La evaluación técnica de una carretera

Figura 1. Representación de la evolución del índice PSI. https://www.pavementinteractive.org/

En una entrada anterior vimos que una infraestructura se puede evaluar con indicadores de estado y de prestaciones. En el caso de una carretera, las funciones básicas que debe cumplir pasan por poseer una capacidad estructural suficiente para soportar las cargas a la estará sometida, presentar un nivel de servicio adecuado bajo el punto de vista del usuario y garantizar la seguridad en cualquier momento. En consecuencia, el estado y las prestaciones de una carretera varían a lo largo del tiempo debido a las solicitaciones directas o indirectas, como puede ser el tráfico o el clima, y por tanto, se debe evaluar periódicamente el estado  de la carretera para garantizar las funciones básicas que antes hemos definido.

Dentro de la gestión de una carretera, llamaremos evaluación técnica al proceso que pasa por recoger datos, evaluar la infraestructura a través de un indicador y predecir la condición futura de la carretera mediante un modelo de comportamiento.

La primera fase de la evaluación técnica implica examinar las características de una carretera tanto desde el punto de vista funcional como estructural. Existen distintos tipos de indicadores para evaluar las características de una carretera. Estos indicadores se correlacionan entre ellos para comparar los valores cuando se utilizan distintas metodologías de medición. Si se evalúa la funcionalidad del pavimento, se puede medir el nivel de servicio o la seguridad. Por otra parte, la evaluación estructural mide la capacidad de soporte del pavimento. Para ello se pueden medir las propiedades mecánicas (deflexiones y deformaciones) o bien el deterioro superficial (agrietamiento, defectos superficiales o la deformación del pavimento.

  • El nivel de servicio mide la capacidad del pavimento para servir al tránsito ofreciendo un nivel de calidad adecuado a los usuarios; por tanto, se trata de una percepción subjetiva basada en la comodidad. Esta percepción se mide habitualmente relacionándola con la regularidad superficial, medida con indicadores como el IRI (International Roughness Index), PSI (Present Serviceaility Index) o PSR (Present Serviceaility Rating) . Hoy en día el IRI es el indicador más importante, y se evalúa a partir del perfil longitudinal del pavimento.
  • El nivel de seguridad de una carretera depende de múltiples factores, como son el diseño geométrico, la señalización o las características de los vehículos, entre otros muchos. Sin embargo, para medir la seguridad del pavimento se suele utilizar la textura (macrotextura o microtextura) y la resistencia al deslizamiento (coeficiente de fricción internacional, IFI). Hay que tener presente, en este caso, que la resistencia al deslizamiento no solo depende de la textura del pavimento, sino que también depende de las características de los neumáticos y de las condiciones del vehículo. Pero si se tiene que medir la condición del pavimento, deberemos centrarnos en la microtextura, que influye fuertemente en el deslizamiento de vehículos a baja velocidad sobre superficies mojadas) y la macrotextura (que facilita el drenaje del agua y que ofrece resistencia al deslizamiento en vehículos a alta velocidad sobre pavimentos mojados). El IFI, que es el indicador que se utiliza internacionalmente, consta de dos números, uno adimensional que representa la fricción (cero es un deslizamiento perfecto, y uno es adherencia) y otro, en unidades de velocidad (km/h) que representa la macrotextura. Con estos dos valores se puede calcular el valor de fricción a cualquier velocidad de deslizamiento.
  • Las propiedades mecánicas del pavimento (módulo elástico, fatiga, deformación y tensiones residuales) definen los parámetros de resistencia de las diferentes capas de la estructura del pavimento. Sin embargo, el indicador más utilizado para para evaluar la capacidad estructural es la medición de las deflexiones (deformación elástica de un pavimento al paso de una carga).
  • El deterioro superficial se hace patente con las grietas, defectos superficiales y deformaciones del pavimento, así como en los defectos de los tratamientos o reparaciones realizadas. Suele medirse mediante una inspección visual, que puede ser manual o automática.

 

Figura 2. Características evaluadas en la auscultación de pavimentos. Elaboración propia basada en Torres-Machí (2015)

Sin embargo, aunque todos los indicadores expuestos son de interés en la toma de decisiones, también es cierto que resulta conveniente disponer de indicadores compuestos que permitan simplificar la información. Se trata de combinar los indicadores individuales para simplificar la toma de decisiones. Algunos de ellos son el PCI (Pavement Condition Index), el PQI (Pavement Quality Index) y el POI (Pavement Overall Index). Como estos indicadores son una agregación de distintos deterioros, para utilizarlos en la gestión de una red de carreteras, es necesario una calibración previa (de Solminihac, 2001).

Estos indicadores se utilizan, entre otros, para realizar una optimización multiobjetivo en la toma de decisiones necesaria para el mantenimiento de una red de carreteras. En el caso de los indicadores de condición, se trata de maximizar dicho indicador a lo largo del ciclo de vida de la red de carreteras. Os dejo a continuación algunas referencias y trabajos de nuestro grupo de investigación.

