Estrategias organizativas para la construcción de terraplenes de carreteras
Enviado por Pedro Andrés Orta Amaro
Resumen
Se proponen las estrategias organizativas y los métodos para lograr la óptima distribución de las masas de tierra necesarias para la construcción de terraplenes de las vías de comunicación terrestres, en particular de las carreteras; los criterios para la selección de la maquinaria óptima para ejecutar actividades de movimiento de tierras mediante dos procedimientos diferentes con similar finalidad, así como debe procederse para programar y balancear los principales recursos que se emplean en tales trabajos, de manera tal de asegurar que la ejecución de dichas explanaciones sea realizado con la necesaria eficacia técnica-económica por las empresas constructoras, tal como se comprobado en varias aplicaciones en varias obras de la región central del país, en las que pudo reducir los costos de ejecución de los movimientos de tierras hasta en un 30% en comparación con los que se obtienen tradicionalmente en las empresas constructoras de obras de ingeniería. .
Abstract:
The principal purpose this paper is showed the organizational strategies and the methods to use to achieve a optimal distribution of the earthmoving necessary to build embankment, approaches for the selection of the best machinery to execute this word, by means of two procedures different with similar purpose, as well as it should be proceeded to program and to balance the principal resources, in a such way of executing this embankment with necessary efficiency, all that which could contribute decisively to reduce the execution cost of such works of being used in the construction companies until in a 30% in comparison with those that at the moment are obtained with the procedures that are generally used.
Key Words:
Earthmoving, organizational strategies, construction embankment.
Introducción
Las comunicaciones en el mundo actual juegan un rol cada vez más decisivo para el desarrollo socio económico de las naciones. Las vías de comunicación terrestres (autopistas, carreteras, caminos, vías férreas, aeropistas, etc.) constituyen la infraestructura necesaria para garantizar el desarrollo económico y social de los países. Su construcción eficaz es fundamental para el desarrollo de la economía nacional, por tales razones la construcción con mínimo costo de las explanaciones necesarias para ejecutar estas obras viales resultan de gran importancia, ya que estas constituyen una parte significativa del costo de su construcción. Dado los grandes volúmenes de movimientos de tierras que se acometen en Cuba anualmente, ascendentes a varios millones de metros cúbicos de tierra, la magnitud del ahorro que se alcance puede ser significativa, por tal razón se hace necesario la utilización de estrategias, métodos organizacionales que hagan posible realizar una distribución óptima de las masas de suelos a mover y la maquinaria óptima a utilizar en la ejecución de cada trabajo, así como para garantizar la racional distribución espacio – temporal de la maquinaria en las obras viales. Las técnicas y procedimientos propuestos poseen un enfoque integral con relación al que el tradicionalmente emplean las empresas constructoras cubanas, siendo el objetivo principal de este trabajo divulgar sus aspectos esenciales para ponerlas a disposición de los profesionales que se encargan de la realización de estos trabajos en las empresas constructoras del país.
Desarrollo
Una vez realizado el proyecto geométrico y el diseño y/o revisión geotécnica del terraplén de una carretera, es decir de terminada la dase de definición del proyecto, comienza en la empresa constructora una importante fase de trabajo, la fase 3 o de Ejecución, en la que se hace la necesaria preparación técnica de la obra, en la que se organiza la ejecución de los trabajos y el balance y empleo racional de los recursos disponibles, fundamentalmente de las maquinarias de movimiento de tierras lo cual tiene una importancia e incidencia fundamental para lograr la eficacia técnica y económica requerida Se propone en este artículo las estrategias organizativas a cumplir para distribuir óptimamente las masas de suelo a mover, para así asegurar que las explanaciones se ejecuten con mínimo costo y en el menor tiempo posible, garantizando la requerida calidad.
Para concretar lo antes afirmado debe cumplirse con el siguiente procedimiento (4):
1. Decidir la estrategia y la técnica constructiva más adecuada o idónea acorde con las características topográficas e hidrogeológicas de la zona, considerando los recursos disponibles.
2. Distribuir óptimamente las masas de suelos a mover, lo que implica realizar los movimientos de tierras de las explanaciones en el menor número de movimientos posibles, a las mínimas distancias de compensación o de acarreo.
3 Ejecutar los trabajos con la maquinaria óptima, aquella que asegure mínimo costo de ejecución de los trabajos de movimiento de tierras, asegurando, la mecanización integral de las labores, elevados rendimientos y la necesaria calidad.
