Mecánica de caída de rocas

Fuente: Rock Engineering-Course Notes by Ebert Hoek, Cáp. 9.

¹Tesista del Grupo de Investigación convenio UNI-GyM.

Email: villacruz_20@hotmail.com

La caída de rocas es generalmente iniciada por algunos casos climáticos, fenómenos naturales y artificiales, que causa un cambio en las fuerzas que actúan sobre una roca. Siendo las más comunes:

El aumento de la presión de poro debido a la infiltración de la lluvia en la pendiente.
La erosión de material circundante durante las lluvias fuertes, tormentas, hielo y deshielo en climas fríos.
Degradación química o meteorización de la roca.
Crecimiento de la raíz o influencia de las raíces sobresalidas en caso de vientos fuertes.

Una vez que el movimiento de una roca, en lo alto de la pendiente se ha puesto en marcha, el factor más importante en el control de su trayectoria de caída es la geometría del talud.

Existen algunas consideraciones que se tiene que tener en cuenta en el análisis.

Si la roca cae sobre una superficie de roca dura inalterada y limpia, son más peligroso porque no existe nada que retarde su caída en ningún grado significativo.
Si la roca cae en la superficie del talud cubierta de material, coluviones o grava, se absorbe una cantidad considerable de la energía de la caída de rocas y en muchos casos se detiene por completo.

Esta capacidad de retardar el material de la superficie se expresa matemáticamente por un período llamado el coeficiente de restitución. El valor de este coeficiente depende de la naturaleza de los materiales que forman la superficie de impacto. Las superficies Limpias de rocas duras tienen un alto coeficiente de restitución mientras que el suelo, grava y granito descompuesto completamente tienen bajos coeficientes de restitución. Esta es la razón porque se colocan capas de grava en los bancos de capturas con el fin de evitar un mayor rebote de la caída de rocas.

Otros factores, tales como el tamaño, la forma de la roca, los coeficientes de fricción de las superficies de la roca y si la roca se rompe en pedazos más pequeños son efectos de menor importancia que la geometría del talud y los coeficientes de restitución que se ha descrito anteriormente.

Por lo tanto modelos de simulación de caída relativas de rocas sueltas, tales como el programa escrito por Hoek (1986), son capaces de producir razonablemente exactas predicciones de trayectorias de caída de rocas.

La mayoría de estos modelos de caída de rocas incluyen una simulación de Monte Carlo que es una técnica para variar los parámetros incluidos en el análisis. Esta técnica, con el nombre del juego de los casinos de Monte Carlo, es similar al proceso aleatorio de tirar los dados uno para cada parámetro que se está considerando.