Referencias:

  • DE SOLMINIHAC, H. (2001). Gestión de infraestructura vial. Pontificia Universidad Católica de Chile. Santiago, Chile.
  • TORRES-MACHÍ, C. (2015). Optimización heurística multiobjetivo para la gestión de activos de infraestructuras de transporte terrestre. Tesis doctoral. Universitat Politècnica de València – Pontificia Universidad Católica de Chile.
  • TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; PELLICER, E.; YEPES, V.; VIDELA, C. (2015). Sustainable pavement management: Integrating economic, technical, and environmental aspects in decision making. Transportation Research Record, 2523:56-63.
  • TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; VIDELA, C.; PELLICER, E.; YEPES, V. (2014). An iterative approach for the optimization of pavement maintenance management at the network level. The Scientific World Journal, Volume 2014, Article ID 524329, 11 pages.
  • TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; YEPES, V.; PELLICER, E. (2014). Current models and practices of economic and environmental evaluation for sustainable network-level pavement management. Revista de la Construcción, 13(2): 49-56.
  • TORRES-MACHI, C.; PELLICER, E.; YEPES, V.; CHAMORRO, A. (2017). Towards a sustainable optimization of pavement maintenance programs under budgetary restrictions. Journal of Cleaner Production, 148:90-102.
  • YEPES, V.; TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; PELLICER, E. (2016). Optimal pavement maintenance programs based on a hybrid greedy randomized adaptive search procedure algorithm. Journal of Civil Engineering and Management, 22(4):540-550.

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Indicadores de estado y de prestaciones de las infraestructuras

En una entrada anterior vimos las distintas estrategias de conservación de las infraestructuras y cómo éstas influían en el coste que debían pagar los usuarios. Estas estrategias podían modificar el estado o las prestaciones de la infraestructura, que de forma irremediable, se degradan con el tiempo. Llegado a este punto, conviene diferenciar los conceptos de estado y de prestaciones de una infraestructura.

La gestión de las infraestructuras (carreteras, puentes, etc.) supone un proceso por el cual se debe asignar de forma eficiente los recursos limitados en la dirección marcada por los objetivos estratégicos de la organización responsable de dicha gestión. Para ello se hacen necesarios una serie de indicadores que permitan medir de forma cuantitativa o cualitativa los resultados procedentes de las acciones realizadas sobre dichos activos respecto a los objetivos.

Dichos indicadores pueden ser de estado o de prestaciones. El estado o condición de una infraestructura se define como su estado físico, que puede afectar o no a sus prestaciones. En cambio, la prestación o rendimiento se define como la capacidad de la infraestructura para proveer un determinado nivel de servicio a los usuarios. Se pueden llamar también prestaciones funcionales, pues indican el nivel de habilitación de una infraestructura para desarrollar su función principal, que es la prestación del servicio, aunque también podrían incluir otras características o efectos no directamente relacionados con el servicio a los usuarios.

Saber diferenciar ambos conceptos es básico para cualquier organización responsable de la gestión de una infraestructura. Así, por ejemplo, las prestaciones de un puente pueden no verse afectadas por el estado hasta que se produzca un fallo. Es fácil encontrar un puente de hormigón con defectos superficiales (corrosión de armaduras, desconchados, etc.) que mantiene intacta su funcionalidad e integridad estructural. También podría darse el caso de un puente en muy buen estado que no sea capaz de soportar determinadas cargas de tráfico o que impone restricciones de gálibo que afectan al tráfico.

Puente “traga camiones” de Leganés. https://www.lavanguardia.com

Pero, ¿cuáles son las razones para disponer de indicadores en la gestión de las infraestructuras? Pues son imprescindibles para tomar decisiones que afectan a estos activos. Permiten identificar las necesidades de intervención, proporcionan la guía de los procesos y criterios en la toma de decisiones y son los elementos que permiten controlar el progreso hacia los objetivos y metas trazados por la organización responsable de la gestión.

En el caso de una carretera, los indicadores utilizados en su gestión se suelen agrupar en diferentes categorías que corresponden con los objetivos de la organización responsable de dicha gestión. Se podrían considerar, entre otros, los siguientes: conservación de la carretera, seguridad vial, movilidad y accesibilidad, medioambiente, operaciones y mantenimiento y eficiencia económica.

Si se disponen de mediciones de dichos indicadores, éstos permiten comparar sus valores con determinados estándares, umbrales o niveles mínimos. Esta información es determinante en la identificación de las necesidades de intervención y, por tanto, catalizan todo el proceso posterior de selección de intervenciones y asignación de recursos económico.

En artículos posteriores hablaremos de cómo podremos utilizar estos índices para el caso particular de las carreteras y utilizar técnicas procedentes de la optimización multiobjetivo y de la toma de decisiones multicriterio para asignar los presupuestos restrictivos de los que dispone una organización para que la condición de las carreteras sea la máxima posible. Ya adelantamos que el problema no es sencillo, pero afortunadamente nuestro grupo de investigación ya dispone de las herramientas necesarias para planificar el mantenimiento y la conservación de una red de carreteras o de calles en una ciudad con presupuestos muy restrictivos.

