Figura 1. Capacidad SAE del cucharón de una cargadora.
La capacidad colmada definida por la SAE (Society of Automotive Engineers) del cucharón de una cargadora es una medida normalizada que supone sumar a la capacidad a ras de la cuchara una cantidad adicional que se acumula con un ángulo de reposo de 2:1 con el nivel a ras paralelo al suelo (Figura 1). Se entiende como capacidad a ras al volumen contenido en el cucharón después de pasar un rasero que descanse sobre la cuchilla y la parte trasera del cucharón.
En el caso del cazo de una retroexcavadora, este talud sería de 1:1 según la norma SAE. Evidentemente, cada tipo de material tendrá un ángulo de reposo diferente. Por tanto, para calcular la capacidad de la cuchara, es necesario multiplicar por un factor de llenado. Este factor suele variar entre el 65 % (roca volada deficiente, con lajas o bloques) y el 110 % (marga o arcilla húmeda).
YEPES, V. (2022). Maquinaria para sondeos, movimientos de tierras y construcción de firmes. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 22.
Es habitual encontrarnos con equipos que, aunque trabajen de forma aislada, deban realizar varios tipos de trabajos consecutivos para terminar una tarea. Además, la producción de cada uno de estos trabajos es diferente. El problema radica en calcular la producción combinada conjunta. Uno de los ejemplos usuales es la producción de un buldócer (bulldozer, en inglés), que primero debe escarificar un terreno y luego debe empujarlo hasta una distancia de transporte determinada.
En una explotación minera o en obras civiles de gran envergadura deben circular unidades de acarreo por caminos provisionales. Lo importante es que el diseño de estas pistas permita la circulación de forma segura sin que se pierda el ritmo de producción. Para ello, hay que cuidar los aspectos relacionados con el firme, la pendiente, la anchura de la pista, los radios, los peraltes, los sobreanchos en curvas, la visibilidad en las curvas y en los cambios de rasante, y el bombeo. Se obtienen los mejores rendimientos y condiciones de seguridad con pendientes en torno al 8 %, siempre que la resistencia a la rodadura se considere normal.
A continuación, os presento un vídeo explicativo y un problema resuelto. Nos hemos basado en el Manual de áridos, una publicación de 1998 que encontraréis en las referencias. Espero que os resulte interesante.
LÓPEZ JIMENO, C. (ed.) (1998). Manual de áridos. Prospección, explotación y aplicaciones. E.T.S. de Ingenieros de Minas de Madrid, 607 pp.
MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2005). Temas de procedimientos de construcción. Extracción y tratamiento de áridos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2005.165. Valencia, 74 pp.
Figura 1. Sifonamiento en la base de una tablestaca o pantalla.
La inestabilidad del fondo o sifonamiento ocurre cuando existe un flujo ascendente, un terreno granular no consolidado puede perder completamente su resistencia a corte y comportarse como un fluido (arenas movedizas, partículas sueltas, como en ebullición), por lo que al fenómeno también se le conoce como fluidificación. Ello ocurre cuando un incremento de la presión intersticial anula la presión efectiva, o dicho de otra forma, cuando las fuerzas producidas por la filtración superan el peso sumergido del suelo. Este fenómeno podría aparecer en pantallas o tablestacas con un empotramiento reducido (Figura 1). En un artículo anterior al que denominamos “El efecto Renard, o por qué un suelo parece que entra en ebullición: Sifonamiento”, explicamos con cierto detalle este fenómeno y resolvimos cuál debería ser la profundidad a la que debería hincarse una tablestaca para evitar que un suelo sin cohesión pierde completamente su resistencia al corte y pasa a comportarse como un fluido.
A este respecto, ya avisamos que una cosa es la profundidad mínima de empotramiento para evitar el sifonamiento y otra bien diferente es calcular el empotramiento necesario de una tablestaca para soportar los esfuerzos de empuje a los que está sometido. Por tanto, el empotramiento real será el mayor de los dos valores. Se recomienda siempre efectuar con detalle los cálculos geotécnicos y estructurales necesarios. Y sobre todo, utilizar el sentido común.
En una entrada anterior, donde se describían los problemas del agua en las excavaciones, ya se habló del levantamiento de fondo o taponazo: El fondo de la excavación se puede volver inestable cuando el peso del terreno no es capaz de equilibrar al empuje del agua (Figura 1). Es típico de un estrato de baja permeabilidad (como una arcilla o roca de baja permeabilidad sin fisuras) situado sobre un acuífero confinado de mayor conductividad hidráulica (como una grava, muy permeable). Suele resolverse el problema con pozos de alivio.
