Curva de llenado de una mototraílla empujada por buldócer

1ScraperDozer

Una mototraílla convencional, empujada por un buldócer, tiene una curva de llenado, función del tiempo de carga “t”: C=C(t). Sabiendo que el ciclo completo de las mototraíllas vale (a+t) y el de las empujadoras (b+d·t), siendo a,b y d constantes, calcular el tiempo de carga óptimo.

Resolución:

Como el material encuentra cada vez mayor resistencia a entrar en la caja de la traílla conforme ésta se va llenando, la curva de carga es creciente, con un valor asintótico superior, que es la mayor capacidad de la traílla, a partir de la cual la misma cantidad de material que entra por abajo es derramado por su parte superior.

La curva C=C(t) tendría una forma como la que sigue:

Figura 1

El tiempo de carga óptimo es el que minimiza el coste unitario de producción U(t):

Figura 2

  • El coste horario del equipo, si éste está formado por “n” traíllas a un costo horario de “T” ptas/h, y “m” topadoras, a un coste horario de “E” euros/h, será:

Coste horario del equipo=n·T+m·E  euros/h

 

  • La productividad horaria del equipo va a depender de si faltan o sobran traíllas.

* Si faltan traíllas, serán éstas las que condicionen la producción total del equipo, que será:

Figura 8

En este caso

Figura 3

para encontrar el mínimo, derivamos e igualamos a cero:

Figura 10

Por consiguiente, para el cálculo del tiempo de carga óptimo basta con buscar la tangente de la curva de carga desde un punto situado a una distancia “a” del origen. “a” es el período del ciclo de la mototraílla que no se emplea en la carga.

Figura 5

* Si sobran traíllas, las topadoras condicionarán la producción total del equipo, que será:

Figura 9

En este caso

Figura 6

para encontrar el mínimo, derivamos e igualamos a cero:

Figura 7

Por tanto, de forma análoga al caso anterior, para el cálculo del tiempo de carga óptimo basta con buscar la tangente de la curva de carga desde un punto situado a una distancia “b/d” del origen.

Referencias:

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

YEPES, V. (2015). Coste, producción y mantenimiento de maquinaria para construcción. Editorial Universitat Politècnica de València, 155 pp. ISBN: 978-84-9048-301-5.

Clasificación de Kögler-Scheidig para la excavación de terrenos

Excavaciones-estructuralesLos terrenos considerados en un movimiento de tierras presentan una amplia variabilidad, no sólo en sus componentes sólidos, sino en su humedad, disposición, índice de huecos, etc., de forma que desde una roca sólida, hasta un suelo orgánico, se puede pasar por arcillas, limos, gravas, arenas, o cualquier combinación entre estos materiales, con mayor o menor cantidad de agua. Se tiene, por tanto un conjunto de materiales, más o menos heterogéneos, constituidos por una mezcla en las tres fases, sólida, líquida y gaseosa.

Estos materiales tendrán mayor o menor resistencia de remoción y arranque (penetración y separación) en función del peso específico, de su dureza, rozamiento interno o cohesión. Ello influirá en su facilidad de carga, y por tanto, se observa la estrecha relación que existe entre el tipo de material y la maquinaria elegida para su manipulación.

La clasificación de Kögler-Scheidig se basa en la dificultad con que se pueden arrancar los suelos con utensilios manuales empleados por los geólogos en los reconocimientos de terreno. Esta clasificación agrupa los materiales en una escala de 1 a 8 según su resistencia al arranque (ver Tabla).

Tabla: Clasificación de los suelos en relación a la dificultad de su arranque (según Kögler-Sheidig)
Tabla: Clasificación de los suelos en relación a la dificultad de su arranque (según Kögler-Sheidig)

 

Referencias:

YEPES, V. (1997). Equipos de movimiento de tierras y compactación. Problemas resueltos. Colección Libro Docente nº 97.439. Ed. Universitat Politècnica de València. 253 pág.

YEPES, V. (2014). Maquinaria de movimiento de tierras. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 204. Valencia,  158 pp.

Palas frontales

Komatsu Pc 1250 7
Komatsu Pc 1250 7

Son máquinas de ataque frontal para la excavación y carga de grandes masas, equipadas para ello de un equipo de excavación de empuje o frontal: cuchara frontal. Surgieron como alternativa a máquinas de arranque y carga (principalmente palas de ruedas), en trabajos en que la dureza del terreno, obligaba para poder utilizar a estas como máquina de carga a la escarificación previa del terreno, para obtener unos rendimientos altos. En terrenos comprendidos por su dureza entre escarificación media y voladura de terrenos blandos la pala frontal, por su mejor aprovechamiento de la fuerza de arrancamiento y su diferente forma de cargar, permitían el arranque directo del material, prescindiendo del tractor de escarificación y aportando por tanto una bajada importante de los costes de explotación.