 

Referencias:

  • CLEMENTE, J.J. (2012). La toma de decisión en el marco de la gestión de activos de infraestructuras de transporte terrestre. Trabajo de investigación. Universitat Politècnica de València.
  • SALAS, J.; YEPES, V. (2019). MS-ReRO and D-ROSE methods: assessing relational uncertainty and evaluating scenarios’ risks and opportunities on multi-scale infrastructure systems. Journal of Cleaner Production, (accepted, in press).
  • SIERRA, L.A.; PELLICER, E.; YEPES, V. (2017). Method for estimating the social sustainability of infrastructure projects. Environmental Impact Assessment Review, 65:41-53.
  • SIERRA, L.A.; YEPES, V.; GARCÍA-SEGURA, T.; PELLICER, E. (2018). Bayesian network method for decision-making about the social sustainability of infrastructure projects. Journal of Cleaner Production, 176:521-534.
  • SIERRA, L.A.; YEPES, V.; PELLICER, E. (2017). Assessing the social sustainability contribution of an infrastructure project under conditions of uncertainty. Environmental Impact Assessment Review, 67:61-72.
  • SIERRA, L.A.; YEPES, V.; PELLICER, E. (2018). A review of multi-criteria assessment of the social sustainability of infrastructures. Journal of Cleaner Production, 187:496-513.
  • TORRES-MACHÍ, C. (2015). Optimización heurística multiobjetivo para la gestión de activos de infraestructuras de transporte terrestre. Tesis doctoral. Universitat Politècnica de València – Pontificia Universidad Católica de Chile.
  • TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; PELLICER, E.; YEPES, V.; VIDELA, C. (2015). Sustainable pavement management: Integrating economic, technical, and environmental aspects in decision making. Transportation Research Record, 2523:56-63.
  • TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; VIDELA, C.; PELLICER, E.; YEPES, V. (2014). An iterative approach for the optimization of pavement maintenance management at the network level. The Scientific World Journal, Volume 2014, Article ID 524329, 11 pages.
  • TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; YEPES, V.; PELLICER, E. (2014). Current models and practices of economic and environmental evaluation for sustainable network-level pavement management. Revista de la Construcción, 13(2): 49-56.
  • TORRES-MACHI, C.; PELLICER, E.; YEPES, V.; CHAMORRO, A. (2017). Towards a sustainable optimization of pavement maintenance programs under budgetary restrictions. Journal of Cleaner Production, 148:90-102.
  • YEPES, V.; TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; PELLICER, E. (2016). Optimal pavement maintenance programs based on a hybrid greedy randomized adaptive search procedure algorithm. Journal of Civil Engineering and Management, 22(4):540-550.

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¿Cómo influyen las estrategias de conservación y el coste que pagan los usuarios de las carreteras?

Figura 1. Las generaciones futuras tendrán que pagar por unas infraestructuras deterioradas

En esta entrada vamos a justificar cómo determinadas estrategias de gestión del mantenimiento y conservación de las carreteras disparan los costes que tienen los usuarios. Por tanto, en primer lugar vamos a definir las distintas estrategias posibles y posteriormente analizaremos cuál de ellas influye negativamente en el coste de los usuarios.

Si bien es cierto que estas nuevas infraestructuras nacen con un periodo de vida relativamente largo, no menos cierto es que una parte significativa de dicha infraestructura está empezando a notar el paso del tiempo; es más, parece que podemos vivir dentro de un horizonte no tan lejano, un verdadero colapso en los niveles de servicio prestados por estos activos. Lo peor de todo ello es que estas infraestructuras se financiaron a largo plazo y la siguiente generación (Figura 1) se va a encontrar con la sorpresa de tener que pagar por unas infraestructuras con pésimos niveles de servicio. Es lo que en otro artículo califiqué como la “crisis de las infraestructuras“. Todo ello nos lleva a la cuestión central del problema: la urgente necesidad de tener un plan racional con recursos suficientes para mantener las infraestructuras básicas de un país.

En la Figura 2 podemos ver una gráfica donde se representa no solo la degradación del estado o de las prestaciones de la carretera, sino las distintas estrategias que se tienen al alcance para modificar dicho deterioro.

Figura 2. Estrategias de conservación (Clemente, 2012)

Así, la estrategia preventiva o proactiva tiene como objetivo mantener en el tiempo el estado físico del elemento en un nivel adecuado, evitando que alcance elevados niveles de deterioro que puedan afectar a su funcionalidad y disparar los costes de reparación. Estas actuaciones son normalmente de alcance y coste limitado y se realizan con cierta periodicidad en función de la evolución observada o incluso de manera programada antes de que el defecto se llegue a manifestar. La estrategia correctiva o reactiva es la que deja al elemento que se deteriore al límite, en cuyo momento se realizan intervenciones de gran calado, como por ejemplo grandes rehabilitaciones integrales o estructurales, que lo devuelven, o lo intentan devolver, a su estado original. Sin embargo, son actuaciones de mayor coste, aunque más separadas en el tiempo. Por último, se podría optar por un deterioro controlado hasta la retirada. En este caso se pasa directamente a retirar el elemento cuando se ha alcanzado su vida útil de servicio y se sustituye por otro similar. Durante este periodo no se interviene, o se hace mínimamente para no afectar la funcionalidad.

