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Contención del agua mediante inyección de lechadas inestables

Figura 1. Inyección de lechada. Fuente: https://www.suelosingenieria.com/index.php/actividades/construccion/mejoramientos-de-suelos/inyecciones-lechada

La inyección de morteros o suspensiones inestables es el caso habitual de las lechadas de cemento (Figura 1). Se trata de una suspensión de cemento en agua cuya homogeneidad está condicionada a la agitación de la mezcla. Una vez cesa la agitación, se inicia la sedimentación del cemento. Esa sedimentación provoca el taponamiento de los poros y la inyección se obstaculiza. El cemento es un excelente material de inyección, pues no solo rellena los huecos, sino que, al fraguar, endurece el terreno o los macizos rocosos.

La aplicación habitual de la inyección de lechadas inestables es aumentar la resistencia de un macizo rocoso, aunque también se consigue impermeabilizar, especialmente si se emplean lechadas tratadas químicamente (estables). Lo habitual es que la inyección con lechadas de cemento sea por impregnación (2 a 5 MPa) o por fractura (9 a 10 MPa). También se podría realizar una inyección de compactación, pero requiere que el fluido sea muy denso, de forma que los bulbos de mortero fraguado desplacen y compacten la masa de suelo en sus alrededores.

La impermeabilización facilita tanto la ejecución de trabajos posteriores, como es el caso de la excavación de pozos o galerías bajo nivel freático que luego se revestirán, como para completar trabajos definitivos, como es la ejecución de pantallas estancas bajo presas, cuando se adivinan filtraciones de agua importantes (Figura 2). La inyección a alta presión no sería necesaria para garantizar la impermeabilización, sin embargo, es frecuente pues permite utilizar explosivos en la excavación posterior sin perjudicar la calidad del tratamiento.

Figura 2. Tratamiento de inyecciones en presa de hormigón. Adaptado de Houlsby (1990)

La consolidación mediante inyecciones de cemento en un macizo rocoso facilita la ejecución de trabajos posteriores, como es el caso de la perforación de galerías en terrenos difíciles y mejora la capacidad resistente de la cimentación de una obra, por ejemplo, bajo la pila de un puente, en los estribos de una presa bóveda, etc.

Figura 3. Formación de una bóveda a la entrada de un intersticio en un suelo granular

El prototipo de suspensión inestable es un mortero de un tipo análogo al de uso corriente, pero suficientemente diluido para que pueda ser inyectable. Es decir, un mortero muy fluido (lechada), inestable por el tamaño de los granos de cemento y por el proceso de fabricación. El grado de dilución en este tipo de suspensiones es variable, con relaciones máximas de 10 litros de agua/1 kg de cemento, y lo mismo que en los morteros estables pueden añadirse proporciones de arena. Las relaciones agua/cemento varían desde 0,5:1 hasta 10:1, aunque es habitual una proporción de 0,8:1 a 5:1 (Bell, 1993).

La penetrabilidad de las lechadas de cemento depende del tamaño de los granos de cemento, de la posibilidad de formación de un cúmulo de granos en bóveda al atravesar un intersticio (Figura 3) y de la velocidad del fluido con la que comienza la sedimentación del cemento. Es por ello una solución muy adecuada para materiales granulares gruesos como zahorras, gravas y arenas gruesas, o bien para la inyección de grietas en macizos rocosos. En cambio, resulta un procedimiento poco eficaz en arenas, excepto si lo que se pretende es la consolidación o compactación conseguida cuando se inyecta en cortos intervalos (Tomlinson, 1982). Se trata de una solución sencilla y de relativamente poco coste, pero que se encuentran limitadas por la permeabilidad del medio. El uso de cemento portland corriente y agua ya no es adecuado en suelos con una permeabilidad menor a 10^-3 m/s.

Figura 4. Selección de inyección para consolidación y estabilización de suelos. Fuente: https://col.sika.com/dms/getdocument.get/8de57674-59ac-3af1-ada7-a6bddb323deb/CONSOLIDACION,%20ESTABILIZACION%20E%20IMP%20DE%20SUELOS%20Y%20ROCAS.pdf

Se pueden distinguir, entre las lechadas de cemento, las siguientes:

Suspensiones de cemento puro: con una relación cemento/agua que oscila entre 0,1 y 0,5 en peso.
Suspensiones de cemento rebajado: donde se reemplaza parte del cemento por un polvo inerte como una arena fina o cenizas volantes. Con el porcentaje de arena, la resistencia decrece rápidamente, pero no es problema si se pretende impermeabilidad. No obstante, las suspensiones de arena desgastan rápidamente las bombas de inyección.