La cuchara está colocada de forma que los dientes miran hacia el exterior, debido a esto, para cargarla hay que moverla de abajo hacia arriba, cayendo el material arrancado por los dientes dentro del cazo como en las palas cargadoras. A pesar de que las grandes máquinas de este tipo son específicas, existen modelos donde es fácil el cambio de equipo de uno frontal a uno de retroexcavación. Con todo, a una pala frontal se le exige mayor robustez, plumas, balancines y cucharas específicamente diseñadas para su trabajo.

 

Pala frontal

El cucharón frontal puede configurarse con descarga frontal o de fondo. Estos últimos descargan mediante una puerta articulada que se abre mediante una apertura hidráulica que permite la salida del material. También se podrían recoger rocas del suelo utilizando este mecanismo tipo pinza. A pesar de ello el uso normal es la cuchara de descarga frontal, por menor coste y mantenimiento.

La máquina debe realizar esfuerzos de penetración y de excavación para realizar su trabajo. Éste puede ser de excavación y carga de materiales en banco o únicamente carga de materiales sueltos.

Sus posibilidades y aplicaciones son amplias, usándose en canteras de roca volada o de roca blanda, carga y descarga de grandes bloques extraídos de canteras, en bancos de arena o grava, y extracciones de mineral. Realiza cortes en laderas, abre zanjas y cimientos profundos. Su forma de trabajar efectiva es cuando excava el terreno desde el nivel de sustentación hacia arriba. Se utiliza fundamentalmente en excavación con carga directa a las unidades de transporte.

 

Os dejo un vídeo de una pala frontal, la Hitachi EX8000.

Referencias:

YEPES, V. (2014). Maquinaria de movimiento de tierras. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 204. Valencia,  158 pp.

 

Zanjas y entibaciones

090716163558_BOX-2_1En los trabajos ejecutados en zanjas se producen frecuentemente accidentes graves o mortales debidos al desprendimiento de tierras. Podemos considerar, con carácter general, peligrosa toda excavación que, en terrenos corrientes, alcance una profundidad de 0,80 m y 1,30 m en terrenos consistentes.

El Colegio Oficial de Aparejadores y Arquitectos Técnicos de Madrid nos ofrece el siguiente documento (enlace) donde se definen las líneas generales de las medidas de seguridad y procedimientos de trabajo, que garanticen la seguridad de los trabajadores que tienen que llevar a cabo labores en el interior de zanjas y pozos, haciendo hincapié en los sistemas de entibación, como garantes de la estabilidad de las paredes de la excavación. Otro documento de interés es el NTP 278: Zanjas: prevención del desprendimiento de tierras, del Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo.

Os dejo un vídeo que grabé para mis estudiantes donde hago una introducción a las entibaciones.

A continuación os presento un vídeo del profesor José Ramón Ruiz, de la UPV, donde se explican los conceptos básicos de las entibaciones y las diferencias entre entibaciones cuajadas, entibaciones semicuajadas y entibaciones ligeras.

En este vídeo podemos ver alguna de las recomendaciones más importantes relacionadas con la seguridad en la ejecución de zanjas y entibaciones.

Igual os sorprende este vídeo sobre entibaciones realizado de forma original.

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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Cucharas bivalvas

BivalvaEs una máquina excavadora de cables, compuesta por una pluma de la cual pende una cuchara autoprensora. Es el aparato de excavación más antiguo conocido, encontrándose en dibujos de finales del siglo XVI. Formada generalmente de dos valvas o mandíbulas, articuladas en su parte superior, que ajustan una con otra por los bordes cuando se encuentran juntas, que pueden cerrarse para albergar los materiales excavados en el interior de la caja que forman en el momento de unirse y posteriormente se abren para dejar caer la carga. Se denomina también excavadora de almeja o de cuchara prensora. El sistema de accionamiento es de cable o hidráulico.

Esta máquina puede excavar, recoger el material y verterlo en una misma vertical, o cerca de la misma, y por debajo o por encima del nivel de la máquina, siendo esta propiedad la que la distingue del resto de aparatos de excavación. Estas cucharas excavan por su peso propio, dejándose caer, para aumentar su fuerza de penetración, desde una cierta altura. El material a excavar tiene que ser relativamente blando, siendo un elemento más de carga que de excavación.

Aunque cuentan con menor capacidad de corte que las excavadoras hidráulicas, su uso es adecuado en espacios reducidos tales como pozos o zanjas de cimentación, o en profundidades no alcanzables por otro tipo de excavadoras. Es usada también en operaciones de dragado o carga en los muelles de los puertos de granel.