Por tanto, la estrategia óptima no es evidente, pues depende tanto de factores endógenos (características constructivas de la carretera, edad, etc.) y exógenos (condiciones del clima, nivel de tráfico, etc.) y por tanto no se pueden generalizar las conclusiones. Este problema, por consiguiente, es uno de los focos más importantes de nuestro grupo de investigación. Os he puesto referencias de algunas de nuestras publicaciones.

Pero el problema se hace más complejo cuando se tienen en cuenta los costes de los usuarios. En efecto, las características de la carretera y el nivel y la composición de la demanda de tráfico influyen en los costes de los usuarios. Un mal estado del pavimento, incrementa claramente el coste soportado por el usuario. Y lo que es peor, un estado sub-óptimo de la infraestructura debido a una estrategia de conservación reactiva, tiene como consecuencia el incremento del riesgo de accidentes, la reducción de la velocidad de los vehículos, las restricciones de paso y la elección por los usuarios de itinerarios alternativos con mayor tiempo de recorrido. Insisto en este punto. Una conservación deficiente genera mayores costes a los usuarios relacionados con el valor del tiempo de viaje, con el vehículo y con los accidentes de tráfico.

En la Figura 3 se puede ver que existe un hipotético nivel de conservación óptimo que minimiza los costes totales del transporte, teniendo en cuenta el coste del usuario, el coste de conservación y el coste de construcción. Sin una estrategia clara de conservación, los responsables de una red de carreteras suelen realizar una conservación correctiva, que tiene un aparente ahorro económico en el corto plazo, pero que traslada al futuro unos costes que pueden ser muy elevados tanto para los contribuyentes que sufragan la inversión como para los usuarios.

Figura 3. Costes totales del transporte

A continuación os dejo algunas de las referencias y de los trabajos que se han publicado al respecto. Todo lo que estamos haciendo ahora se encuentra dentro de un proyecto de investigación competitivo al que hemos denominado DIMALIFE (BIA2017-85098-R): “Diseño y mantenimiento óptimo robusto y basado en fiabilidad de puentes e infraestructuras viarias de alta eficiencia social y medioambiental bajo presupuestos restrictivos”. Si alguien se anima trabajar en estos temas de investigación con nosotros o hacer una tesis doctoral, tiene las puertas abiertas.

Además, igual os interesa leer los enlaces que publicamos en una entrada anterior: ¿Qué hemos hecho para conservar nuestras carreteras?

Referencias:

  • CLEMENTE, J.J. (2012). La toma de decisión en el marco de la gestión de activos de infraestructuras de transporte terrestre. Trabajo de investigación. Universitat Politècnica de València.
  • SALAS, J.; YEPES, V. (2019). MS-ReRO and D-ROSE methods: assessing relational uncertainty and evaluating scenarios’ risks and opportunities on multi-scale infrastructure systems. Journal of Cleaner Production, (accepted, in press).
  • SIERRA, L.A.; PELLICER, E.; YEPES, V. (2017). Method for estimating the social sustainability of infrastructure projects. Environmental Impact Assessment Review, 65:41-53.
  • SIERRA, L.A.; YEPES, V.; GARCÍA-SEGURA, T.; PELLICER, E. (2018). Bayesian network method for decision-making about the social sustainability of infrastructure projects. Journal of Cleaner Production, 176:521-534.
  • SIERRA, L.A.; YEPES, V.; PELLICER, E. (2017). Assessing the social sustainability contribution of an infrastructure project under conditions of uncertainty. Environmental Impact Assessment Review, 67:61-72.
  • SIERRA, L.A.; YEPES, V.; PELLICER, E. (2018). A review of multi-criteria assessment of the social sustainability of infrastructures. Journal of Cleaner Production, 187:496-513.
  • TORRES-MACHÍ, C. (2015). Optimización heurística multiobjetivo para la gestión de activos de infraestructuras de transporte terrestre. Tesis doctoral. Universitat Politècnica de València – Pontificia Universidad Católica de Chile.
  • TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; PELLICER, E.; YEPES, V.; VIDELA, C. (2015). Sustainable pavement management: Integrating economic, technical, and environmental aspects in decision making. Transportation Research Record, 2523:56-63.
  • TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; VIDELA, C.; PELLICER, E.; YEPES, V. (2014). An iterative approach for the optimization of pavement maintenance management at the network level. The Scientific World Journal, Volume 2014, Article ID 524329, 11 pages.
  • TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; YEPES, V.; PELLICER, E. (2014). Current models and practices of economic and environmental evaluation for sustainable network-level pavement management. Revista de la Construcción, 13(2): 49-56.
  • TORRES-MACHI, C.; PELLICER, E.; YEPES, V.; CHAMORRO, A. (2017). Towards a sustainable optimization of pavement maintenance programs under budgetary restrictions. Journal of Cleaner Production, 148:90-102.
  • YEPES, V.; TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; PELLICER, E. (2016). Optimal pavement maintenance programs based on a hybrid greedy randomized adaptive search procedure algorithm. Journal of Civil Engineering and Management, 22(4):540-550.

