Download - Libro Del Conocimiento VOl 1 - GMI

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Se prohíbe la reproducción total o parcial de este libro sinautorización expresa de GMI S. A.Ingenieros Consultores.

Primera edición: diciembre de 2010Tiraje: 1000 ejemplares

ISBN Nº: 978-612-45943-0-4Nº de proyecto: 11501411001184Hecho el Depósito Legal en la Biblioteca Nacional del PerúNº: 2011-03355

Impreso en Lima, Perú, 2011Printed in Peru

www.encinasybernal.com777-7769 / 988-610-860

CIVIL

PROCESO CONSTRUCTIVO: ESTABILIZACIÓN DE SUELOS ARCILLOSOS CON CALEdwin Carpio Medina

DISEÑO DE PAVIMENTOS ORIENTADO A LA GESTIÓN VIALRafael Menéndez

MECANISMOS DE FALLA EN PAVIMENTOS FLEXIBLESRafael Menéndez

ESTRUCTURAS

EMPALMES MECANICOS DE ARMADURAS PARA CONCRETOTeodoro Harmsen

DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD PORTANTE DE SUELOS CONSIDERANDO CARGAS SÍSMICAS: ESTADO DEL ARTECarlos Iwaki, Robinson Ucañán y Christian Chacón

ESTUDIO PARAMÉTRICO DE LA RESPUESTA SÍSMICA DE ESTANQUES ELEVADOS DE HORMIGÓN ARMADO CON AISLACIÓNSÍSMICA EN LA BASEVictor I. Fernández-Dávila, P. Baquedano, F. Gran y E. F. Cruz

PRÓLOGO

GESTIÓN DEL CONOCIMIENTO EN GMI

9

15

31

47

63

81

99

133

Nilton Zocón Alva

ELÉCTRICA

AREAS CLASIFICADAS COMO PELIGROSAS DE ACUERDO CON EL NEC 2005Jorge Olivera

153

Walter Silva Santisteban Requejo

CALCULO Y DIMENSIONAMIENTO DE PANELES SOLARES Y BATERÍASJaime Carvallo y Willy Trinidad

CRITERIOS PARA LA COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO ELÉCTRICO Y SELECCIÓN DE PARARRAYOS EN REDES DE MEDIA TENSIÓNMiguel Bustinza

MECANICA

RESUMEN PARA EL DISEÑO DE LÍNEAS DE TUBERÍASEsteban Ríos Pita

GESTIÓN DE PROYECTOS

EL PROCESO EFECTIVO DE GESTIÓN DE MATERIALES Y SU IMPACTO EN LOS PROYECTOSEdward Marín y Lucila Díaz

DESARROLLO DE PROYECTOS DE CAPITAL Y ESTIMADOS DE COSTORafael Figari

GESTIÓN DEL CAMBIO

CONTRUYENDO UNA CULTURA ORGANIZACIONAL: GMI CAMBIO

Nilton Zocón Alva, Magaly Morales, Maria Elena Hurtado y Aloha Rojas

ÍNDICE

165

177

195

207

215

237

Hace diez años se iniciaron cambios importantes en nuestro mercado, lo que exigió a las instituciones adaptarse a las nuevas condiciones. Nuestra empresa respondió con una organización descentralizada, expandiendo sus actividades al interior del país y fuera de él. Así

mismo, las políticas implementadas por los Gobiernos sucesivos produjeron un clima favorable a las inversiones, originando proyectos más complejos con requerimientos permanentes de profesionales y técnicos.

Estos retos los enfrentamos creando una cultura de trabajo basada en procesos, complementada con tecnología de punta y sistemas de gestión que, puestos a disposición de nuestros colaboradores, nos permitieron superar los desafíos.

Conscientes de no poder continuar trabajando solo con procesos, sistemas y tecnología lanzamos el proyecto que llamamos “Gestión del Conocimiento”, con la convicción de que GMI es una empresa que vende conocimiento y su objetivo primordial es generar valor a sus clientes a través del mismo.

Al comienzo, sin embargo, esto no funcionaba. Nos estábamos concentrando en las herramientas, en los procesos, olvidando lo más importante: las personas y su cultura organizacional; nos habíamos olvidado de la parte humana de cada uno de nosotros.

Por ello revisamos la historia sobre “el poder en la humanidad”. Al principio, el poder pertenecía al más fuerte; los más fuertes y los más rápidos tenían el poder de dirigir sus vidas y las de todos aquellos que los rodeaban. Con el paso del tiempo, la civilización evolucionó, el poder se convirtió en una cuestión de nacimiento o de herencia y en una jerarquía de realezas. Después llegaron los primeros días de la revolución industrial, cuando el poder lo ostentaba el capital, y llegamos a nuestros días, donde las mayores fuentes del poder derivan del conocimiento.

PRÓLOGO

INTRODUCCIÓN

15INTRODUCCIÓN


GESTIÓN DEL CONOCIMIENTO

EN GMI

Nilton Zocón AlvaGMI S. A. Ingenieros Consultores

es una empresa consultora de ingeniería; como tal, lo que vende es conocimiento plasmado en planos y documentos, es por ello que basa su estrategia en tres objetivos fundamentales:

• Lograr el margen y plazo del servicio para poder obtener una consolidación económica.

PLANEAMIENTO YPROGRAMACIÓNLOGRAR EL MARGEN Y

PLAZO DEL SERVICIOCONSOLIDACIÓN

ECONÓMICA

CONFIANZA DELCLIENTE

VENTAJACOMPETITIVA

APROVECHAR ELCONOCIMIENTO

INTERNO Y EXTERNO

CONSEGUIR UNABUENA CALIDAD EN

NUESTROSSERVICIOS

MANEJO DELCONOCIMIENTO

CONTROL Y PROYECCIÓN

GESTIÓN CONTRACTUAL

CONTROL DOCUMENTARIO

GESTIÓN DE CALIDAD

ESTÁNDARES DEPROCEDIMIENTOS

TÉCNICOS

ESTÁNDARES DEPROCEDIMIENTOSADMINISTRATIVOS

TECN

OLOG

ÍA D

E LA

INFO

RMAC

ÓN

EQUI

PO D

E TR

ABAJ

O

OBJETIVOS CAPACIDADES

GMI

Esta estrategia tiene como pilares al equipo de colaboradores y a la tecnología de la información.

• Ofrecer calidad en nuestros servicios para obtener la fidelización de nuestros clientes.

• Aprovechar el conocimiento interno y externo para generar una ventaja competitiva.

Tabla 1: Estrategia GMI

16 INTRODUCCIÓN

Nilton Zocón Alva

La Gestión del Conocimiento es uno de los objetivos en los que GMI basa su estrategia. El objetivo es “Aprovechar el conocimiento interno y externo para generar una ventaja competitiva”. Estamos convencidos de que solo a través de la gestión del conocimiento podremos desarrollar una ventaja competitiva que nos permita ser más eficientes, tener mayores capacidades y ser más competitivos, asegurando nuestra permanencia y desarrollo en el sector.

1. ¿QUÉ ES LA GESTIÓN DEL CONOCIMIENTO?

En GMI consideramos que el conocimiento “no se puede gestionar”. El conocimiento está en cada uno de nuestros colaboradores.

Lo que nosotros buscamos es administrar los espacios, tanto físicos como virtuales, para permitir el trabajo en equipo, la socialización y la integración entre todos los colaboradores de la organización, ya que es en este último grupo donde se encuentra el conocimiento.

Teniendo en cuenta que GMI es una organización que vende conocimiento, le es muy importante identificar y captar la valiosa información existente para ponerla a disposición de todos los colaboradores de GMI.

1) El conocimiento dinámico: que es espontáneo y surge en el día a día, tanto dentro como fuera de la empresa. Lo que se busca es que los

Tan importante como la captación de datos es la organización, ya que de esta estructura dependerá cuán fácil será su acceso y aplicación en el futuro. Se deben buscar formas para compartir esta información a través de su difusión y administración, todo esto con el objetivo de generar mayor conocimiento en la organización y aprovechar el que ya existe.

Para GMI, la gestión del conocimiento consiste en:

“Generar y administrar espacios y elementos que garanticen la difusión, aplicación y retención del conocimiento en GMI S. A. a través del desarrollo del talento humano y el reconocimiento de los colaboradores a partir de su participación en la creación de una cultura de innovación, trabajo en equipo y mejoramiento continuo, como base para la eficiencia y la competitividad ”.

2. MODELO DE GESTIÓN DEL CONOCIMIENTO EN GMI

El modelo de Gestión del Conocimiento está compuesto por dos tipos de conocimiento:

SOPORTE DE LA ESTRATEGIA

Cultura Procesos Tecnología Espacios Medición

Gestión del cambioPlan de sostenimientoReconocimiento

DocumentaciónDifusión y aplicación

Evolución Oficinas EstrategiaOperación

INNOVACIÓN

MEJORAMIENTOCONTINUO

CALIDAD

PLAME

Conocimientoorganizacional

Plan decapacitación

Docencia internaE-Learning

Incentivar lainnovación

Líneas de carreraGestión deldesempeño

Informaciónexterna

Conocimientoen los

proyectos

CONOCIMIENTOORIENTADO

CONOCIMIENTODINÁMICO

17INTRODUCCIÓN


3. COMUNIDADES DEL CONOCIMIENTO

Para impulsar esta estrategia, GMI creó sus Comunidades del Conocimiento, las cuales agrupan a los colaboradores tomando como referencia sus conocimientos comunes. De esa manera se ayudaba a facilitar tanto la distribución de la información como el intercambio de conocimientos.

GMI cuenta con 17 comunidades internas: Gestión Humana, Gestión de Proyectos, Estructuras, Mecánica, Geología, Eléctrica, Instrumentación, Arquitectura, Carreteras, Control Documentario, Medio Ambiente, Gestión de Materiales, Administración, Civil, ITID, PDMS y Prevención de Riesgos.

conocimientos adquiridos por los proyectos se junten con la información proveniente del entorno, para generar lo que llamamos conocimiento organizacional.

2) El conocimiento orientado: es el conocimiento inculcado a las personas a través de las estrategias implementadas de gestión humana, como son los planes de capacitación, la docencia interna, las líneas de carrera, la gestión de desempeño y la mejora continua a través de los planes de mejora (PLAME).

Con estos dos tipos de conocimiento se logra impulsar la innovación, la calidad y los planes de mejora.

Estos conocimientos están soportados por los siguientes elementos.

• Cultura: cambio cultural que motive a los colaboradores a la socialización, a generar una cultura de trabajo e intercambiar su conocimiento con el de los demás.

• Procesos: establecen caminos claros para identificar, capturar, organizar, aplicar y compartir el conocimiento

• Espacios: oficinas que gestionan las áreas, espacios y redes sociales como motores para la integración y fluidez del conocimiento entre el personal.

4

13

50

64

14

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8

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GESTIÓN HUMANA


ESTRUCTURAS

MECÁNICA

GEOLOGÍA

ELÉCTRICA

INSTRUMENTACIÓN

ARQUITECTURA

CARRETERAS

CONTROL DOCUMENTARIO

MEDIO AMBIENTE

GESTIÓN DE MATERIALES

ADMINISTRACIÓN

CIVIL

ITID

PDMS

PREVENCIÓN DE RIESGOS

LEGAL TRIBUTARIO

ALMACENAMIENTO DE SUSTANCIAS PELIGROSAS

INTE

RNAS

Áreas/Comunid. Cant.de part.

EXTE

RNAS

INDUSTRIAevillacorta

INFRAES-TRUCTURAanoriega

SUPERVISIÓNaponce

MINERÍARbrink

• Tecnología: se apoya en las tecnologías de última generación que permitan romper las barreras físicas y llegar a cada uno de los colaboradores sin importar su ubicación geográfica, de tal forma que la información esté al alcance de todos.

• Medición: Indicadores que nos permitan medir la efectividad de nuestras acciones para poder desarrollar mejores estrategias.

Tabla 2

18 INTRODUCCIÓN

Nilton Zocón Alva

4. COMPONENTES DEL MODELO DE GESTIÓN DEL CONOCIMIENTO

A continuación, explicaremos en detalle cada uno de los elementos del modelo:

4.1 Conocimiento dinámico

En el conocimiento dinámico tenemos:

4.1.1 Conocimiento en los proyectos

Se refiere a los conocimientos obtenidos en la práctica del día a día, en las labores rutinarias. En GMI, estos conocimientos son registrados de las siguientes maneras:

Lecciones aprendidas

Los miembros de un proyecto registran los temas nuevos, las buenas prácticas y los problemas y soluciones que ocurrieron durante la ejecución de un determinado proyecto.

Días del Conocimiento

En GMI se denomina Días del Conocimiento a las charlas de las comunidades del conocimiento, en las cuales los ingenieros con mayor experiencia pueden compartir sus conocimientos y experiencia con su comunidad.

En los Días del Conocimiento se exponen temas de interés para la comunidad. Estos pueden ser tanto temas técnicos como temas de gestión. El dictado de las charlas puede realizarse tanto por personas externas a la organización como por los mismos colaboradores de GMI, que así se convierten en docentes internos, reproduciendo los aprendizajes obtenidos a lo largo de su experiencia profesional.

