Categoría: maquinaria

La herramienta de cálculo del siglo XVII que vuelve a la vida gracias a Python.

Introducción: El arte perdido del cálculo visual.

Vivimos en un mundo donde cualquier cálculo, por complejo que sea, está a un clic de distancia. Dependemos totalmente de las calculadoras digitales y las computadoras, hasta el punto de que resulta difícil imaginar cómo se resolvían problemas de ingeniería complejos antes de la era digital. Sin embargo, hubo una herramienta ingeniosa y puramente visual que dominó el mundo técnico durante décadas: el nomograma.

¿Cómo es posible que una tecnología del siglo XVII, considerada obsoleta durante más de cuarenta años, esté resurgiendo en campos de alta tecnología como la ingeniería minera? La respuesta se halla en una sorprendente sinergia entre la sabiduría analógica del pasado y el poder del código abierto actual.

1. Más allá de la nostalgia: una herramienta antigua para problemas modernos.

Un nomograma es una representación gráfica de una ecuación matemática. Está compuesto por una serie de ejes graduados, rectos o curvos, que representan las variables de la fórmula. Para resolver la ecuación, basta con trazar una línea recta (llamada isopleta) que conecte los valores conocidos en sus respectivos ejes; el punto en el que esta línea corta el eje de la variable desconocida proporciona la solución al instante.

Aunque sus orígenes se remontan al siglo XVII, los nomogramas se convirtieron en herramientas indispensables en el siglo XIX para la navegación astronómica y, más tarde, en la década de 1920, para resolver complejos cálculos de ingeniería relacionados con la presión, el volumen y la temperatura. Durante el resto del siglo XX, vivieron su época dorada en campos como la medicina, la aeronáutica y la química, pero la llegada de los ordenadores en la década de 1980 los dejó relegados al olvido. Hoy, contra todo pronóstico, están volviendo a ser útiles, no como una curiosidad histórica, sino como una herramienta práctica y potente, especialmente en entornos de campo o talleres donde la tecnología digital no siempre es la mejor opción.

2. Ingeniería para todos: resuelve fórmulas complejas solo con una regla.

El beneficio más destacado de los nomogramas es su capacidad para democratizar el cálculo. Permiten que cualquier persona, independientemente de su formación matemática, pueda resolver ecuaciones complejas con gran precisión. Como señala un estudio reciente sobre su aplicación en ingeniería minera:

“Además, los nomogramas permiten que personas sin conocimientos previos resuelvan fórmulas complejas con una precisión adecuada”.

Este enfoque es increíblemente poderoso. Elimina la barrera del conocimiento matemático avanzado y reduce drásticamente el riesgo de cometer errores al realizar cálculos manuales en tareas repetitivas. En la práctica, son más rápidos y fáciles de entender que los procedimientos analíticos tradicionales, ya que convierten un problema abstracto en una tarea visual sencilla.

3. A prueba de fallos: la robustez del papel frente a las pantallas.

En un mundo digital, la simplicidad del papel es una ventaja formidable. Los nomogramas destacan en entornos en los que los dispositivos electrónicos no son prácticos, como en operaciones de campo en minería, talleres mecánicos u obras. Sus ventajas son evidentes: son portátiles, resistentes y no necesitan electricidad ni conexión a internet.

Esta robustez los convierte en la herramienta ideal para realizar cálculos repetitivos sobre el terreno. Por ejemplo, un ingeniero de minas podría usar un nomograma impreso para determinar al instante el diseño correcto de una voladura, simplemente conectando líneas entre la densidad de la roca, la velocidad del explosivo y el diámetro de la perforación, y así reducir un cálculo complejo a una tarea visual simple y robusta sobre el papel.

4. El Renacimiento digital: cómo el código abierto revivió el nomograma.

Si los nomogramas son tan útiles, ¿por qué desaparecieron? Su principal inconveniente histórico no radicaba en su uso, sino en su creación. La parte más engorrosa era el dibujo matemático de las escalas graduadas, un proceso laborioso y especializado que probablemente fue una de las principales causas de su declive.

Aquí es donde entra en juego el software moderno. El resurgimiento de esta técnica se debe en gran parte a PyNomo y Nomogen, dos herramientas de código abierto basadas en Python. Fueron creadas por Leif Roschier y Trevor Blight, dos de los autores del estudio que ha inspirado este resurgimiento, que han unido así la experiencia académica con la programación moderna. Estas soluciones permiten a cualquier ingeniero o científico generar nomogramas complejos y precisos en cuestión de segundos, eliminando el obstáculo que los había hecho obsoletos.

5. Intuición visual: comprendiendo la relación entre las variables.

Además de su utilidad práctica, los nomogramas ofrecen una ventaja más sutil, pero profunda: fomentan la comprensión conceptual del problema. Mientras que una calculadora o un programa informático suelen funcionar como una «caja negra» que simplemente proporciona un resultado, un nomograma permite ver la relación entre las variables.

Esta visualización intrínseca de los datos permite una comprensión mucho más profunda. Al mover la isopleta (la regla) sobre el gráfico, un ingeniero puede desarrollar una intuición sobre cómo afecta un pequeño cambio en una variable a las demás, algo que se pierde al introducir simplemente números en un software. Por ello, se convierten en una poderosa herramienta didáctica.

Conclusión: lecciones de una sabiduría olvidada.

La historia del nomograma es un ejemplo fascinante de cómo las ideas del pasado pueden recuperar su relevancia gracias a la tecnología moderna. La combinación de una técnica de cálculo del siglo XVII con un software de código abierto del siglo XXI demuestra que no se trata solo de una reliquia, sino de una prueba de que las soluciones más simples y visuales pueden seguir siendo increíblemente valiosas.

Su regreso nos obliga a plantearnos una pregunta importante: en nuestra carrera constante hacia la digitalización, ¿qué otras herramientas analógicas e ingeniosas hemos olvidado que podrían ayudarnos a resolver los problemas del mañana?

Os dejo aquí una conversación en la que se tratan estos conceptos.

En este vídeo se resumen los conceptos más relevantes sobre los nomogramas.

Os dejo la comunicación que presentamos recientemente en el VII Congreso Nacional de Áridos. En ella se ilustran, proporcionan y explican detalladamente siete ejemplos originales de nomogramas que se utilizan para resolver ecuaciones comunes en la industria de la explotación de áridos, como el diseño de voladuras y la estimación de ratios de perforación.

Descargar (PDF, 5.07MB)

Referencia:

MARTÍNEZ-PAGÁN, P.; YEPES, V.; ROSCHIER, L.; BLIGHT, T.; BOULET, D.; PERALES, A. (2025). Elaboración y uso de nomogramas para el ámbito de las explotaciones de áridos. Introducción de los códigos abiertos Pynomo y Nomogen. Actas del VII Congreso Nacional de Áridos, Córdoba, pp. 1085-1100. ISBN 978-84-125559-2-9.

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Seis secretos de la perforación horizontal: la tecnología invisible que construye el mundo bajo tus pies

Figura 1. Esquema de Perforación Horizontal Dirigida

Todos conocemos la estampa: una calle principal cortada, el ensordecedor ruido de la maquinaria, el tráfico desviado durante semanas y zanjas abiertas que suponen un obstáculo constante. Estas son las molestias habituales de las obras urbanas tradicionales, una realidad que asumimos como necesaria para mantener y ampliar las infraestructuras que nos prestan servicio. Sin embargo, bajo nuestros pies se está produciendo una revolución silenciosa. Existe una forma de instalar tuberías esenciales para el agua, el gas, la electricidad o las telecomunicaciones sin que apenas nos demos cuenta: las «tecnologías sin zanja».

Una de las más revolucionarias es la Perforación Horizontal Dirigida (PHD). Aunque su trabajo es invisible, su impacto es monumental. Este artículo revela seis aspectos sorprendentes sobre el funcionamiento de esta tecnología que está transformando el subsuelo de nuestras ciudades de manera más inteligente, rápida y respetuosa con el medio ambiente.

Figura 2. Máquina de perforación horizontal ideada por Leonardo da Vinci, antes de 1495. Fuente: http://trenchless-australasia.com/

1. Una idea renacentista: sus orígenes se remontan a Leonardo da Vinci.

Cuando pensamos en una tecnología tan sofisticada, capaz de perforar kilómetros bajo tierra con precisión centimétrica, la asociamos instintivamente al siglo XXI. La realidad es mucho más sorprendente. La idea conceptual de una máquina de perforación horizontal fue concebida nada menos que por Leonardo da Vinci antes de 1495. Aunque tuvieron que pasar casi cinco siglos para que la tecnología madurara, la primera instalación moderna de PHD con una tubería de acero se llevó a cabo en 1971 para cruzar el río Pájaro, en California.

Es fascinante reflexionar sobre cómo una visión renacentista sentó las bases de una de las técnicas de construcción más avanzadas de nuestro tiempo. Este largo camino de innovación demuestra que a menudo las grandes ideas necesitan siglos para encontrar las herramientas adecuadas para hacerse realidad, conectando el genio de un artista del pasado con las necesidades de la ingeniería del futuro.

2. No se trata solo de evitar zanjas, sino de salvar la vida útil de nuestras ciudades.

El principal beneficio que se asocia a la PHD es la comodidad: evitar el caos de las zanjas abiertas. Sin embargo, su verdadero impacto es mucho más profundo y estratégico. El método tradicional de abrir y cerrar zanjas tiene un coste oculto devastador para nuestras infraestructuras. Según los expertos, la simple apertura de una zanja puede reducir la vida útil de un pavimento en un 30 %. Esto significa que las calles que deberían durar décadas se deterioran prematuramente, lo que obliga a realizar reparaciones costosas y constantes.

Por tanto, el beneficio de la PHD va mucho más allá de la simple conveniencia. Se trata de una decisión económica y ecológica fundamental. Al eliminar la necesidad de excavar, no solo se reducen los plazos de ejecución, el impacto ambiental y las restricciones de tráfico, sino que también se preserva la integridad de la infraestructura urbana existente. En última instancia, esto reduce los costes finales de la obra y protege una de las inversiones públicas más importantes: nuestras calles y carreteras.

3. No se perfora a ciegas, sino que se «navega» bajo tierra con precisión centimétrica.

Una de las ideas erróneas más comunes sobre la perforación horizontal dirigida (PHD) es imaginarla como un proceso de perforación «a ciegas». Nada más lejos de la realidad. La cabeza de perforación es, básicamente, un vehículo teledirigido que se «navega» bajo tierra con una precisión asombrosa. La trayectoria se controla en todo momento mediante sistemas de navegación avanzados, lo que permite alcanzar grandes longitudes con una precisión centimétrica.

Existen tres tipos principales de sistemas para guiar la perforación:

  • «Walk-Over»: similar a un detector de metales muy avanzado, un operario camina por la superficie siguiendo la trayectoria de la cabeza perforadora en tiempo real.
  • «Wire-Line»: un cable en el interior de la sarta de perforación transmite la información de posición.
  • «Gyro Compass»: un sistema giroscópico, similar al utilizado en aeronáutica, permite una navegación autónoma sin necesidad de acceder a la superficie.
Tabla. Diferentes procedimientos de navegación de PHD (IbSTT, 2013).

Esta precisión no es un lujo, sino una necesidad crítica. No solo garantiza que la perforación llegue al punto de salida exacto, sino que también es fundamental para evitar dañar la maraña de servicios soterrados existente (cables de fibra óptica, tuberías de gas y conducciones de agua). Un error podría acarrear «desorbitados costes legales por daños a terceros», convirtiendo una obra eficiente en un desastre económico y de seguridad.

4. El héroe anónimo: El fluido de perforación es mucho más que «lodo».

En cualquier operación de PHD se puede observar un fluido espeso, que a menudo se denomina «mud» o lodo, que circula constantemente. Podría parecer un simple subproducto, pero en realidad es uno de los componentes con mayor ingeniería de todo el proceso y el verdadero héroe anónimo de la operación, ya que cumple cinco funciones cruciales e irremplazables. Su composición se diseña específicamente para la geología del terreno que se va a atravesar y cumple cinco funciones cruciales e irremplazables:

  • Refrigerar las herramientas de corte, que giran a gran velocidad y generan una intensa fricción.
  • Ayudar en el corte del terreno gracias a la alta presión con la que se inyecta (efecto hidrojet).
  • Transportar los detritos (el material excavado) fuera del túnel y mantenerlo limpio.
  • Lubricar tanto la sarta de perforación como la tubería final durante su instalación.
  • Contener y mantener estables las paredes de la perforación, creando una especie de «revestimiento» temporal que evita derrumbes.

Sin este fluido multifuncional, la técnica sería inviable. Garantiza la estabilidad del túnel, la eficiencia del corte y el éxito de la instalación de la tubería.

Figura 3. Escariador. Imágen de Catalana de Perforacions

5. La paradoja de la rapidez: el éxito depende de una planificación meticulosa.

Una de las grandes ventajas de la PHD es su rapidez de ejecución en comparación con los métodos tradicionales. Sin embargo, esta rapidez en la fase de obra es el resultado de una fase de preparación extraordinariamente exhaustiva. En el sector se utiliza una proporción muy reveladora: «1 día de trabajo, 2 de planificación». El éxito no se improvisa, se diseña.