 

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Distribución de tensiones bajo una cimentación superficial

Figura 1. Distribución de la tensión transmitida al terreno

Las cimentaciones superficiales suelen ser las más utilizadas, especialmente en edificación, pues presentan un menor coste por carga soportada y una mayor facilidad de ejecución. Los esfuerzos, tanto los verticales, los horizontales, como los momentos, se transmiten en su totalidad al terreno a través de su base de contacto y origina en el terreno unas distribuciones que se consideran normalmente planas. No debe rebasarse la capacidad portante del terreno y las deformaciones producidas deben ser admisibles para la estructura. En la Figura 1 se puede ver cómo una excentricidad en la carga puede provocar zonas de despegue de tensiones en el apoyo de la zapata. En la Figura 2 se observa cómo cambia la distribución de presiones en función de tipo de suelo (cohesivo, granular o roca) y del tipo de zapata (rígida o flexible). Sin embargo, con cimentaciones corridas o aisladas y con los vuelos de zapata habituales, se acepta una distribución uniforme de presiones. Es importante la forma en que se transmiten los esfuerzos al terreno, puesto que la carga soportada por éste es mucho menor que la del elemento en contacto con él.

Figura 2. Distribución de tensiones en función de la naturaleza del suelo

Un aspecto de gran importancia es la presencia de agua, pues su agotamiento supone un incremento en coste y un aumento de plazo que puede hacer inviable una cimentación superficial. Por otra parte, el nivel freático no influirá en la capacidad portante del terreno si dicho nivel se encuentra por debajo de la superficie del cimiento a una profundidad mayor a 1,5 veces el ancho de la zapata.

Referencia:

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Simposio GeoRoads19. La pasión por las carreteras

Las nuevas tecnologías están cambiando profundamente la forma que tenemos de comunicarse. Todo es más rápido, directo y con mayor impacto.

En esta entrada voy a dar difusión a un evento que se desarrollará en línea, cuya inscripción es totalmente gratuita. Se trata del simposio #GeoRoads19, “La pasión por las carreteras”. Se trata de una conferencia que se desarrollará los días 11 y 12 de abril de 2019 y se retransmitirá desde los estudios de ITAFEC en Guadalajara, Jalisco, México. Si queréis inscribirse, lo podéis hacer ya en el siguiente enlace: https://www.geotechtips.com/georoads19. El cupo es limitado a los primeros 1500 inscritos.

Pero antes de dar más detalles, lo primero que tengo que hacer es agradecer la invitación de Freddy J. Sánchez-Leal, director de Geotechtips, que ha tenido la amabilidad de incluirme en el panel de expertos internacionales que van a participar en las conferencias.

Contará con la participación de 8 muy reconocidos expertos de Argentina, Chile, Colombia, Costa Rica, Estados Unidos, España, Perú y México, que nos disertará cada uno en una presentación de 30 minutos sobre sus paradigmas personales relacionados con la ingeniería de carreteras.

Se abarcará el tema de la infraestructura vial desde los aspectos de la investigación, desarrollo y aplicación de tecnologías, construcción, auscultación, mantenimiento y conservación, entre otros.

Se realizarán cuatro presentaciones por día, dejando un espacio de 30 minutos entre presentación para recibir y contestar las preguntas de la audiencia, y para la transmisión de publicidad de nuestros cuatro únicos anunciantes. Al final del segundo día se presentarán las conclusiones del evento, construidas directamente por un grupo seleccionado de asistentes, y moderadas desde el estudio aplicando la conocida técnica de los “6 Sombreros para pensar”.

Desde el estudio de TV en Guadalajara, se moderarán las presentaciones y organizando el desarrollo de las preguntas y de las demás actividades de intensa interacción entre el público y los presentadores.

La grabación de las presentaciones y todo el evento quedará de forma permanente en una sala exclusiva del portal de Geotechtips a la que los participantes podrán, luego del evento, acceder de forma gratuita. De la misma manera, personas que no se hayan registrado para el evento, pero que posteriormente quieran verlo, solo tendrán que acceder a esa sala, de igual manera gratuita.

Los conferenciantes previstos al simposio son los siguientes. Los podéis localizar en las redes sociales.