4 Lograr un ritmo constructivo ininterrumpido o continuo de estos trabajos mediante una correcta programación y balance de los principales recursos utilizados, en especial de las maquinarias de movimiento de tierras y los recursos humanos.
5. Realizar los trabajos con la requerida calidad acorde con la importancia de la obra, las exigencias del proyecto y las normas estatales vigentes.
Ahora bien: ¿Cómo definir la estrategia constructiva y la distribución óptima de las masas de suelo a mover para ejecutar las explanaciones?; ¿Cómo seleccionar la maquinaria óptima a utilizar? ¿cómo realizar la programación y el balance racional de los recursos disponibles en la brigada o empresa constructora?
Para definir le estrategia organizacional idónea a seguir previa deben considerarse previamente los siguientes aspectos:
– las características topográficas e hidrogeológicas del tramo o zona a construir,
– los recursos disponibles, principalmente el parque de máquinas de movimiento de tierra de existente en la brigada o empresa.
– el Perfil longitudinal y el Diagrama de Masa de dicho tramo (según el Proyecto Geométrico Ejecutivo del Terraplén de la Carretera), pudiendo suceder dos situaciones básicas:
1) En zonas topográficas llanas y onduladas:
En las zonas llanas en las que predominan los terraplenes de baja altura construidos desde los préstamos laterales, la estrategia a seguir es avanzar en la construcción de la explanación independientemente de las obras de fábrica, haciendo desvíos provisionales en las mismas, así como construyendo los terraplenes de aproche de las alcantarillas y los puentes que se vayan terminado, tratando de circular por sobre los tramos de terraplenes construidos.
La estrategia de organización en las zonas onduladas es diferente y debe consistir en: priorizarla ejecución de las compensaciones longitudinales y transversales, las excavaciones de materiales sobrantes o indeseables, las excavaciones de los dispositivos del sistema de drenaje, los terraplenes desde préstamos laterales si hiciese falta y por último las actividades de terminación o acabado, tratando de hacerlas en el mínimo número de movimientos a las distancias mínimas de compensación y/o acarreo posibles, empleando la Técnica de Optimización Lineal denominada: "Método del Transporte", la cual aparece tratada en revistas especializadas (3), o al menos utilizar el procedimiento gráfico siguiente (:
1. Ubicar en un mismo Plano el Perfil Longitudinal y el Diagrama de Masas confeccionado para el tramo de terraplén analizado en el proyecto ejecutivo de la obra (ver Figura 1)
2. Definir las posibles zonas de compensación longitudinal de volúmenes de tierra en el perfil apoyándose en el Diagrama de Masas, mediante un método gráfico que consiste en trazar "líneas de compensación" que delimiten zonas a compensar, acorde con las maquinarias de movimiento de tierra disponibles en la brigada o empresa constructora.
3. Definir la posición de los centros de masas de dichas zonas de compensación, es decir, la posición de los centros de masas de las zonas de excavación y de relleno o terraplén, en el perfil longitudinal.
4. Medir a escala, de manera horizontal (paralela al eje de las distancias o estacionados) la distancia existente entre los centros de masas de excavación y relleno de cada zona de compensación definida denominadas distancias medias de compensación (dm) (ver en la Figura 1 las dm 1 y dm 2)
5. Elegir la maquinaria idónea técnica – económica para acometer las compensaciones, considerando el rango económico de acarreo de tierras establecidos para cada tipo de máquina según normas estatales vigentes.
6. Definir para el resto de las actividades a ejecutar la maquinaria idónea a emplear según la distancia de acarreo o características de la labor a ejecutar.
Figura 1. Método gráfico basado en el Perfil Longitudinal y el Diagrama de Masas
B) En zonas montañosas con condiciones normales y favorables:
En éstas zonas al predominar los sucesivos tramos en corte y terraplenes altos, el procedimiento anterior no es aplicable, pues la determinación de las distancias medias de compensación sería demasiado imprecisa. Se propone otro método (7), que se basa en el Perfil Longitudinal del Tramo analizado y en la definición de los denominados: "frentes de trabajo" que se caracterizan por tener:
– Dimensiones adecuadas (espesores de capa ( 2 m y longitud máxima de 160 m
– Posición definida (estacionado y definición de su centro de masas).
– Volumen adecuado (entre 5000 – 15000 m3).