Resulta habitual en edificación tener que realizar la excavación de un solar cuando tenemos un nivel freático somero. En este caso es común el uso de pozos drenantes para ejecutar la excavación en seco. En la asignatura de Procedimientos de Construcción hay un tema dedicado al control del nivel freático.
En el problema que os paso a continuación, utilizo un solo pozo para mantener el nivel piezométrico controlado. Para eso he empleado la conocida fórmula de Dupuit-Thiem. Sin embargo, dicha expresión se ha deducido para acuíferos confinados, donde es más sencillo simplificar las condiciones de contorno. En el caso de acuíferos libres, especialmente cuando su espesor no es muy grande, se puede usar dicha ecuación aplicando la corrección de Jacob.
He querido irme al caso en que desconozco la permeabilidad del terreno. Para eso debo medir los descensos en, al menos, un par de puntos, para obtener la Transmisividad, que es uno de los parámetros empleados en la fórmula de Dupuit-Thiem. Espero que este problema os sea de interés.
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, nº 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 aplications. Third Edition, John Wiley & Sons.
PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W. (2016). Groundwater Control – Design and Practice, 2nd Edition. Construction Industry Research and Information Association, CIRIA Report C750, London.
TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
En un artículo anterior definimos la distancia crítica de transporte en un movimiento de tierras como aquella distancia en la que el equipo de cargadoras y camiones está equilibrado. Es decir, ni sobran ni faltan camiones o cargadoras. O dicho de otra forma, es la distancia de transporte en la que no existen esperas en las máquinas. Esta es una distancia teórica, puesto que para calcularla debemos conocer todos los datos de antemano, y estos no son deterministas. Por otra parte, en obra ocurre lo contrario: tenemos una distancia de transporte como dato, pero en este caso se trataría de saber cuántos camiones y cargadoras serían necesarios para que no existiesen demoras. Afortunadamente en obra se puede corregir rápidamente cualquier desfase. En dicho artículo proporcionamos, incluso, una calculadora en línea para que se pudiesen visualizar los cambios.
Aquí lo que presento es un problema resuelto que, espero, os sea de interés. Este problema lo puse en su momento en un examen de Procedimientos de Construcción, en la ETS de Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos de Valencia.
La Universitat Politècnica de València, en colaboración con la empresa Ingeoexpert, ha elaborado un Curso online sobre “Gestión de costes y producción de la maquinaria empleada en la construcción”.
El curso, totalmente en línea, se desarrollará en 6 semanas, con un contenido de 75 horas de dedicación del estudiante. Hay plazas limitadas.
Os paso un vídeo explicativo y os doy algo de información tras el vídeo.
Este es un curso básico sobre la gestión de los costes y la producción de los equipos y maquinaria empleada en la construcción, tanto en obras civiles y de edificación. Se trata de un curso que no requiere conocimientos previos especiales y está diseñado para que sea útil a un amplio abanico de profesionales con o sin experiencia, estudiantes de cualquier rama de la construcción, ya sea universitaria o de formación profesional. Además, el aprendizaje se ha escalonado para que el estudiante pueda profundizar en aquellos aspectos que les sea de interés mediante documentación complementaria y enlaces de internet a vídeos, catálogos, etc.
En este curso aprenderás los conceptos básicos sobre la gestión de la producción, la selección económica de los bienes de equipo, los costes de propiedad y operación de la maquinaria, su amortización, la disponibilidad y fiabilidad de los equipos, el mantenimiento y reparación, los parques de maquinaria y la gestión de instalaciones, almacenes e inventarios, el estudio del trabajo y la productividad, las políticas de incentivos, métodos de medición del trabajo y la producción de equipos de máquinas. El curso se centra especialmente en la comprensión de los fundamentos básicos que gobiernan la gestión de los costes y la producción de los equipos, mostrando especial atención a la maquinaria pesada de movimientos de tierras y compactación. Es un curso de espectro amplio que incide en el conocimiento de los fundamentos de la ingeniería de la producción. Resulta de especial interés desarrollar el pensamiento crítico del estudiante en relación con la selección de los métodos y técnicas empleadas en la gestión de los costes y el rendimiento de la maquinaria en casos concretos. El curso trata llenar el hueco que deja la bibliografía habitual, donde no se profundiza en el coste y la producción de conjuntos de equipos. Además, el curso está diseñado para que el estudiante pueda ampliar por sí mismo la profundidad de los conocimientos adquiridos en función de su experiencia previa o sus objetivos personales o de empresa.