  • Dr. Rodolfo Adrián Nosetti. Profesor Adjunto en Universidad Nacional de La Plata, Argentina. Red social principal: Facebook Adrian Nosetti LinkedIn: adrian-nosetti-26022743
  • Dr. Guillermo Thenoux. Profesor en Pontificia Universidad Católica de Chile. Director del Centro de Ingeniería e Investigación Vial. LinkedIn: Guillermo-thenoux-8b7b5844
  • Dr. Fredy Alberto Reyes Lizcano. Profesor e Investigador en pavimentos e infraestructura vial en Pontificia Universidad Javeriana de Colombia, Bogotá. Red social principal: Facebook: Fredy Alberto Reyes Lizcano. LinkedIn: Fredy-Alberto-reyes-Lizcano-80b6282a
  • Dr. Luis Guillermo Loría-Salazar. Director del Laboratorio Nacional de Materiales y Modelos Estructurales (LanameUCR) de la Universidad de Costa Rica. Red social principal: Twitter @lgloria27 LinkedIn: luisguillermoloria
  • Dr. Juan José Potti. Presidente Ejecutivo de la Asociación Española de Fabricantes de Mezclas Asfálticas (ASEFMA). Madrid, España. Red social principal: Twitter: @jjpotti LinkedIn: juan-jose-potti-29a86ab
  • Dr. Víctor Yepes. Catedrático Universitat Politècnica de València, España. Autor del Blog de Victor Yepes. Red social principal: Twitter: @vyepesp LinkedIn: -victor-yepes-5b79409
  • Dr. Paul Garnica Anguas. Director de los Laboratorios de Investigación en Infraestructura del Instituto Mexicano del Transporte. Sanfandila, Querétaro, México. Red social principal: Twitter: @pgarnica LinkedIn: paul-garnica
  • Ing. Pablo del Águila, MSc. Consultor Internacional en Infraestructura del Transporte para el American Development Bank. Director de Camineros Consulting. Lima, Perú. Red social principal: Twitter: @caminerosperu LinkedIn: pmdelaguila

Organizador:

  • Ing. Freddy J. Sánchez-Leal, M en I. Director de Geotechtips. Zapopan, Jalisco, México. Red social principal: Twitter: @saintloyal LinkedIn: ramcodesceo

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Principios de las perforaciones a rotación

Figura 1. Principio de la perforación rotativa

En un artículo anterior explicamos los fundamentos de la perforación por extracción de material. De entre los procedimientos existentes, la perforación mecánica por rotación constituye uno de los procedimientos más habituales. Aquí vamos a explicar los principios básicos en los que se basa.

El principio utilizado por las perforadoras rotativas consiste en aplicar energía al terreno haciendo rotar un útil de corte o destroza conjuntamente con la acción de una fuerza de empuje. Este tipo de perforación se empezó a utilizar en minería sobre rocas blandas; sin embargo, la rapidez de desplazamiento y montaje de estos equipos, la variedad de útiles de corte han favorecido su uso en otros campos.

El giro del útil lo realiza el motor de la perforadora en superficie, que acciona una mesa o cabeza de rotación que, a su vez, mueve el tren de varillaje y éste finalmente transmite el giro al útil. Los útiles de corte que se emplean en rotación son las barrenas helicoidales, las coronas circulares y las cabezas tricono, según el tipo de terreno, del diámetro del talador y de la finalidad de la perforación (extracción de testigos o avance a destroza).

La perforación a rotación presenta características diferentes si se realiza en roca o en suelos. En roca el avance se produce por corte y compresión: el giro se realiza mediante sonda o rotor y la presión por barra de carga, varillaje y empuje hidráulico. En el caso de los suelos, si éstos son granulares no demasiado cohesivos, la perforación se realiza con una barrena helicoidal; en el caso de granulares muy sueltos es necesario el uso de cucharas.

En otros artículos anteriores ya hablamos de la perforación rotativa de rocas, de la perforación rotativa con triconos, de la perforación rotativa con cazo, del sondeo a rotación con barrena helicoidal, entre otros. También podéis leer algunas entrada que escribimos en su momento sobre técnicas de reconocimiento en el estudio geotécnico,  la ejecución de pilotes o de procedimientos de perforación horizontal dirigida con sistemas de perforación a rotación.

Sistemas de avance

El avance de la perforación rotativa en rocas se produce por la influencia simultánea de la presión que el útil de corte ejerce sobre el terreno y el efecto producido por el giro de dicho útil sobre la roca. Estas dos acciones se pueden provocar con diversos medios y potencia según las fuentes de energía y los sistemas de empuje y rotación empleados.

Las formas de energía motriz de uso más frecuente son la térmica y la eléctrica. La primera se suele utilizar en perforadoras pequeñas y medianas, generalmente montadas sobre camión en equipos accionados por el propio motor del camión o más frecuentemente por dos motores, el del camión más otro independiente. Para perforadoras montadas en equipos de mayor tamaño (diámetros de perforación superior a 250 mm, lo más normal es emplear energía eléctrica a media tensión, alimentando la perforadora con corriente alterna. En algunas instalaciones mineras también se emplean equipos diésel-eléctricos cuyo coste de mantenimiento es aproximadamente un 15% inferior al de los equipos diésel.

La aplicación de la potencia se realiza mediante mecanismos de transmisión mecánicos e hidráulicos. La energía se transmite a través de las barras de perforación, que giran al mismo tiempo que penetra la boca, debido a la intensidad de la fuerza de avance. Prácticamente, casi sin excepciones, esta fuerza de empuje se obtiene a partir de un motor hidráulico. En este tipo de perforación, las pérdidas de energía en las barras y la boca son despreciables, por este motivo, la velocidad de penetración no varía apenas con la longitud del barreno. Para girar las barras y conseguir el par necesario, estas máquinas tienen un sistema de rotación montado habitualmente sobre un bastidor que se desliza a lo largo del mástil de la perforadora. El barrido del detritus de la perforación se realiza con aire comprimido, para lo cual el equipo está dotado de uno o dos compresores ubicados en la sala de máquinas.