Procedimiento:
1. Definir los frentes de trabajo directamente en el Perfil Longitudinal del tramo analizado (ver figura 2)
2. Determinar la posición de los centros de masa de cada frente de trabajo tanto en corte como en relleno o terraplén.
3. Medir a escala las distancias de compensación entre los centros de masas definidos con la inclinación correspondiente (ver en Figura 2 las dm1,,dm 2, dm3 y dm 4)
4. Elegir la maquinaria idónea acorde con los rangos económicos de acarreo de las maquinarias
Figura 2: Distancias medias de compensación obtenidas directamente del Perfil Longitudinal de un Tramo Montañoso.
¿Cómo asegurar la secuencia correcta de realización de estos trabajos sin sobrepasar las cantidades de equipos?. Para ello se confeccionará el Diagrama Espacio – Tiempo el cual permitirá responder las anteriores interrogantes.
El diagrama consiste en un gráfico de Tiempo de Duración vs. Distancia o Estacionado, en el cual se refleja gráficamente la duración de cada actividad, el que se expresa más detalladamente en (9). Una idea de este diagrama se muestra seguidamente en la Figura 3 donde se presenta unido al Perfil Longitudinal y al Diagrama de Masas de un tramo determinado:
Figura # 3: Perfil Longitudinal, Diagrama de Masas y Diagrama Espacio -Tiempo.
Como es obvio, para poder confeccionar el diagrama Espacio tiempo hay que calcular los tiempos de duración de cada actividad, lo cual requiere haber calculado previamente el rendimiento de las máquinas o conjuntos de máquinas óptimas o al menos racionales para la realización de cada labor. Se entenderá por óptimo aquella máquina o conjunto de máquina que permita ejecutar la labor con mínimo costo, para su determinación pueden usarse dos procedimientos:
a) Empleando la Investigación de Operaciones o Técnicas de Optimización.
En la base al tipo de labor a realizar se propondrán todas las posibles variantes de equipos o conjuntos de equipos que justificados técnica y económicamente que puedan realizar cada labor, aplicando el Modelo Matemático propuesto en la Tesis Doctoral (6) el que tiene satisfactoria solución por el Método Directo (variante del Método Simplex empleado en la Programación Lineal), mediante el cual se puede definir cuáles son las variantes óptimas de máquinas para asegurar la realización de las actividades de movimiento de tierras con mínimo costo unitario de ejecución, que son las que se emplearán realmente en la obra. Estas variantes de máquinas o de conjuntos de máquinas poseen un determinado rendimiento, el cual se usa para estimar el tiempo de duración dividiendo el volumen de trabajo a ejecutar entre dicho rendimiento. Se ha comprobado en varias empresas de la región central de Cuba (6), que realizando lo antes planteado y seleccionando las maquinarias por este método, se pueden reducir hasta en un 30 % los costos directos reales de los trabajos de movimiento de tierra, en comparación con los procedimientos tradicionalmente empleados en las empresas constructoras de obras de ingeniería.
b) Usando un Método Racional para seleccionar la maquinaria idónea:
Este método (4) se puede emplear para definir las variantes de máquinas o conjuntos de máquinas a utilizar sin garantizar el mínimo costo, pero logrando definir de forma más fácil aunque menos precisa la variante de equipos idónea para acometer los trabajos de movimiento de tierras, como aquella de menor costo unitario directo posible entre las principales variantes propuestas considerando el parque de máquinas disponible.
Procedimiento:
1. Definir las características de las labores a realizar (tipos, volumen de trabajo, dimensiones, tipo de suelo, distancia de acarreo, etc.).
2. Conocer las características y parámetros fundamentales de la maquinaria disponible (tipo, marca y modelo, potencia, peso, capacidades, órganos de trabajo disponibles, maniobrabilidad, estado técnico, etc.)
3. Proponer distintas variantes de máquinas o conjuntos de máquinas justificadas técnicas y económicamente, que puedan realizar cada labor acorde a las condiciones disponibles (al menos dos variantes).
4. Calcular el costo unitario de ejecución mecanizada a cada labor (CMT) según variante de máquinas o conjunto de máquinas propuesta, así como el rendimiento de éstas (Rc).
5. Elegir para cada actividad a realizar la variante que posea el menor (CMT), y si es posible a su vez, también la de mayor rendimiento (Rc), como la variante idónea a utilizar.
Definidas las máquinas o conjuntos de máquinas óptimas o al menos la idónea a utilizar para ejecutar cada actividad, se determina el tiempo de duración de estas como se explicó anteriormente, procediéndose finalmente a realizar la programación de los trabajos y el necesario balanceo de recursos, la cual debe realizarse cumpliendo con la metodología siguiente (4):
1. Confección de la Red de Actividades Nodal de los trabajos de la explanación a construir.
2 Correr el programa profesional de computación: "MS – PROJECT", auxiliándose de la red nodal confeccionada y los recursos empleados para hacer cada actividad.