Artículos del conocimiento

Los temas expuestos en los Días del Conocimiento quedan registrados en artículos, los cuales se compilan anualmente con el objetivo de editar un libro de conocimiento.

Días del Conocimiento online

Los Días del Conocimiento son grabados para luego ser publicados en el Sistema de Gestión del Conocimiento, de modo que los colaboradores que no pudieron asistir físicamente a la reunión puedan visualizar los temas abordados sin el impedimento de su ubicación geográfica.

Los Días del Conocimiento online exhiben la presentación y el video de la charla en simultáneo. De esta forma, el colaborador puede escuchar la explicación al tiempo que observa la diapositiva en referencia. Además, se publican todos los materiales físicos que se entregaron en la capacitación original.

Foros

Permiten la asistencia a un miembro de la comunidad ante cualquier duda técnica o de gestión que pueda tener, obteniendo el apoyo de su propia comunidad u otras comunidades. De esta manera, se logra mantener un intercambio de conocimientos ordenados sobre temas de trabajo, con el objetivo de identificar soluciones en el menor tiempo posible.

Casos de éxito

Son testimonios de los colaboradores que, a través del uso de los foros de discusión, obtuvieron la solución a sus interrogantes. Los casos de éxito se publican con el objetivo de incentivar el uso de las herramientas del Sistema de Gestión del Conocimiento.

Estos casos son compartidos con los demás y publicados en el Sistema de Gestión del Conocimiento para mostrar su eficacia e incentivar a los colaboradores a recurrir al foro en caso de alguna duda.

Lecciones aprendidas en los foros

Las lecciones aprendidas de los foros son documentos estructurados que reúnen la descripción y solución a los problemas encontrados en un proyecto. Dicha



Gestión del cambioplan de sostenimientoreconocimiento

Documentacióndifusión y aplicación

Evolución Oficinas Estrategiaoperación

INNOVACIÓN


CALIDAD

PLAME



Docencia internaE. Learning


Líneas de carreragestión deldesempeño

Informaciónexterna

Conocimientoen los

proyectos








INNOVACIÓN


CALIDAD

PLAME






Informaciónexterna

Conocimientoen los

proyectos



Luego, se decidió crear las comunidades externas, ya que nos dimos cuenta de que había temas en los que nuestros propios colaboradores no contaban con la experiencia necesaria para apoyar a sus compañeros. Las dos comunidades externas son Legal Tributario y Almacenamiento de Sustancias Peligrosas.

19INTRODUCCIÓN


solución fue obtenida a través del uso de los foros de discusión de GMI. Aquel aprendizaje queda documentado para que, en el futuro, si ocurriera el mismo problema, este documento ayude a los colaboradores a conocer exactamente los pasos que se dieron para solucionarlo.

Blogs

GMI fue consciente de la falta de socialización entre sus colaboradores, y por ello decidió crear los blogs de GMI. Se trata de un medio para compartir con otros colaboradores información sobre cualquier tema no relacionado con el aspecto laboral. Su objetivo es generar mayor integración y diálogo sobre asuntos de interés para los demás, temas curiosos, de actualidad, deportes, ventas de autos, entre otros. Es decir, buscamos que los colaboradores tengan un medio informal de comunicación y socialización.

4.1.2 Información externa

Se refiere a la información que pertenece al entorno de la organización, la cual puede consistir en regulaciones, normas, estándares, especificaciones, entre otros.






INNOVACIÓN


CALIDAD

PLAME






Informaciónexterna

Conocimientoen los

proyectos








INNOVACIÓN


CALIDAD

PLAME






Informaciónexterna

Conocimientoen los

proyectos



4.1.3 Conocimiento organizacional

Se refiere a los conocimientos que forman parte de los activos de GMI, como son los formatos, procedimientos, estándares, manuales, lecciones aprendidas y buenas prácticas.

Estos activos no sustituyen la experiencia o el sentido común, pero sí ofrecen una única fuente como guía para las buenas prácticas, para reducir el tiempo empleado en buscar nuevas directrices y ayudar a evitar problemas cometidos.






INNOVACIÓN


CALIDAD

PLAME





Líneas de Carreragestión deldesempeño

Informaciónexterna

Conocimientoen los

proyectos








INNOVACIÓN


CALIDAD

PLAME





Líneas de Carreragestión deldesempeño

Informaciónexterna

Conocimientoen los

proyectos



4.2 Conocimiento orientado

En el conocimiento orientado encontramos:

4.2.1 Plan de capacitación

Las capacitaciones nos permiten generar nuevas habilidades, y se rigen a través del Plan de Capacitación Anual, el cual tiene como política que todo colaborador puede recibir capacitación brindada o financiada por la empresa, siempre que se encuentre alineada con los objetivos generales de organización y con los objetivos específicos del área o proyecto donde desarrolla sus funciones. Este proceso puede definirse como capacitación externa (a través de instituciones o docentes externos) o capacitación interna (a través de colaboradores de GMI que ejerzan la docencia interna). Sin embargo, en GMI se priorizan las capacitaciones internas, pues son la mejor forma de transmitir la cultura, las experiencias y el conocimiento de la organización.






INNOVACIÓN


CALIDAD

PLAME





Líneas de CarreraGestión deldesempeño

Informaciónexterna

Conocimientoen los

proyectos








INNOVACIÓN


CALIDAD

PLAME





Líneas de CarreraGestión deldesempeño

Informaciónexterna

Conocimientoen los

proyectos



20 INTRODUCCIÓN

Nilton Zocón Alva

4.2.3 Desarrollo de las personas

GMI comparte el concepto de que el desempeño laboral de una persona está compuesto en un 25% por los componentes personales y, en un 75%, por los componentes empresariales.

Es por eso que la gestión de desempeño en GMI está definida como un proceso abierto en el que participan el jefe y sus colaboradores, y cuyo objetivo es potenciar las competencias laborales de los colaboradores sobre






INNOVACIÓN


CALIDAD

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Informaciónexterna

Conocimientoen los

proyectos








INNOVACIÓN


CALIDAD

PLAME






Informaciónexterna

Conocimientoen los

proyectos



Capacidadindividual

8%

Contexto6%

Estándaresclaros27%

Feedback25%

Apoyo enlas tareas

12%

Reconocimiento11%

25% 75%

Conocimiento ycompetencias

11%

4.2.4 Líneas de carrera

Identifican los conocimientos técnicos que deben tener los colaboradores en función de sus responsabilidades y cargos, con el fin de definir su línea de desarrollo basada en el conocimiento. Las líneas de carrera muestran los niveles de conocimiento requeridos en los cargos, las fuentes de información y los recursos disponibles para su desarrollo.

Además, ayudan a la organización a crear un adecuado plan de capacitación, ya que contribuyen a identificar los conocimientos que se necesitan desarrollar sobre la base del desarrollo profesional de los colaboradores. Además, permiten que cada colaborador tenga una visión clara sobre su desarrollo profesional en la organización, y le permiten la posibilidad de escoger las diferentes especialidades de su carrera.






INNOVACIÓN


CALIDAD

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Informaciónexterna

Conocimientoen los

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Informaciónexterna

Conocimientoen los

proyectos



4.2.2 Incentivar la innovación

Se motiva la innovación, y no solo en la parte tecnológica, sino también en los procesos, lo cual nos permite desarrollar los planes de mejora y calidad en nuestros servicios.

Para poder incentivar la innovación, GMI desarrolla talleres creativos, con el objetivo de alinear a los participantes en los principales conceptos, técnicas y herramientas de pensamiento creativo, orientados a través de actividades prácticas y grupales.

la base del cumplimiento de objetivos y desarrollo de su línea de carrera. El proceso de gestión de desempeño cuenta con dos componentes principales a ser evaluados: la gestión y las competencias.

21INTRODUCCIÓN


4.3 Soporte de la estrategia de gestión del conocimiento

4.3.1 Cultura

La cultura es determinante para lograr que las personas accedan a compartir lo más valioso que poseen: su conocimiento. Sin embargo, es también la parte más compleja de desarrollar en una organización, ya que implica trabajar en las costumbres, los valores, las creencias y la forma de pensar de las personas.

Para crear una cultura que impulse la gestión del conocimiento, GMI desarrolló la estrategia de GMi Cambio, basándola en la participación, interacción e integración de los colaboradores, motivando en ellos la socialización y propiciando el intercambio de conocimiento.

Como parte de la estrategia de cultura, GMI debía lograr que los colaboradores tuvieran mayor disposición para compartir su conocimiento y mayor facilidad para expresarse, además de crear oportunidades para que se relacionaran con los miembros de su comunidad y de la organización.

Como parte de ello, GMI ha ejecutado diversas campañas y actividades orientadas a fortalecer actitudes positivas para la gestión del conocimiento. En ellas, los colaboradores han podido expresar sus ideas respecto de diversos temas, escuchar mensajes de cambio de colaboradores de todas las áreas, conocer testimonios de los líderes de la empresa, participar juntos en actividades artísticas para compartir y conocer mejor a su comunidad, asumir juntos un reto —como en la maratón—, involucrar a la familia en las actividades de la empresa, etc.

Así mismo, GMI debía contar con actividades que reforzaran las conductas positivas de este cambio cultural a través de actividades de reconocimiento, para lo cual otorga premiaciones anuales, como el Reconocimiento a los Valores Corporativos y el Premio al Docente Interno del Año.






INNOVACIÓN


CALIDAD

PLAME



docencia internaE. Learming



Informaciónexterna

Conocimientoen los

proyectos








INNOVACIÓN


CALIDAD

PLAME






Informaciónexterna

Conocimientoen los

proyectos



Figuras 1, 2, 3 y 4

22 INTRODUCCIÓN

Nilton Zocón Alva

4.3.2 Procesos

• Proceso de Capacitación:Las capacitaciones brindadas por GMI deben tener beneficio para ambas partes, empresa y colaborador. Es por ello que el conocimiento que adquiere un colaborador lleva el compromiso de transmitirlo internamente bajo la modalidad que la organización crea conveniente, de tal modo que dicho conocimiento forme parte del activo de la empresa.

• Proceso de Gestión de Desempeño:Al principio del proyecto o período a evaluar se reúnen el jefe y sus colaboradores, con el fin de proponer y acordar las metas a alcanzar según los Objetivos Estratégicos Anuales de GMI, los cuales consignan en el Formato de Gestión de Desempeño.

• Proceso de Adquisición de Normas:Cuando un colaborador necesite un documento que no se encuentre en el Sistema de Información, debe comunicarlo al administrador del sistema para que gestione la compra. Una vez que el nuevo documento es ingresado al sistema, se envía una publicación a todos los colaboradores indicando los datos del documento. Las normas ingresadas en el sistema son revisadas cada cierto tiempo para verificar su vigencia.

• Proceso de Seguimiento a los Foros de Discusión:En el caso de los foros de discusión, el

GMI ha establecido procesos formales a través de los cuales se identifica, captura, organiza, aplica y comparte el conocimiento. Entre ellos, tenemos:

administrador del conocimiento debe realizar un seguimiento para asegurar la solución de las consultas realizadas a través de los foros. Cada vez que un foro es solucionado, el creador debe llenar el Formato de Lección Aprendida y Caso de Éxito.

• Proceso de Días del Conocimiento:Los líderes de las comunidades, con el apoyo del administrador del conocimiento, se encargan de programar y organizar los Días del Conocimiento, determinando los temas a tratar. Todos los Días del Conocimiento son grabados para luego ser ingresados en el sistema.

4.3.3 Tecnología

• Sistema de Gestión del Conocimiento

GMI cuenta con un Sistema de Gestión del Conocimiento a través del cual se comparte todo tipo de información, como políticas, estándares, procesos, nuevos proyectos, videos, enlaces de interés, manuales, normas, formatos, relatorios de proyectos, etc. que ayudan la integración de sus colaboradores.

Además, genera espacios de interacción en los cuales los colaboradores pueden difundir y recibir conocimientos a través de foros, blogs, buzón de sugerencias, etc.

Uno de los soportes de la estrategia de GMI es la tecnología, ya que solo con tecnología de punta se puede romper barreras físicas y lograr compartir el conocimiento. Ante ello, GMI cuenta con las siguientes herramientas:






INNOVACIÓN


CALIDAD

PLAME






Informaciónexterna

Conocimientoen los

proyectos








INNOVACIÓN


CALIDAD

PLAME






Informaciónexterna

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proyectos








INNOVACIÓN


CALIDAD

PLAME






Informaciónexterna

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proyectos








INNOVACIÓN


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PLAME






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proyectos



23INTRODUCCIÓN


Figura 5

4.3.4 Espacios físicos

Los diseños de nuestras oficinas responden a la estrategia de gestión del conocimiento, que se traduce en la gestión de las áreas, espacios físicos y redes sociales como motores para la integración y fluidez del conocimiento entre el personal. Es decir, ambientes abiertos que buscan la socialización y colaboración, donde las personas pueden fluir libremente y es la proximidad la que da soporte a la innovación y a la comunicación.