Figura 2. Perforación a rotación para estudios de terrenos

Empuje y elevación

El empuje a aplicar dependerá de la resistencia del terreno y del diámetro de la perforación (Figura 3). El mecanismo de empuje está diseñado para aplicar una fuerza del orden del 50% del peso de la máquina, alcanzando los equipos de mayor tamaño un peso de unas 120 t. Los sistemas de empuje, además de proporcionar la presión suficiente sobre el fondo de la perforación, sirven para elevar y manipular el conjunto de varillas o barras que hay que añadir o quitar durante la ejecución de la perforación. Se pueden emplear sistemas mecánicos (por cadena o cremallera) o hidráulicos. Los sistemas hidráulicos están formados por dos cilindros combinados, son más potentes y fácilmente controlables.

Figura 3. Mecanismos de empuje y elevación

El empuje transmitido al fondo del taladro debe ser suficiente para que el efecto conjunto sobre la roca genere una tensión superior a su resistencia a compresión. Pero tampoco conviene un empuje excesivo que aumente el desgaste del equipo. La velocidad de penetración aumenta proporcionalmente al empuje hasta un límite a partir del cual el útil se agarrota y los insertos se incrustan en la roca. En estas condiciones, el desgaste aumenta considerablemente junto con un mayor consumo de energía y, si la roca es dura, puede producirse la rotura de los dientes del útil (Figura 4).

Figura 4. Relación velocidad de avance-empuje

Como suele ser habitual, os dejo unos vídeos al respecto.

Referencias:

  • DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (1998). Manual para el control y diseño de voladuras en obras de carreteras. Ministerio de Fomento, Madrid, 390 pp.
  • INSTITUTO TECNOLÓGICO GEOMINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Serie Tecnológica y Seguridad Minera, 2ª Edición, Madrid, 541 pp.
  • MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.
  • UNIÓN ESPAÑOLA DE EXPLOSIVOS (1990). Manual de perforación. Rio Blast, S.A., Madrid, 206 pp.

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Perforación rotativa con cazo

Figura 1. Cazo rotativo abierto

Cuando se utilizan lodos tixotrópicos para el sostenimiento de la perforación, o estamos ante la presencia de agua, la barrena helicoidal no puede retirar el material, pues éste se escurre entre los pasos de ésta. En estos casos se emplea la perforación rotativa con cazo (bucket auger boring).

La perforadora con cazo rotativo utiliza un accionamiento mecánico o hidráulico que hace girar una Kelly que se fija a la cuchara. Para perforar, la cuchara gira para permitir que la parte inferior de los dientes de corte llene la cuchara. Las aletas en el fondo de la cuchara se cierran para mantener los detritus en su interior. El fondo de la cuchara es abatible (Figura 1) para permitir el vertido de la excavación.

La perforación con cazo es más lenta, con rendimientos previstos pueden ser la mitad (40-50 m/turno) de los conseguidos con hélices. Si bien es cierto que pueden triplicar los alcanzados con cuchara de valvas. Existen variantes de cazo con dientes de tierra, con dientes de widia, de fondo plano, se entrada simple, doble, etc.

Este sistema presenta algunos inconvenientes, además de los asociados a la perforación con lodos. Cuando se extrae el cazo se ejerce cierta succión que puede inestabilizar las paredes. Este efecto es particularmente sensible con diámetros de 500 mm o menos, por lo que lo habitual es perforar con cazo por encima de los 600 mm de diámetro.

Figura 2. Cazo rotativo

 

Os dejo algunos vídeos que ilustran la forma de trabajar con este tipo de perforación rotativa.


Referencias:

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y MINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Ed. IGME. Madrid, 500 pp.

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

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Hinca por vibración de pilotes y tablestacas

Figura 1. Vibrohincador suspendido desde una grúa. Fuente: www.apevibro.com.mx

Los primeros vibrohincadores se utilizaron en la Unión Soviética en 1934, pero su empleo se popularizó a partir de los 50, cuando se perfeccionaron. Esta técnica se basa en la reducción de la fricción de las partículas del terreno por medio de vibraciones para facilitar la hinca del pilote o la tablestaca. El método es apropiado en suelos granulares, especialmente saturados, y en algunos cohesivos si están saturados. Es el método de hinca más económico si se dan las condiciones adecuadas, alcanzándose hasta 0,5 – 1,0 m de hinca por minuto, siendo más silenciosos que los martillos. Los efectos de la vibración dependen del tipo de suelo; así como la pérdida del rozamiento en la arena se consigue con frecuencias bajas (5 Hz), en las arcillas es necesaria una frecuencia superior. La hinca por vibración de pilotes y tablestacas se utiliza en la práctica en perfiles metálicos.

El vibrohincador se utiliza tanto en la hinca como en la extracción de pilotes con secciones abiertas en H, tubos de acero sin tapa en la punta y en tablestacas. Todas ellas son secciones donde existe un bajo desplazamiento del suelo. Sin embargo, con determinados tipos de suelos, sería posible incluso la hinca de pilotes de sección cerrada.