Los elementos específicos de la cuchara bivalva son la pluma con sus dos poleas de cabeza, la cuchara prensora y los diversos cables de suspensión y de maniobra de la cuchara. Preferentemente, estos cables son antigiratorios. Continue reading “Cucharas bivalvas”

¿Cómo evitar accidentes por enterramiento en zanjas?

trabajosUna de las unidades de obra que más vidas se cobra es la excavación de zanjas. Se entiende por zanja una excavación larga y angosta realizada en el terreno.  En los trabajos llevados a cabo en zanjas se producen con frecuencia accidentes graves o mortales a causa del desprendimiento de tierras. Por ello es necesario adoptar aquellas medidas que garanticen la seguridad de los trabajadores que tienen que llevar a cabo labores en el interior de las mismas . Con carácter general se deberá considerar peligrosa toda excavación que, en terrenos corrientes, alcance una profundidad de 0,80 m y 1,30 m en terrenos consistentes. Un buen monográfico al respecto es el elaborado por el Instituto Vasco de Seguridad y Salud Laborales, o este otro del Instituto Regional de Seguridad y Salud en el Empleo, de la Comunidad de Madrid. Por su interés, os recomiendo que os lo estudiéis atentamente.

Evidentemente, con una buena entibación y el buen juicio y la prudencia de las personas se pueden evitar muchos problemas. Aunque a veces, es suficiente con bermas y taludes adecuados. El desmoronamiento de una zanja afecta gravemente a la seguridad de los operarios que trabajan en ella. Para evitar accidentes es importante conocer el empuje de tierras a los que se somete una entibación para evitar su colapso. Con el objetivo de ayudar a entender de forma cualitativa a nuestros alumnos  el comportamiento de la presión a la que está sometida una entibación en función del peso específico y ángulo de rozamiento interno del terreno y la profundidad a la que se encuentra dicha entibación, en la Universitat Politècnica de València se han desarrollado unos objetos de aprendizaje que permiten visualizar dicho comportamiento. Con todo, existen causas más importantes incluso que provocan el desmoronamiento de una zanja como es la heterogeneidad del terreno, la presencia de elementos intermedios (canalizaciones, etc), las acciones de agentes externos (trafico rodado, acopios) y las inclemencias del tiempo y condiciones climáticas. Por tanto, el modelo que os pasamos es, evidentemente, demasiado sencillo, pero permite una primera llamada de atención ante este grave problema. Como siempre, la experiencia y el buen juicio del responsable de la obra y de los operarios está por encima de cualquier otra consideración. Os paso a continuación este pequeño objeto de aprendizaje.

La forma de trabajar con ellos es muy sencilla. Se debe seleccionar: la profundidad de la zanja (valores entre 1 y 15 m), peso específico aparente del terreno (hasta 30 kN/m3) y ángulo de rozamiento interno del terreno (en grados sexagesimales, hasta un valor de 60º). No se admiten valores negativos. Espero que os guste. El enlace es: https://laboratoriosvirtuales.upv.es/eslabon/Entibacion/

Empuje tierras

Además, os paso varios vídeos al respecto. Espero que os sean de utilidad.

Referencia:

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.

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Pantallas de tablestacas arriostradas con tirantes

http://www.ischebeck.es/home/tablestacado/tirantes-es.html

A veces resulta ventajoso el uso de tablestacas arriostradas con tirantes respecto a las arriostradas mediante perfilería metálica cuando no existen obstáculos en la excavación y puesta en obra en el interior del recinto o zanja.

En este caso, es posible alcanzar profundidades elevadas de excavación sin necesidad de perfiles o codales. Es ideal para zanjas que necesiten arriostramiento y sirvan para colocar tubos en tramos de gran longitud, imposibles de colocar con la existencia de codales. Asimismo, su uso estaría recomendado cuando fuese necesario realizar la excavación en más de una fase, para realizar el montaje de los tirantes y la viga de atado.

Este arriostramiento se realiza normalmente con tirantes formados por barras de acero macizas. Estos tirantes limitan las deformaciones en las pantallas. Además, todo este material (tablestacas principal y trasera, tirantes y piezas auxiliares) es recuperable.

Uno de los condicionantes del procedimiento constructivo, tal y como se ve en la figura anexa, es la necesidad de espacio en obra para colocar una pantalla de tablestacas trasera a la principal de forma que sea capaz de transmitir al terreno la reacción en el arriostramiento, al estar ambas pantallas conectadas por dichos tirantes.

Uno de los condicionantes del procedimiento constructivo, tal y como se ve en la figura anexa, es la necesidad de espacio en obra para colocar una pantalla de tablestacas trasera a la principal de forma que sea capaz de transmitir al terreno la reacción en el arriostramiento, al estar ambas pantallas conectadas por dichos tirantes.

Referencia:

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.