Antes de que entre en funcionamiento la primera máquina, es imprescindible valorar la viabilidad del proyecto mediante estudios previos. Estos incluyen análisis topográficos detallados y, fundamentalmente, estudios geológicos exhaustivos para conocer a la perfección el subsuelo. Estos estudios, realizados por geólogos expertos en la técnica PHD, pueden incluir perforaciones de investigación, prospecciones geofísicas (como el georradar para detectar servicios enterrados) y pruebas de laboratorio de los materiales del terreno. El objetivo es claro: reducir los riesgos de construcción al mínimo y anticiparse a cualquier obstáculo o cambio en el terreno antes de empezar a perforar. Esta fase de preparación es la que garantiza que la «navegación» subterránea sea un éxito y no un desastre, y evita precisamente los «desorbitados costes legales» que se producirían al dañar servicios existentes.

6. Mucho más que tuberías: creando tomas de agua que protegen los ecosistemas marinos.

Si bien la PHD es una aliada clave en entornos urbanos, algunas de sus aplicaciones más innovadoras y con mayor impacto se encuentran en la protección de ecosistemas sensibles. Dos ejemplos de ello son las tecnologías «APPROACH» y «NEODREN®», que utilizan la PHD como herramienta de ingeniería medioambiental.

  • APPROACH permite realizar conexiones tierra-mar, como emisarios o tomas de agua, sin dañar la zona intermareal y submarina vulnerable. La perforación se realiza desde tierra firme y sale directamente en el punto deseado del fondo marino, evitando así cualquier tipo de excavación en la costa o en el lecho marino.
  • NEODREN® es un sistema revolucionario de captación de agua marina. Su genialidad consiste en que, en lugar de una simple toma de agua marina, convierte el propio subsuelo marino en una planta de filtración natural. Se instalan múltiples drenes horizontales desde la costa hasta una capa permeable bajo el lecho marino. Estos drenes funcionan como un pozo de alto volumen que extrae agua de mar después de que esta se haya filtrado lentamente a través de la arena y las rocas, «consiguiéndose un agua de alta calidad, sin turbidez y de caudal constante», ideal para plantas desalinizadoras. Este método elimina por completo la necesidad de realizar excavaciones en el fondo marino.
Figura 4. Neodren®. https://www.catalanadeperforacions.com/es/soluciones/sistema-neodren/neodren-captacion-de-agua-marina/

El impacto ecológico de estas aplicaciones es enorme, tal y como lo resumen los expertos, al ser una técnica subterránea, se evita trabajar en la zona marítima, que es de difícil maniobra y siempre está expuesta a daños causados por temporales, al mismo tiempo que se protegen zonas de especial valor ecológico, como las praderas de posidonia. Así, la PHD trasciende su papel como técnica de construcción para convertirse en una herramienta que permite desarrollar infraestructuras críticas en perfecta armonía con el entorno y proteger los ecosistemas que antes se sacrificaban en nombre del progreso.

Conclusión: la próxima frontera de la construcción ya está aquí.

La perforación horizontal dirigida es mucho más que un método ingenioso para evitar zanjas. Se trata de una disciplina de alta tecnología con una historia sorprendente, una precisión casi quirúrgica y aplicaciones innovadoras que están redefiniendo la construcción moderna. Nos muestra que el futuro de la infraestructura no radica en dominar la superficie, sino en trabajar de manera inteligente y respetuosa con el entorno que se encuentra debajo, lo que hace que nuestras ciudades y costas sean más eficientes, resilientes y sostenibles.

La próxima vez que camines por una calle sin obras ni atascos o disfrutes de una playa virgen, ¿te preguntarás qué maravillas de la ingeniería se están construyendo silenciosamente bajo tus pies?

A continuación, dejo un audio donde se habla del PHD.

También os dejo este vídeo, donde se resumen conceptos importantes. No obstante, en este blog encontrarás muchos más vídeos y artículos sobre este tema de tanto interés.

Referencias:

Allouche, E., Ariaratnam, S., and Lueke, J. (2000). Horizontal Directional Drilling: Profile of an Emerging Industry. Journal of Construction Engineering and Management, Volume 126, No. 1, pp. 68–76.

Ariaratnam, S. T., and Allouche, E. N. (2000). Suggested practices for installations using horizontal directional drilling. Practice Periodical on Structural Design and Construction, Volume 5, No. 4, pp. 142-149.

Ariaratnam, S. T., and Proszek, J. (2006). Legal consequences of damages to underground facilities by horizontal directional drilling. Journal of Professional Issues in Engineering Education and Practice, Volume 132, No. 4, pp. 342-354.

IbSTT Asociación Ibérica de Tecnología SIN Zanja (2013). Manual de Tecnologías Sin Zanja.

Jaganathan, A. P., Shah, J. N., Allouche, E. N., Kieba, M., and Ziolkowski, C. J. (2011). Modeling of an obstacle detection sensor for horizontal directional drilling (HDD) operations. Automation in Construction, Volume 20, No. 8, pp. 1079-1086.

Lubrecht, M. D. (2012). Horizontal directional drilling: A green and sustainable technology for site remediation. Environmental Science & Technology, Volume 46, No. 5, pp. 2484-2489.

Yepes, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia, 89 pp.

Yepes, V. (2015). Aspectos generales de la perforación horizontal dirigida. Curso de Postgrado Especialista en Tecnologías Sin Zanja, Ref. M7-2, 10 pp.

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Guía para principiantes sobre la compactación de suelos.

1. ¿Qué es la compactación y por qué es importante?

La compactación de suelos es el proceso de aumentar la densidad de un terreno aplicando energía mecánica. En términos sencillos, consiste en hacer circular cargas elevadas sobre capas de suelo el número de veces necesario para alcanzar la densidad especificada. Al reducir los vacíos de aire en el suelo, se aumenta su resistencia, se reduce su capacidad de deformación y se disminuye su permeabilidad.

El objetivo principal de la compactación es mejorar las propiedades geotécnicas del suelo para garantizar la seguridad y durabilidad de las estructuras construidas sobre él, como carreteras, edificios o presas. La elección del equipo y del método de compactación no es universal, sino que depende de factores clave como la naturaleza del terreno, su contenido de humedad y la función que desempeñará el relleno compactado.

Para seleccionar y utilizar correctamente estos equipos, es esencial comprender los principios fundamentales que rigen su funcionamiento.

Figura 1. Distintos tipos de compactadores. https://www.noticiasmaquinaria.com/nuevos-modelos-de-la-serie-de-rodillos-tandem-de-hamm-en-conexpo/

2. Los cuatro esfuerzos elementales de la compactación.

Toda la maquinaria de compactación, desde un pequeño pisón manual hasta un rodillo de varias toneladas, aplica una combinación de cuatro esfuerzos básicos para densificar el suelo. Comprender estos mecanismos es el primer paso para dominar el proceso.

Tipo de esfuerzo Mecanismo y efecto principal
Estático vertical Aplica el peso de la máquina para comprimir el suelo. Produce tensiones fundamentalmente verticales que aprietan las partículas entre sí.
Amasado Genera tensiones en múltiples direcciones, «amasando» el suelo para reordenar partículas. Es especialmente útil para romper terrones en suelos cohesivos.
Impacto Aplica una fuerza súbita que propaga una onda de presión, alcanzando mayor profundidad que el esfuerzo estático.
Vibratorio Aplica una sucesión rápida de impactos que reduce la fricción interna entre partículas, facilitando su reacomodo en una configuración más densa.

Es importante destacar que el tipo de esfuerzo aplicado influye directamente en la estructura final de las partículas del suelo. Un terreno más compactado presenta partículas más orientadas y ordenadas (menos «floculadas»). El efecto de ordenamiento es progresivamente mayor al aplicar esfuerzos en el siguiente orden: estático, vibratorio, de impacto y, por último, de amasado.

Ahora que conocemos la teoría que hay detrás de la compactación, podemos explorar los equipos que aplican estos esfuerzos en la práctica.

3. Tipos principales de equipos de compactación.

Los equipos de compactación se pueden clasificar según el principio de trabajo predominante que utilizan: la fuerza estática de su propio peso o la energía dinámica de la vibración.

3.1. Compactadores estáticos: la fuerza del peso.

Estos equipos dependen principalmente de su peso para compactar el suelo.

3.1.1. Apisonadoras de rodillos lisos

  • Principio de funcionamiento: utilizan cilindros metálicos lisos para aplicar presión estática. Su mecanismo de compactación es «de arriba hacia abajo», por lo que la capa superior recibe la mayor energía.
  • Suelos adecuados: arenas y gravas bien graduadas, limos y arcillas de baja plasticidad. No se recomiendan para arenas uniformes o arcillas blandas.
  • Limitación principal: existe el riesgo de compactar en exceso la superficie y crear una costra rígida conocida como «encarpetamiento», mientras que las capas inferiores quedan menos densas.
Figura 2. Apisonadora estática de rodillo liso tipo triciclo. Imagen: V. Yepes

3.1.2. Compactadores de patas apisonadoras («pata de cabra»)

  • Principio de funcionamiento: en lugar de un rodillo liso, utilizan cilindros con múltiples «patas» o salientes que penetran en el suelo. Esto concentra la presión y compacta el terreno «de abajo hacia arriba».
  • Suelos adecuados: son especialmente efectivos en arenas y gravas con más del 20% de finos, así como en la mayoría de los suelos de grano fino (suelos limo-arcillosos, arenas limosas y arcillosas).
  • Ventaja principal: la acción de las patas rompe los terrones y grumos del suelo, a la vez que mejora la trabazón (unión) entre las sucesivas capas de material compactado.
Figura 3. Rodillo remolcado pata de cabra. Imagen: V. Yepes (2021)

3.1.3. Compactadores de ruedas neumáticas

  • Principio de funcionamiento: combinan el esfuerzo estático de su peso con el efecto de amasado que se produce por la deformación de sus neumáticos de goma, un proceso que reordena las partículas sin romperlas ni aplastarlas.
  • Suelos adecuados: son eficaces en suelos algo cohesivos y rellenos de limos poco plásticos.
  • Ventaja clave: son muy versátiles. Se puede ajustar su efecto modificando dos variables principales:
    • Aumentar la presión de inflado: incrementa la compactación en la superficie.
    • Aumentar la carga por rueda: aumenta el efecto de compactación en profundidad.
Figura 4. Compactador con neumáticos con dibujo. http://www.corinsa.es/tecnologia/compactacion/compactacion-de-tierras/

3.2. Compactadores vibratorios: reduciendo la fricción interna

Estos equipos añaden una fuerza dinámica a su peso estático, lo que los hace extremadamente eficientes.

3.2.1. Principio de funcionamiento

  • Mecanismo: la vibración de un cilindro o una placa, lo que elimina en gran medida la fricción interna entre las partículas del suelo. Así, las partículas se reordenan y alcanzan una mayor densidad con menos esfuerzo y en capas de mayor espesor. Es especialmente eficaz en terrenos granulares (arenas y gravas). Para hacerse una idea de su eficacia, la acción de un rodillo vibrante puede equivaler a la de un rodillo estático mucho más pesado: hasta ocho veces en suelos cohesivos y hasta doce veces en gravas y escolleras.
  • Regla de oro para su uso:
    • Materiales granulares (arenas, gravas): se compactan mejor con frecuencia alta y amplitud reducida.
    • Materiales cohesivos (arcillas, limos): prefieren más amplitud y menor frecuencia.

3.2.2. Tipos más comunes

Existen diversos modelos: los monocilíndricos (con rodillo liso o de patas), los de dos rodillos (tándem) y los mixtos (un rodillo y ruedas neumáticas). De todos ellos, los monocilíndricos autopropulsados son los más versátiles en la mayoría de las obras de movimiento de tierras.

Figura 5. Rodillo compactador vibratorio hidráulico de un solo tambor LSD216H. http://changlin.es/3-2-6-hydraulic-road-roller.html

3.3. Equipos para trabajos específicos

Para tareas específicas o en áreas de difícil acceso, se utilizan equipos más especializados.

3.3.1. Placas y pisones vibrantes

Son máquinas de pequeño tamaño que son guiadas por un operario. Su principal ventaja es que pueden trabajar en espacios reducidos a los que no pueden acceder máquinas más grandes, por ejemplo, en la compactación de rellenos en zanjas o trasdoses de muros.

3.3.2. Compactadores por impactos de gran energía

Este sistema es una alternativa más intensa que los rodillos vibratorios convencionales. Utiliza rodillos de perfil irregular (no cilíndricos) que, al girar a gran velocidad, generan impactos de alta energía. Su principal ventaja es la profundidad de su efecto, que puede alcanzar hasta cuatro o cinco metros.

Figura 6. Compactador de impacto de gran energía.

Una vez conocidos los tipos de equipos disponibles, el siguiente paso lógico es aprender a decidir cuál es el más adecuado para cada situación.

4. ¿Cómo elegir el equipo de compactación adecuado?

La elección del compactador no tiene una solución única, ya que depende de múltiples factores y, en última instancia, es una decisión económica. No obstante, para poder tomar una decisión técnica fundamentada, hay que tener en cuenta tres factores determinantes:

  • La naturaleza del material: es el factor más importante. Los suelos se pueden clasificar en tres grandes grupos:
    1. Suelos finos: limos y arcillas.
    2. Suelos de grano grueso: arenas y gravas.
    3. Pedraplenes: materiales rocosos.
  • El estado del material: principalmente, su contenido de humedad. La humedad actúa como un lubricante entre partículas, pero un exceso o defecto puede dificultar enormemente la compactación.
  • El volumen, la forma de la zona a compactar y el ritmo de la obra: Un área grande y abierta permite el uso de máquinas de alto rendimiento. De hecho, suelen elegirse compactadores con una capacidad de producción superior a la de los equipos de excavación y transporte, para evitar que la compactación se convierta en un «cuello de botella» que retrase todo el proyecto.

La siguiente tabla ofrece una guía simplificada para la selección inicial del equipo en función del tipo de suelo.