El equipo empleado para la elaboración de las mezclas de cemento consta de un turbo mezclador de altas revoluciones (más de 1250 rpm); un mezclador de bajas revoluciones (de 60 a 80 rpm) que mantiene en agitación la mezcla durante la inyección; bombas de tornillo sinfín o de doble pistón con capacidad de inyección variable de 0 a 60 l/min y presión ajustable de 0 a 3 o 4 MPa; obturadores mecánicos, neumáticos o hidráulicos y manómetros registradores (Figura 5).

Figura 5. Esquema del equipo de inyección (Cambefort, 1968)

El tiempo de inyección está relacionado con la evolución de la viscosidad del material inyectado, con la presión de inyección admisible y con el radio efectivo (Bielza, 1999). En las suspensiones de cemento, el tiempo de inyección se limita a 2-4 horas. Cuando comienza la hidratación total, se inicia el fraguado del cemento. La lechada es bombeable desde la fase de agitación hasta que son inyectadas, también después del inicio de la hidratación. Sin embargo, tras ese comienzo la resistencia final del material se reduce. Por tanto, no se aconseja la inyección de suspensiones bajo condiciones de hidratación. Las resistencias normales a compresión simple oscilan entre 5 y 50 MPa a 28 días. El tiempo de fraguado aumenta con la relación agua/cemento. Así, las lechadas de cemento fraguan en unas 4-5 horas, pero si están muy diluidas, este periodo se puede alargar a las 10-15 horas. Incluso algunas lechadas con relaciones agua/cemento mayores a 10 nunca llegan a fraguar.

Como las lechadas de cemento son inestables, su velocidad de flujo baja rápidamente conforme crece la distancia desde la perforación hasta la zona de inyección, sedimentando las partículas en una proporción decreciente con la relación agua/cemento de la mezcla. Es decir, cuanta mayor dosificación tenga el mortero, más elevada será la velocidad crítica de sedimentación. Es por ello que se aconseja que la lechada inicial tenga poca dosificación, por ejemplo, una relación a/c de 10:1 a 15:1 para evitar los taponamientos prematuros. La dosificación ideal sería la más pequeña que permita alcanzar la contrapresión de rechazo establecida de antemano. En la práctica, la dosificación inicial se determina a partir del resultado del ensayo de agua (ensayo Lugeon).

Para aumentar la penetrabilidad se aconseja el empleo de cemento de alta finura de molido o micro cementos. Se evitan las bóvedas de granos al atravesar intersticios utilizando mezclas muy fluidas, denominadas mezclas medias. Sin embargo, el tratamiento de impregnación en masa no resulta aconsejable con este tipo de suspensiones inestables. Para que una inyección inestable sea factible, o no sea muy complicada, el tamaño mínimo de las partículas del terreno debería situarse entre 5 y 10 mm. Además, en terrenos con un 10% de finos ya no es factible inyectar cemento. En arenas y gravas se hincan tubos de punta perdida, un tubo de inyección cada 4 m² aproximadamente, inyectándose por zonas de unos 50 cm de altura. Si las inyecciones son con lechadas de cemento de molido normal y tamaños muy diferentes (0 a 160 μ) no se pueden utilizar en fisuras de abertura inferior a 0,1 mm ni en suelos arenosos de tamaño inferior a 0,8 mm, pues se produce un filtrado de las partículas y la lechada no penetra en el terreno (Schulze y Simmer, 1978). Es decir, las arcillas no pueden ser inyectadas. Por el contrario, si son los huecos demasiado grandes, se deposita inmediatamente la lechada, dando a la inyección un radio de acción muy pequeño.

En cambio, la aplicabilidad de las lechadas de cemento se encuentra plenamente justificada en el caso de macizos rocosos fisurados (presencia de diaclasas, planos de debilidad, estratificación). La presión del fluido desciende con la distancia, y también la velocidad, con lo cual comienza la sedimentación. Son habituales taladros de 60 a 90 mm separados de 2 a 5 m, según la roca. La lechada de cemento se inyecta por capas de 3 a 5 m de espesor, según el porcentaje de finos a cerrar.

En rocas o materiales gruesos se puede realizar una excavación bajo nivel freático colocando una cortina de mortero inyectado. Tomlinson (1982) recomienda dos filas de perforaciones para una inyección primaria con sus centros separados de 3 a 6 m en ambas direcciones, con unos segundos taladros, incluso terceros, entre ellos (Figura 6). Una regla empírica habitual para inyectar pasta en las grietas de los estratos rocosos es el uso de 0,07 kg/cm² por cada 30 cm de profundidad de la perforación. Se proporciona mayor presión en las inyecciones secundarias y terciarias en función de la eficacia de la inyección primaria.