GMI cuenta con espacios que promueven la integración, como son:

Figuras 6 y 7: Salas de videoconferencia, las cuales permiten realizar reuniones sin importar la ubicación geográfica






INNOVACIÓN


CALIDAD

PLAME



d ocencia internaE. Learming



Informaciónexterna

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proyectos








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d ocencia internaE. Learming



Informaciónexterna

Conocimientoen los

proyectos



24 INTRODUCCIÓN

Nilton Zocón Alva

Figuras 8 y 9: Salas de asesoría utilizadas para coaching o mentoring

Figuras 10 y 11: Salas de trabajo para realizar reuniones y coordinaciones de trabajo

Figuras 12 y 13: Salas externas para recibir visitas y no invadir los espacios de trabajo

Figuras 14 y 15: Bibliotecas abiertas para un fácil acceso a los documentos en cada piso de la organización

25INTRODUCCIÓN


Figuras 16 y 17: Locutorios para comunicaciones privadas

Figuras 18 y 19: Kitchenette o pequeña cocina que permite a los colaboradores consumir sus alimentos

Figuras 20 y 21: Áreas de impresión centralizadas, que son puntos de encuentro para los trabajadores

Figuras 22 y 23: Estaciones de trabajo flexibles que se pueden adaptar a las necesidades de los colaboradores y unirse con otras estaciones para realizar reuniones amplias y dinámicas

26 INTRODUCCIÓN

Nilton Zocón Alva

Figuras 24 y 25: Oficina flexible que permite convertir el área de trabajo central en un aula de enseñanza para las capacitaciones. Además, permite convertir la oficina en un salón de eventos para compartir con

todas las comunidades

4.3.5 Medición

Una parte muy importante de la gestión del conocimiento es determinar y realizar el seguimiento de los indicadores que muestran el avance o desviación de los objetivos. Para ello, se elabora mensualmente un panel de control donde se reportan al directorio diversos indicadores de Gestión del Conocimiento como:

• Horas hombre de capacitación

• Número de consultas al sistema de información

• Número de foros creados e intervenciones

• Lecciones aprendidas, etc.SOPORTE DE LA ESTRATEGIA





INNOVACIÓN


CALIDAD

PLAME






Informaciónexterna

Conocimientoen los

proyectos








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CALIDAD

PLAME






Informaciónexterna

Conocimientoen los

proyectos



27INTRODUCCIÓN


ESTRUCTURAS

TEODORO HARMSEN GÓMEZ DE LA TORRE

El Ingeniero Teodoro E. Harmsen es un profesional con más de 70 años de experiencia dedicados a la Ingeniería. Nació en Arequipa el 13 de abril de 1918.

Entró a la facultad de ingeniería de la Universidad Católica en 1936 con el puesto primero y terminó su carrera en 1940 siendo considerado como un excelente alumno. Cuando terminó sus estudios ingresó a Gramonvel, ahora Graña y Montero, como Ingeniero Calculista de Concreto e Ingeniero Residente de la Fábrica Eternit. Así comenzó en Gramonvel y, a lo largo de 70 años, ha pasado por todos los puestos como Jefe del Departamento Técnico, Gerente Técnico-Administrativo, Gerente General, Director, Presidente Ejecutivo y, actualmente, Presidente Vitalicio de GyM, Director de Graña y Montero S. A. A. y Presidente de GMI S. A.

En la universidad, comenzó en 1941 como jefe de prácticas de Geometría Analítica y Cálculo Infinitesimal con Don Cristóbal de Losada y Puga y, en 1944, comenzó a dictar el curso de Concreto Armado hasta que se retiró, después de 59 años de docencia. Tiene la distinción de Profesor Emérito del Departamento de Ciencias e Ingeniería desde el año 2000.

Miembro Honorario del Colegio de Ingenieros en 1989, del American Concrete Institute de EE. UU. en 1995 y de la Academia Peruana de Ingeniería en 2002. Ex alumno distinguido de la PUCP 2007. Obtuvo el premio “Jose W. Kelly” del American Concrete Institute-ACI, EE. UU., el 26 de marzo de 1998.

La regla principal de su labor, tanto docente como profesional, fue mantenerse siempre al día, enseñando el curso de Concreto Armado siempre de acuerdo con el último Reglamento del ACI, para lo cual compraba y estudiaba libros y revistas y asistía a Convenciones del ACI International en Estados Unidos.

A la fecha, tiene editada la cuarta edición de su libro Diseño de estructuras de concreto armado, adecuado al Reglamento ACI-318-2005, y una separata para adecuar su libro de Estructuras al Reglamento ACI de 2008.

EMPALMES MECÁNICOS DE ARMADURAS PARA

CONCRETO

Teodoro Harmsen Gómez de la TorreGMI S. A. Ingenieros Consultores

32 ESTRUCTURAS

Teodoro Harmsen

1. EMPALMES DE LAS ARMADURASPueden ser de tres clases:

1.1 Traslapados

1.2 Soldados

1.3 Mecánicos

EMPALMES MECÁNICOS DE ARMADURAS PARA CONCRETO

1.1 Empalmes traslapados

El empalme traslapado consta de las dos varillas a empalmar, una a continuación de la otra, con una cierta longitud de traslape. La fuerza en una barra se transfiere al concreto que la rodea por adherencia y, simultáneamente, por el mismo efecto, del concreto a

la otra barra. La distribución de esfuerzos es similar a la mostrada en la fig. 1. La eficiencia de un empalme depende del desarrollo de la adherencia a lo largo de la superficie de las varillas y de la capacidad del concreto para transferir los elevados esfuerzos cortantes que se generan. Los empalmes traslapados tienen la desventaja de que el concreto que los rodea presenta grietas locales irregulares.

Figura 1: Fuerzas en el acero y el concreto en empalmes traslapados

T

T

(a) Fuerzas en las varillas empalmadas

(b) Fuerzas radiales en el concreto y esfuerzos generados en una sección del empalme

33ESTRUCTURAS


El empalme traslapado con contacto es mejor, pues se puede amarrar el acero con alambres. Si las varillas empalmadas no están en contacto directo, no deberán separarse más de un quinto de la longitud del empalme ni más de 15 cm pues, si no, se genera una sección no reforzada entre varillas que favorece el agrietamiento (ACI-12.14.2.3).

El código del ACI recomienda que no se deben usar empalmes traslapados para varillas mayores a la #11 (ACI-12.14.2.1).

1.1.1 Empalmes a tracción

El empalme a tracción genera compresión diagonal en el concreto ubicado entre varillas. La presencia de estribos en el elemento limita el desarrollo de grietas originadas por estos esfuerzos y asegura una falla dúctil. Experimentalmente, se ha demostrado que resulta beneficioso escalonar los traslapes. Esto se debe a que los extremos de las barras son fuentes de discontinuidad e inician grietas en la zona de tensión.

Existen dos clases de empalmes a tracción (ACI-12.15):

Clase A: 1s = 1.01d

Clase B: 1s = 1.31d

Donde:

1s = Longitud de traslape o empalme, que será siempre ≥ 30 cm.

1d = Longitud de anclaje en tensión de la varilla sin

incluir reducción por exceso de refuerzo. La reducción por exceso de refuerzo es considerada a través de los factores 1.0 y 1.3.

Para la determinación de la longitud de anclaje de varillas empalmadas simultáneamente, se considerará que su espaciamiento es igual al espaciamiento entre varillas fuera de la zona de empalme menos el diámetro de una barra. Para columnas con varillas cuyos ejes no están alineados y para empalmes escalonados, se tendrán en cuenta las consideraciones mostradas en la figura 2.

El empalme clase A se emplea cuando el área de refuerzo provista en la sección es al menos el doble de la requerida por análisis a todo lo largo del empalme y cuando la mitad del refuerzo o menos es traslapado en la longitud de empalme. En cualquier otro caso, se usa el empalme clase B.

Las mallas electrosoldadas de alambre liso y corrugado se empalmarán como se muestra en las figuras 3a y 3b. La eficiencia del empalme de mallas de alambre liso depende básicamente de los hilos transversales que existen en el empalme, mas no de la longitud de traslape propiamente dicha. Este no es el caso de las mallas con alambre corrugado, las cuales, de no presentar hilos transversales, se consideran como alambres corrugados independientes. Si en la dirección del empalme la malla presenta algún alambre liso, o si la malla de alambre corrugado es empalmada a una malla de alambre liso, el traslape se diseñará bajo las consideraciones presentadas para mallas de alambre liso.

Figura 2: Espaciamiento entre varillas para la determinación de los factores de corrección de la longitud del empalme

Espaciamiento

Espaciamiento

(a) Empalme en columnas con varillas no alineadas

(b) Empalme escalonado

Varillas en la columna superior

Varillas en la columna superior

Espaciamiento

34 ESTRUCTURAS

Teodoro Harmsen

1.1.2 Empalmes a compresión

Los empalmes a compresión son de menor longitud que los empalmes a tensión, ya que las condiciones bajo las cuales trabajan son más favorables, entre ellas la ausencia de agrietamiento transversal. La principal diferencia entre los empalmes a compresión y a tracción es que, en los primeros, gran parte de la fuerza se transmite por aplastamiento del concreto en el extremo de la varilla. La principal causa de falla de estos empalmes se debe a este efecto de aplastamiento, sobre todo en las varillas de gran diámetro.

La longitud de empalme a compresión será (ACI-12.16):

a) Si fy < 4200 kg/cm2, entonces:

1s = 0.007 fydb

b) Si fy > 4200 kg/cm2, entonces:

1s = (0.013 fy – 24) db

Las longitudes de empalmes a compresión se indican en la tabla siguiente, tomada del libro del C. R. S. I.

Figura 3: Empalmes de mallas electrosoldadas

DEVELOPMENTE AND LAP SPLICE DESIGN DATA FOR REINFORCING BARSCOMPRESSION DEVELOPMENT LENGTHS AND COMPRESSION LAP SPLICES

Tabla 1: Compression Dowel Embedment and Compression Lap Splices for Grade 60 Bars and All Concrete with f ’c ≥ 3000 psi

#3

#4

#5

#6

#7

#8

#9

#10

#11

#14

#18

9”

11”

14”

17”

19”

22”

25”

28”

31”

38”

50”

12”

12”

14”

17”

20”

23”

25”

29”

32”

-

-

12”

15”

19”

23”

27”

30”

34”

38”

43”

-

-

BarSize

DowelEmbedment

22 db

StandardLap 30 db

Minimun Lap Length

With ColumnSpirals22.5 db

35ESTRUCTURAS


* For use in spirally-reinforced columns with spirals conforming to ACI 7.10.10.4 and 10.9.3. Regarding anchorage and lap splicing of spirals, the ACI Building Code requirements are:

7.10.4.4: Anchorage of spiral reinforcement shall be provided by 1-1/2 extra turns of spirals bar or wire at each end of a spiral unit.

7.10.4.5: Spiral reinforcement shall be spliced, if needed, by any one of the following methods:

(a) Lap splices not less than the larger of 12 in. And the length indicated in one of (1) through (5) below:

(1) deformed uncoated bar or wire..................48 db

(2) plain uncoated bar or wire................72 db

(3) epoxy-coated deformed bar or wire..72 db

(4) plain uncoated bar or wire with a standard stirrup or tie hook in accordance with ACI 7.1.3 at ends of lapped spiral reinforcement. The hooks shall be embedded within the core confined by the spiral reinforcement.........................................48 db

(5) epoxy-coated deformed bar or wire with a standard stirrup or tie hook in accordance with ACI 7.1.3 at ends of lapped spiral reinforcement. The hooks shall be embedded within the core confined by the spiral reinforcement.........................................48 db

1.1.3 Empalmes de fierros traslapados a tracción

a) De acuerdo con ACI-318-08

En ACI-318-09, para ≤ #6: fy ψe ψc ld = __________ . db (caso 1)

25 ψ √ fć

3 fy ψ e ψc ld = __________ . db (caso 2)

50 ψ √ fć

Para > #6: fy ψ e ψc ld = __________ . db (caso 1)

20 ψ √ fć

3 fy ψe ψc ld = __________ . db (caso 2)

40 ψ √ fć

Para todos los diámetros: 3 fy ψe ψc ld = __ . __________ db donde ktr= 40Atr

40 √ fć (Cb+ ktr ) ____ ____________ Sn db

≥ 2

< 2

50%

Clase A

Clase B

100%

Clase B

Clase B

As provistoAs requerido

Máximo % de As empalmado dentrode la longitud de empalme

Generalmente, es clase B.

36 ESTRUCTURAS

Teodoro Harmsen

Tipo de empalme para vigas y columnas:

Caso 1 c ≥ db s ≥ 2dbCaso 2 c < db s < 2db

Donde: c = recubrimiento de la barra de diámetro db s = distancia entre ejes de barras paralelas

Requiere estribos adicionales a lo largo del empalme a 10 cm de distancia.