Guía rápida para la selección de equipos por tipo de suelo.

Tipo de suelo Equipos recomendados Consideración clave
Suelos finos (limos y arcillas) • Compactadores de patas apisonadoras

• Compactadores de neumáticos

 El control preciso de la humedad es fundamental. Estos suelos son sensibles a un exceso o defecto de agua.
Suelos de grano grueso (arenas y gravas) • Rodillos vibratorios

• Compactadores de neumáticos pesados

 La vibración es extremadamente efectiva para reordenar las partículas en este tipo de material.
Pedraplenes (roca) • Equipos vibratorios pesados (más de 10 toneladas) Se necesita una gran energía de compactación debido al gran tamaño de los elementos rocosos.

Elegir el equipo adecuado no solo garantiza que se alcancen las especificaciones de densidad, sino que también optimiza el rendimiento y los costes del proyecto.

5. Conclusión: principios clave para el éxito de una compactación.

La compactación es una de las operaciones más importantes en la construcción, ya que de ella dependen la estabilidad y durabilidad de casi cualquier estructura. Aunque se trata de un tema amplio, un principiante puede sentar unas bases sólidas de conocimiento si se centra en dos principios fundamentales.

  • Para lograr una compactación eficaz, es esencial comprender y dominar los cuatro tipos de esfuerzos básicos (estático, de amasado, de impacto y vibratorio), así como la forma en que cada máquina los aplica.
  • Además, es importante entender que la elección del equipo depende principalmente del tipo de suelo. No hay una máquina universal: la clave del éxito es adaptar la herramienta al material con el que se trabaja.

Aquí tienes un vídeo introductorio a los compactadores.

A continuación, os dejo un resumen de las ideas más relevantes que un principiante debería conocer sobre la compactación de suelos. Espero que os resulte interesante.

Referencias:

YEPES, V. (1997). Equipos de movimiento de tierras y compactación. Problemas resueltos. Colección Libro Docente nº 97.439. Ed. Universitat Politècnica de València. 253 pág. Depósito Legal: V-4598-1997. ISBN: 84-7721-551-0.

YEPES, V. (2021). Procedimientos de construcción para la compactación y mejora del terreno. Colección Manual de Referencia, 1ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 426 pp. Ref. 428. ISBN: 978-84-9048-603-0.

YEPES, V. (2022). Gestión de costes y producción de maquinaria de construcción. Colección Manual de Referencia, serie Ingeniería Civil. Editorial Universitat Politècnica de València, 243 pp. Ref. 442. ISBN: 978-84-1396-046-3

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

Cursos:

Curso de compactación superficial y profunda de suelos en obras de ingeniería civil y edificación.

Curso de gestión de costes y producción de la maquinaria empleada en la construcción.

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Unidades VSM (Vertical Shaft Sinking Machine) para perforación de pozos

Figura 1. Simulación de la Vertical Shaft Sinking Machine (VSM) de Herrenknetch trabajando con el pozo inundado a través de un terreno blando (cortesía de Herrenknetch).

Las unidades VSM (Vertical Shaft Sinking Machine) son equipos mecanizados diseñados para la construcción de pozos verticales en condiciones difíciles, como terrenos blandos intercalados con materiales más estables, suelos con resistencias a la compresión de hasta 140 MPa, presencia de aguas subterráneas o espacios confinados. Se utilizan en proyectos de túneles, accesos subterráneos, minería y soluciones urbanas, como aparcamientos subterráneos.

La VSM fue desarrollada por fabricantes como Herrenknecht a mediados de la década de 2000 y su uso se ha extendido internacionalmente debido a las ventajas en materia de seguridad y productividad que ofrece frente a los métodos convencionales. Su diseño modular le permite adaptarse a diferentes diámetros y profundidades, y su capacidad para operar en entornos urbanos y espacios confinados ha sido fundamental en proyectos como el sistema de túneles de Singapur y el metro de Nápoles.

 

Componentes principales:

Una unidad VSM se compone de:

  1. La VSM propiamente dicha, que incluye el bastidor, el cabezal de corte o tambor rozador equipado con picas y el brazo giratorio telescópico con capacidad de extensión de aproximadamente 1 m, que permite la excavación por «rebanadas» mediante un giro de 360°.
  2. Elementos auxiliares externos, encargados de controlar el descenso y la estabilidad, como zapatas de apoyo, winches y sistemas de control.

Estas máquinas suelen ser modulares y se adaptan al diámetro y a la profundidad requeridos. También pueden incorporar sistemas de monitorización digital para controlar el par de corte, el consumo de energía y las propiedades del lodo durante la excavación. Además, algunos modelos incluyen sensores avanzados que permiten predecir el desgaste de las picas y optimizar el rendimiento energético, lo que incrementa la eficiencia en obras de gran profundidad.

Figura 2. Elementos principales del Vertical Shaft Sinking Machine (VSM) de Herrenknetch (cortesía de Herrenknetch).

Proceso constructivo

El procedimiento de excavación y construcción con VSM consta de varias fases:

  • Inicio y excavación: la máquina se instala en el pozo de ataque y se fija a las paredes mediante brazos estabilizadores. El tambor rozador excava justo por debajo del anillo inferior metálico, facilitando el descenso de la estructura de hormigón.
  • Evacuación del material: el material excavado (detritos) se mezcla con agua para formar lodos, que son extraídos mediante bombas sumergibles de 200–400 m³/h. Posteriormente, los lodos se conducen a una planta de tratamiento externa, donde se separa el agua y se acondiciona el material sobrante para su gestión. En proyectos recientes, se ha implementado un sistema de reciclaje de lodos que reduce el consumo de agua hasta en un 40 %.
  • Estructura del pozo: el anillo inferior es de acero biselado, permitiendo que los anillos de hormigón se deslicen a medida que avanza la excavación. Los anillos prefabricados de hormigón se añaden desde la superficie y son empujados por cilindros hidráulicos (3 o 4 unidades habituales), conectados a través de cables de acero que soportan el peso total de la estructura.
  • Coordinación excavación-anillado: la excavación, el bombeo de ripios y el montaje de anillos deben sincronizarse cuidadosamente para evitar paradas prolongadas que comprometan la estabilidad del pozo. En obras internacionales, se ha documentado la integración de software de control automatizado que permite coordinar en tiempo real la excavación, el bombeo y el anillado, lo que aumenta la seguridad y reduce los retrasos.

Rendimientos y capacidades

  • Diámetros: las VSM pueden construir pozos de entre 4,5 y 19 m, en función del modelo y de las condiciones de la obra.
  • Profundidad: habitualmente alcanzan profundidades de hasta 85 m en terrenos heterogéneos, con registros documentados en proyectos internacionales.
  • Avance: la tasa de excavación varía entre 1 y 5 m/día, en función de la geología, el diámetro y el estado hidrogeológico. En terrenos blandos o con alta presencia de agua, el avance puede ser menor debido al mayor control de lodos requerido.

Gestión de lodos y sellado

Durante la excavación, el pozo permanece inundado con lodos bentoníticos, que garantizan la presión hidrostática y evitan derrumbes. Una vez alcanzada la profundidad final, se extrae el lodo y se procede a la instalación de la tubería.

  • El fondo del pozo se sella con un tapón de hormigón mientras permanece inundado.
  • El espacio anular se rellena con lechada de cemento.
  • Finalmente, se evacúa el lodo residual para dejar el pozo listo para su uso. Algunos proyectos incorporan sensores que monitorizan la presión y la composición del lodo durante la instalación del tapón para garantizar la integridad estructural.

Comparativa y ventajas

Frente a otros métodos de excavación vertical, como las Shaft Boring Machines (SBM), la VSM destaca por:

  • Montaje compacto y aplicabilidad en entornos urbanos.
  • Mayor seguridad al reducir la intervención manual en el frente.
  • Alta productividad en diámetros medianos y grandes con suelos blandos o saturados.

No obstante, la elección entre VSM y otras tecnologías depende de parámetros como el diámetro requerido, la profundidad y las condiciones geológicas.

Conclusión

Las VSM son una solución mecanizada, eficiente y segura para la construcción de pozos de gran diámetro en condiciones complejas. Su modularidad, su capacidad para operar en suelos saturados y la posibilidad de integrar tecnologías digitales de control las convierten en una herramienta esencial en proyectos de infraestructuras, minería y entornos urbanos. El uso de sensores avanzados y sistemas de control automatizado permite optimizar el rendimiento, aumentar la seguridad y reducir el impacto medioambiental de los proyectos a gran escala.

Os dejo algunos vídeos al respecto de esta máquina:

Referencias

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Preguntas sobre ciclos de trabajo y producción de la maquinaria de construcción

Figura 1. Pala sobre neumáticos cargando dúmper. Imagen: V. Yepes

1. ¿Qué es un ciclo de trabajo y cuáles son sus componentes principales?

Un ciclo de trabajo se define como la secuencia de operaciones elementales necesarias para completar una tarea. El tiempo total necesario para realizar estas operaciones se denomina «tiempo del ciclo». Se descompone en tres tipos principales:

  1. Tiempo fijo: Duración de operaciones que requieren un tiempo determinado, como la carga, la descarga y las maniobras.
  2. Tiempo variable: Duración de las operaciones que dependen de las condiciones de trabajo, como la distancia en un ciclo de transporte.
  3. Tiempo muerto de inactividad: Tiempo de espera de una máquina mientras otra está realizando una operación en un equipo coordinado.
Figura 2. Esquema de los ciclos acoplados de máquinas trabajando en equipo. Tiempo muerto en la máquina principal

2. ¿Cómo se calcula la producción de un equipo por unidad de tiempo y qué factores la afectan?

La producción por unidad de tiempo o rendimiento de un equipo se calcula multiplicando la capacidad de producción en un ciclo por el número de ciclos realizados en ese período.

La producción de una máquina o conjunto de máquinas está influenciada por múltiples factores, como el clima, la dureza del trabajo, los turnos, el estado de las máquinas, el dimensionamiento de los equipos, la habilidad del operador y la existencia de incentivos. Para estimar la producción real a partir de la producción teórica, hay que multiplicar la producción teórica por una serie de factores de producción.

3. ¿Qué es el «cuello de botella» en un equipo de máquinas y por qué es importante identificarlo?

El «cuello de botella» es el recurso o máquina que limita la producción total del equipo. Identificarlo es fundamental porque cualquier cambio en su funcionamiento afectará directamente a la capacidad de producción de todo el equipo. Por ejemplo, en un sistema de cargadora y camiones, si la cargadora espera a los camiones, estos son el cuello de botella. Si los camiones esperan a la cargadora, entonces la cargadora es el cuello de botella.

4. ¿Qué es el factor de acoplamiento (match factor) y cuál es su valor óptimo para el coste de producción?

El factor de acoplamiento es la relación entre la producción máxima posible de los equipos auxiliares y la producción máxima posible de los equipos principales, suponiendo que no hay tiempos de espera. El coste de producción más bajo se logra con factores de acoplamiento cercanos a la unidad, pero ligeramente por debajo de ella. Esto se debe a las variaciones estadísticas en los ciclos de trabajo, por lo que, incluso con un equipo bien dimensionado y un factor de acoplamiento de uno, siempre habrá tiempos de espera.

5. ¿Cómo se determina el número de máquinas principales y auxiliares necesarias para un trabajo concreto?

Este número se puede estimar conociendo los tiempos de ciclo de cada tipo de máquina. En una unidad de tiempo (por ejemplo, una hora), el número total de ciclos realizados por las máquinas principales debe ser igual al número total de ciclos realizados por las máquinas auxiliares. Esta relación se puede generalizar para múltiples tipos de máquinas.

6. ¿Cuáles son los tiempos improductivos necesarios para operar una máquina?

Se trata de tiempos imprescindibles para el desarrollo normal de un trabajo, aunque no contribuyen directamente a la producción. Incluyen:

  • Tiempo preparativo-conclusivo: Revisión, arranque, traslado y protección de la máquina.
  • Tiempo de interrupciones tecnológicas: Necesidades de la tecnología implicada, como el cambio de posición de una cuchilla.
  • Tiempo de servicio: Mantenimiento y atención diaria del equipo durante la jornada.
  • Tiempo de descanso y necesidades personales: Tiempo para prevenir la fatiga del operador y atender sus necesidades básicas.

7. ¿Qué es la «producción tipo» y cómo se relaciona con la producción real?

La «producción tipo» es la producción obtenida durante 54 minutos ininterrumpidos de trabajo, siguiendo un método específico, en condiciones determinadas y con una habilidad media del operador. Se utilizan 54 minutos por hora para estimar las pérdidas de tiempo ajenas al trabajo. En esencia, se trata de una producción teórica en condiciones específicas.

Para estimar la producción real a partir de la producción tipo, se multiplica la producción tipo por una serie de factores de producción que tienen en cuenta las condiciones reales. La producción por hora de trabajo productivo en una obra concreta se relaciona con la producción tipo mediante el factor de eficacia.

Figura 3. Determinación del tiempo tipo de un trabajo

8. ¿Cuáles son los principales factores que modifican la producción tipo y de qué depende?

Los principales factores que modifican la producción tipo para estimar la producción real son los siguientes:

  • Factor de disponibilidad: Relación entre el tiempo disponible y el tiempo laborable real. Depende de la máquina y del equipo de mantenimiento.
  • Factor de utilización: Vincula el tiempo de utilización con el de disposición. Indica la calidad de la organización y planificación de la obra.
  • Eficiencia horaria, factor de eficacia o factor operacional: Cociente entre la producción media por hora de utilización y la producción tipo. Considera tiempos no productivos como traslados y preparación. Depende de la selección del personal y el método de trabajo.