Figura 6. Disposición de las perforaciones para formar una cortina impermeable con inyección de lechada de cemento alrededor de una excavación. Adaptado de Tomlinson (1982)

La presión de inyección de las lechadas inestables constituye uno de los parámetros de diseño más importantes, pues favorece la apertura de las fisuras en el caso de una roca fisurada. Esta presión puede alcanzar de 8 a 9 MPa. La presión facilita la expulsión del exceso de agua y permite corregir errores en la dosificación. Agranda tanto la longitud de penetración como las fisuras existentes, creando nuevas fisuras. Independientemente de la presión utilizada, la calidad del cemento depositado en las fisuras aumenta con la presión de inyección.

Por otra parte, la lechada discurre de forma casi paralela a los planos de estratificación o diaclasas del macizo rocoso. Las fisuras perpendiculares a la inclinación general del macizo son artificiales y ocurren en capas menos resistentes bajo la acción de presiones superiores a 10 MPa.

La mayor parte de los tratamientos de inyección en roca están relacionados con la construcción y mantenimiento de presas y túneles, y también en algunas aplicaciones en minería. Se trata de obras subterráneas donde las inyecciones tratan de reducir y controlar la filtración del agua. Suele ser habitual las lechadas de cemento, aunque en algunos casos se han realizado inyecciones químicas e inyecciones con resina.

Hay que apuntar, por último, que en la actualidad se utilizan las mezclas estables en la mayoría de los tratamientos de inyección y consolidación por sus mejores características reológicas. Sin embargo, si el terreno no presenta muchas dificultades, las inyecciones con lechadas inestables son un método económico y eficaz.

Referencias:

BELL, F.G. (1993). Engineering treatment of soils. E & F Spon, Londres.
BIELZA, A. (1999). Manual de técnicas de tratamiento del terreno. Carlos López Jimeno, Madrid, 432 pp.
CAMBEFORT, H. (1968). Inyección de suelos. Omega, Barcelona.
HOULSBY, A.C. (1990). Construction and Design of Cement Grouting. John Wiley & Sons, Inc, New York.
SCHULZE, W.E.; SIMMER, K. (1978). Cimentaciones. Editorial Blume, Madrid, 365 pp.
TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp. POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
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.

Cursos:

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

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Condicionantes en la selección de máquinas en la construcción

Figura 1. Retroexcavadora Cat 663 EH. https://www.diariomotor.com/tecmovia/2012/10/18/caterpillar-anade-un-sistema-hibrido-hidraulico-para-reducir-el-consumo-de-sus-excavadoras/

La adquisición de maquinaria en una empresa constructora es un aspecto de vital importancia para su rentabilidad económica actual y futura. Por tanto, la selección de los equipos deberá basarse en un estudio económico en profundidad. A continuación, se describen los elementos condicionantes y los criterios de selección.

La situación económica y financiera de la empresa, el tipo de trabajos que realiza, la situación del parque de maquinaria, la política y estrategia empresarial, el escenario económico y las perspectivas de nuevas obras son factores que influyen en la selección de la maquinaria y su posible adquisición. Sin embargo, la tipología de los trabajos, la capacidad de producción necesaria, la flexibilidad ante cambios en las condiciones, la fiabilidad y el servicio posventa son las condiciones que rodean el problema de la elección de la máquina más conveniente.

Para la selección, se procurará la unificación de los equipos (mayor simplicidad para el manejo, la conservación y la reparación, menor inventario de repuestos, simplificación en la formación y en la documentación), se considerará la adecuación de máquinas que han de trabajar en equipo, se analizarán los costes de mantenimiento (consumos de combustibles, materiales de conservación y piezas de desgaste) y se estimarán las producciones previsibles. Además, deben valorarse los costes de los transportes de ida y vuelta, los montajes y los desmontajes, la matriculación y los seguros. La elección de la máquina idónea para una obra determinada depende de factores tales como la situación geográfica de la obra y la facilidad de sus accesos, la climatología, la tipología del terreno, el tipo de energía disponible, el plazo de ejecución, la forma y extensión de las obras, etc.

Tabla 1. Factores que influyen en la elección del tipo de maquinaria

Ubicación de la obra	Zona industrial Zona urbana	Zona periurbana Altitud
Forma y extensión de la obra	Reducida Extensa	Lineal Puntual
Tipología del terreno	Arenoso Arcilloso	Rocoso Anegado
Accesos	Facilidad de transporte Viales Carreteras	Caminos Puentes Túneles
Personal	Disponibilidad	Calificación
Topografía	Plana Pendiente	Irregular Abrupta
Climatología y microclima	Temperaturas extremas Vientos dominantes	Precipitación máxima Nieve
Consumos	Combustibles	Lubricantes
Calidad de ejecución	Trabajos de precisión	Trabajos de volumen
Otros	Energías a emplear Nivel freático Agua potable	Mantenimiento Plazo de ejecución