Empalme para fć = 3000 lbs/sq.in = 210 kg/cm2

Para fć = 4000 lb/sq. in = 280 kg/cm2

6

8

11 *

¾

1”

1 3/8

A

B

A

B

A

B

91.4 cm

1.42 m

1.83

2.36

2.57

3.33

1.63 m

2.13

2.72

3.53

3.84

4.98

# ØClase deempalme Caso 1 Caso 2 Caso 1 Caso 2

Barras superiores Otras barras

0.84 m

109 m

1.40

1.83

1.98

2.57

1.27 m

1.63

2.08

2.72

2.95

3.84

A lo largo del empalme se colocarán estribos adicionales espaciados 10 cm.

6

8

11 *

¾

1”

1 3/8

A

B

A

B

A

B

0.94 cm

1.22 m

1.57

2.03

2.21

2.89

1.42 m

1.83

2.36

3.07

3.33

4.32



0.74 m

0.94 m

1.22

1.57

1.70

2.21

1.09 m

1.42

1.80

2.36

2.57

3.33


6

8

11 *

¾

1”

1 3/8

A

B

A

B

A

B

0.79 cm

1.02 m

1.30

1.68

1.80

2.36

1.17 m

1.5

1.93

2.49

2.72

3.53



0.61 m

0.79 m

0.99

1.30

1.40

.180

0.89 m

1.17

1.47

1.93

2.0

2.72


Para fć = 6000 lb/sq.in 420 kg/cm2

37ESTRUCTURAS


** Se consideran barras superiores a aquellas que tienen 300 mm o más de concreto fresco por debajo de ellas.

El producto , no necesita considerarse mayor que 1.7

b) De acuerdo al reglamento peruano RNE, NTE E.060-2009 concreto armado

La longitud mínima del empalme por traslape a racción pueden ser Clase A y B, pero nomenor de 300 mm, donde:

Empalme por traslape Clase A ............................ 1.0 Id

Empalme por traslape Clase B ............................. 1.3 Id

El más comúnmente utilizado es el Clase B, se admiten

El término no deberá considerarse mayor a 2.5 y se permite utilizar Ktr=0 con una simplificación del

diseño, aún si hay refuerzo transversal presente.

Los factores indicados en la tabla anterior se definen a continuación:

* En el ACI 318-05 y 08, estos valores son 2.1 y 1.7 respectivamente.

longitudes de empalme Clase A, cuando cumple lo siguiente:

(a) el área del refuerzo proporcionada es al menos el doble de la requerida por análisis a todo lo largo del empalme, y(b) la mitad, o menos del refuerzo total está empalmado dentro de la longitud de empalme por traslapo requerido.

Longitud de desarrollo de barras en tracción, se calcula de acuerdo con la siguiente tabla:

Espaciamiento libre entre barras o alambres que están siendo empalmados o desarrollados no menor que db, con recubrimiento libre no menor que db, y estribos a lo largo de Id por lo menos iguales al minimo del reglamento.Aplicable también cuando el espaciaminento libre entre barras o alambres que están siendo desarrolladas o empalmadas no sea menor que 2db y el recubrimiento libre no menor que db

Otros casos

Condiciones Alambres corrugadoso barras de 3/4” y menores

Barras mayores de 3/4”

ƒy ψt ψe ψs λ 1.1√fć Cb + Ktr

db

db

ƒy ψt ψe ψs λ 1.1√fć Cb + Ktr

db

db

ƒy . ψt . ψe λ 2.6* √fć

dbƒy . ψt . ψe λ

2.1* √fć

db

Barras Superiores**Otras barras

Barras o alambres con tratamientosuperificlal epóxico y recubrimientomenor que 3db o espaciamiento libremenor que 6db.Otras barras o alambres contratamiento superficial epóxico.Barras sin tratamiento superficial.

Barras de 3/4” y menores.Barras mayores de 3/4”.

Concreto liviano.Concreto de peso normal.

1.31.0

1.5

1.21.0

0.81.0

1.31.0

ValorCondicionesFactor

Ψt

Ψc

Ψs

λ

Cb + Ktr

db

Ψt Ψs

38 ESTRUCTURAS

Teodoro Harmsen

#

6

8

11

ACI

1.42

2.36

3.33

PERÚ

1.13

1.87

2.64

ACI

1.09

1.83

2.57

fć = 210 kg/cm2

PERÚ

0.87

1.43

2.03

Otras barras Barras superiores

#

6

8

11

ACI

1.22

2.03

2.87

PERÚ

0.98

1.63

2.28

ACI

0.94

1.57

2.21

fć = 280 kg/cm2

PERÚ

0.75

1.25

1.76


#

6

8

11

ACI

1.02

1.68

2.36

PERÚ

0.81

1.33

1.87

ACI

0.79

1.30

1.80

fć = 420 kg/cm2

PERÚ

0.62

1.01

1.43


2. EMPALMES EN ZONA SÍSMICA

Serán empalmes a tracción y además se debe cumplir ls= 007 fydb

Si f’y > 4200 kg/cm2 ls = (0.013 fy – 24 ) db

En zonas sísmicas, si f’c < 210 kg/cm2, entonces la longitud de traslape será incrementada en un 33%. En ningún caso se tomará una longitud de traslape menor que 30 cm (ACI-12.16.1).

En general, se usan empalmes a tracción.

El empalme de barras mayores a la #11 está permitido

por el código del ACI siempre que se unan a varillas #11 o de menor diámetro (ACI-12.16.2). Cuando se empalman varillas de diferente diámetro, la longitud del traslape será la mayor entre la longitud de anclaje de la barra mayor y la longitud de traslape de la barra menor.

2.1 Empalmes traslapados

No se permitirán en las zonas de los nudos ni en las distancias ≤ 2 h de la cara del nudo ni en la zona donde el análisis indica que hay fluencia en el refuerzo

c) Comparación de los reglamentos

Comparación del reglamento norteamericano ACI-318-08 y el peruano NTE E.060-2009

Caso 1B

39ESTRUCTURAS


* Si las barras se sueldan traslapándose, por la tracción tienden a alinearse y se rompe la soldadura (Fig 4.c).

2.3 Empalmes mecánicos

2.3.1 A tracción

En una estructura que desarrolla deformaciones no elásticas durante el sismo, el esfuerzo en el acero se aproxima al límite elástico del mismo. Los requisitos de usar empalmes tipo 2 tienen por objeto evitar la falla del empalme cuando el refuerzo tiene esfuerzos cercanos al límite elástico. Los empalmes tipo 1 no requieren las especificaciones severas de los empalmes tipo 2 y no son capaces de resistir esfuerzos en las zonas de fluencia. La ubicación de los empalmes tipo 1 se limita porque el esfuerzo en el acero en las zonas de fluencia puede exceder los requisitos generales de este tipo de empalmes. Si no se pueden evitar los empalmes en zonas de fluencia, se usarán forzosamente empalmes tipo 2.

Los empalmes mecánicos son los más usados actualmente y son más seguros que los empalmes soldados. Existen en el mercado diversos dispositivos patentados para los empalmes mecánicos, como manguitos que se presionan mecánicamente a las varillas, dispositivos con rosca en la varilla, manguitos que se presionan con tornillos, etc.

En la parte correspondiente a diseño asísmico, clasifican los empalmes mecánicos como sigue:

causada por desplazamientos inelásticos del pórtico. Se usarán varillas ≤ #11 y solo en las zonas permitidas para ello, tanto en elementos a flexión como a flexión y compresión. Los empalmes se diseñarán para desarrollar esfuerzos de tracción y tendrán en toda su longitud estribos de confinamiento. En vigas S ≤ d/4 y S ≤ 10 cm.

2.2 Empalmes soldados

Deben cumplir lo especificado para empalmes soldados:

• No se pueden usar en zonas que distan menos de 2 h de la cara de las columnas o las vigas en donde el acero puede llegar a la zona de fluencia.

• Se prohíbe soldar estribos, insertos o elementos similares al refuerzo longitudinal.

• Las barras deben ser de acero ASTM A 706.

• La soldadura debe cumplir con las especificaciones del Structural Welding Code-Reinforcing Steel (ANSI-/AWS D 1.4).

• Normalmente, se usan para empalmar varillas de diámetros grandes (#6 o mayores). Deben poder desarrollar por lo menos 125% del límite elástico del acero de la varilla fy. Son obligatorias para barras #14 o mayores .

• Se colocarán escalonadas con distancias iguales o mayores a 60 cm. En elementos a tracción pura se escalonarán por lo menos 75 cm.

• Los empalmes soldados no deben producir excentricidades en el esfuerzo.

En la figura 4 se muestran algunos de los más utilizados.

45° a 60°

45° a 60°

45° 45°

Figura 4.a: Tipos de empalmes soldados

Figura 4.b: Tipos de empalmes soldados

Figura 4.c

A

A

B

B

Sección A - A

Soldaduras con planchas

Soldaduras con ángulos

Sección B - B

A

A

B

B

Sección A - A



Sección B - B



40 ESTRUCTURAS

Teodoro Harmsen

a) Empalme mecánico tipo 1, que debe desarrollar por lo menos 125% de fy.

b) Empalme mecánico tipo 2, que debe desarrollar por lo menos la carga de rotura del acero de varilla f’s.

Los empalmes mecánicos son piezas metálicas que conectan una varilla con la otra. Deben cumplir las reglamentaciones 12.14.3 y 12.15.4 del ACI-318-08, que indican lo siguiente:

• 12.14.3.2: un empalme mecánico completo debe desarrollar en tracción o compresión al menos 1.25 fy de la barra más las restricciones que se indican luego según el tipo de barra.

• 12.14.3.5: los que no cumplen lo anterior se permitirán solo para barras #5 y menores.

• 12.15.4: cuando el área del refuerzo es menor que el doble de la requerida por el análisis, los empalmes deben estar escalonados cuando menos 60 cm.

• Los empalmes mecánicos son obligatorios para barras #14 o mayores, donde están prohibidos los empalmes traslapados.

• Al calcular las fuerzas de tracción se tomará como la fuerza especificada del empalme, pero no mayor de fy.

• La fuerza de tracción total que puede ser desarrollada en cada sección debe ser por lo menos el doble de la requerida por el análisis y, al menos, 1400 kg/cm2 veces el área total del refuerzo proporcionado.

• Los empalmes en elementos de amarre en tracción se deben hacer de acuerdo con ACI-12.14.3.2 o ACI-12.14.3.4 y deben estar escalonados por lo menos 75 cm.

Estos empalmes se denominan tipo 1 y, en pórticos asísmicos especiales o muros estructurales especiales, no deben usarse dentro de una distancia igual al doble de la altura del elemento medido desde la cara de la columna o viga o donde sea probable que se produzca la fluencia del refuerzo como resultado de desplazamientos laterales inelásticos, como en el caso de rótulas plásticas. Se llama empalme tipo 2 al que resiste una fuerza ≥ f´s carga de rotura del acero, y se pueden usar en cualquier localización. Estos empalmes se usan para varillas A-615 o A-706 Grado 40 (2800 kg/cm2) o grado 60 (4200 kg/cm2) a grado 74 (5200 kg/cm2).

Si estos empalmes se usan para varillas de acero A-615 grado 40, deben poder resistir una fuerza ≥ 4200 kg/cm2.

Si se usa acero A-615 o A-706 Grado 40 o Grado 60, deben poder resistir 6200 kg/cm2.

Todos estos empalmes se tienen que usar obligatoriamente con varillas recubiertas con epoxy

o las llamadas “Z bars” cuando el esfuerzo está en elementos a tracción, donde no se pueden usar empalmes traslapados.

2.3.2 A compresión

Se llama empalmes a tope en compresión cuando se trasmite el esfuerzo de compresión por apoyo directo a través de cortes a escuadra, manteniéndolos en contacto concéntrico y alienados por medio de mecanismos adecuados.

Los cortes a los extremos de los fierros, perpendiculares al eje, pueden tener una tolerancia de 1.5º y deben ser ajustados con una tolerancia máxima de 3º después del empalme. Las varillas deben tener estribos cerrados o espirales. Los empalmes deben estar escalonados con mecanismos que mantengan las barras en su posición. Las barras que continúan deben tener una resistencia a la tracción ≥ 0.25 fy. Si no cumplen, se colocarán varillas adicionales.

En general, los empalmes mecánicos se usan para fierros gruesos del #8 o más, donde resultan más económicos, cómodos de usar y facilitan las llenas de concreto.

Se deben tomar precauciones especiales en los espaciamientos entre barras y en los recubrimientos, dado que el diámetro exterior del empalme mecánico es mayor que el de la barra.

Si se trata de ampliaciones de edificios antiguos en los que se usaba acero grado 40 o menor, se deben hacer pruebas del empalme con ese tipo de acero.

Los empalmes, tanto mecánicos como soldados, se colocarán escalonados con distancias iguales o mayores que 60 cm.

En varillas ≤ #5, si el área del acero es mayor que el doble de la requerida por el análisis, se pueden usar empalmes mecánicos o soldados que no cumplan el requisito de resistir por lo menos 125% de fy, y los empalmes se colocarán alternados y con varillas continuas y escalonados por lo menos 60 cms.