Es importante señalar que solo el factor de disponibilidad depende directamente de la máquina; los demás están vinculados a la organización de la obra, la selección del personal y el método de trabajo.

Os dejo un audio que recoge estas ideas. Espero que os sea interesante.

También un vídeo explicativo del contenido.

Glosario de términos clave

  • Ciclo de trabajo: Serie completa de operaciones elementales necesarias para realizar una tarea o labor.
  • Tiempo del ciclo: Duración total invertida en completar un ciclo de trabajo.
  • Tiempo fijo: Parte del tiempo del ciclo que corresponde a operaciones de duración constante, independientemente de las condiciones de trabajo (ej., carga, descarga).
  • Tiempo variable: Parte del tiempo del ciclo que depende de las condiciones específicas de la operación (ej., distancia de transporte).
  • Tiempo muerto de inactividad: Período de espera de una máquina, usualmente debido a la necesidad de sincronización con otra máquina en una operación conjunta.
  • Cuello de botella: El recurso dentro de un equipo de trabajo que limita la producción total del conjunto.
  • Factor de acoplamiento (Match Factor): Relación entre la máxima producción posible de los equipos auxiliares y la máxima producción posible de los equipos principales, idealmente sin tiempos de espera.
  • Producción: La transformación de elementos para obtener productos terminados o resultados útiles, a menudo asociados a unidades de obra en construcción.
  • Capacidad de producción: Cantidad de producto generado en un solo ciclo de trabajo.
  • Rendimiento: Producción por unidad de tiempo de un equipo.
  • Producción teórica: La producción esperada de un equipo bajo condiciones ideales o de diseño.
  • Producción real: La producción efectiva de un equipo, considerando las condiciones y factores operativos reales en una obra.
  • Factores de producción: Coeficientes utilizados para ajustar la producción teórica y obtener una estimación más precisa de la producción real, considerando diversas variables de la obra.
  • Tiempo productivo: Tiempo en el que el equipo trabaja directamente en la ejecución de una operación, ya sea principal o auxiliar.
  • Tiempos improductivos necesarios: Tiempos no productivos, pero esenciales para el desarrollo normal del trabajo (ej., preparativo-conclusivo, interrupciones tecnológicas, servicio, descanso).
  • Producción tipo: Producción obtenida en 54 minutos ininterrumpidos de trabajo bajo un método y condiciones específicas, con un operador de habilidad media. (Referencia a la hora reducida de 54 minutos útiles).
  • Factor de disponibilidad: Relación entre el tiempo que una máquina está disponible para trabajar y el tiempo laborable real. Refleja el estado mecánico y de mantenimiento.
  • Factor de utilización: Relación entre el tiempo que una máquina es utilizada efectivamente y el tiempo que está disponible. Refleja la organización y planificación de la obra.
  • Eficiencia horaria / Factor de eficacia: Cociente entre la producción media por hora de utilización y la producción tipo. Considera los tiempos de trabajo no productivo dedicados a tareas auxiliares y la habilidad del personal.
  • Producción media por hora laborable real: La producción promedio de un equipo durante una hora efectiva de trabajo, considerando todos los factores de corrección.
  • Índice de paralizaciones: Relación entre las interrupciones debidas a la organización, mal acoplamiento o averías de otras máquinas, y el tiempo laborable real.
  • Factor de aprovechamiento: Cociente entre el tiempo de utilización de una máquina y el tiempo laborable real. Es el producto del factor de disponibilidad y el factor de utilización.
  • Equipo en cadena: Un conjunto de máquinas donde la producción de una está ligada al trabajo de la que le precede, y la paralización de una detiene toda la cadena.
  • Equipo en paralelo: Un conjunto de máquinas iguales que trabajan simultáneamente, y la producción total es la suma de las producciones individuales o la probabilidad de que un cierto número de ellas esté activa.
  • Disponibilidad intrínseca: La disponibilidad de una máquina individual en un conjunto paralelo, sin considerar las interrupciones por organización.

Referencias:

YEPES, V. (1997). Equipos de movimiento de tierras y compactación. Problemas resueltos. Colección Libro Docente nº 97.439. Ed. Universitat Politècnica de València. 256 pág. Depósito Legal: V-4598-1997. ISBN: 84-7721-551-0.

YEPES, V. (2022). Gestión de costes y producción de maquinaria de construcción. Colección Manual de Referencia, serie Ingeniería Civil. Editorial Universitat Politècnica de València, 243 pp. Ref. 442. ISBN: 978-84-1396-046-3

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

Curso:

Curso de gestión de costes y producción de la maquinaria empleada en la construcción.

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Algunas preguntas sobre los muros pantalla

Figura 1. Cuchara bivalva para construir pantallas. Por GK Bloemsma – Trabajo propio, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/

1. ¿Qué es un muro pantalla y qué funciones principales tiene en el campo de la cimentación?

Un muro pantalla es una técnica de cimentación profunda que se empezó a desarrollar en la década de 1950. Su principal característica es que se trata de una contención flexible que también cumple una función de cimentación. Las funciones principales de los muros pantalla son las siguientes:

  • Contención de tierras: Especialmente útil en situaciones donde la estabilidad de la excavación es difícil y existe preocupación por la seguridad de edificios colindantes.
  • Cimentación profunda: Proporciona una base sólida para estructuras.
  • Impermeabilización: Existen pantallas diseñadas específicamente, a menudo con cemento-bentonita, para evitar la filtración de agua.
  • Combinaciones de las anteriores: Muchos proyectos requieren una combinación de estas funciones para abordar desafíos complejos del terreno y la construcción.

Los cambios de forma y los movimientos de flexión que experimentan los muros pantalla influyen significativamente en la distribución y magnitud de los empujes del suelo, así como en las resistencias y acciones mutuas entre el suelo y la estructura.

2. ¿Cómo se clasifican los muros pantalla según su trabajo estructural y su función?

Los muros pantalla se clasifican de diversas maneras para adaptarse a distintas necesidades constructivas y geológicas.

Según su trabajo estructural, se pueden clasificar de la siguiente forma:

  • Pantallas en voladizo: Se introducen en el terreno a una profundidad suficiente para asegurar su fijación, aprovechando la resistencia pasiva del suelo.
  • Pantallas ancladas: Se utilizan cuando la profundidad de excavación es considerable (generalmente > 7-8m). Su estabilidad se confía a la resistencia pasiva de la parte enterrada y a uno o varios niveles de anclajes. Se subdividen en:
    • De soporte libre (o articuladas): El empotramiento es mínimo, comportándose como una viga doblemente apoyada.
    • De soporte fijo (o empotradas): El empotramiento es suficiente para que el movimiento en su base sea insignificante, actuando como una viga apoyada-empotrada.
  • Pantallas arriostradas: Sustituyen los anclajes por estampidores (puntales).
  • Pantallas acodaladas (entibaciones): Utilizan elementos de arriostramiento para la contención.
  • Pantallas atirantadas: Similares a las ancladas, pero el término puede implicar una mayor rigidez o elementos de tracción más permanentes.
  • Pantallas con contrafuertes: Refuerzos estructurales que aumentan su rigidez y capacidad de contención.

Según su función, se distinguen:

  • Pantallas de impermeabilización: Diseñadas para crear una barrera contra el flujo de agua (ej. con cemento-bentonita).
  • Pantallas de contención de tierras: Su propósito principal es retener el suelo.
  • Pantallas de cimentación (cimentación profunda): Actúan como elementos de apoyo para la estructura.
  • Pantallas combinaciones de las anteriores: Lo más común, buscando una solución multifuncional.

3. ¿Cuáles son los métodos de excavación de bataches para la construcción de muros pantalla y cuándo se utiliza cada uno?

La excavación de los bataches (paneles que conforman el muro pantalla) es un paso crítico que se lleva a cabo mediante dos métodos principales:

  • Medios convencionales (cuchara al cable o hidráulica). Estos métodos se utilizan en condiciones de terreno normales y profundidades típicas:
    • Cuchara de cable: El cierre es mecánico. Su ventaja es que la grúa excavadora puede usarse como auxiliar para hormigonado e izado de armaduras.
    • Cuchara hidráulica: El cierre y el giro son hidráulicos. Son más fáciles de manejar y producen menos excesos de hormigón que las de cable, aunque requieren una grúa auxiliar para armadura y hormigonado.
  • Hidrofresa. Este método se emplea en situaciones más exigentes debido a sus características de precisión y capacidad. Se utiliza cuando:
    • La dureza del terreno es excesiva.
    • Se requiere una verticalidad estricta (por debajo del 0,5 %).
    • Se alcanzan grandes profundidades (superiores a 45 metros).

Antes de la excavación, es necesario construir muretes guía que dirijan la herramienta, aseguren la verticalidad de los paneles y sirvan de soporte estable para la extracción de las juntas. Durante la excavación, puede ser necesario utilizar lodos tixotrópicos (bentoníticos) o polímeros para mantener la estabilidad de las paredes.

Figura 2. Vista de murete guía. http://www.estructurasmaqueda.com

4. ¿Qué función cumplen los lodos tixotrópicos (bentoníticos) y los polímeros en la construcción de las pantallas y en qué se diferencian?

Los lodos tixotrópicos (principalmente bentoníticos) y los polímeros son fundamentales para el sostenimiento de las excavaciones de muros pantalla, sobre todo cuando la estabilidad del terreno lo requiere.

Lodos tixotrópicos (bentoníticos):

  • Funciones: Mantener las paredes de la excavación (evitando derrumbes), mantener los sólidos en suspensión y lubricar la herramienta de perforación.
  • Mecanismo de acción: Forman una “torta” (cake) impermeable en la pared de la excavación. Esta película permite que la presión hidrostática de la columna de lodo actúe contra las paredes, estabilizándolas. Para que el “cake” se forme, es necesaria cierta filtración del lodo, por lo que son efectivos en suelos permeables (arenas) pero inútiles en arcillas.
  • Propiedades: Son fluidos no newtonianos cuya viscosidad aumenta al dejarlos en reposo (tixotropía), manteniendo los sólidos en suspensión gracias a un esfuerzo umbral (yield point).
  • Contaminación: Si se contaminan, floculan y pierden su funcionalidad. Se puede añadir polímero celulósico para protegerlos y aumentar su yield point sin incrementar excesivamente la viscosidad (útil en gravas).

Polímeros:

  • Alternativa a la bentonita: Pueden sustituir total o parcialmente a los lodos bentoníticos en condiciones particulares.
  • Ventajas medioambientales: Son biodegradables con el tiempo o se pueden destruir rápidamente con agentes oxidantes (lejía, agua oxigenada) o bacterias específicas.
  • Mecanismo de acción: A diferencia de la bentonita, no forman un “cake” externo efectivo. Las largas cadenas poliméricas se infiltran en el terreno y unen sus partículas por tracción iónica, creando un “cake” interno. Esto permite que la presión hidrostática del lodo actúe contra el terreno cohesionado.
  • Limitaciones: Carecen de un “yield-point” efectivo (salvo excepciones), por lo que solo se pueden emplear en terrenos de baja permeabilidad (10-5 a 10-6 m/seg).
  • Otras características: No necesitan desarenadores, ya que los sólidos en suspensión decantan rápidamente. Se dividen en polares (aniónicos y catiónicos) y apolares, siendo estos últimos más resistentes a ataques químicos.

En resumen, los lodos bentoníticos dependen de la formación de una “torta” externa y son adecuados para suelos permeables, mientras que los polímeros actúan por infiltración y cohesión interna, siendo idóneos para suelos de baja permeabilidad y ofreciendo ventajas medioambientales.

5. ¿Cuáles son los pasos clave en la ejecución convencional de muros pantalla después de la excavación y qué consideraciones son importantes en cada uno?

Una vez completada la excavación del batache y, si es necesario, sostenida con lodos, los siguientes pasos en la ejecución convencional de muros pantalla son los siguientes:

  • Desarenado de los lodos: Si se utilizaron lodos y su contenido de arena supera el 5 %, es imprescindible desarenarlos mediante centrifugado en hidrociclones. De no hacerlo, la arena decantaría sobre el hormigón, formando bolsas que comprometerían la calidad del muro.
  • Colocación de la armadura: La armadura debe atender a varias consideraciones:
    • Debe tener un esqueleto suficientemente rígido para mantener su forma durante la manipulación.
    • Para armaduras de gran longitud, se debe eslingar por distintos puntos a lo largo de su alzado; para las cortas, disponer de asas de izado.
    • Debe dejar espacio suficiente para la tubería tremie que se usará para el hormigonado.
    • Se deben colocar separadores (metálicos o de hormigón) para asegurar el recubrimiento mínimo de 75 mm según la normativa UNE.
  • Hormigonado de las pantallas: Se utiliza la técnica del hormigón sumergido, necesaria cuando no es posible vibrar el hormigón (como ocurre bajo lodos).
    • El hormigón se introduce a través de una tubería tremie que debe permanecer introducida 5m en el hormigón (o 3m en seco), subiéndose a medida que el hormigonado avanza.
    • Para paneles de más de 5 m de longitud, se usan dos tuberías tremie.
    • Los lodos se van evacuando a medida que el hormigón asciende.
    • La duración total del hormigonado debe ser inferior al 70 % del tiempo de inicio de fraguado.
    • Se utiliza un hormigón de consistencia líquida (cono 16-20 NTE o 18-21 UNE-EN-1538).
    • El hormigón debe subir lo más horizontal posible dentro del panel.
  • Extracción de la junta: Existen diferentes tipos de juntas para asegurar la continuidad entre paneles:
    • Junta trapezoidal: No necesita retirarse antes del fraguado del hormigón. Se extrae con un cabestrante o gatos.
    • Junta circular y tricilíndrica (Stein): Deben extraerse durante el fraguado del hormigón, en el momento justo en que este ha endurecido lo suficiente para mantenerse, pero no tanto que impida la extracción. Se retiran con gatos hidráulicos.