Existen diversas marcas y modelos de máquinas capaces de satisfacer los condicionantes del trabajo requerido. La mejor opción depende del precio de la máquina, del rendimiento previsible y de otros factores como la calidad del servicio posventa, el precio de los repuestos y la rapidez en su suministro, entre otros. El precio de lista de los catálogos de venta puede variar considerablemente en función de los descuentos, la entrega de la máquina usada, las condiciones de pago y los intereses. El rendimiento previsible es el factor más importante a la hora de elegir la máquina, pero es difícil de estimar a menos que se tenga experiencia previa o se realicen demostraciones reales con el nuevo modelo. Por último, la adquisición de una máquina nueva es una opción tan válida como la compra de maquinaria usada, el alquiler u otros sistemas de financiación como el leasing.

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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Factores que determinan la producción de un equipo

Figura 1. ¿Qué factores influyen en la producción de un equipo?

En un artículo anterior se describió cómo se puede determinar la producción de los equipos. A continuación, vamos a profundizar en los factores que determinan la producción de un equipo. En efecto, para el responsable de una obra es imprescindible conocer los factores que influyen en los rendimientos de sus máquinas. Este conocimiento puede corregir y elevar los valores de la productividad. Dichos factores son los siguientes:

Factor de disponibilidad F_d: Relación entre el tiempo disponible y el tiempo laborable real. Si su valor es bajo, se deben investigar las causas: mala conservación, lentitud en las reparaciones, falta de repuestos, mal estado de la máquina o poca fiabilidad.

Factor de utilización F_u: Relaciona el tiempo de utilización con el de disposición. Nos indica la calidad de la organización y planificación de la obra. Un valor bajo de este factor puede deberse a una mala programación, a la falta de comunicación entre los mandos, a la falta de previsión de tajos alternativos, etc.

Eficiencia horaria, factor de eficacia o factor operacional F_e: Es el cociente entre la producción media por hora de utilización y la producción tipo de una máquina. Considera las horas de trabajo no productivo dedicado a tareas varias como traslados, preparación de tajo o tareas auxiliares. Depende fundamentalmente de la selección del personal y del método de trabajo. Normalmente su valor oscila entre 1,2 y 0,8.

Con estos tres factores se puede calcular la producción media por hora de utilización de una máquina P_l. En efecto:

Conviene destacar que, de los tres factores que corrigen la producción tipo solo el factor de disponibilidad depende directamente de la máquina y equipo de mantenimiento; los otros dependen de la organización de la obra, de la selección del personal y del método de trabajo. En las Tablas 1 y 2 se consideran los factores de producción en función de las condiciones de trabajo, la organización de la obra y los incentivos. Tienen carácter estimativo, por lo que sería aconsejable ajustar los coeficientes en cada caso.

Figura 2. Factor de disponibilidad en una obra (Rojo, 2010)

Figura 3. Factor de utilización según la importancia del equipo

Es posible definir un par de índices complementarios a los anteriores. Se denomina índice de paralizaciones p a la relación entre las interrupciones debidas a la organización de la obra, mal acoplamiento de máquinas, paradas por averías de otras máquinas, etc., y el laborable real.

Se llama factor de aprovechamiento F_a al cociente entre el tiempo de utilización de una máquina y el laborable real.

En las Tablas 1 y 2 se aportan algunas estimaciones groseras de los factores de producción, válidas a falta de mayores datos.

Tabla 1. Estimación del producto entre la eficiencia horaria y el factor de utilización

Tabla 2. Estimación de la eficiencia horaria según los incentivos y la organización

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.

Curso:

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

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El fenómeno del aprendizaje en el sector de la construcción

Figura 1. Curva de aprendizaje, que indica la cantidad aprendida en relación con el tiempo

Todos conocemos el fenómeno por el cual, a medida que se aprende a realizar una tarea determinada, disminuye el número de errores y, por tanto, aumenta la productividad. Este fenómeno se ha cuantificado mediante evidencias empíricas en una gran variedad de industrias y productos, y evidentemente también se puede aplicar al sector de la construcción.

En economía, la curva de aprendizaje curva de aprendizaje (Figura 1) se define como la que describe el grado de éxito obtenido durante el proceso de aprendizaje con el tiempo. En efecto, a medida que aumenta el número de ciclos o repeticiones, el tiempo o el coste necesario para producir un bien o servicio disminuye, por lo que la productividad aumenta con el tiempo. En la Figura 1, el ritmo de crecimiento del aprendizaje es alto al principio, pero luego se tarda más tiempo en aprender cosas nuevas. Sin embargo, puede haber tareas en las que sea difícil aprender al principio, lo que puede suponer una barrera de entrada, y luego todo se vuelva más sencillo.