El contenido del curso se organiza en 30 lecciones, que constituyen cada una de ellas una secuencia de aprendizaje completa. Además, se entregan 75 problemas resueltos que complementan la teoría estudiada en cada lección. La dedicación aproximada para cada lección se estima en 2-3 horas, en función del interés del estudiante para ampliar los temas con el material adicional. Al finalizar cada unidad didáctica, el estudiante afronta una batería de preguntas cuyo objetivo fundamental es afianzar los conceptos básicos y provocar la duda o el interés por aspectos del tema abordado. Al final se han diseñado tres unidades adicionales para afianzar los conocimientos adquiridos a través del desarrollo de casos prácticos, donde lo importante es desarrollar el espíritu crítico y su capacidad para resolver problemas reales. Por último, al finalizar el curso se realiza una batería de preguntas tipo test cuyo objetivo es conocer el aprovechamiento del estudiante, además de servir como herramienta de aprendizaje.
El curso está programado para 75 horas de dedicación por parte del estudiante. Se pretende un ritmo moderado, con una dedicación semanal en torno a las 10-15 horas, dependiendo de la profundidad requerida por el estudiante, con una duración total de 6 semanas de aprendizaje.
Objetivos
Al finalizar el curso, los objetivos de aprendizaje básicos son los siguientes:
Comprender la utilidad y las limitaciones de las técnicas actuales para la gestión de costes y producción de los equipos de máquinas empleados para la construcción
Evaluar y seleccionar la maquinaria atendiendo a criterios económicos y técnicos
Conocer la gestión de los sistemas de almacenamiento de materiales en obra y los parques de maquinaria
Aplicar las técnicas de estudios de métodos y medición del trabajo para mejorar la eficiencia de los equipos
Aplicar técnicas de aprendizaje e incentivos a la producción para mejorar la productividad
Programa
– Lección 1. Mecanización de las obras
– Lección 2. Adquisición y renovación de la maquinaria
– Lección 3. La depreciación de los equipos y su vida económica
– Lección 4. Selección de máquinas y equipos
– Lección 5. La estructura del coste
– Lección 6. Costes de propiedad de las máquinas
– Lección 7. Costes de operación de las máquinas
– Lección 8. Fondo horario y disponibilidad de los equipos
– Lección 9. Fiabilidad de los equipos
– Lección 10. Mantenimiento y reparación de los equipos
– Lección 11. Instalación y organización interna de la obra
– Lección 12. Parques de maquinaria y gestión de inventarios
– Lección 13. Constructividad y constructibilidad
– Lección 14. Estudio del trabajo y productividad
– Lección 15. Los incentivos a la productividad en la construcción
– Lección 16. Estudio de métodos
– Lección 17. Medición del trabajo
– Lección 18. La curva de aprendizaje en la construcción
– Lección 19. Ciclo de trabajo y factor de acoplamiento
– Lección 20. Producción de los equipos
– Lección 21. Composición y clasificación de suelos
– Lección 22. Movimiento de tierras y factor de esponjamiento
– Lección 23. Producción de los buldóceres
– Lección 24. Producción de las cargadoras
– Lección 25. Producción de las motoniveladoras
– Lección 26. Producción de las mototraíllas
– Lección 27. Producción de las retroexcavadoras
– Lección 28. Producción de las dragalinas
– Lección 29. Producción de los equipos de acarreo
– Lección 30. Producción de los compactadores
– Supuesto práctico 1.
– Supuesto práctico 2.
– Supuesto práctico 3.