El cumplimiento de las tolerancias establecidas en normativas como la UNE o el PG-3 es fundamental en cada una de estas etapas para garantizar la calidad y funcionalidad del muro pantalla.

6. ¿Qué son los anclajes en cimentaciones, cómo se clasifican y cuáles son sus principales aplicaciones?

Los anclajes son elementos de sujeción de estructuras al suelo, diseñados para colaborar en la estabilidad del conjunto suelo-estructura y que trabajan fundamentalmente a tracción.

Clasificación de los anclajes:

  • Según su forma de actuar:
    • Pasivos: Entran en tracción automáticamente cuando las cargas o fuerzas externas actúan, oponiéndose al movimiento del terreno y la estructura.
    • Activos (pretensados): Se pretensan hasta una carga admisible una vez instalados, comprimiendo el terreno entre el anclaje y la estructura. Esto evita el movimiento de la cabeza del anclaje hasta que se supere el esfuerzo de pretensado.
    • Mixtos: Se pretensan con una carga inferior a la admisible, dejando un margen para absorber movimientos imprevistos.
  • Según el tiempo de servicio previsto:
    • Provisionales: Diseñados para un uso temporal durante la fase de construcción.
    • Permanentes: Diseñados para permanecer en servicio durante toda la vida útil de la estructura.
  • Según el tipo de inyección:
    • Inyección única (IU): Inyección global del bulbo.
    • Inyección repetitiva (IR): Inyecciones a lo largo del bulbo en varias etapas.
    • Inyección repetitiva y selectiva (IRS): Inyecciones repetitivas en puntos específicos del bulbo.

Principales campos de aplicación:

  • Estabilización del terreno: Comprimir el terreno y coser diaclasas (fracturas).
  • Aumentar la resistencia al corte en taludes: Mejorar la estabilidad de laderas.
  • Sujeción de bóvedas de túneles y paredes de excavación: Proporcionar soporte en obras subterráneas o de contención.
  • Refuerzo de estructuras: Postesado de elementos estructurales, atirantado de bóvedas y arcos.
  • Arriostramiento de estructuras de contención: Estabilizar muros pantalla, tablestacados, etc.
  • Absorber esfuerzos en la cimentación de estructuras: Contrarrestar la subpresión en soleras bajo el nivel freático.
  • Anclaje de estructuras esbeltas y complejas: Proporcionar estabilidad a elementos con alta esbeltez.

Los anclajes inyectados constan de tres partes: la zona de anclaje (bulbo inyectado al terreno), la zona libre (cables protegidos por una vaina) y la cabeza y la placa de apoyo, que fijan el anclaje a la estructura.

Figura 3. Anclaje de un muro. Vía http://chuscmc.blogspot.com

7. ¿Cuáles son los principales estados límite que hay que considerar en el dimensionamiento de elementos de contención, como los muros pantalla, según la normativa española (CTE)?

Según esta normativa, el dimensionamiento de los elementos de contención debe verificar una serie de estados límite para garantizar la seguridad y funcionalidad de la estructura. Estos se dividen en estados límite últimos y estados límite de servicio.

Estados Límite Últimos (ELU): Se refieren a la capacidad portante y la estabilidad global, evitando la rotura o colapso.

  • Estabilidad:
    • Deslizamiento: La estructura se desliza sobre su base o una superficie de falla.
    • Hundimiento: El terreno bajo la cimentación de la estructura falla.
    • Vuelco: La estructura gira alrededor de su base.
  • Capacidad estructural: Fallo del material constitutivo de la pantalla (hormigón, acero).
  • Fallo combinado del terreno y del elemento estructural: Una combinación de los anteriores.

Para pantallas flexibles, se deben verificar además:

  • Estabilidad global: Del conjunto suelo-pantalla-anclajes-sobrecargas.
  • Estabilidad del fondo de la excavación: Evitar levantamiento o sifonamiento.
  • Estabilidad de la propia pantalla: Rotura por rotación o traslación, o por hundimiento.
  • Estabilidad de los elementos de sujeción: (Anclajes, puntales).
  • Estabilidad en las edificaciones próximas: No causar daños a estructuras adyacentes.
  • Estabilidad de las zanjas: Durante la excavación de la propia pantalla.

Estados Límite de Servicio (ELS): Se refieren a las condiciones de uso de la estructura, evitando movimientos o infiltraciones excesivas.

  • Movimientos o deformaciones: Excesivos de la estructura de contención o de sus elementos de sujeción, que afecten a la propia pantalla o a estructuras próximas.
  • Infiltración de agua no admisible: Problemas de estanqueidad.
  • Afección a la situación del agua freática en el entorno: Con posibles repercusiones a estructuras próximas.

En el cálculo se deben considerar acciones como los empujes activos y pasivos de las tierras, los empujes horizontales del agua freática, las sobrecargas y las acciones instantáneas o alternantes (terremotos, impactos). También se tienen en cuenta las propiedades del suelo, los coeficientes de empuje (de Rankine y de Coulomb) y la deformabilidad de la pantalla, que influye significativamente en la distribución de los empujes.

8. ¿Qué es el sifonamiento en excavaciones y cómo se puede prevenir?

El sifonamiento es un fenómeno de inestabilidad del terreno que se produce en excavaciones, especialmente cuando el nivel freático (NF) se halla por encima del fondo de la excavación y es preciso agotar el agua del interior. Se produce una filtración de agua a través del fondo o de las paredes de la excavación. Si la presión intersticial del agua (es decir, la presión en los poros del suelo) crece hasta igualar la presión total del terreno, la tensión efectiva del suelo se anula (σ’ = σ – u = 0), lo que provoca una pérdida de resistencia y un flujo ascendente de partículas finas del suelo. Este fenómeno se alcanza para un «gradiente crítico».

Figura 4. Longitud de empotramiento para evitar el sifonamiento

Los principales problemas que causa el sifonamiento son:

  • Inestabilidad del fondo de excavación: Pérdida de capacidad portante del suelo.
  • Reducción de la presión efectiva en el intradós de la pantalla: Disminuye el efecto positivo del empuje pasivo, comprometiendo gravemente la estabilidad del muro pantalla.
  • Tubificación o entubamiento: Si se dan sifonamientos localizados, se inicia una erosión interna que forma conductos por donde el agua arrastra material, pudiendo causar un colapso brusco.

Soluciones principales para prevenir el sifonamiento:

  • Dimensionar un correcto sistema de bombeo: Para liberar las presiones intersticiales, ya sea durante la excavación (agotamiento) o de forma permanente mediante soleras drenadas. Los sistemas pueden ser bombeo desde arquetas (para excavaciones pequeñas sin finos), pozos filtrantes o lanzas de drenaje (well point).
  • Incrementar la clava de la pantalla: Aumentar la profundidad de empotramiento del muro pantalla (∆l) incrementa el recorrido del agua, reduciendo el gradiente hidráulico. La clava real puede ser un 20% mayor que la profundidad del punto de rotación.
  • “Clavar” las pantallas en un sustrato impermeable: Si es posible, extender la pantalla hasta una capa de suelo con muy baja permeabilidad (k) para cortar el flujo de agua.
  • Disminuir la permeabilidad de la capa filtrante y aumentar su peso específico aparente (γ’): Esto se puede lograr mediante un tapón de Jet-grouting, que también puede actuar como un codal natural.
  • Aumentar el efecto ataguía de la clava de las pantallas: Mediante un “peine” de inyecciones que reduce la permeabilidad del suelo bajo el muro.
  • Congelación del nivel freático: En casos extremos, se puede congelar el agua del terreno para crear una barrera impermeable.

A continuación os dejo un audio que resume bien el contenido de estos temas. Espero que os sea de interés.

Glosario de términos clave

  • Muro pantalla: Técnica de cimentación profunda y contención flexible que se desarrolla a principios de los años 50, aúna ambas funciones, especialmente en excavaciones difíciles o cerca de edificios.
  • Contención flexible: Cualidad de los muros pantalla que permite cambios de forma y movimientos de flexión, influenciando la distribución de empujes y la interacción suelo-estructura.
  • Empotramiento: Profundidad a la que se introduce la pantalla en el terreno por debajo del nivel de excavación para asegurar su fijación y estabilidad.
  • Empujes activos: Presiones horizontales mínimas que ejerce el terreno sobre una estructura de contención cuando este se deforma alejándose de la estructura (descompresión horizontal).
  • Empujes pasivos: Presiones horizontales máximas que ejerce el terreno sobre una estructura de contención cuando este se deforma empujando hacia el terreno (compresión horizontal).
  • Empuje al reposo: Presión horizontal que ejerce el terreno cuando no hay deformación lateral de la estructura de contención.
  • Muretes-guía: Estructuras temporales previas a la excavación de bataches, que dirigen la herramienta de excavación, aseguran la verticalidad de los paneles y sirven de soporte.
  • Batache: Segmento o panel individual que conforma el muro pantalla continuo, excavado y posteriormente hormigonado.
  • Cuchara al cable/hidráulica: Herramientas de excavación utilizadas para la formación de los bataches en medios convencionales.
  • Hidrofresa: Máquina de excavación especializada para bataches, usada en terrenos muy duros, cuando se requiere verticalidad estricta o a grandes profundidades.
  • Lodos tixotrópicos (bentoníticos): Suspensiones de arcilla (bentonita) en agua, utilizadas para sostener las paredes de la excavación mediante la formación de un “cake” y presión hidrostática, además de lubricar la herramienta. Son fluidos no newtonianos.
  • Lodos poliméricos: Soluciones de polímeros en agua que sustituyen o complementan a los lodos bentoníticos, formando un “cake” interno y uniendo partículas del terreno por tracción iónica. Son biodegradables.
  • Cake: Película impermeable que se forma en las paredes de la excavación de un muro pantalla debido a la filtración del lodo bentonítico, esencial para el sostenimiento por presión hidrostática.
  • Yield point (esfuerzo umbral): Esfuerzo mínimo necesario para que un fluido tixotrópico comience a fluir; por debajo de él, el lodo se comporta como un sólido.
  • Floculación: Proceso por el cual las partículas de lodo se agrupan, perdiendo su estabilidad y funcionalidad, generalmente por contaminación.
  • Tubería tremie: Tubería utilizada para el hormigonado sumergido de los muros pantalla, asegurando que el hormigón se deposite por debajo de la superficie del lodo sin contaminarse.
  • Junta (en pantallas): Dispositivo o técnica utilizada para asegurar la continuidad y estanqueidad entre bataches adyacentes (circular, trapezoidal, tricilíndrica o Stein).
  • Desarenado: Proceso de separación de arena de los lodos bentoníticos, realizado con hidrociclones, necesario para evitar la decantación de arena en el hormigón.
  • Pantalla en voladizo: Muro pantalla que se introduce en el terreno a una profundidad suficiente para que se fije como un elemento estructural en voladizo, aprovechando la resistencia pasiva.
  • Pantalla anclada: Muro pantalla cuya estabilidad se confía a la resistencia pasiva de la parte enterrada y al apoyo de uno o varios niveles de anclajes, usado en excavaciones profundas.
  • Pantalla de soporte libre (articulada): Pantalla anclada con una profundidad de empotramiento pequeña, que permite movimientos significativos en su base y se comporta como una viga doblemente apoyada.
  • Pantalla de soporte fijo (empotrada): Pantalla anclada con una longitud de empotramiento suficiente para que el movimiento en su base sea insignificante, comportándose como una viga apoyada-empotrada.
  • Efecto arco: Fenómeno que ocurre en pantallas flexibles, donde las cargas se concentran en las zonas más rígidas (como anclajes o fondo de excavación) y hay una descarga en las zonas de mayor movimiento.
  • Sifonamiento: Fenómeno en excavaciones con nivel freático alto, donde la presión intersticial en el fondo iguala la presión total, anulando la tensión efectiva del terreno y causando inestabilidad.
  • Gradiente crítico: Valor del gradiente hidráulico a partir del cual se produce el sifonamiento del terreno.
  • Tubificación (entubamiento): Erosión interna del terreno causada por sifonamientos localizados, formando conductos en el suelo.
  • Pozos filtrantes: Sistema de drenaje que utiliza bombas lapicero dentro de pozos para abatir el nivel freático.
  • Sistema de agujas filtrantes (well-point): Drenaje basado en la hinca de minipozos alrededor de una excavación, utilizando bombas de vacío para aspirar aire y agua, adecuado para terrenos arenosos.
  • Anclaje: Elemento de sujeción que transmite cargas de una estructura al terreno, generalmente trabajando a tracción.
  • Bulbo de inyección (zona de anclaje): Parte del anclaje inyectado que se fija al terreno, donde se desarrolla la transferencia de carga.
  • Zona libre: Parte del anclaje (cables o torones) que se encuentra protegida y no está en contacto directo con el terreno, permitiendo el pretensado sin fricción.
  • Cabeza y placa de apoyo: Elementos del anclaje que lo fijan a la estructura y mediante cuñas inmovilizan los torones.
  • Método de Kranz: Método de cálculo para anclajes que evalúa la estabilidad global frente al deslizamiento de la cuña de terreno soportada por los anclajes.
  • Entibación: Conjunto de elementos (tablestacas, puntales, codales) que se utilizan para contener las paredes de una excavación, evitando su colapso.
  • Método berlinés: Tipo de entibación donde se hincan perfiles metálicos aislados antes de excavar, y luego se va entibando progresivamente con elementos de contención y puntales.
  • Levantamiento de fondo: Problema de inestabilidad característico de excavaciones entibadas en suelos arcillosos blandos, donde el fondo de la excavación asciende debido a la presión del terreno.