El aprendizaje puede producirse a distintas escalas dentro de una organización (Serpell, 2002). Así, puede haber aprendizaje organizacional, aprendizaje personal y aprendizaje grupal. La organización puede aprender mejorando su coordinación, sus métodos de trabajo, sus medios de producción o aumentando la formación de sus empleados. En las personas se da una etapa de aprendizaje de la operación, en la que la productividad crece rápidamente, y una etapa de adquisición de experiencia, en la que la mejora es más gradual. Por otra parte, un grupo puede aprender, en parte, porque aprenden las personas y, también, porque aprende la organización.

En el caso de la construcción, el aprendizaje se ve afectado por una serie de factores característicos de este sector. Por una parte, cada obra es singular y tiene un bajo número de repeticiones, salvo en el caso de la prefabricación u obras muy específicas con un gran número de ciclos repetitivos. La improvisación, especialmente en la gestión de la obra (organización, dirección, planificación y control), afecta negativamente al proceso de aprendizaje. También influyen negativamente en la curva de aprendizaje la falta de coordinación y continuidad de los trabajos y la alta rotación del personal dentro de una obra. Otros factores, como la falta de formación previa de muchos operarios o la falta de motivación, también entorpecen el proceso de aprendizaje.

A continuación, analizamos un modelo analítico de la curva de aprendizaje, que suele ser de tipo logarítmico, aunque hay otras fórmulas de cálculo.

donde

Y_N = esfuerzo necesario para producir la enésima unidad

K = esfuerzo necesario para producir la primera unidad

N = contador del número de unidades producidas, comenzando por la primera unidad

S = constante que es una medida de la tasa de aprendizaje

La constante S es negativa, pues el esfuerzo por unidad disminuye con la producción. Se suele medir el esfuerzo por unidad en función del tiempo, del coste u otra medida equivalente. En la Figura 2 se muestra una curva de aprendizaje típica.

Este modelo asume que la reducción porcentual del esfuerzo necesario por unidad es constante cada vez que se duplica la producción o número de unidades, es decir, para cualquier valor de S, se tiene que:

Se llama R = 2^S al factor de aprendizaje, que es la proporción entre el esfuerzo necesario para 2N y el requerido para N. De esta forma, S=logR/log2. Por ejemplo, para un factor de aprendizaje del 95%, S=-0,0740. Según estudios realizados por Naciones Unidas (Serpell, 2002), el factor de aprendizaje para la construcción se encuentra entre un 80% y un 95%.

Si integramos la curva de aprendizaje, se puede obtener el esfuerzo total para N unidades:

Y el esfuerzo medio acumulado sería el siguiente:

Para comprobar si habéis entendido bien este modelo, os lanzo el siguiente reto: estimar el número de horas-hombre necesarias para construir 100 casas iguales por parte de la misma cuadrilla de albañiles, sabiendo que han tardado 200 horas-hombre en construir la primera casa y que el factor de aprendizaje es del 90 %. La solución es 117,12 horas-hombre. Si tuviéramos dos cuadrillas, cada una de las cuales hiciera 50 casas, ¿cuántas horas-hombre serían necesarias ahora? La solución es 130,13 horas-hombre.

Os dejo a continuación un vídeo explicativo que espero os sea de utilidad.

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.

SERPELL, A. (2002). Administración de operaciones de construcción. Alfaomega, Ediciones Universidad Católica de Chile, Colombia.

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376.

Curso:

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

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Diagramas de proceso de operaciones como herramienta en el estudio de métodos

Figura 1. Símbolos del diagrama de proceso

Según la American Society of Mechanical Engineers (ASME), el diagrama de proceso es una representación gráfica de los acontecimientos que se producen durante una serie de acciones u operaciones, así como de la información relacionada con estos. Durante un proceso tienen lugar cinco tipos de acciones: operación, transporte, inspección, almacenamiento y demora. En la Figura 1 se muestran los símbolos utilizados para estas acciones o su combinación.

Por cierto, el material de este artículo forma parte del curso que puedes seguir en línea, en el siguiente enlace: https://ingeoexpert.com/cursos/curso-de-gestion-de-costes-y-produccion-de-la-maquinaria-empleada-en-la-construccion/

El diagrama de las operaciones del proceso (operation process-chart) es una representación gráfica de los puntos en los que se introducen los materiales en el proceso y de la secuencia de las inspecciones y de todas las operaciones, excepto las relacionadas con el manejo de materiales. También incluye información relevante para el análisis, como el tiempo necesario y la ubicación. Este diagrama es útil cuando se va a iniciar el estudio de un proceso complicado o cuando se quiere implantar un nuevo proceso, con el fin de asegurarse de que no se pasa por alto ninguna fase importante.es una representación gráfica de los puntos en los cuales se introducen los materiales en el proceso y de la secuencia de las inspecciones y de todas las operaciones, excepto las comprendidas en el manejo de materiales. Abarca, además, información de interés para el análisis, tal como el tiempo requerido y la localización. Este diagrama puede utilizarse con provecho cuando se va a iniciar el estudio de un proceso complicado, y también cuando se quiere implantar un nuevo proceso, con el fin de asegurarse de que ninguna fase importante se pasa por alto.