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Tablestacas autoportantes

Las tablestacas autoportantes o pantalla de tablestacas en ménsula, son un sistema de sostenimiento del terreno mediante pantallas o tablestacas que no precisan de elementos adicionales para el sostenimiento. Trabajan estos elementos en ménsula, siendo una solución sencilla que trabaja por empotramiento en el terreno.

El procedimiento constructivo es sencillo y rápido, pues no resulta necesario el arriostramiento ni los apuntalamientos intermedios. Una vez instaladas las tablestacas, el interior de la excavación queda totalmente libre de obstáculos para realizar el vaciado de tierras y demás trabajos necesarios (hormigonado, colocación de instalaciones, etc.). En principio no existen limitaciones en cuanto a las dimensiones en planta del recinto excavar, aunque sí que está limitada la profundidad de la excavación, dependiente del tipo de terreno.

La longitud de tablestaca incluye la profundidad de excavación, la longitud de empotramiento y un sobrante superior para que las pinzas de los equipos de vibración puedan coger la tablestaca durante la hinca y la extracción.

Referencia:

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.

 

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Excavación por aspiración

http://sinzatec.blogspot.com.es/

Una excavadora de succión o vacío (vacuum excavator) consiste en una máquina especializada en remover tierra, desechos o escombros mediante la aspiración mediante un tubo de succión. El principio de trabajo se basa en el transporte neumático del material. Se requiere un volumen de aire mayor al del sedimento debido a la diferencia entre sus pesos específicos.

El material succionado puede ser removido previamente mediante una lanza de aire comprimido o de agua a presión, lo cual sirve también para descubrir tuberías o cables subterráneos. Este procedimiento es seguro, especialmente en aquellos lugares donde existan servicios que puedan ser dañados o cuya localización sea incierta. Es particularmente útil cuando las condiciones descartan el uso de máquinas de excavación mecánicas.

Excavadora de succión. https://www.arqhys.com/construcciones/excavadora-succion.html

El aire fluye a través de la boquilla de admisión máquinas y la manguera en una serie de cámaras , incluyendo el tanque de almacenamiento de material principal, antes de pasar a través de un sistema de filtro de malla de micro y luego fuera a la atmósfera. Cuando el operador dirige la boquilla de admisión hacia el suelo, el flujo de aire aspira el material que se deposita en el tanque de almacenamiento principal. Las partículas pequeñas se depositan en otros dos tanques más pequeños y las partículas de polvo quedan atrapadas en el sistema de micro filtro de malla antes de que el aire salga de la máquina .

http://www.forceoneltd.co.uk/

 

En el siguiente enlace se puede ver el reportaje que ha realizado el Diario Montañés sobre cómo se ha resuelto la extracción de arenas en el restaurante El Cormorán situado en la Playa del Sardinero de Santander:

Os paso además algunos vídeos sobre esta técnica.

Referencias:

YEPES, V. (2014). Maquinaria de movimiento de tierras. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 204. Valencia,  158 pp.

Tablestacas

Las tablestacas o tablaestacas (sheet piles) son un tipo de pantalla, o estructura de contención flexible, en la que la dimensión longitudinal es muy superior a las otras. Están formadas por elementos prefabricados que suelen ser de acero, aunque también las hay de otros materiales. Los elementos prefabricados que componen las tablestacas se hincan en el terreno mediante vibración o golpeo.

Constituyen una estructura de contención flexible, definitiva o temporal (recuperable), que permiten realizar excavaciones de cualquier tipología: talud, zanja, pozo, sótano, etc., adaptándose a cualquier forma o dimensión en planta. También se puede utilizar el tablestacado como encofrado.

Se utilizan fundamentalmente para el sostenimiento lateral del terreno y, sobre todo, en presencia de nivel freático. Sirve para delimitar espacios y funciones en terrenos con desniveles.  En ocasiones el uso de tablestacas ofrece ventajas frente a otros sistemas de contención tradicionales (por ejemplo, los muros pantalla), tales como el aumento de los rendimientos en la ejecución de su obra y un mejor acabado de los elementos hormigonados (por ejemplo, acabado superficial y ejecución de una correcta impermeabilización en muros de sótano).

Os he grabado un vídeo explicativo sobre las tablestacas que espero que os sea útil.

En este enlace: http://www.cype.net/pdfs/congreso_cmm_2005.pdf  podéis consultar aspectos relativos a su cálculo. También os dejo algunos vídeos sobre esta unidad de obra. Espero que os gusten.

En el vídeo siguiente podéis ver cómo se han utilizado las tablestacas como parte del procedimiento constructivo del túnel submarino más largo en China.

Por cierto, podéis ver el manual de cálculo de tablestacas de ArcelorMittal aquí: http://sheetpiling.arcelormittal.com/uploads/files/AMCRPS_PHB_%209thEdition_web.pdf

Referencias:

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 326 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.