Referencias:

  • CASHMAN, P.M.; PREENE, M. (2012). Groundwater lowering in construction. A practical guide to dewatering, 2nd edition. CRC Press, Boca Raton, 645 pp.
  • INSTITUTO GEOLÓGICO Y MINERO DE ESPAÑA (1987). Manual de ingeniería de taludes. Serie: Guías y Manuales, n.º 3, Ministerio de Educación y Ciencia, Madrid, 456 pp.
  • POWERS, J.P.; CORWIN, A.B.; SCHMALL, P.C.; KAECK, W.E. (2007). Construction dewatering and groundwater control: New methods and applications. Third Edition, John Wiley & Sons.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W., DYER, M.R. (2004). Groundwater control: design and practice. CIRIA C515, London.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.
  • YEPES, V. (2021). Procedimientos de construcción para la compactación y mejora del terreno. Colección Manual de Referencia, 1ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 426 pp. Ref. 428. ISBN: 978-84-9048-603-0
  • YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

Cursos:

Curso de procedimientos de contención y control del agua subterránea en obras de Ingeniería Civil y Edificación

Curso de Procedimientos de Construcción de cimentaciones y estructuras de contención en obra civil y edificación.

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Transporte hidráulico de pulpas: fundamentos y práctica

El transporte hidráulico de pulpas es un tema esencial en ingeniería de procesos y de minas. La operación de mover sólidos suspendidos en agua mediante tuberías y bombas no solo conecta las diferentes etapas de un proceso, como la molienda, la clasificación, la flotación o la disposición de relaves, sino que también influye en gran medida en los costes de operación, la eficiencia energética y la vida útil de los equipos. Por tanto, es fundamental que los estudiantes de Ingeniería comprendan sus principios y métodos de diseño.

En este artículo se presentan de manera ordenada los conceptos principales: qué es una pulpa, cómo se clasifican, qué tipos de bombas se emplean, cómo se estiman las pérdidas y la altura dinámica total, qué significa la velocidad crítica para evitar la sedimentación, cómo se analiza la cavitación y, por último, cómo se selecciona la bomba adecuada. No obstante, se aconseja un estudio más profundo del tema, atendiendo a las referencias.

1. La pulpa: naturaleza y propiedades

Una pulpa es una mezcla de agua y partículas sólidas en suspensión. Esta definición simple oculta una gran variedad de comportamientos. La forma en que la pulpa fluye depende de varios factores:

  • Concentración de sólidos: se mide en peso o volumen. A bajas concentraciones, la mezcla se comporta parecido al agua. A concentraciones altas, la viscosidad aumenta y pueden aparecer comportamientos no newtonianos (el fluido ya no responde de manera lineal al esfuerzo aplicado).

  • Tamaño de partícula: si la mayoría de las partículas son muy finas (menores a 75 micras), la pulpa tiende a ser homogénea, sin sedimentación marcada. Si predominan partículas gruesas, la pulpa es heterogénea, con riesgo de deposición.

  • Densidad de las partículas: minerales como la magnetita o la galena, con densidades altas, hacen que la pulpa sea más pesada y requiera mayor energía para su transporte.

  • Forma de las partículas: las partículas angulosas o irregulares causan más desgaste que las esféricas.

  • Viscosidad del líquido portador: en la mayoría de los casos es agua, pero a veces se emplean soluciones que alteran la viscosidad.

Estas propiedades son críticas porque determinan tanto la potencia que necesitará la bomba como la durabilidad de los componentes.

2. Bombas para pulpas: tipos y características

El transporte de pulpas se realiza en la gran mayoría de casos con bombas centrífugas, adaptadas a condiciones abrasivas y, a veces, corrosivas. Existen distintos tipos:

  • Bombas horizontales centrífugas: las más comunes en minería y procesos. Permiten gran variedad de caudales y alturas.

  • Bombas verticales: incluyen las de tanque y las de sumidero. Se usan cuando el nivel de pulpa varía mucho o cuando es conveniente sumergir parte de la bomba.

  • Bombas sumergibles: cada vez más empleadas en aplicaciones de drenaje de pulpas.

  • Bombas de desplazamiento positivo: útiles cuando se manejan pulpas muy viscosas o cuando se requiere caudal casi constante independientemente de la presión.

https://www.mogroup.com/es/informacion/e-books/manual-de-bombas–para-pulpa/

Un aspecto importante de las bombas de pulpa es su construcción robusta: impulsores anchos, ejes más gruesos, rodamientos de gran capacidad y, sobre todo, sistemas de sellado capaces de resistir condiciones adversas. Los sistemas de sellado pueden ser dinámicos (aprovechan la propia presión de la pulpa), mecánicos (son caros, pero muy seguros) o de empaquetadura (son los más comunes y requieren mantenimiento frecuente).

3. Materiales de construcción y desgaste

El desgaste es el enemigo número uno de las bombas de pulpa. Cada partícula de mineral en movimiento actúa como un proyectil microscópico que impacta contra las superficies internas de la bomba. Por ello, los materiales deben escogerse con cuidado.

  • Elastómeros (como goma natural o poliuretanos): absorben impactos y funcionan bien con partículas finas o blandas.

  • Metales endurecidos: hierro alto en cromo o aceros especiales resisten abrasión cortante, como la producida por partículas de cuarzo.

  • Cerámicos: extremadamente duros y duraderos, pero frágiles y costosos, usados en condiciones extremas.

La selección no es trivial, ya que depende del tamaño y la forma de las partículas, su concentración, la corrosión química del medio y la temperatura. Elegir bien el material puede duplicar o triplicar la vida útil de la bomba.

4. Altura dinámica total y pérdidas en el sistema

Para que una bomba funcione adecuadamente, debe entregar una altura dinámica total (TDH) que cubra:

  1. Altura estática: diferencia de nivel entre el depósito de aspiración y el de descarga.

  2. Pérdidas por fricción en la tubería: dependen de la longitud, el diámetro, la rugosidad y la velocidad del flujo.

  3. Pérdidas en accesorios: codos, válvulas, reducciones.

  4. Energía cinética: asociada a la velocidad del flujo en salida y entrada.

En el caso del agua, las pérdidas por fricción pueden calcularse mediante fórmulas empíricas o a través de la relación de Darcy-Weisbach, que tiene en cuenta la velocidad, el diámetro y un coeficiente de fricción que se obtiene del diagrama de Moody. En pulpas, sin embargo, estas correlaciones deben corregirse, ya que los sólidos aumentan la resistencia al flujo. Existen diagramas experimentales, como los de Warman, que ayudan a calcular los factores de corrección.

5. Velocidad crítica y sedimentación

Uno de los problemas más graves del transporte de pulpas es la sedimentación. Si la velocidad del flujo desciende por debajo de un valor crítico, las partículas comienzan a depositarse en el fondo de la tubería, lo que puede provocar obstrucciones o un desgaste desigual.

Este valor crítico, conocido como velocidad de Durand, depende de tres factores principales: el tamaño característico de las partículas, la densidad relativa del sólido respecto al agua, y el diámetro de la tubería. En pocas palabras:

  • Cuanto más grandes y densas son las partículas, mayor debe ser la velocidad.

  • Cuanto mayor es el diámetro de la tubería, menor es la velocidad necesaria para mantener las partículas en suspensión.

Mantener la velocidad por encima de este límite garantiza un flujo homogéneo y minimiza el riesgo de sedimentación.

6. Cavitación y NPSH

La cavitación es otro fenómeno que puede poner en peligro la operación segura. Ocurre cuando la presión de entrada de la bomba cae por debajo de la presión de vapor del líquido. En ese momento, se forman burbujas que, al colapsar dentro del impulsor, generan ondas de choque que dañan el material, producen ruido y reducen la eficiencia.

Para evitarlo, se calcula la altura positiva neta de aspiración disponible (NPSHa), que debe ser siempre mayor que la NPSH requerida (NPSHr) por la bomba. En términos prácticos:

  • El sistema debe garantizar suficiente presión en la succión de la bomba.

  • Se recomienda dejar un margen de seguridad adicional (entre 0,5 y 1 metro, o entre 10% y 35% según las guías de diseño).

Determinación del máximo caudal aspirable desde el punto de vista de la cavitación

7. Selección de la bomba

El procedimiento para elegir una bomba de pulpas sigue varios pasos:

  1. Definir caudal y condiciones de operación.

  2. Calcular la TDH real para la pulpa, incluyendo pérdidas.

  3. Convertir la TDH de pulpa a su equivalente en agua, usando factores de corrección.

  4. Consultar curvas de fabricante (Q–H–Eficiencia) y ubicar el punto de operación.

  5. Comprobar potencia requerida, eficiencia, NPSH y velocidad de rotación.

  6. Verificar materiales y opciones de sellado según la abrasividad y corrosión del medio.

Hoy en día, programas de cálculo como Pipe-Flo, AFT Fathom o WinCAPS ayudan a realizar estas estimaciones de manera más ágil, permitiendo simular condiciones de operación variables.

8. Consejos prácticos de operación

  • Mantener velocidades mínimas de 2–3 m/s en descarga y no menos de 1–2 m/s en aspiración (ajustadas según la naturaleza de la pulpa).

  • Usar tuberías lo más rectas posibles y minimizar codos bruscos.

  • Monitorear continuamente el desgaste de revestimientos e impulsores.

  • Planificar un stock de repuestos críticos: el tiempo de parada por una bomba fuera de servicio puede ser muy costoso.

  • Vigilar el NPSH disponible en condiciones de nivel mínimo en el depósito de succión.

9. Reflexión final

El transporte hidráulico de pulpas es un campo en el que confluyen la mecánica de fluidos, la ciencia de materiales y el diseño de equipos. Para los estudiantes de ingeniería, dominar estos fundamentos no solo es esencial para aprobar una asignatura, sino también para resolver problemas reales en los sectores de la minería, la metalurgia, la química e incluso en algunas industrias ambientales.

La clave es comprender que detrás de cada fórmula hay un concepto físico claro: mantener las partículas en suspensión, reducir las pérdidas de energía, evitar la cavitación y prolongar la vida útil de los equipos.

Referencias:

  • Abulnaga, B. E. (2002). Slurry Systems Handbook. McGraw-Hill.

  • ANEFA. (2020). Manual de áridos: Parámetros hidráulicos y de bombeo. Asociación Nacional de Empresarios Fabricantes de Áridos.

  • Bouso, J. L. (1993). Manual de bombeo de pulpas. ERAL, Equipos y Procesos S.A.

  • Bouso, J. L. (1998). El hidrociclón… Lo que siempre quiso saber y no encontró en los libros. Americas Mining.

  • Grzina, A., Roudnev, A., & Burgess, K. E. (2002). Weir slurry pumping manual (1.ª ed.). Weir International.

  • Martínez-Pagán, P. (2025). Transporte hidráulico: Bombeo de pulpas. Apuntes del 3er curso GIRME ingeniería minera. Universidad Politécnica de Cartagena.

  • Metso Outotec. (2020). Slurry pump handbook (8.ª ed.). Metso Minerals (Sala) AB. Recuperado de http://www.metso.com/pumps

  • Volk, M. (2013). Pump characteristics and applications (3.ª ed.). CRC Press. https://doi.org/10.1201/b15559

  • Warman, L. (2000). Warman slurry pumping handbook. Warman International.

  • Yepes, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción: Problemas resueltos (Colección Académica, Ref. 376). Editorial Universitat Politècnica de València. https://www.lalibreria.upv.es/portalEd/UpvGEStore/products/p_376-7-1

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Rotopalas: maquinaria de excavación continua para grandes producciones

Figura 1. Rotopala. Cortesía SKW.

Las rotopalas, conocidas en inglés como Bucket Wheel Excavators (BWE), son máquinas de producción continua que integran las funciones de arranque, carga y transporte del material sin interrupciones. Están especialmente diseñadas para excavar materiales de fácil manipulación, como arenas, gravas, margas, arcillas o lignito. Su funcionamiento continuo las hace ideales para explotaciones mineras a cielo abierto, donde se requiere una alta eficiencia operativa en procesos prolongados y repetitivos.

El origen de estas imponentes máquinas se remonta a 1881, en Estados Unidos, cuando se construyó el primer equipo accionado por vapor. Sin embargo, no fue hasta 1916 en Alemania cuando se produjo su verdadero desarrollo industrial, al aplicarse en la explotación de lignito pardo. A partir de la década de 1950, las rotopalas experimentaron una notable evolución técnica, con modelos de mayor capacidad que respondían a las crecientes necesidades de producción. En la actualidad, estas máquinas pueden mover volúmenes superiores a los 254 000 m³ de material, lo que da una idea de su gran capacidad. En comparación, los Bucket Chain Excavators (BCE), aunque útiles en ciertas aplicaciones, apenas superan los 14 000 m³ y se emplean principalmente para retirar recubrimientos.