En elementos a tracción, se colocarán empalmes soldados o mecánicos que cumplan las especificaciones de resistir por lo menos 125% de fy, y se colocarán escalonados por lo menos 75 cm. En otros elementos, no a tracción pura, no es necesario escalonar estos empalmes.

En cualquier sección, la fuerza total de tracción a desarrollarse debe ser por lo menos el doble que la requerida por el análisis y por lo menos mayor que 1400 multiplicado por el área total del refuerzo.

41ESTRUCTURAS


3. EMPALMES MAS USADOSLos empalmes más usados son:

3.1 Empalme en compresión

3.1.1 Con manguito relleno de acero (fig. 5)

3.1.2 Con abrazaderas con pernos (fig. 6)

3.2 Empalmes en tracción tipos 1 y 2

3.2.1 Con tornillos perpendiculares a la barra (fig. 7)

Tipo 1 para barras ≥ #14, ≤ #18

Tipo 2 para barras ≤ #14

No requiere equipos especiales. Los tornillos quedan.

3.2.2 Con cuñas perpendiculares y tornillos

Tipo 1 para barras ≥ #14, ≤ #18 (fig. 8)

Tipo 2 para barras ≤ 14 e

No requiere equipos especiales. Las cabezas de los pernos se rompen cuando tienen la fuerza de diseño. Son los más prácticos, pero son caros. Permiten empalmar barras de diferentes diámetros.

3.2.3 Con manguito roscado con roscas estándar

Tipo 1 para barras ≤ #11, ≥ #8

Tipo 2 para barras ≤ #8 (fig. 9)

3.3 Empalmes en tracción tipo 23.3.1 Manguito a presión

Consistente en un niple sin costura que, luego de introducidas las barras, es deformado a presión hasta el perfil de la barra, formando la conexión mecánica.

Es de los más usados y de buen precio (fig. 10)

Figura 5

Figura 6

Figura 7

Figura 8

Figura 9

42 ESTRUCTURAS

Teodoro Harmsen

3.3.4 Manguitos con relleno con un extremo roscado recto (fig. 16)

3.3.5 Manguitos con rellenos con un extremo roscado tronco cónico (fig. 17)

3.3.6 Manguitos roscados con roscas tronco cónicas (fig. 18, 19)

3.3.2 Manguitos a presión con un extremo con rosca cónica

Se pueden usar con barras de diámetro diferente (fig. 11, 12, 13, 14)

3.3.3 Manguitos con relleno especial que no se contrae y tiene alta resistencia

Fácil de instalar. El relleno se instala con bomba de mano para rellenar (fig. 15)

Figura 11

Figura 12

Figura 13

Figura 14

Figura 15

Figura 16

Figura 17

Figura 18

Figura 19

Figura 10

43ESTRUCTURAS


3.3.7 Manguitos roscados con roscas rectas (fig. 20, 21)

3.3.8 Manguitos para empalmes traslapados usados en estribos o espirales (fig. 22, 23)

3.3.9 Manguitos para ampliaciones futuras (fig. 24, 25, 26)

3.4 Aceros de alta resistencia

Ahora, por los edificios altos de concreto armado, se está usando en otros países acero de alta resistencia G 90 con fy = 6300 kg/cm2 y G-100 con 7000 kg/cm2

(ASTM a-1035) y fy = 8300 kg/cm2.

Con estos aceros se reduce el número de barras y, por lo tanto, se simplifican los estribos. Lo mismo para la fuerza cortante, se reduce el número de estribos.

Los empalmes mecánicos que se usan son tipo I con 1.25 fy y tipo 2 con 1.50 fy .

Figura 20

Figura 21

Figura 22

Figura 23

Figura 24

Figura 25

Figura 26

44 ESTRUCTURAS

Teodoro Harmsen

RedYellowBlueRed

YellowBlueBlackPinkRed

0.611.181.633.334.725.809.3010.426.0

0.601.091.553.254.655.909.0710.525.5

21/4

211/18

31/18

315/16

47/18

413/16

53/8

53/6

67/8

21/4

211/16

31/16

315/16

47/16

413/16

53/6

55/6

67/8

17/8

227/18

31/18

31/2

31/2

41/8

45/8

71/6

11/2

113/16

21/3

23/4

31/8

31/8

35/8

41/16

511/16

15/16

19/16

17/8

27/16

23/4

23/4

31/4

35/8

53/16

15/16

11/8

15/16

13/4

221/8

23/8

211/16

31/4

REB

AR S

IZE

TAPERGRIP-TWIST XTCOLOR CODE

COUPLERWEIGHT (ib)

456789101114

F M F M

DIMENSIONS (inches)

BARINSERTION

after swagingREBAR

GAP

G

MALE INSERTION

H

ENDALLO

WANCE

A

NON-swagedLENGTH

N

YellowBlueRed


RedYellowBlueRed

YellowBlueBlackPink

1.281.803.835.236.279.9010.929.8

0.601.091.553.254.655.909.0710.5

211/18

31/16

315/16

47/18

413/16

53/8

53/6

67/8

21/4

211/16

31/16

315/16

47/16

413/16

53/6

55/6

115/16

25/16

337/18

31/2

441/2

61/8

113/16

21/8

23/4

31/8

31/8

35/8

41/16

511/16

19/16

17/16

17/16

23/4

23/4

31/4

35/8

53/16

15/16

11/8

15/16

13/4

221/8

23/8

211/16

REB

AR S

IZE

XT TAPER

F

XT TAPER

M

COUPLERWEIGHT (ib)

5/4

6/5

7/6

8/7

9/8

10/9

11/10

14/11

F M F M

DIMENSIONS (inches)

BARINSERTION

after swagingREBAR

GAP

G

MALE INSERTION

H

ENDALLO

WANCE

A

NON-swagedLENGTH

N

RedYellowBlueRed


0.611.181.633.334.725.809.3010.426.0

0.981.752.665.297.659.7414.416.640.0

33/4

43/6

53/8

63/3

71/8

73/8

81/4

93/6

121/2

21/4

211/16

31/16

315/16

47/16

413/16

53/6

55/6

6 7/8

15/16

19/16

1 7/8

27/15

23/4

2 3/4

31/4

35/8

53/16

11/8

11/4

15/8

11/2

17/8

13/4

11/8

21/8

21/8

11/2

113/16

21/8

23/4

31/8

31/8

35/8

41/16

511/16

15/16

11/8

15/16

13/4

221/8

23/8

21/2

3 1/4

REB

AR S

IZE TAPER

GRIP-TWIST XTPOSITION

COLOR CODE

XT T

aper

FEM

ALE

POSI

TIO

Nw

/St

ud

COUPLERWEIGHT (ib)

456789

101114

F

DIMENSIONS (inches)

BARINSERTION

after swaging

REBARGAP

G

TAPERMALE

INSERTION

H

ENDALLO

WANCE

A

NON-swagedLENGTH

N

SPACEaffer

assembly

S

RedYellowBlueRed

YellowBlue

0.661.231.693.404.815.90

23/8

23/4

215/16

37/16

311/16

33/4

21/4

211/16

31/16

315/16

47/16

413/16

15/16

19/16

1 7/8

27/15

23/4

2 3/4

15/8

17/8

2 1/16

23/6

25/8

2 3/4

11/2

113/16

21/8

23/4

31/8

31/8

15/16

11/8

15/16

13/4

221/8

REB

AR S

IZE


FEMALECOUPLER

PLUSPLANGE

WEIGHT (IH)

456789

F

DIMENSIONS (inches)

BARINSERTION

after swaging

FALANGEHEIGHT

B

FALANGEWIDTH

C

MALEINSERTION

H

ENDALLO-

WANCE

A

Non-SwagedLENGTH

N

COLOR CODE

FOR HIGH STRENGTH. LOW CARBON, CHROMIUM STEEL BARS, ASTM A 1035FAST, EFFICIENT INSTALLATIONELIMINATES LONG LAP LENGTHS, REDUCES CONGESTIONDEVELOPS STRENGTH: 1.25 x fy. GRADE 100ULTIMATE CAPACITY: 1.50 x fy. GRADE 100fy= SPECIFIED YIELD OF REINFORCING BAR

GRIP-TWIST® XT Mechanical Splices - Dimensions and Data [ inch-pound units]

11/8

13/8

19/16

115/16

23/16

23/8

23/4

27/8

313/16

REBAR SIZEUS [Metric]

COUPLEROUTSIDE

DIAMETER

#4 [13]#5 [16]#6 [19]#7 [22]#8 [25]#9 [29]#10 [32]#11 [36]#14 [43]

(in.) FEMALE MALE FEMALETRANSITION MALE FEMALE POSITION

FEMALEFLANGEDFEMALESTUD

TAPER GRIP-TWIST XT PART NUMBER

GRIP-TWIST XT TRANSITION PART NUMBER

GRIP-TWIST XT POSITION PART NUMBER

GRIP-TWIST XT FALANGE PART

XT4FXT5FXT6FXT7FXT8FXT9F

XT10FXT11FXT14F

XT4MXT5MXT6MXT7MXT8MXT9M

XT10MXT11MXT14M


XT10FXT11FXT14F

XT4RPXT5RPXT6RPXT7RPXT8RPXT9RP

XT10RPXT11RPXT14RP

XT4PFXT5PFXT6PFXT7PFXT8PFXT9PF

XT10PFXT11PFXT14PF

XT4FWFLXT5FWFLXT6FWFLXT7FWFLXT8FWFLXT9FWFL

XT10FWFLXT11FWFLXT14FWFL


XT10MXT11M

XT5/4FXT6/5FXT7/6FXT8/7FXT9/8F

XT10/9FXT11/10FXT14/11F

TAPER THREADED GRIP-TWIST XT

GRIP-TWIST XT TRANSITION SERIES

GRIP-TWIST XT POSITION SERIES

GRIP-TWIST XT FLANGED SERIES

45ESTRUCTURAS


RedYellowBlueRed


0.611.181.633.334.725.809.3010.426.0

0.601.091.553.254.655.909.0710.525.5

21/4

211/18

31/18

315/16

47/18

413/16

53/8

53/6

67/8

21/4

211/16

31/16

315/16

47/16

413/16

53/6

55/6

67/8

17/8

227/18

31/18

31/2

31/2

41/8

45/8

71/6

11/2

113/16

21/3

23/4

31/8

31/8

35/8

41/16

511/16

15/16

19/16

17/8

27/16

23/4

23/4

31/4

35/8

53/16

15/16

11/8

15/16

13/4

221/8

23/8

211/16

31/4

REB

AR S

IZE


COUPLERWEIGHT (ib)

456789101114

F M F M

DIMENSIONS (inches)

BARINSERTION

after swagingREBAR

GAP

G

MALE INSERTION

H

ENDALLO

WANCE

A

NON-swagedLENGTH

N

YellowBlueRed


RedYellowBlueRed

YellowBlueBlackPink

1.281.803.835.236.279.9010.929.8

0.601.091.553.254.655.909.0710.5

211/18

31/16

315/16

47/18

413/16

53/8

53/6

67/8

21/4

211/16

31/16

315/16

47/16

413/16

53/6

55/6

115/16

25/16

337/18

31/2

441/2

61/8

113/16

21/8

23/4

31/8

31/8

35/8

41/16

511/16

19/16

17/16

17/16

23/4

23/4

31/4

35/8

53/16

15/16

11/8

15/16

13/4

221/8

23/8

211/16

REB

AR S

IZE

XT TAPER

F

XT TAPER

M

COUPLERWEIGHT (ib)

5/4

6/5

7/6

8/7

9/8

10/9

11/10

14/11

F M F M

DIMENSIONS (inches)

BARINSERTION

after swagingREBAR

GAP

G

MALE INSERTION

H

ENDALLO

WANCE

A

NON-swagedLENGTH

N

RedYellowBlueRed


0.611.181.633.334.725.809.3010.426.0

0.981.752.665.297.659.7414.416.640.0

33/4

43/6

53/8

63/3

71/8

73/8

81/4

93/6

121/2

21/4

211/16

31/16

315/16

47/16

413/16

53/6

55/6

6 7/8

15/16

19/16

1 7/8

27/15

23/4

2 3/4

31/4

35/8

53/16

11/8

11/4

15/8

11/2

17/8

13/4

11/8

21/8

21/8

11/2

113/16

21/8

23/4

31/8

31/8

35/8

41/16

511/16

15/16

11/8

15/16

13/4

221/8

23/8

21/2

3 1/4

REB

AR S

IZE TAPER

GRIP-TWIST XTPOSITION

COLOR CODE

XT T

aper

FEM

ALE

POSI

TIO

Nw

/St

ud

COUPLERWEIGHT (ib)

456789

101114

F

DIMENSIONS (inches)