Figura 2. Diagrama de las operaciones del proceso. Fabricación de una señal de tráfico

El diagrama del análisis del proceso del recorrido (flow process-chart) es una representación gráfica de todas las operaciones, transportes, inspecciones, demoras y almacenajes que tienen lugar durante el proceso o procedimiento, incluyendo información de interés para el análisis, tal como la relativa al tiempo requerido y a la distancia recorrida.

Las fases que se siguen para construir este diagrama son las siguientes:

Determinar el producto a seguir y la unidad del mismo a que se refiere el diagrama.
Apuntar todas las fases del proceso, anotando una breve definición de cada una.
Unir con trazos los símbolos de fases consecutivas.
Medir las distancias recorridas en los transportes.
Medir la duración de cada actividad.

Figura 3. Diagrama del análisis del proceso del recorrido (flow process-chart)

Os dejo a continuación un vídeo explicativo de esta herramienta.

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. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376.

Curso:

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

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Disponibilidad de una máquina en una obra

Figura 1. Aumentar la disponibilidad de un equipo en obra es un factor clave para la productividad. Imagen: V. Yepes

En un artículo anterior discutimos los distintos componentes del fondo horario de una máquina, o lo que es lo mismo, nos hacíamos la siguiente pregunta: ¿Por qué las máquinas pierden tanto tiempo en las obras? Ahora vamos a analizar el concepto de disponibilidad, muy relacionado con lo expuesto en aquel artículo.

Una máquina se encuentra disponible cuando se encuentra en estado operativo, es decir, en tiempo de disposición. La disponibilidad en obra o factor de disponibilidad F_d se define como el cociente entre el tiempo en que una máquina se encuentra en estado operativo y el tiempo laborable real.

La disponibilidad intrínseca d es el cociente entre el tiempo de utilización y el tiempo laborable real, sin tener en cuenta las paradas ajenas a la máquina debidas a tiempo disponible no utilizado (mala organización de obra, etc.). Valores bajos de estos factores se deben a causas tales como la mala conservación, la lentitud en las reparaciones, la falta de repuestos, el mal estado de la máquina, etc.

Los componentes de la disponibilidad se representan en la Figura 2.

Suponiendo que las averías ocurren dentro de la jornada laboral, pero el mantenimiento se realiza fuera de esta, la disponibilidad intrínseca se define, en términos estadísticos, como la probabilidad de que una máquina funcione satisfactoriamente en un momento dado o de que no presente averías que no puedan ser reparadas en un período de tiempo máximo permitido; es decir, sería el porcentaje del tiempo medio durante el cual el sistema está disponible para el servicio.

donde TMEF es el tiempo medio entre fallos y TMDR es el tiempo medio de reparación.

Desde la perspectiva de la disponibilidad, las máquinas se clasifican en dos grupos:

1.- Principales, cuyo fallo paraliza la producción de un equipo de máquinas: excavadoras, cargadoras, tractores empujadores de mototraíllas, etc. Precisan de una elevada disponibilidad.

2.- Máquinas de producción trabajando solas, y máquinas secundarias en equipo con otras: buldócer, excavando o ripando, retroexcavadoras en zanjeo, camiones y dúmperes, mototraíllas, compactadoras, etc.

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.

Curso:

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

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Alquiler frente a la compra de maquinaria empleada en la construcción

Figura 1. Maquinaria auxiliar, habitual en alquiler. Imagen: V. Yepes

Una opción interesante frente a la compra de maquinaria consiste en alquilar las máquinas más comunes y disponibles en el mercado. El alquiler permite reducir el tiempo de inactividad en las obras y evitar tener máquinas paradas en momentos de recesión. Por otro lado, la competencia existente entre las empresas dedicadas al alquiler permite encontrar buenos precios.

También hay otras motivaciones que aconsejan el alquiler frente a la compra: la falta de recursos financieros suficientes en la empresa, una cartera reducida o heterogénea de obras, la dispersión geográfica de las obras, el bajo uso de las máquinas o la falta de mano de obra cualificada. De forma similar al alquiler, existen pequeños subcontratistas que cuentan con máquinas y subcontratan parte de la obra (voladura, movimiento y compactación de tierras, extensión de firme, etc.).