El diseño de las rotopalas se clasifica según la relación entre la longitud del brazo del rodete (L) y el diámetro del rodete (D). De este modo, se distinguen los modelos compactos (L/D = 2), semicompactos (L/D = 3) y convencionales (L/D = 4). Las compactas presentan varias ventajas significativas: una inversión inicial un 20 % inferior a la de las convencionales, menor peso, mayor estabilidad y tiempos de entrega más reducidos. Sin embargo, su diseño, limitado a dos orugas, restringe su tamaño máximo a 1600 toneladas, lo que implica una capacidad máxima de producción de 7500 m³/h y un brazo más corto que reduce su alcance operativo. Esta clasificación está normalizada por la norma DIN 22266, que define un sistema de denominación mediante letras que representan distintas características del equipo, como, por ejemplo, el tipo de tren de rodaje o la capacidad de los cangilones.

Figura 2. Rotopala semicompacta. Cortesía SKW

Una rotopala está formada por múltiples sistemas clave que permiten su funcionamiento. El tren de rodaje puede montarse sobre vías o, lo que es más habitual en minería a cielo abierto, sobre orugas. La configuración de estas últimas (dos, tres, cuatro, tres dobles o seis dobles) depende del peso de la máquina y de la capacidad portante del terreno. Cada oruga incorpora un bastidor, una rueda motriz o guía elevada, rodillos de sustentación y zapatas. La corona de giro permite orientar el brazo del rodete, cuya longitud influye directamente en la altura máxima de excavación, la anchura del bloque que se va a extraer y la selectividad del corte. El rodete es el elemento encargado de arrancar el material y su diseño depende de las propiedades geomecánicas del macizo rocoso, la resistencia del material y la producción horaria deseada. Su diámetro oscila entre 2,5 y 22 metros, y su capacidad productiva está entre 200 y 19 000 m³/h. Además, cada tonelada adicional en el peso del rodete implica una carga extra de 400 toneladas sobre la estructura de la máquina.

Existen varios tipos de rodete. El tipo celular, muy habitual en los parques de homogeneización, emplea una placa de caída con forma de arco que crea una célula para conducir el material hacia la cinta lateral. El tipo no celular se caracteriza por tener cangilones insertados en un espacio anular, con un cierre radial que permite aumentar la capacidad del cangilón en un 50 %. Por último, el tipo semicircular tiene un cierre inferior con planos inclinados llamados semicelulares y una vertedera fija. Los cangilones pueden tener un respaldo cerrado, que es ideal para materiales adhesivos como las arcillas duras (tipo «caparazón de tortuga»), o un respaldo de cadenas, que es más adecuado para materiales blandos, húmedos o pegajosos. Los elementos de corte, como dientes, cuchillas u orejetas angulares, son determinantes para la eficiencia de la excavación y deben ser fácilmente sustituibles, resistentes a la abrasión y al impacto. En materiales duros, pueden incorporarse precortadores que fragmentan previamente el material, aunque esto puede generar sobrecargas y vibraciones no deseadas.

Figura 3. Bucket Wheel Excavator. Cortesía FAM-BEUMER GROUP.

El sistema de izado permite posicionar el rodete a la altura de operación deseada y realizar descensos o ascensos rápidos mediante cilindros hidráulicos o cables de acero. Por otro lado, la descarga del material excavado se realiza mediante sistemas como puentes de conexión, brazos de descarga o cintas transportadoras, lo que otorga gran flexibilidad al sistema.

El dimensionamiento de una rotopala debe tener en cuenta múltiples factores técnicos. El diámetro del rodete se selecciona en función de la capacidad nominal requerida y de las propiedades del material, procurando elegir el diámetro más pequeño posible que cumpla los objetivos de producción, ya que un rodete de mayor tamaño incrementa el peso y complica la estática de la máquina. La capacidad nominal (Q) distingue entre la producción teórica o de diseño (Qt) y la producción real, que se ve afectada por factores como el grado de llenado de los cangilones y las paradas por mantenimiento o averías. La producción teórica se calcula mediante la fórmula Qt = Qa / (F · horas/día · días/año), donde F es un factor de campo que incluye la eficiencia y las constantes operativas. La producción de material suelto se determina aplicando el esponjamiento del material, que normalmente se sitúa entre 1,3 y 1,6, o mediante la fórmula Qts = I * s * 60, donde I es la capacidad del cazo y s el número de descargas por minuto.

El tipo de material que se va a excavar influye en la velocidad de corte, el número de cangilones, el diámetro del rodete y la inclinación del brazo. La velocidad de corte (Vc) se calcula como Vc = ω · D / 2 y suele estar entre 2 y 3,5 m/s, debiendo mantenerse por encima de la velocidad crítica (Vcri = 2,22 · D). El número de cangilones (Z) depende del material: las rocas blandas requieren pocos cangilones grandes, mientras que las rocas duras exigen muchos cangilones pequeños. Como estimación, se puede considerar Z = 4D. La frecuencia de descarga (s) se obtiene mediante la fórmula s = (Vc · Z) / (π · D) · 60, y la capacidad de los cangilones (V) mediante V = (Qts · 60) / (s · 1,25). Las potencias necesarias para la excavación, la aceleración, la elevación y el sistema completo deben calcularse en función de la producción deseada, el tipo de material y el diseño mecánico del equipo.

Durante la operación, el rodete gira mientras el brazo se mueve y el corte más eficiente se produce cuando el brazo está perpendicular al frente de trabajo (ángulo α = 0°). El avance puede realizarse en terrazas, donde el rodete desciende escalonadamente tras cada pasada, o en cortes descendentes, bajando con cada inversión del giro del brazo. Existen diversas variantes operativas, como la excavación en bloque lleno, la más común en la actualidad gracias a la movilidad sobre orugas, la excavación en frente largo, en la que la máquina avanza en paralelo al frente, y la excavación en bloque lateral, que es una adaptación del sistema anterior. También es posible excavar por debajo del nivel de las orugas, lo que permite trabajar con bancos de mayor altura con respecto a la posición del tren de rodaje.

Figura 4. Variantes de excavación de la rotopala. Fuente: Manual de arranque, carga y transporte en minería a cielo abierto (1995)

Entre las múltiples ventajas de las rotopalas, destacan su capacidad de excavación continua, su bajo consumo energético (hasta un 70 % menos que los sistemas de cables), la ausencia de impactos durante la carga, su gran radio de vertido y la posibilidad de operar tanto por encima como por debajo del nivel del terreno. Además, pueden trabajar en bancos de distintas alturas, generar taludes estables, entregar material fácilmente transportable por cinta y permitir una gran selectividad en la excavación. También pueden diseñarse para ejercer una baja presión sobre el terreno, lo que resulta clave en zonas con baja capacidad portante.

Sin embargo, no todo son ventajas. Las rotopalas requieren un mantenimiento complejo y frecuente, no son flexibles ante cambios en la geometría o tectónica del yacimiento y no sirven para excavar materiales compactos o muy abrasivos. Además, su rendimiento global depende de la disponibilidad de todos los elementos en serie que componen el sistema, lo que introduce una fuerte interdependencia operativa. Por último, su adquisición e instalación suponen una inversión inicial muy elevada, lo que limita su adopción a proyectos a gran escala y a largo plazo.

En resumen, las rotopalas son una solución de ingeniería impresionante para grandes operaciones mineras, ya que combinan eficiencia, potencia y continuidad operativa. No obstante, no son la herramienta adecuada para todos los contextos y, en las condiciones apropiadas, su rendimiento y productividad son difíciles de igualar.

Os dejo algunos vídeos que espero os interesen:

Referencias:

GÓMEZ DE LAS HERAS, J.; MANGLANO, S.; TOLEDO, J.; LÓPEZ-JIMENO, C.; LÓPEZ-JIMENO, E. (1995). Manual de arranque, carga y transporte en minería a cielo abierto. Instituto Geológico y Minero de España, Madrid, 604 pp.

MARTÍNEZ-PAGÁN, P. (2025). Rotopalas. Apuntes 4º curso GIRME. Universidad Politécnica de Cartagena.

YEPES, V. (1995). Maquinaria de movimiento de tierras. Servicio de Publicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia. SP.UPV-264. 144 pp.

YEPES, V. (1997). Equipos de movimiento de tierras y compactación. Problemas resueltos. Colección Libro Docente n.º 97.439. Ed. Universitat Politècnica de València. 256 pág. Depósito Legal: V-4598-1997. ISBN: 84-7721-551-0.

YEPES, V. (2022). Gestión de costes y producción de maquinaria de construcción. Colección Manual de Referencia, serie Ingeniería Civil. Editorial Universitat Politècnica de València, 243 pp. Ref. 442. ISBN: 978-84-1396-046-3

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

Curso:

Curso de gestión de costes y producción de la maquinaria empleada en la construcción

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Algunas preguntas sobre la gestión y el mantenimiento de la maquinaria empleada en la construcción

¿Cuáles son los objetivos principales del mantenimiento de la maquinaria y cómo se clasifica?

El mantenimiento de la maquinaria de construcción tiene como objetivos fundamentales maximizar su disponibilidad al mínimo coste, optimizar su rendimiento y garantizar unas condiciones óptimas de operatividad y seguridad. Esto se traduce en la reducción de costes debidos a paradas accidentales, minimizando las pérdidas de producción y los gastos propios del mantenimiento, así como en la limitación del deterioro de la maquinaria para evitar la disminución de la calidad del producto.

Las tareas de mantenimiento se clasifican en niveles según la importancia de la obra y sus misiones específicas. Por ejemplo, en una empresa constructora típica, el primer escalón (conductoras y conductores) se encarga del mantenimiento diario, semanal o quincenal (limpieza, repostaje, engrase y reparaciones de urgencia). El segundo escalón (equipos de obra) se encarga del mantenimiento mensual, trimestral o semestral, que incluye revisiones, ajustes ligeros y localización de averías. Los escalones superiores (el tercero y el cuarto, talleres móviles y fijos) se dedican a reparaciones más complejas, a la sustitución de piezas y a grandes reconstrucciones.

¿Qué tipos de políticas de mantenimiento existen y cuál es el más beneficioso a largo plazo?

No existe una clasificación rígida de los sistemas de mantenimiento y cada empresa debe elegir el más adecuado para cada máquina. Sin embargo, pueden clasificarse principalmente en:

  • Corrección por avería: Se permite que los equipos funcionen hasta que fallen, y luego se reparan lo antes posible. Aunque a corto plazo puede parecer económico, a medio y largo plazo puede generar costes elevados debido a la imposibilidad de programar las paradas y al riesgo de fallos graves, lo que disminuye la eficiencia del servicio. Solo se justifica en contadas ocasiones o cuando se trata de muchas máquinas iguales y hay capacidad de sobra.
  • Mantenimiento rutinario: Se establecen instrucciones generales para el mantenimiento de grupos homogéneos de máquinas, basado en la experiencia, para prevenir fallos. Es de bajo costo y puede resolver muchas averías antes de que ocurran.
  • Mantenimiento preventivo planificado: Se establecen ciclos de revisiones y sustituciones de componentes importantes según las instrucciones del fabricante y el uso de la máquina. Esto permite registrar averías y prever la vida útil de los elementos. Aunque es más costoso a corto plazo, resulta más ventajoso a medio y largo plazo, ya que permite programar los tiempos de inactividad y evitar fallos catastróficos, lo que aumenta la eficacia general. El objetivo es reparar antes de que se produzca una avería importante, lo que resulta más rápido y económico.

En resumen, el mantenimiento preventivo planificado es el más ventajoso a medio y largo plazo, ya que permite anticiparse a los problemas, reducir los costes y los tiempos de reparación, y aumentar la eficacia del servicio.

¿Cómo se distribuye el tiempo de permanencia de una máquina en obra y qué implicaciones tiene para los costos?

El tiempo que una máquina permanece en obra se divide en varias categorías, lo que afecta directamente el costo horario y la producción.

  • Tiempo de calendario laborable (fondo horario bruto): Horas reconocidas por la legislación laboral y la organización para trabajar.
  • Tiempo laborable real (fondo horario operacional): Horas de presencia efectiva de la máquina en obra, descontando circunstancias fortuitas como fenómenos atmosféricos, huelgas o catástrofes. Incluye horas extraordinarias.
  • Tiempo de máquina en disposición (fondo horario de explotación): Horas en las que la máquina está operativa y lista para trabajar, excluyendo paradas menores a 15 minutos.
  • Tiempo fuera de disposición: Horas en las que la máquina no está operativa, divididas en:
  • Mantenimiento: Tareas previsibles.
  • Averías: Reparaciones imprevisibles.
  • Parada por organización de obra: Tiempo de inactividad por causas ajenas a la máquina (falta de tajo, suministros, averías de otras máquinas, etc.).
  • Tiempo de trabajo útil: Horas netas donde la máquina produce, incluyendo trabajo productivo y trabajo no productivo o complementario.

Esta distribución temporal implica que el coste horario de una máquina varía en función de la referencia. Para el propietario, el coste se evalúa en relación con la hora de utilización, mientras que, en el caso de un alquiler, se refiere a la hora laborable real. Ampliar la jornada laboral para aumentar las horas útiles puede disminuir el coste horario fijo y acortar los plazos, pero hay que sopesarlo con inconvenientes como el aumento de costes por horas extra del operario, su fatiga y la dilución de responsabilidades si hay varios conductores, lo que puede incrementar las averías.

¿Cómo se calcula la fiabilidad de un equipo de construcción y cuáles son las fases de su vida útil según la “curva de la bañera”?

La fiabilidad se define como la probabilidad de que una unidad funcione correctamente en un intervalo de tiempo determinado sin interrupciones debidas a fallos de sus componentes, en condiciones establecidas. Está relacionada con el tiempo medio entre fallos (TMEF), que es la relación entre las horas de funcionamiento y el número de averías sufridas en ese período.