BARINSERTION

after swaging

REBARGAP

G

TAPERMALE

INSERTION

H

ENDALLO

WANCE

A

NON-swagedLENGTH

N

SPACEaffer

assembly

S

RedYellowBlueRed

YellowBlue

0.661.231.693.404.815.90

23/8

23/4

215/16

37/16

311/16

33/4

21/4

211/16

31/16

315/16

47/16

413/16

15/16

19/16

1 7/8

27/15

23/4

2 3/4

15/8

17/8

2 1/16

23/6

25/8

2 3/4

11/2

113/16

21/8

23/4

31/8

31/8

15/16

11/8

15/16

13/4

221/8

REB

AR S

IZE


FEMALECOUPLER

PLUSPLANGE

WEIGHT (IH)

456789

F

DIMENSIONS (inches)

BARINSERTION

after swaging

FALANGEHEIGHT

B

FALANGEWIDTH

C

MALEINSERTION

H

ENDALLO-

WANCE

A

Non-SwagedLENGTH

N

COLOR CODE

FOR HIGH STRENGTH. LOW CARBON, CHROMIUM STEEL BARS, ASTM A 1035FAST, EFFICIENT INSTALLATIONELIMINATES LONG LAP LENGTHS, REDUCES CONGESTIONDEVELOPS STRENGTH: 1.25 x fy. GRADE 100ULTIMATE CAPACITY: 1.50 x fy. GRADE 100fy= SPECIFIED YIELD OF REINFORCING BAR

GRIP-TWIST® XT Mechanical Splices - Dimensions and Data [ inch-pound units]

11/8

13/8

19/16

115/16

23/16

23/8

23/4

27/8

313/16

REBAR SIZEUS [Metric]

COUPLEROUTSIDE

DIAMETER

#4 [13]#5 [16]#6 [19]#7 [22]#8 [25]#9 [29]#10 [32]#11 [36]#14 [43]

(in.) FEMALE MALE FEMALETRANSITION MALE FEMALE POSITION

FEMALEFLANGEDFEMALESTUD

TAPER GRIP-TWIST XT PART NUMBER

GRIP-TWIST XT TRANSITION PART NUMBER

GRIP-TWIST XT POSITION PART NUMBER

GRIP-TWIST XT FALANGE PART


XT10FXT11FXT14F


XT10MXT11MXT14M


XT10FXT11FXT14F

XT4RPXT5RPXT6RPXT7RPXT8RPXT9RP

XT10RPXT11RPXT14RP

XT4PFXT5PFXT6PFXT7PFXT8PFXT9PF

XT10PFXT11PFXT14PF

XT4FWFLXT5FWFLXT6FWFLXT7FWFLXT8FWFLXT9FWFL

XT10FWFLXT11FWFLXT14FWFL


XT10MXT11M

XT5/4FXT6/5FXT7/6FXT8/7FXT9/8F

XT10/9FXT11/10FXT14/11F

En edificios altos ahora se usa, además de los aceros de alta resistencia, concreto fluido con piedra de ½” y resistencia f’c= 1,100 kg/cm2.

Para el diseño de cimentaciones y columnas, así como de placas de los pisos inferiores, se usa f’c a los 90 días en lugar de a los 28 días, es decir, aproximadamente 17% más.

4. COMPARACIÓN ENTRE EMPALMES TRASLAPADOS Y MECANICOS

Estribos: De acuerdo con el ACI, se requieren estribos adicionales en los empalmes traslapados a 10 cm cada uno; o sea, hay que colocar más estribos.

Separación de fierros: El empalme traslapado exige

colocar los fierros más separados pero mantener la distancia libre especificada entre fierros. Lo mismo para con los recubrimientos.

Facilidad de trabajo: El empalme mecánico es más rápido y facilita la llena de concreto.

Costos: Fierro colocado, 1.35 por kilo aproximadamente.

Como se observará, el empalme mecánico para ¾” es muy caro.

Para 1” cuesta aproximadamente lo mismo, con las ventajas de rapidez y facilidad de llenado.

Para 1 3/8” es francamente más económico

Los costos se pueden bajar hasta US$16.56 para 1” y US$28.84 para 1 3/8”, dependiendo del equipo y del rendimiento por día.

Diámetro

Peso

Longitud de empalme

Estribos 3/8”

Estribos 1/2”

Retaceo

Costo de empalme traslapado (US$)

Costo de empalme mecánico (US$)

Ø 3/4”

2.236 k/m

1.64 m

1.22 k/m

-

10%

7.26

14.76

Ø 1”

3.973 k/m

2.72 m

4.50 k/m

10%

23.46

24.89

Ø 1 3/8”

7.906 k/m

3.73 m

-

6.17 k/m

10%

71.15

35.62

CARLOS IWAKI CÁRDENAS

Ingeniero Civil graduado de la Universidad Nacional San Antonio Abad del Cusco. En 2007 se graduó en la Pontificia Universidad Católica del Perú como Magíster en Ingeniería Civil. Entre los años 2007 y 2008 realizó estudios en la Maestría Avanzada en Análisis Estructural de Monumentos y Construcciones Históricas, graduándose como Magíster en las Universidades de Minho, en Portugal, y Padua, en Italia. En 2007 obtuvo el primer puesto en el concurso nacional de tesis de postgrado organizado por la Asamblea Nacional de Rectores, con la tesis “El ensayo de tracción indirecta para medir la resistencia mecánica de la mampostería de adobe”.

Ha trabajado como investigador y docente en las universidades PUCP y UPC. En forma paralela a las actividades de ingeniero estructural en GMI se desempeña como consultor en ingeniería estructural para el “Proyecto Especial Arqueológico Caral-Supe”, así como consultor independiente en proyectos de restauración de estructuras históricas en Lima y Cusco. Es autor de diferentes publicaciones.

CHRISTIAN CHACÓN FERNÁNDEZ

Ingeniero Civil graduado de la Universidad Católica de Santa María de Arequipa. Ha realizado estudios de Máster en Métodos Numéricos para Cálculo y Diseño en Ingeniería en el Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería-CIMNE y la Universidad Politécnica de Cataluña, con especialización en el Método de Elementos Finitos. Tiene experiencia en el desarrollo de proyectos de combustibles y materiales peligrosos, industria, infraestructura y minería. Actualmente, se desempeña como Ingeniero Estructural de la Empresa GMI S. A. Ingenieros Consultores.

ROBINSON UCAÑÁN DÍAZ

Ingeniero Civil con 30 años de experiencia profesional ininterrumpida, dedicada al diseño de estructuras, en proyectos mineros, industriales e hidráulicos, entre otros. Graduado de la Pontificia Universidad Católica del Perú en 1980 cuenta, a su vez, con una Maestría en Administración de Empresas en la Escuela Superior de Administración de Negocios (ESAN, 1987). Es miembro del Colegio de Ingenieros del Perú, American Steel Construction y fue Secretario en 1985 del Capítulo Peruano del American Concrete Institute. En la actualidad, es Jefe de Proyectos y líder de la disciplina de Civil y Estructuras de GMI S. A.

DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD PORTANTE DE

SUELOS CONSIDERANDO CARGAS SÍSMICAS:

ESTADO DEL ARTE

Carlos Iwaki Cárdenas, Christian Chacón Fernándezy Robinson Ucañán Díaz

GMI S. A. Ingenieros Consultores

48 ESTRUCTURAS

Carlos Iwaki, Christian Chacón y Robinson Ucañán DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD PORTANTE DE SUELOS

DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD PORTANTE DE SUELOS CONSIDERANDO CARGAS SÍSMICAS:ESTADO DEL ARTE

El diseño de cimentaciones requiere de la determinación de la capacidad admisible del terreno, la cual está basada en condiciones

estáticas y de carga vertical. Sin embargo, para cargas dinámicas y cargas inclinadas, la capacidad puede ser muy diferente de los criterios actuales, por lo que debe ser evaluada.

Existen dos criterios generales de análisis para calcular la capacidad portante del suelo: la resistencia al corte y el asentamiento máximo permisible. En este artículo se estudiará solamente el caso de resistencia al corte, por ser el más sensible al tipo de carga que se proyecta que deba trabajar la cimentación (estática o dinámica).

Las cargas estáticas son aplicadas lentamente (de forma monotónica) por un largo período de tiempo; al contrario de las cargas sísmicas, que son aplicadas en fracciones de segundo produciendo ciclos de histéresis. Las cargas dinámicas y, en especial las cargas sísmicas, inducen a la deformación dinámica por cortante. Los rápidos cambios en el estado de esfuerzos y deformaciones en el suelo, junto con las fuerzas de inercia adicionales, podrían causar rápidos cambios en la resistencia del suelo. Consecuentemente, la capacidad portante por esfuerzo y deformaciones en el suelo podrían cambiar bajo condiciones sísmicas.

La capacidad portante por resistencia al corte en cimentaciones superficiales ha sido evaluada ampliamente por formulaciones clásicas de la mecánica de suelos y cimentaciones. Algunas de estas introducen la carga sísmica de forma pseudoestática como correcciones por inclinación de la fuerza resultante (en combinación con las cargas verticales), como por ejemplo Meyerhof (1,2), Hansen (3) y Vesić (4,5). En años más recientes se ha introducido la acción sísmica como un coeficiente sísmico actuante sobre el suelo de cimentación, pero siempre desde un marco estático equivalente. Métodos más sofisticados, como el uso de elementos finitos para formular la acción sísmica de forma explícita sobre un suelo con rigidez y amortiguamiento pueden ser más precisos, pero su uso está limitado por su alta complejidad.

La Norma Técnica de Edificaciones E.050 “Suelos y Cimentaciones” establece que, para el cálculo de la capacidad portante de una cimentación, deben considerarse como cargas aplicadas a la cimentación las cargas de servicio que se utilizan en el diseño estructural de las columnas del nivel más bajo de la edificación. Así mismo, la norma E.030 establece un procedimiento analítico que permite calcular la fuerza de inercia producida por las aceleraciones sísmicas. Sin embargo, esta fuerza está descrita como carga última; por consiguiente, debería ser reducida antes de ser analizada en condiciones de servicio.

Como ya se mencionó arriba, en general, la aplicación de una carga sísmica para el análisis de la capacidad del suelo se resume en la inclinación de la resultante que producirá en combinación con las cargas verticales. Esta inclinación incidirá directamente en el cálculo de los factores de inclinación que reducen el valor de la resistencia. A mayor inclinación de la resultante, menor su capacidad portante.

La norma E.050 establece factores de seguridad para el cálculo de la presión admisible en condiciones estáticas y dinámicas, con una diferencia entre ambos de 20%. Basados en lo anterior, muchos de los estudios de mecánica de suelos actuales simplemente extrapolan el valor obtenido de la presión admisible en condiciones estáticas a condiciones dinámicas por un factor de 1.20, debido a las diferencias de factores de seguridad, lo cual puede ser un valor sobreestimado.

En cuanto a la utilización de cargas y de inclinaciones entre componentes (que son decisivos en la determinación de las presiones admisibles por los métodos clásicos), no hay una exigencia del nivel de precisión de las cargas que imperarán sobre la cimentación en la condición final. Además, no hay un establecimiento claro de cuál o cuáles son los métodos de estimación de capacidad portante adecuados para tipologías de casos, ya que existen diferencias sustanciales en las diversas formulaciones clásicas más utilizadas en la mecánica de suelos y en los métodos más modernos que introducen la modelación del suelo de forma explícita.

49ESTRUCTURAS

DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD PORTANTE DE SUELOS

El objetivo de este trabajo es responder a las interrogantes e incertidumbres planteadas desde la normativa correspondiente en Perú, para poder determinar la capacidad portante de cimentaciones superficiales por presiones admisibles de una manera más racional y elevando la confianza sobre los resultados obtenidos.

1. FORMULACIONES PARA LA RESPUESTA SÍSMICA DE SISTEMAS DE CIMENTACIONES

Han sido reportados en la literatura (6) numerosos colapsos en edificios durante sismos, debido a falla por capacidad portante. Vesić y otros (7) estudiaron experimentalmente la respuesta dinámica de la capacidad portante de cimentaciones corridas en arenas sometidas a cargas sísmicas, mostrando que la capacidad portante dinámica de la cimentación se ve reducida en alrededor de 30%, lo que equivale a una disminución del ángulo de fricción interna del suelo en aproximadamente 2 grados. Okamoto (8) ensayó con cajas que contenían arenas densas que fueron sometidas a aceleraciones símicas horizontales para determinar la capacidad portante sísmica de cimentaciones superficiales, determinando que la capacidad portante decrece linealmente con el incremento de las aceleraciones horizontales, tanto para arenas saturadas como para secas.

Los métodos para la obtención de la presión admisible por corte en suelos que se utilizan en la actualidad son métodos teóricos aproximados. Existen métodos de campo, como el SPT o CPT, que miden la capacidad portante de forma indirecta proveniente de correlaciones de cargas de impacto normalizadas sobre el suelo. Sin embargo, no existen métodos de prueba de capacidad portante a escala real prácticos que puedan ser hechos in situ, solo hay limitados registros de pruebas, generalmente de tipo académico.