El alquiler puede realizarse con conductor (maquinaria de movimiento de tierras, compactación, etc.) o sin conductor (generadores eléctricos, compresores, etc.). El periodo de alquiler puede ser por horas o por varios meses. También se puede facturar por horas de funcionamiento o de permanencia en obra.

En la Figura 2 se representa la influencia del coste de la maquinaria según su utilización. El alquiler resulta interesante siempre que los costes lo aconsejen, lo cual está relacionado con un bajo grado de utilización de la maquinaria. En empresas pequeñas o medianas, se puede considerar el alquiler de una máquina cuando no se superen las 1000 horas de trabajo anuales.

Figura 2. Conveniencia del alquiler frente a la compra de maquinaria

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.

Curso:

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

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

La depreciación de los equipos de obra y su obsolescencia

Figura 1. La maquinaria de obra pierde valor irremediablemente. Imagen: V. Yepes.

La maquinaria, como bien de equipo que constituye el patrimonio de una empresa, pierde valor al colaborar en el proceso productivo y con el paso del tiempo. A esta disminución de los activos de la empresa se le denomina depreciación y sus causas pueden ser las siguientes:

1.- Depreciación material: La maquinaria pierde valor a medida que presta los servicios que le son propios, es la denominada depreciación funcional. El mero transcurso del tiempo también devalúa los bienes de equipo, a veces incluso más que si estuvieran trabajando con normalidad, es la depreciación física. Una adecuada política de mantenimiento reducirá o retrasará la desvalorización de las máquinas, pero nunca la eliminará.

2.- Depreciación por obsolescencia: Es la merma que sufre una máquina cuando, incluso siendo nueva, queda anticuada por no ser competitiva frente a otras. Una de las principales causas es la competencia entre fabricantes. Esta pérdida puede deberse a:

Obsolescencia tecnológica: La innovación y los avances técnicos motivan la aparición continua de nuevas máquinas que cumplen la misma función de las existentes, pero con mayor eficiencia, produciendo con costes más bajos, ofreciendo mayor seguridad, siendo de más fácil manejo, etc. Si el ahorro de costes es suficiente, a la empresa le convendrá renovar o cambiar el equipo anticuado antes de terminar su vida técnica.
Obsolescencia por variaciones en la demanda: Una máquina excelente para un determinado nivel de producción, puede no ser rentable en otro nivel.
Obsolescencia por alteración en la retribución de algún factor productivo: Ante subidas del precio de la mano de obra o de determinado tipo de combustible, puede ser rentable aumentar la automatización o cambiar el tipo de máquina.

3.- Depreciación por agotamiento, caducidad o siniestro: Determinadas empresas, como las mineras, pierden elementos de su activo al «agotarse» el recurso natural que están explotando. En otras puede extinguirse la autorización administrativa para la gestión de una infraestructura (autopista, túnel, etc.), con lo que ciertos bienes de producción se devaluarán. Otras máquinas construidas para un trabajo específico deben amortizarse al acabarlo. Asimismo, un siniestro deprecia de forma brusca el valor del equipo.

Si se conociera exactamente la depreciación de un equipo podríamos estimar en cada momento su cotización en el mercado o valor de reventa. Sin embargo, este valor fluctúa según las condiciones locales y circunstancias específicas de cada caso, de modo que el precio depende de lo que un comprador esté dispuesto a pagar. Un ciclo de recesión económica, por ejemplo, propicia el aumento del mercado de segunda mano de la maquinaria y equipos de obra.

La cotización del equipo depende del número de años de servicio, de las horas trabajadas hasta el momento, de las que le restan para llegar a su obsolescencia, de la naturaleza de las tareas realizadas y de las condiciones en que se ha usado. La antigüedad es, en numerosas ocasiones, el factor que más influye en la cotización del equipo, ya que es el dato más fiable. El abandono de la fabricación de determinados modelos hace bajar la cotización de los equipos. Si la máquina pertenece a una gran firma internacional, su valor de reventa inspira cierta confianza.

Bajo un punto de vista estadístico, y puesto que el valor de reventa es decreciente, entre otros, con los años de servicio n, y con las horas trabajadas H, cabe ajustar una curva por mínimos cuadrados a los valores de mercado V_n que relacionan dichos parámetros con el valor inicial del equipo V₀ y su cotización en el año n. Una función que se ajusta razonablemente a dichas cifras es la exponencial, donde K, a y b son constantes que deben determinarse:

Esta expresión generaliza la deducida al suponer que la velocidad de desvalorización de un equipo por su uso es proporcional, en cada momento dado, a su coste real.