– Batería de preguntas final
Profesorado
Víctor Yepes Piqueras
Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Universitat Politècnica de València
Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos (1982-1988). Número 1 de promoción (Sobresaliente Matrícula de Honor). Especialista Universitario en Gestión y Control de la Calidad (2000). Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos, Sobresaliente «cum laude». Catedrático de Universidad en el área de ingeniería de la construcción en la Universitat Politècnica de València y profesor, entre otras, de las asignaturas de Procedimientos de Construcción en los grados de ingeniería civil y de obras públicas. Su experiencia profesional se ha desarrollado como jefe de obra en Dragados y Construcciones S.A. (1989-1992) y en la Generalitat Valenciana como Director de Área de Infraestructuras e I+D+i (1992-2008). Ha sido Director Académico del Máster Universitario en Ingeniería del Hormigón (2008-2017), obteniendo durante su dirección la acreditación EUR-ACE para el título. Profesor Visitante en la Pontificia Universidad Católica de Chile. Investigador Principal en 5 proyectos de investigación competitivos. Ha publicado más de 160 artículos en revistas indexadas en el JCR. Autor de 10 libros, 22 apuntes docentes y más de 350 comunicaciones a congresos. Ha dirigido 16 tesis doctorales, con 10 más en marcha. Sus líneas de investigación actuales son las siguientes: (1) optimización sostenible multiobjetivo y análisis del ciclo de vida de estructuras de hormigón, (2) toma de decisiones y evaluación multicriterio de la sostenibilidad social de las infraestructuras y (3) innovación y competitividad de empresas constructoras en sus procesos. Ha recibido el Premio a la Excelencia Docente por parte del Consejo Social, así como el Premio a la Trayectoria Excelente en Investigación y el Premio al Impacto Excelente en Investigación, ambos otorgados por la Universitat Politècnica de València.
Lorena Yepes Bellver
Ingeniera civil, máster en ingeniería de caminos, canales y puertos y máster en ingeniería del hormigón. Universitat Politècnica de València.
Profesora Asociada en el Departamento de Mecánica de los Medios Continuos y Teoría de las Estructuras de la Universitat Politècnica de València. Es ingeniera civil, máster en ingeniería de caminos, canales y puertos y máster en ingeniería del hormigón. Ha trabajado en los últimos años en empresas constructoras y consultoras de ámbito internacional. Aparte de su dedicación docente e investigadora, actualmente se dedica a la consultoría en materia de ingeniería y formación.
Figura 1. Retroexcavadora alimentando a un camión-dúmper. Imagen: V. Yepes
En obra es habitual que una máquina principal esté alimentando a un conjunto de máquinas auxiliares. Por ejemplo, en movimiento de tierras, una retroexcavadora puede estar cargando a un conjunto de camiones-dúmper (Figura 1). Otro ejemplo es un buldócer que está empujando a un equipo de mototraíllas convencionales. En estos casos, si se avería una máquina auxiliar, el resto de unidades puede seguir trabajando, aunque con una menor producción. Pues bien, se dice que un equipo de máquinas auxiliares está trabajando en paralelo entre ellas. Sin embargo, el conjunto de máquinas auxiliares trabaja en serie o en cadena respecto a la principal, pues el fallo de la máquina principal, o del total de las auxiliares, paraliza al conjunto. Veamos cómo podemos calcular la disponibilidad intrínseca de un conjunto de máquinas iguales que trabaje en paralelo sabiendo que la disponibilidad intrínseca de cada una de ellas es d.
Sean n máquinas iguales trabajando en paralelo, con una disponibilidad intrínsecad. Si se dispone de un conjunto suficientemente grande de unidades, una fracción d de ellas se encontrarán en disposición, y otra fracción (1-d) no operativas. Si se extrae una muestra n de ellas -las que forma nuestro equipo-, la probabilidad de que se encuentren x máquinas en disposición sigue una distribución binomial:
La probabilidad que el equipo esté parado, es decir, que ninguna de las máquinas se encuentre activa será:
y la probabilidad de que el equipo se encuentre en disposición, aunque sea solo una de las máquinas será:
En la Figura 2 se muestra la probabilidad de que se encuentren x máquinas trabajando en paralelo operativas en un equipo de 15 en función de la disponibilidad intrínseca. Por ejemplo, para d = 0,80 lo más probable es que se encuentren 12 máquinas trabajando, siendo casi despreciable la probabilidad que trabajen menos de 6 unidades. Se observa que la probabilidad máxima aumenta con la disponibilidad intrínseca.
Figura 2. Probabilidad de que se encuentren trabajando x máquinas en paralelo en función de la disponibilidad intrínseca para un equipo de 15 máquinas. Elaboración propia.
En la Figura 3 se muestra la probabilidad de disposición de un conjunto de máquinas trabajando en paralelo en función del número de unidades del equipo y la cantidad de ellas que se encuentran trabajando, para una disponibilidad intrínseca d = 0,85. Por ejemplo, para un conjunto de 10 unidades, la probabilidad de que se encuentren trabajando 9 de ellas, es del 34,7%. Como resulta evidente, si hay solo un equipo, la probabilidad de que trabaje es del 85%, que coincide con su disponibilidad intrínseca. Se observa que las probabilidades máximas de disposición disminuyen conforme aumenta el número de unidades del equipo y la exigencia de que esté un número mayor de ellas trabajando.