La determinación de los efectos dinámicos en un suelo de cimentación, y en especial para efectos sísmicos, puede ser llevada a cabo por una de dos aproximaciones:

En la modelación pseudoestática, los efectos de las cargas inducidas por efectos símicos son representados

por fuerzas y momentos estáticos y, en teorías más recientes, por aceleraciones inducidas en el suelo de cimentación. Las teorías más clásicas son una derivación de la teoría de equilibrio límite de Prandtl en las que han sido incluidas diversas correcciones de forma semiempírica. Dentro de estas formulaciones, destacan en la literatura especializada las de Terzaghi, Meyerhof, Hansen y Vesić. En los últimos 20 años se han desarrollado más teorías derivadas de las anteriores, en las que se introduce el efecto sísmico de forma directa a través de coeficientes de aceleración sísmica sobre el suelo de cimentación, en un intento por incluir efectos inerciales en el cálculo de la respuesta del suelo. Basados en el panorama anterior, es posible dividir a las formulaciones pseudoestáticas en dos grupos:

Las aproximaciones dinámicas explícitas introducen el comportamiento del suelo de forma directa con modelos de rigidez o amortiguamiento para el suelo. Estas formulaciones son también conocidas como problemas de Interacción Suelo-Estructura. Entre ellas se encuentran la utilización de cimentaciones elásticas, como el modelo de Winkler o Método de Elementos Finitos (FEM). Estas formulaciones son usadas para cimentaciones de gran tamaño o profundas. Los modelos equivalentes, como el de Winkler, son usados para cimentaciones de mediano tamaño o profundidad, mientras que modelos discretos como el FEM son usados en grandes cimentaciones, donde el cambio de comportamiento del suelo por la presencia de la cimentación es importante (9,10). Las formulaciones de este tipo están fuera del alcance de este trabajo.

2. MÉTODOS PSEUDOESTATICOS DE PRESIONES ADMISIBLES COMO FUERZAS ESTATICAS EQUIVALENTES

Los métodos clásicos que se utilizan en esta formulación pueden ser consultados en la literatura especializada (11,12). Al respecto, conviene hacer algunos comentarios:

a. Usando una modelación pseudoestática de las fuerzas símicas inducidas

b. Una aproximación dinámica explícita donde las fuerzas sísmicas son aplicadas al sistema suelo-cimentación

• Formulaciones que introducen los efectos sísmicos como fuerzas y momentos estáticos equivalentes

• Formulaciones que introducen los efectos sísmicos como coeficientes de aceleración actuantes en el suelo de cimentación

50 ESTRUCTURAS


Los resultados obtenidos con las diferentes formulaciones tienen una alta variabilidad al ser evaluados para el mismo caso. Es recomendable (11) que siempre un mismo caso sea evaluado por varias ecuaciones y comparar los resultados obtenidos, analizando la aplicabilidad de cada uno de ellos al caso particular. Una práctica común es promediar los valores de formulaciones aplicables (11).

La determinación de la fuerza sísmica no tiene mayores incertidumbres para edificaciones, ya que se trata de la aceleración de diseño para la superestructura que llega a la cimentación. Sin embargo, para estructuras de otro tipo, como por ejemplo muros de contención, la acción sísmica viene caracterizada por coeficientes de aceleración actuantes. Al respecto, la Federal Highway Administration-FHWA (12) recomienda el uso de la aceleración pico del suelo (PGA) como coeficiente sísmico solo para casos restrictivos en los que casi no se permita deformación por efectos símicos; mientras que, en el caso más general, un uso de 0.5 del PGA es adecuado. En el caso del Perú, estos PGA estarán dictados por la aceleración máxima esperada en la roca multiplicada por un factor de amplificación de

suelo —ambos de la Norma E.030— donde no existan estudios de microzonificación sísmica más detallados. Se debe tener cuidado en la presencia de suelos malos que puedan amplificar la acción sísmica.

La acción sísmica pseudoestática en estructuras que no son edificaciones son determinadas usualmente por el llamado método de Mononobe-Okabe (9,11). Existe una cierta discrepancia en la ubicación de la resultante respecto de la base, ya que Prakash y Basavanna (13) demostraron teóricamente que la resultante debería estar a un tercio de la altura de sostenimiento desde la parte superior hacia abajo; sin embargo, Whitman (14), basado en experimentos, recomienda que sea ubicada a 0.6 de la altura desde la base; mientras que Lam y Martin (15) recomiendan que la fuerza sea reemplazada por una carga uniformemente distribuida en la altura. Este último criterio es el recomendado por la FHWA (9).

3. MÉTODOS PSEUDOESTATICOS DE PRESIONES ADMISIBLES COMO COEFICIENTES DE ACELERACIÓN ACTUANTES EN EL SUELO DE CIMENTACIÓN

En contraste con el análisis de cimentaciones sometidas a cargas explícitamente estáticas, solo se tiene disponible una cantidad limitada de información en la literatura especializada para el análisis de cimentaciones bajo cargas dinámicas, siendo mucha de esta información referente a cimentación de maquinarias. Igualmente, se ha desarrollado muy poca investigación teórica para cimentaciones sometidas a cargas símicas.

A continuación, se revisan dos formulaciones para el análisis de presiones admisibles en suelos sometidos a acciones símicas que son frecuentemente citadas y discutidas en la literatura especializada.

3.1 Método de Richards y otros (16,17)

De acuerdo con esta teoría, la capacidad portante de la cimentación está relacionada con la obtenida para la capacidad portante en condiciones estáticas.

En primer lugar, se obtiene la capacidad portante para cargas estáticas basada en un mecanismo de falla de tipo Coulomb y la superficie de falla es aproximada por cuñas similares a las de Rankine para el caso estático. Se desarrollan curvas de variación de los factores de capacidad de carga con el ángulo de fricción interna

• Ecuación de Terzaghi: la ecuación está desarrollada en un estado de deformación plana (para cimentaciones corridas); sin embargo, se han hecho modificaciones para zapatas cuadradas y circulares. La ecuación de Terzaghi no incluye los efectos de inclinación de carga, por lo que no es adecuada para acciones sísmicas.

• Ecuación de Meyerhof: incluye factores de forma, por lo que es adecuada para cimentaciones de cualquier tipo, además de incluir factores de inclinación de carga, por lo que se consideran los efectos sísmicos de forma indirecta a través de un ángulo q de inclinación de la resultante. Incluye efectos de nivel freático. No incluye los efectos introducidos por momentos actuantes sobre la cimentación.

• Ecuación de Hansen: es similar a la ecuación de Meyerhof, con algunas variantes en los factores de carga. Incluye los efectos producidos por momentos al reducir el área efectiva de la cimentación. Las cargas verticales y horizontales son introducidas de forma directa en el cálculo de sus coeficientes, por lo que deben determinarse sus magnitudes. Incluye efectos de nivel freático. También tiene variantes para cimentaciones en taludes o que estén giradas.

• Ecuación de Vesić: Similar a la ecuación de Hansen con algunas variantes en los factores. Los efectos producidos por momentos e inclinación de cargas son introducidos de forma directa. También tiene variantes para cimentaciones en taludes o que estén giradas. Incluye efectos de nivel freático.

51ESTRUCTURAS


Mientras que, para condiciones sísmicas:

Donde:

= factores de carga

del suelo. La capacidad de carga en condiciones estáticas está dada por:

(Ec. 1)

(Ec. 2)

= ancho de la cimentación

= peso específico del suelo

Los factores son obtenidos en función del ángulo de fricción interna del diagrama del gráfico 1. Con

ello puede calcularse . Luego se define el ángulo q por:

Donde:

hk = coeficiente de aceleración horizontal debida a sismo

vk = coeficiente de aceleración vertical debida a sismo

A continuación, se calculan los factores de carga dinámicos en función de los estáticos y q por medio del diagrama

que está en el gráfico 2. Con ello se tienen todos los factores para el cálculo de Euq .

fDq γ=

Bγ

γNNq ,uq

v

h

kk−

=1

tanθ

(Ec. 3)

120

100

80

60

40

20

00 10 20 30 40

Ny

Nq y

Ny

Nq

Ángulo de fricción del suelo, ø (deg)

Ø = 0Nq = 1Ny = 0

Gráfico 1: Diagramas para la obtención de en función de para la ecuación de Richards (12)

γγBNqNq qu 5.0+=

EEqEu BNqNq γγ5.0+=

φ

φγNNq ,

Nq , N , NqE , N Eγ γ

52 ESTRUCTURAS


Gráfico 2: Diagramas para la obtención de en función de tan q para la ecuación de Richards (12)

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

00 0.2 0.4 0.6 0.8

10°

20°

30°

Ø = 40°

tan θ = Kh/ 1-Kv

NyE / Ny

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

00 0.2 0.4 0.6 0.8

40°

20°

30°

Ø = 10°

tan θ = Kh/ 1-Kv

NqE / Nq

3.2 Método de Budhu y Al-Karni (18)

De manera similar al método de Richards, esta formulación utiliza un análisis de teoría de equilibrio límite para la determinación de la capacidad portante en condiciones dinámicas; sin embargo, la superficie de falla se aproxima como una espiral logarítmica. Siguiendo el patrón establecido por los métodos clásicos de cálculo, los efectos sísmicos son introducidos como más factores de modificación

de la ecuación de capacidad de carga, denominados “e”, los cuales pueden ser incluidos en cualquiera de las formulaciones clásicas (Meyerhof, 1963; Hansen, 1970; Vesić, 1973). Por ejemplo, la ecuación de capacidad de carga de Meyerhof puede ser modificada para convertirse en una ecuación más general que incluya los efectos sísmicos como sigue:

Donde:

= capacidad de carga última en condiciones sísmicas

C = cohesión del suelo = factores de capacidad portante de la formulación originaria

s y d = factores de forma y profundidad q = presión de sobrecarga

B = ancho de la cimentaciónγ = peso específico del suelo

γeee qc ,, = factores sísmicos, calculados como:

(Ec. 4)

(Ec. 5)( )Dhc ke +−= 13.4exp

γγγγγ edsNBedsqNedsCNq SqqqqScccScuE 5.0++=

uEq

EEq NN γ,

NcS , NqS , N Eγ

53ESTRUCTURAS


Donde:

hk = coeficiente de aceleración horizontal debida a sismo

vk = coeficiente de aceleración vertical debida a sismo

Por otro lado:

H es la profundidad de la zona de falla desde la superficie del suelo, y está dada por:

Donde, fD es la profundidad de empotramiento de la cimentación.

fDBH +

+

= φπφπ

tan2

exp

24cos

5.0

−

−−=v

hvq k

kke1

3.5exp)1(2.1

−

−−=v

hv k

kke19exp)

321(

1.1

γ

(Ec. 6)

(Ec. 7)

HCD

γ= (Ec. 8)

(Ec. 9)

3.3 Discusión de ambos métodos

Ambos métodos introducen la acción sísmica de forma directa al hacer correlaciones de los factores de carga con los parámetros que dominan el problema. Sin embargo, la acción sísmica es introducida en el problema con una forma invariable del movimiento a través de coeficientes de aceleración sísmica. Por tal motivo, no se toman en cuenta efectos inerciales producidos en el suelo ni mecanismos de amortiguamiento ni deformación elástica de los métodos más sofisticados.

Ambos métodos tienen formas muy similares a los clásicos para el cálculo de la presión admisible, porque están derivados también de la Teoría de Equilibrio Límite. Respecto del método de Richards, cabe mencionar que fue desarrollado para cimentaciones corridas en las que el largo es mucho mayor que el ancho de cimentación; sin embargo, esta formulación ha sido usada en numerosos ensayos, habiéndose encontrado que es adecuada para su uso en cimentaciones con otras formas (6). El método de Budhu y Al-Karni es una variación directa de otros

métodos más clásicos al introducir más coeficientes de variación por la acción sísmica a cualquiera de las formulaciones anteriores, por lo que es una extensión de ellos.

En los desarrollos teóricos, las principales críticas que encuentran estos métodos (19) es que no introducen coeficientes de acción símica de forma directa, sino que son adiciones de más coeficientes de modificación de cargas, de forma similar a las formulaciones estáticas, por lo que no se estaría introduciendo el efecto dinámico de forma directa. Sin embargo, estos coeficientes han sido desarrollados en base teórica y con correlación experimental, además de ser una formulación simple para hojas de cálculo.

Experimentalmente, Al-Karni y Budhu (9) realizaron ensayos en mesas vibratorias con arenas y las compararon con las obtenidas teóricamente con las formulaciones de Richards y otros (16), Budhu y Al-Karni (18) y Sarma e Iossifelis (20), siendo la de Richards la de mejores resultados. También señalan que estas

54 ESTRUCTURAS


teorías para capacidad portante en condiciones sísmicas tienen una tendencia a ser conservadores respecto de las observaciones experimentales.

En el sentido práctico, es recomendable que siempre se realicen análisis de las cimentaciones con varias teorías que consideren el efecto sísmico, entre las que se pueden considerar además la de Sarma e Iossifelis (20) y Soubra (21), y realizar una evaluación de los diferentes resultados obtenidos antes de recomendar un valor de presión admisible para una cimentación bajo condiciones dinámicas.