3. Se analiza el uso de los principales recursos empleados en la construcción
(maquinarias y mano de obra), detectando si existe sobre asignación de recursos
tratando de solucionar estas situaciones.
4. Asegurar un racional empleo espacio – temporal de las maquinarias que garantice el
máximo avance físico (Km terminados) en la construcción de los terraplenes
5. Estimar el tiempo de duración total de los trabajos de construcción de la explanación mediante el Cronograma General de la Obra confeccionado con ordenamiento de las actividades según sus niveles de criticidad descendentes.
De esta forma se brinda una metodología o procedimiento general e integral que permite mediante el cumplimiento de las estrategias organizativas propuestas, asegurar el cumplimiento de la trilogía plazo, costo y calidad del Proyecto Ejecutivo de Construcción de los movimientos de tierras necesarios para la construcción de terraplenes de las carreteras, al organizando eficazmente dichos trabajos a realizar por las empresas o brigadas constructoras, estrategias y metodologías que se ha empleado en varias obras en la región central del país, así como en la docencia de pre y post grado para realizar proyectos de curso y de diploma durante más de 20 años con resultados satisfactorios.
Conclusiones
Una vez confeccionado el proyecto ejecutivo de una explanación debe realizarse el Proyecto de Organización de la Ejecución de los Trabajos en tres etapas: la de organización donde se decide la óptima distribución de las masas de suelos a mover y las maquinarias a utilizar en cada labor; la fase de programación donde se llega a estimar la duración de los trabajos y tercera el lograr un adecuado balance de recursos a utilizar, asegurando un uso racional de la maquinarias, principal recurso utilizado, todo lo cual servirá de guía de acción para construir eficazmente, como se ha comprobado en varias obras ejecutadas en la región central (tramo de autopista nacional en "Punta de Diamante", la cortina de la presa de tierras "La Quinta", en las que pudo reducir los costos unitarios directos reales de las labores de movimiento de tierra hasta en un 30%, tal como lo requiere la economía nacional.
Bibliografía
1. Ballester, Francisco. Máquinas de Movimiento de Tierra. Criterios de Selección. / Francisco Ballester, Jorge Capote.2da. Edición. España: Editorial Pedeca, 1998. 405 p.
2. Crespo Villalaz, Carlos. Vías de Comunicación. / Tercera Edición. México: Editorial Limusa, 2000. — 715 p.
3. Earth Moving Cost Optimization by Operational Research, John Christian and H. Caldera. Journal Civil Engineering Nº 15, pages.. 679 – 684, Canada, 1998.
4. Orta Amaro, Pedro Andrés. Tecnología de Construcción de Explanaciones, Editorial Félix Varela, La Habana, Abril, 2013, 266 p.
5. Orta Amaro, Pedro Andrés. Maquinarias de Movimiento de Tierras, en edición por la Editorial Félix Varela, La Habana.
6. Orta Amaro, Pedro Andrés. Perfeccionamiento de la Ejecución Mecanizada de los Movimientos de Tierra. / Pedro Andrés Orta Amaro. Tesis en opción del Grado Científico de Doctor en Ciencias Técnicas. Universidad Central de Las Villas, Santa Clara, Abril 1996 — 89 p.
7. Organización de la ejecución de una explanación vial. Trabajo de Diploma, Amauris Noquera y Zhenia M. Fabrá, Tutor, Dr. Ing. Evelio Jústiz García, Universidad de Oriente, Mayo, 1996.
8. Rico Rodríguez Alfonso; Del Castillo Mejía Hermilio. La Ingeniería de Suelos en las Vías Terrestres: Carreteras, Ferrocarriles y Aeropistas. Volúmenes 1 y 2.Editorial Limusa, S.A de C.V Grupo Noriega Editores, México D.F., 2003.
9. Torres Vila, Juan A., Diseño y Construcción de Explanaciones. Tomo 2. Editorial EMPES, La Habana, 1986. 421_p..
Autor:
Pedro A. Orta Amaro
Profesor Titular, Doctor, Ing. Civil,
Dpto. de Ingeniería Civil, Facultad. Construcciones, UCLV, Santa Clara, Cuba.
Coordinador de la Maestría en Vías de Comunicación Terrestres