El valor de residual o de desecho es aquel que le queda a la máquina una vez se agota su vida útil o programada. Cuando la máquina está obsoleta, el valor de desecho es el de su chatarra. Puede alcanzar el 10-20 % del valor de adquisición. No obstante, no se aconseja excluir este valor de la amortización, pues es posible que ayude a sufragar el sobrecoste de las novedades incorporadas a la nueva máquina. Si se considera el valor de desecho, este se ajustará de forma descendente para anular el efecto de la inflación.

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.

Curso:

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

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La vida económica de la maquinaria

Figura 1. ¿Cuál es la vida económica de un equipo? No confundirla con la vida útil. Imagen: V. Yepes

Resulta paradójico deshacerse de una máquina cuando el coste horario es el más bajo posible. Este concepto, que a veces cuesta entender, provoca que muchas empresas se resistan a sustituir su maquinaria, lo que alarga su vida útil más de lo que aconseja la economía. En no pocas ocasiones se confunde la vida económica con la vida útil de un equipo. Pero analicemos con cierto detalle esta presunta paradoja para aclarar el concepto.

Al principio, poco después de su adquisición, el cociente entre los gastos acumulados a origen respecto a las horas trabajadas por una máquina es elevado. A medida que la máquina envejece, los costes de reparaciones y sustituciones de piezas son cada vez mayores. Por tanto, existe un punto intermedio en el que dicha relación es mínima. Dicho punto define la vida económica de un equipo, y es en ese momento cuando debería ser sustituido. La relación entre los costes horarios de una máquina a lo largo del tiempo se ha representado en la Figura 2.

Figura 2. Variación de los costos horarios y vida económica de un equipo

Los contratistas que no registran los costes horarios pueden utilizar sus máquinas más allá de su vida económica, por lo que sus costes unitarios de producción serán más elevados que los de su competencia. El reconocimiento y el tratamiento sistemático de la renovación de los bienes de equipo proporciona a las empresas amplias ventajas, ya que reduce:

Los costos de conservación.
Los costos de producción, salvando la competencia.
Las pérdidas por chatarra o retoques.
Las demoras y tiempos perdidos.

La vida económica óptima varía en función de la máquina y su trabajo, y es independiente de su vida técnica o física. Así, un equipo puede superar su vida económica y seguir funcionando correctamente o, por el contrario, retirarse antes por obsolescencia. Ahora bien, es absurdo pretender que una máquina trabaje indefinidamente. Con el paso del tiempo, los gastos de mantenimiento y de recuperación aumentan considerablemente el coste. Un cuidado concienzudo y las revisiones generales sistemáticas retrasan la fecha de inutilización, pero llega un momento en que conviene desembarazarse de la máquina, sobre todo cuando el riesgo de fallo de alguna pieza esencial por fatiga excesiva se hace inadmisible. A los equipos de obras públicas se les exige una elevada fiabilidad y, si la empresa no quiere deshacerse de la máquina, esta se pondrá en reserva, tras haber sido revisada a fondo.

Los costos horarios de reparación siguen una curva ascendente con las horas acumuladas de trabajo. Si se disponen de datos históricos sobre los costes totales de reparaciones R_H, para un número H de horas trabajadas, se pueden ajustar los coeficientes λ, μ y ρ de la siguiente parábola:

A los costes propios de la máquina deberían sumarse los de otros equipos que tienen que parar cuando la primera se detiene por una avería. Esta circunstancia evidencia un recorte de la vida útil de las máquinas de las que dependen. También sugiere la duplicidad de estos equipos y su trabajo en paralelo.

Al representar la acumulación de los costes según su origen en relación con el tiempo, aparece una línea quebrada, tal y como se muestra en la Figura 3. La recta que, desde el origen de coordenadas, es tangente a la curva de los costes acumulados, representa la pendiente mínima y, por tanto, el coste horario mínimo posible. En la Figura 3, el valor alcanza su mínimo para el ángulo BOX. El punto B señala el límite de la vida económica. Teniendo en cuenta que la mano de obra, los consumos y las reparaciones se pagan a precios muy diferentes en los distintos países, se comprueba que el óptimo económico varía de unos a otros.

Figura 3. Método gráfico para determinar el coste horario mínimo y la vida económica de un equipo

Cada máquina tiene su vida útil. Por ejemplo, 10 000 horas pueden ser adecuadas para un tractor sobre orugas, pero en una bomba de hormigón estacionaria dicha vida se reduce a la mitad. Algunos autores estiman una vida útil de entre 6000 y 16 000 horas de trabajo, en función de si el material es pesado o extraordinariamente pesado.

Referencias:

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

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Ciclo de trabajo de un equipo de máquinas

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 N_{ciclos, p} que realizan n_p máquinas principales será:

donde t_p es el tiempo del ciclo de la máquina principal.

Análogamente, en una unidad de tiempo, el número total de ciclos N_ciclos,a que realizan n_a máquinas auxiliares será:

donde t_a 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.

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