Figura 3. Probabilidad de que se encuentren trabajando x máquinas en paralelo en función del número de unidades del equipo y del número de ellas que se encuentren activas, para una disponibilidad intrínseca d = 0,85. Elaboración propia.
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.
ROJO, J. (2010). Manual de movimiento de tierras a cielo abierto. Fueyo Editores, S.L., Madrid, 926 pp.
Figura 1. Pala sobre neumáticos cargando dúmper. Imagen: V. Yepes
Se denominará ciclo de trabajo, en su sentido más amplio, a la serie de elementos u operaciones elementales que se suceden para realizar completamente una tarea u operación.
Tiempo del ciclo será el invertido en realizar toda la serie de operaciones elementales hasta completar el ciclo, pudiéndose referir a un recurso o a un conjunto de ellos.
El tiempo del ciclo de una máquina se descompone en varios sumandos:
Tiempo fijo: es la duración de determinadas operaciones que requieren un tiempo determinado como la carga, descarga y maniobras en el caso de una pala cargadora de tierras.
Tiempo variable: es la duración de las operaciones elementales que dependen de determinadas condiciones del trabajo, por ejemplo la distancia en un ciclo de transporte.
Tiempo muerto de inactividad: son tiempos de espera que invierte una máquina en esperar a otra cuando realizan juntas una operación.
Un caso habitual consiste en utilizar varias máquinas cuyos ciclos individuales de trabajo tienen un intervalo común. Por ejemplo, una cargadora con varios camiones (Figura 1) o un equipo de mototraíllas convencionales ayudadas en su carga por un tractor. En estos casos, los ciclos individuales de las máquinas se pueden agrupar para formar un ciclo de equipo que se repite periódicamente.
En la Figura 2 se han representado los ciclos de la máquina principal (una cargadora) y los de las máquinas auxiliares a las que sirve (cinco camiones). Se puede observar que la máquina principal presenta un tiempo muerto debido a la falta de un sexto camión. Esto se debe a que el ciclo de la máquina auxiliar no es múltiplo del ciclo de la máquina principal.
Figura 2. Esquema de los ciclos acoplados de máquinas trabajando en equipo. Tiempo muerto en la máquina principal
Siguiendo con este ejemplo, si existiese un sexto camión, la cargadora estaría siempre trabajando, mientras que los camiones deberían parar un tiempo en su ciclo para que este fuera múltiplo del de la cargadora (Figura 3). En este caso, la producción conjunta sería máxima, el plazo de ejecución mínimo y el coste por unidad de obra sería mayor.
Figura 3. Esquema de los ciclos acoplados de máquinas trabajando en equipo. Tiempos muertos en las máquinas auxiliares
Al recurso que limita la producción de un equipo se le denomina cuello de botella. Su identificación es esencial porque cualquier cambio introducido en el funcionamiento repercutirá en la capacidad de producción del equipo. En la Figura 2 se representa un equipo donde el cuello de botella son los camiones, mientras que en la Figura 3 lo es la cargadora. El recurso que causa el estrangulamiento es el que determina la producción del equipo. Se define como factor de acoplamiento o “match factor” a la relación entre la máxima producción posible de los equipos auxiliares respecto a la máxima producción posible de los equipos principales. El coste más bajo de producción se obtiene para factores de acoplamiento próximos a la unidad, pero por debajo de ella.
Conociendo los tiempos de los ciclos de las máquinas se puede estimar el número necesario de máquinas principales y auxiliares. En efecto, en una unidad de tiempo, por ejemplo, 1 hora, el número total de ciclos Nciclos, p que realizan np máquinas principales será:
donde tp es el tiempo del ciclo de la máquina principal.
Análogamente, en una unidad de tiempo, el número total de ciclos Nciclos,a que realizan na máquinas auxiliares será:
donde ta es el tiempo del ciclo de la máquina auxiliar.
Por tanto, como el número de ciclos que hacen las máquinas principales debe ser igual al número de ciclos que realizan las máquinas auxiliares, entonces
Si existen un total de P tipos distintos de máquinas principales y A de máquinas auxiliares, podemos generalizar a la siguiente expresión:
Os dejo el siguiente vídeo sobre el acoplamiento entre máquinas, que espero os sea de interés.