La «curva de la bañera» describe la evolución de la tasa de fallos de una máquina a lo largo del tiempo y se divide en tres fases:

  1. Período de mortalidad infantil o fallos prematuros: Caracterizado por una alta tasa de fallos que disminuye rápidamente. Las causas suelen ser errores de diseño, fabricación o uso. Estos fallos ocurren en la fase de rodaje y, una vez resueltos, no suelen repetirse.
  2. Período de tasa de fallos constante o vida útil: Los fallos aparecen de forma aleatoria y accidental, debidos a limitaciones de diseño, percances por uso o mal mantenimiento. Es el período ideal de utilización de la máquina.
  3. Período de desgaste: La tasa de fallos aumenta con el tiempo debido a la vejez y el fin de la vida útil. En esta fase, se recomienda el reemplazo preventivo de componentes o incluso la renovación completa del equipo para evitar incidentes catastróficos.
Figura 2. Curva de fiabilidad de una máquina

Para alargar su vida útil, se puede aplicar el envejecimiento preventivo (funcionamiento preliminar para detectar fallos prematuros) y la sustitución preventiva (reemplazo de unidades al finalizar su vida útil para evitar fallos).

¿Cómo se modela la fiabilidad de una máquina y qué técnicas de prevención de fallos se utilizan en el diseño?

La fiabilidad de una máquina puede modelarse mediante la distribución exponencial cuando la tasa de fallos es constante durante el período de vida útil. Esto implica que la ocurrencia de un fallo es imprevisible e independiente de la vida útil del equipo. Una generalización de este modelo es la función de Weibull, que se utiliza cuando la tasa de fallos es variable y permite tener en cuenta las fases de fallos precoces y de envejecimiento.

En lo que respecta a las técnicas de prevención de fallos en el diseño de equipos, las empresas se centran en maximizar la fiabilidad del producto. Algunas metodologías clave son:

  • Despliegue de la Función de Calidad (QFD): Permite traducir los requisitos de calidad del cliente en características técnicas del producto, utilizando matrices para analizar necesidades, competencia y nichos de mercado.
  • Análisis Modal de Fallos y Efectos (AMFE): Una metodología estructurada para identificar y prevenir modos de fallo potenciales y sus causas en un producto o sistema.
  • Análisis del valor: Busca reducir el coste del producto sin eliminar las características esenciales demandadas por los clientes, identificando cambios que aumenten el valor sin un incremento desproporcionado del coste.

¿Cómo influyen las condiciones climáticas y otros imprevistos en la planificación del tiempo de trabajo en una obra de construcción?

Las condiciones climáticas y otros imprevistos son factores cruciales que influyen en el plazo de ejecución de una obra. La planificación del tiempo de trabajo disponible se basa en datos históricos del clima y en el calendario laboral.

El método de la Dirección General de Carreteras, por ejemplo, utiliza coeficientes de reducción aplicados al número de días laborables de cada mes para estimar los días efectivamente trabajados. Estos coeficientes tienen en cuenta:

  • Temperatura límite: Por debajo de la cual no se pueden ejecutar ciertas unidades de obra (ej., 10 ºC para riegos bituminosos, 5 ºC para mezclas bituminosas, 0 ºC para manipulación de materiales húmedos).
  • Precipitación límite diaria: Se definen valores como 1 mm/día para trabajos sensibles a lluvia ligera y 10 mm/día para la mayoría de los trabajos, donde una protección especial sería necesaria.

Los días utilizables netos de cada mes se calculan multiplicando los días laborables por los coeficientes reductores por climatología adversa y por los días no laborables, que dependen de festivos y convenios laborales. La reducción de días representa la probabilidad de que un día del mes sea favorable desde el punto de vista climático y laborable. Estos cálculos permiten elaborar un plan de obra lo más ajustado posible, minimizando las desviaciones de plazo, aunque la evolución del tiempo atmosférico es impredecible en la práctica.

¿Qué se entiende por “disponibilidad” de una máquina en obra y cómo se calcula?

La disponibilidad de una máquina se refiere a su estado operativo, es decir, al tiempo en el que se encuentra disponible. Se pueden distinguir dos tipos principales de disponibilidad:

  • Disponibilidad en obra o factor de disponibilidad: Se define como el cociente entre el tiempo en que una máquina se encuentra en estado operativo y el tiempo laborable real. En otras palabras, es la relación entre las horas brutas de disponibilidad y las horas que la máquina ha estado presente en la obra. Valores bajos de este factor pueden indicar una mala conservación, reparaciones lentas o falta de repuestos.
  • Disponibilidad intrínseca: Se define como el cociente entre el tiempo de utilización y el tiempo laborable real, sin tener en cuenta las paradas ajenas a la máquina por tiempo disponible no utilizado (mala organización de la obra, etc.). Estadísticamente, se define como la probabilidad de que una máquina funcione correctamente en un momento determinado o de que no presente averías irreparables en un tiempo máximo.

Las máquinas se clasifican en «principales» (se requiere alta disponibilidad, ya que su fallo paraliza la producción de un conjunto de máquinas) y «secundarias» o «de producción trabajando solas».

¿Cómo se calcula la disponibilidad de un conjunto de máquinas trabajando en cadena y en paralelo?

La disponibilidad de un sistema de máquinas varía significativamente en función de si trabajan en serie o en paralelo.

  • Máquinas trabajando en cadena (serie): Si n máquinas trabajan en cadena, y el fallo de una paraliza a las demás, la disponibilidad intrínseca del conjunto es el producto de las disponibilidades individuales. Esto significa que la disponibilidad general disminuye rápidamente al aumentar el número de máquinas en serie. Si se admiten acopios intermedios suficientemente grandes, la disponibilidad del equipo sería el mínimo de las disponibilidades individuales, lo que amplía la disponibilidad respecto a no tener acopios.
  • Máquinas trabajando en paralelo: Si n máquinas iguales trabajan en paralelo y la inoperatividad de una no detiene completamente el proceso (ya que otras pueden seguir trabajando), la probabilidad de que x máquinas se encuentren en disposición sigue una distribución binomial. En este caso, la disponibilidad del conjunto aumenta al tener más unidades en paralelo, ya que el sistema puede continuar operando incluso si algunas máquinas fallan.

En un caso general de máquinas principales en paralelo y auxiliares en paralelo que luego trabajan en serie, la disponibilidad del conjunto se calcula combinando las fórmulas de disponibilidad en serie y en paralelo.

 

Referencias:

PELLICER, E.; YEPES, V.; TEIXEIRA, J.C.; MOURA, H.P.; CATALÁ, J. (2014). Construction Management. Wiley Blackwell, 316 pp. ISBN: 978-1-118-53957-6.

YEPES, V. (1997). Equipos de movimiento de tierras y compactación. Problemas resueltos. Colección Libro Docente nº 97.439. Ed. Universitat Politècnica de València. 256 pág. Depósito Legal: V-4598-1997. ISBN: 84-7721-551-0.

YEPES, V. (2022). Gestión de costes y producción de maquinaria de construcción. Colección Manual de Referencia, serie Ingeniería Civil. Editorial Universitat Politècnica de València, 243 pp. Ref. 442. ISBN: 978-84-1396-046-3

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

Curso:

Curso de gestión de costes y producción de la maquinaria empleada en la construcción.

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Normativas de seguridad y prevención de riesgos laborales en logística y transporte

Imagen generada por IA. Seguro que encontráis problemas de seguridad.

Las actividades de logística y transporte requieren el cumplimiento de normativas específicas para garantizar la seguridad de las personas involucradas en estos procesos. La legislación y los estándares internacionales establecen requisitos para minimizar riesgos y mejorar las condiciones laborales en este sector, lo que resulta esencial para garantizar la continuidad operativa y la protección del personal. En el contexto de las empresas de transporte y logística, estas normativas no solo buscan prevenir accidentes, sino también optimizar la eficiencia de los procesos mediante la implementación de medidas de seguridad adecuadas.

Legislación sobre prevención de riesgos laborales

La Ley 31/1995 de Prevención de Riesgos Laborales (LPRL) constituye el marco normativo español en materia de seguridad y salud en el trabajo. Su propósito es prevenir incidentes mediante la identificación y control de los peligros presentes en los entornos laborales. Esta legislación reconoce el derecho de las personas trabajadoras a desempeñar sus funciones en condiciones seguras y establece la obligación de las empresas de adoptar medidas preventivas. También regula la consulta y participación del personal en la adopción de decisiones relacionadas con la seguridad y la prevención de riesgos laborales.

Las empresas del sector logístico y del transporte deben integrar la prevención de riesgos laborales en su estructura organizativa. Esto implica evaluar riesgos específicos, como la manipulación de cargas pesadas, la exposición a productos peligrosos, el uso de maquinaria especializada y la conducción de vehículos de gran tonelaje. La LPRL exige que los planes de prevención se adapten a la naturaleza de las operaciones de cada empresa y garanticen que cada área de trabajo cuente con las medidas de seguridad apropiadas. Además, obliga a que el personal reciba formación periódica para que puedan identificar y evitar riesgos.

Normas internacionales de gestión de seguridad y salud laboral

La norma ISO 45001 ha reemplazado a la OHSAS 18001 como el estándar de referencia para la gestión de la seguridad y salud en el trabajo. Su aplicación permite a las organizaciones establecer un sistema que no solo cumpla con la legislación vigente, sino que también optimice la prevención de riesgos mediante un enfoque estructurado. La ISO 45001 fomenta la identificación y reducción de peligros, así como la participación activa del personal en la gestión de la seguridad.

En empresas logísticas, la aplicación de la ISO 45001 implica la implementación de medidas concretas como la evaluación de riesgos ergonómicos en almacenes, el establecimiento de protocolos de carga y descarga seguros y la gestión de emergencias ante posibles incendios o derrames de sustancias peligrosas. También exige la realización de inspecciones periódicas de vehículos y equipos de transporte para detectar fallos mecánicos que puedan comprometer la seguridad del personal.

A diferencia de su predecesora, esta norma adopta un enfoque proactivo, haciendo hincapié en la eliminación de peligros antes de que se generen incidentes. Además, su estructura facilita la integración con otros sistemas de gestión, como los de calidad y medio ambiente, y proporciona una visión global de la seguridad en la empresa.

Seguridad vial en el transporte

Para reducir los incidentes en carretera, la norma ISO 39001 establece criterios específicos para la gestión de la seguridad vial en las organizaciones. Su aplicación es especialmente relevante para empresas de transporte de mercancías y pasajeros, operadores logísticos y cualquier entidad cuya actividad dependa del desplazamiento de personas o bienes.

Las empresas de transporte que implementan la ISO 39001 pueden establecer controles sobre los tiempos de conducción y descanso, garantizando que el personal conductor no sobrepase las horas de trabajo recomendadas. Además, esta norma fomenta la formación en conducción segura y la adopción de tecnologías que ayuden a minimizar el riesgo de accidentes, como sistemas de supervisión en tiempo real, mantenimiento predictivo de vehículos y análisis de rutas seguras.

Los operadores logísticos también deben aplicar esta normativa en la gestión de flotas, estableciendo programas de mantenimiento preventivo y procedimientos de actuación en caso de incidentes viales. La combinación de estas medidas contribuye a reducir las tasas de siniestralidad y a mejorar la eficiencia operativa del sector.

Responsabilidades empresariales y derechos del personal

La legislación en materia de prevención de riesgos laborales impone a las empresas la responsabilidad de garantizar un entorno seguro. Esto implica proporcionar equipos de protección, señalizar adecuadamente los espacios de trabajo y supervisar el cumplimiento de las normativas. También se exige la realización de reconocimientos médicos periódicos, siempre con el consentimiento del personal, y la impartición de formación obligatoria en prevención de riesgos.

En el ámbito del transporte y la logística, las empresas deben proporcionar formación específica para cada puesto, de modo que el personal que opera maquinaria pesada, trabaja en muelles de carga o conduce vehículos de larga distancia conozca los riesgos asociados y las medidas de seguridad correspondientes.

Por su parte, las personas trabajadoras tienen la obligación de utilizar correctamente los medios de protección, informar sobre situaciones de riesgo y contribuir al cumplimiento de las medidas de seguridad. En el caso de los trabajadores del transporte de mercancías, es fundamental que sigan los protocolos establecidos para la correcta manipulación de cargas y la distribución equitativa del peso en los vehículos, con el fin de evitar accidentes causados por una carga mal asegurada.

La falta de aplicación de estos principios puede derivar en sanciones administrativas, responsabilidades civiles e incluso penales para la empresa en casos de incumplimiento grave. Las empresas que no garanticen la seguridad de su personal pueden enfrentarse a multas económicas, a la suspensión de sus operaciones o, en los casos más graves, penas de prisión para sus responsables.

Conclusión

El cumplimiento de las normativas de seguridad y prevención de riesgos en logística y transporte no solo protege a quienes trabajan en el sector, sino que también mejora la eficiencia operativa y reduce los costos derivados de incidentes laborales. La aplicación de la LPRL y de estándares internacionales como ISO 45001 e ISO 39001 permite a las empresas gestionar la seguridad de manera estructurada y efectiva. Una adecuada implementación de estas normativas es esencial para garantizar entornos laborales seguros y minimizar los riesgos asociados a las actividades logísticas y de transporte. Además, una gestión eficaz de la seguridad fortalece la imagen de la empresa y contribuye a la sostenibilidad de sus operaciones en el largo plazo.

Os dejo una presentación de clase sobre este tema. Forma parte de una asignatura denominada «Sostenibilidad, calidad y seguridad», del segundo curso del Grado en Gestión del Transporte y Logística de la Universitat Politècnica de València. También os dejo un mapa mental de dicha presentación.

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