El funcionamiento del vibrohincador se basa en el movimiento de unas masas excéntricas cuya resultante es una oscilación vertical pura al girar a la misma velocidad pero en sentidos opuestos. Modifican la frecuencia de vibración en función del suelo; así, una alta frecuencia (20-40 Hz) proporciona una menor transmisión de vibraciones al entorno. La vibración se transmite a través de unas presillas o mordazas que sujetan el pilote o la tablestaca.

Figura 2. Esquema de un vibrohincador

El vibrador queda suspendido por grúa o sobre retroexcavadoras con mástil-guía para asegurar el guiado. La vibración no se transmite gracias a un amortiguador. Además, en el caso de la suspensión de una grúa, ha de cuidarse que cable de suspensión tenga longitud suficiente para evitar que la grúa acuse los efectos de la vibración. La extracción se puede realizar haciendo girar las excéntricas en sentido contrario.

Figura 3. Mordaza hidráulica para vibrohicador aplicado a un encamisado de pilote. Fuente: http://www.gandara.com.mx/maquinaria_accesorios.php

Hasta hace poco se utilizaban los vibradores eléctricos. Sin embargo, la tendencia actual son los vibradores hidráulicos, que con menor peso, permiten un reglaje continuo de la vibración. Los modelos recientes superan los 350 kW de potencia, con posibilidad de regular la amplitud y la frecuencia y por tanto, con la ventaja de adaptarse a diversos tipos de terreno. De hecho, los vibrohincadores se pueden clasificar atendiendo a su frecuencia de trabajo:

  • Vibrohincadores de baja frecuencia (5-10 Hz). Para pilotes de grandes secciones (hormigón y tubos ciegos de acero).
  • Vibrohincadores de frecuencia media (10 – 30 Hz). Para pilotes de acero de pequeña sección y tablestacas. Son los más frecuentes.
  • Vibrohincadores de alta frecuencia (> 30 Hz). Minimizan el impacto de las vibraciones en el entorno y estructuras vecinas.
  • Martillos resonantes (90 – 110 Hz). Inducen una respuesta resonante en el pilote. No son muy usados.
  • Martillos de impacto-vibración. De uso muy limitado, proporciona tanto una vibración vertical como impactos durante la hinca.

Os dejo a continuación algunos vídeos que ilustran el procedimiento constructivo.

Referencia:

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Pilotes roscados Atlas

Figura 1. Pilote roscado tipo Atlas (Franki). Fuente: http://www.geoforum.com/

Los pilotes roscados tipo “Atlas” y sus variantes son pilotes de desplazamiento hormigonados en obra (ver Figura 1). Presentan forma de tornillo y están diseñados para aprovechar al máximo la capacidad portante del terreno. El terreno se va compactando a la vez que se introduce el pilote. Al extraer la perforadora queda una perforación en forma de tornillo que maximiza la transmisión de esfuerzos a lo largo del fuste.

El proceso constructivo, tal y como se representa en la Figura 2, consta de las siguientes fases:

  • Puesta a punto y colocación de una punta perdida.
  • Penetración de la puntera en el terreno hasta la profundidad requerida.
  • Colocación de armaduras.
  • Retirada progresiva del útil de corte y perforación girando en sentido contrario y hormigonando el pozo desde el interior del útil.

 

Figura 2. Pilote roscado tipo Atlas (Franki). Fuente: http://www.geoforum.com/

Referencia:

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Pilote Raymond cónico escalonado

Figura 1. Hincado de pilote Raymond. Fuente: http://www.pilelineonline.com/devtt.htm

El pilote Raymond, inventado en 1897, es uno de los primeros con tubo de entibación, aunque se sigue utilizando en algunos países, especialmente en los Estados Unidos. Sin embargo, en países como España no se usa actualmente por no ser competitivo frente a otras soluciones. Está formado por varios tramos de tubo de acero de pared delgada, corrugado en espiral, de unos 20 cm de diámetro en la punta. Se enroscan tubos contiguos con longitudes normalizadas, de unos 2,5 m, hasta alcanzar la profundidad requerida. Forma, por tanto, un pilote cónico protegido en el fondo por un cierre resistente, que permite su hincado en terrenos de cierta cohesión.

Este pilote se puede hincar hasta profundidades de 40 m. Es capaz de soportar grandes cargas, de 400 a 750 kN, dependiendo del diámetro de la punta, a pesar del escaso diámetro debido a la forma troncocónica y la superficie lateral corrugada.

La hinca se realiza con un mandril solidario con el tubo, sobre el cual actúa la maza. El mandril es un vástago metálico que se introduce en este tipo de pilotes de acero huecos durante la hinca para evitar la abolladura. Realizada la hinca, se extrae el mandril del pilote y el tubo se rellena de hormigón, con o sin armadura. En la Figura 1 se aprecia el proceso previo de hinca de este tipo de pilote.

Figura 2. http://gluedideas.com/content-collection/Radfords-cyclopedia-of-construction-Vol-6-Concrete-Construction/Concrete-Pile-Foundations_P1.html

Os dejo un vídeo al respecto.

Referencia:

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

 

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