4. EJEMPLO COMPARATIVO

A continuación se presenta el caso práctico aplicativo que motivó la realización de esta investigación. Se trata de un muro de contención de gravedad del proyecto “Ampliación y Mejoramiento del Sistema de Agua Potable de Arequipa Metropolitana-Lote 1” (Consorcio Alto Cayma), cuyo esquema se muestra en el gráfico 3, mientras que los datos para la evaluación del problema están en la tabla 1.

Se desea determinar la capacidad portante de la cimentación del muro de contención para acciones

dinámicas. Se hará una comparación de los resultados obtenidos con métodos clásicos, que consideran la acción sísmica como una fuerza estática equivalente, que es tratada de la misma manera que las fuerzas y momentos de tipo monotónico; estos serán los de Meyerhof (2), Hansen (3) y Vesić (4), y se compararán los resultados con los obtenidos por métodos que consideren la acción sísmica como coeficientes de aceleración en el suelo de cimentación, que serán los de Richards y otros (16) y Budhu y Al-Karni (18). No se usa la teoría de Terzaghi porque, como se ha dicho antes, no es adecuada para cargas inclinadas o excéntricas.

Las fuerzas actuantes han sido calculadas aparte considerando las propiedades de los materiales y geometrías. La acción sísmica del suelo sostenido ha sido calculada por el método de Mononobe-Okabe, habiendo sido ubicada su resultante considerando el criterio de Whitman (véase el acápite 2). Para efectos del cálculo de la capacidad portante por los dos métodos, las fuerzas han sido divididas en las de origen estático y las originadas por sismo. En el caso pseudoestático, se tendrán las cargas actuantes mostradas en el gráfico 4, mientras que en el caso sísmico por coeficientes de aceleración se tendrán las cargas actuantes en el gráfico 5.

P

M =

X Df

B

Z

X

R

MP

θL

S

PZ

Ea

Ee

Ba

Be

Bs Bm

Df

B

R =v

Z

R =H

R

PS

Ee+ Ea

M

Gráfico 3: Esquema del ejemplo comparativo

55ESTRUCTURAS


PM

Bm

PS

Bs

PZ

Ee

Be

Ea

Ba

B

L

Df

c

Tn

m

Tn

m

Tn

Tn

m

Tn

m

m

m

m

Tn/m3

Deg

Tn/m2

DATOS DEL PROBLEMA(x 1 m ancho)

12.96

2.37

114.98

1.85

115.98

15.50

5.40

34.97

3.30

7.50

18.00

0.90

1.90

30.00

0.00

γ

φ

Tabla 1: Datos para la evaluación del ejemplo comparativo

M =

R

θ

Df

B

X

R =v

Z

X

R =H

R

+PS PM PZ+

Ee+ Ea

-MS MM MEe- MEa-

Gráfico 4: Diagrama de cargas para el caso pseudoestático

56 ESTRUCTURAS


M =

R

θ

Df

B

X

R =v

Z

X

R =H

R

+PS PM PZ+

Ea

-MS MM- MEa

k H

k V

Como se muestra en el gráfico 4, para el análisis considerando las acciones símicas como fuerzas estáticas equivalentes se han considerado la fuerza y el momento generado por la fuerza sísmica calculada por Mononobe-Okabe, y han sido sumadas a los efectos estáticos para obtenerse fuerzas y momentos totales. En el caso del análisis considerando coeficientes de aceleración, no se ha considerado la fuerza de empuje sísmico ni volteo de Mononobe-Okabe, ya que la acción sísmica se introduce por coeficientes de aceleración.

Los resultados de los cálculos para los métodos de criterios pseudoestáticos o dinámicos con aceleraciones han sido evaluados usando la hoja de cálculo de Excel “Cap Portante de Suelos-Sismico.xlsx”. Los resultados se muestran en el gráfico 6.

Gráfico 5: Diagrama de cargas para el caso sísmico con coeficientes de aceleración

12.00000

10.00000

8.00000

6.00000

4.00000

2.00000

0.00000

FUERZAS PSEUDOESTÁTICAS

DINÁMICO C/ACELERACIONES

Capacidad porcentaje bajo condiciones dinámicas

Meyerhof-Budhu Al-Karni3.035031.34902

8.480062.16787

9.823132.18902 6.47178

Hansen-Budhu Al-Karni

Vesić-Budhu Al-Karni

Richards

qu (K

gf/c

m^2

)

Gráfico 6: Resultados de la evaluación de la cimentación del ejemplo comparativo

Lo más resaltante, en primera instancia, es la alta variabilidad de los resultados obtenidos. Además, es evidente la reducción que sufren las formulaciones clásicas al ser reevaluadas para las modificaciones

57ESTRUCTURAS


de Budhu y Al-Karni. Para el caso de Meyerhof, esta reducción está en el orden de 55%, mientras que en los casos de Hansen y Vesić están en el orden de 75%. Pueden diferenciarse dos grupos de resultados: i) los resultados más altos, obtenidos por las formulaciones clásicas de Hansen y Vesić y la de Richards, e ii) los resultados más bajos, obtenidos por las formulaciones clásica y modificada de Meyerhof y las modificadas de Hansen y Vesić.

El problema está en determinar cuál es el valor recomendado para usarse como capacidad portante. Según los ensayos citados anteriormente (1,7), los métodos dinámicos con coeficientes de aceleración tienden a ser conservadores, siendo el método de Richards el más cercano a los valores experimentales. Sin embargo, es muy probable que los más altos valores obtenidos por las teorías clásicas de Hansen y Vesić estén del otro lado de la seguridad. El valor

Donde:

qu = capacidad de carga nominal (MPa)

g = aceleración de la gravedad (m/s2)

Df = Profundidad de la cimentación (mm)

γ = densidad total (kg/cm3)

B = ancho de la zapata

B’ = ancho de la zapata reducida (mm) B’ = B -2 eB

L = longitud de zapata (mm)

L’ = longitud de la zapata L’ = L-2 eL

eB = excentricidad paralela a la dirección B (mm)

eL = excentricidad paralela a la dirección L (mm)

Cw1, Cw2 = coeficientes en función de Dw (adimensional)

Dw = profundidad de la napa freática (mm)

φf = ángulo de fricción del suelo (º)

Nγm, Nqm = factores de capacidad de carga modificados (adimensional)

Nγm = Nγ sγ cγ i γ

Nqm = Nq Sq cq i q dq

qu = 0.5gγ BCw1 Nγm x 10-9 + gγ Cw2 Df Nqm x 10-9

de capacidad portante recomendado podría tomarse como el promedio de todas las formulaciones, en el que se equilibre el exceso de seguridad de las formulaciones con resultados más bajos y la probable falta de seguridad de las formulaciones de valores más altos, lo cual genera un valor de 4.83 kgf/cm2.

5. CAPACIDAD ADMISIBLE SEGÚN EL AASHTO LRFD

El reglamento AASHTO LRFD (25) da una metodología para el cálculo de la capacidad admisible que podemos usar tanto para pilares como para estribos; en resumen, es como sigue:

El análisis de la capacidad admisible se hará en los tres estados límite: servicio, resistencia y evento extremo.

(Ec. 10)

(Ec. 11)

(Ec. 12)

(Ec. 13)

(Ec. 14)

58 ESTRUCTURAS


Factores de capacidad de carga:

Nγ = 2(Nq+1)tan φf

Nq = eπtanφf tan2 (45+φf /2)

Factores de forma:

Sγ = 1 – 0.4 ( B’ / L’ )

Sq = 1 + ( B’ / L’ ) tan φf

Factores de compresibilidad:

11)]2()[log07.3(

tan)6.04.4( 10

≤== +++−

f

ff sen

IsenLB

q eCC ϕφ

φ

γ

γ

qpDI a

r2=γ

Donde:

Dr = densidad relativa en porcentaje

q = presión efectiva debido a la sobrecarga del suelo (MPa)

pa = presión atmosférica considerada como 0.101 (MPa)

Factor de profundidad:

dq = 1 + 2tanφ(1-senφ)2 tan-1 ( Df / B )

*Si los suelos por encima del fondo de la zapata son tan competentes como los suelos debajo de la zapata.

*Si los suelos son más débiles, utilizar dq = 1.

Aún cuando el alcance de este artículo no incluye el asentamiento, mencionamos que la norma AASHTO considera la capacidad admisible por asentamiento, según se indica a continuación.

(Ec. 15)

(Ec. 17)

(Ec. 19)

(Ec. 20)

(Ec. 21)

(Ec. 22)

(Ec. 16)

(Ec. 18)

zEsAqSe

βυ )1( 2−=

Donde:

Se = asentamiento estimado (cm)

q = intensidad de carga (Mpa)

v = módulo de Poisson

âz = factor de forma. Depende L`/B`

A = área efectiva de la zapata (mm2)

B` = ancho efectivo de la zapata (mm)

59ESTRUCTURAS


5. NORMATIVA PERUANA Y ERRORES FRECUENTES EN EL CALCULO DE ESFUERZOS ADMISIBLES

En la normativa nacional, la Norma E.050 se señala que el Estudio de Mecánica de Suelos (EMS) debe contener la recomendación de uso de capacidad de carga última. Para el cálculo de este parámetro para el diseño estructural de la cimentación, no considera específicamente el nivel del evento, como sí lo especifica la norma AASHTO(25), ya que las cargas que actúan sobre la cimentación modifican los resultados de capacidad portante. Tampoco hay una exigencia de un conocimiento de la geometría final de la cimentación, ya que los cálculos se ven afectados por la geometría de la zapata, así como de excentricidades e inclinaciones de la resultante. Adicionalmente, la norma de suelos especifica que, para el cálculo, se usen cargas “aproximadas”, sin determinar cuál es ese nivel de aproximación.

En cuanto a las teorías para el cálculo de la capacidad portante, no hay restricciones ni recomendaciones para el uso de teorías apropiadas según el caso particular, ni tampoco especifica que sea necesario hacer un estudio de la variación de los resultados obtenidos para las diversas formulaciones cuando, como se ha visto, se evidencia una alta variabilidad entre formulaciones. En el diseño estructural de las cimentaciones, es común utilizar los datos de capacidad portante del EMS sin hacer una actualización del cálculo con los datos más

precisos de geometría y cargas una vez concluido el análisis de la superestructura.

La tendencia de los EMS de presentar una recomendación de capacidad portante basada en cargas, con condiciones de cimentación y de geometría aproximadas y sin establecer cómo se consideran las cargas sísmicas aumenta el nivel de incertidumbre y la dependencia del “juicio” del responsable de la elaboración del EMS para la determinación de la capacidad portante. Además, está el hecho de que los EMS rara vez incluyen estudios comparativos entre las diferentes teorías usadas.

Más aún, es común que los EMS recomienden valores de capacidad portante en condiciones dinámicas exactamente un 20% más altos que en condiciones estáticas, lo cual es contraproducente según los resultados del ejemplo desarrollado en este trabajo. Al parecer, esto último se genera al pretender de manera “práctica” extrapolar el resultado del caso estático al dinámico considerando la diferencia entre los factores de seguridad exigidos en la norma E.050. Sin embargo, los efectos sísmicos tenderán a la disminución considerable de la capacidad de carga. Este hecho puede generar una condición de inseguridad en el diseño estructural de cimentaciones.

Para reducir la incertidumbre en el cálculo, es necesario que la capacidad portante de una cimentación sea determinada con una participación directa de los responsables del diseño estructural y de geotecnia, teniendo en cuenta las consideraciones necesarias para cargas dinámicas.

L` = largo efectivo de la zapata (mm)

Es = módulo de elasticidad (Mpa)

La diferencia en este método es el análisis en los tres estados límite y su aplicación considerando los anchos y longitudes efectivos de zapata, con lo cual los valores difieren entre un estado y otro (ver la tabla 2 para una zapata de 8 x 11 metros tomada de un proyecto en Lima).

1.38

1.77

3.53

3.62

84.6

86.2

68.4

92.1

29.6

30.2

23.9

32.2

5.8

5.6

7.1

6.6

5.00

5.02

4.88

4.75

qu.(kg/cm2)(kg/cm2)

qadm.(kg/cm2)

qadm.(kg/cm2)

Asentamiento(cm)

Servicio

Resistencia

Evento extremo (X)

Evento extremo (Y)

AsentamientoResistenciaPresiónActuanteEstado Límite

Tabla 2: Resultados de la capacidad admisible por capacidad portante y asentamiento (B = 8.0m x L = 11.0m)

60 ESTRUCTURAS


CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

• Se ha presentado un panorama de los métodos para la determinación de la capacidad portante de cimentaciones por presiones admisibles, habiéndose notado las diferencias sustanciales en los resultados entre las distintas formulaciones, considerando tanto cargas estáticas como sísmicas. En general, para condiciones sísmicas, la capacidad portante se ve reducida respecto del caso estático.

• La capacidad portante de un suelo depende de la geometría, profundidad, ángulo de fricción, cohesión, densidad del suelo y la dirección y sentido de las cargas de diseño. Es por ello que cada cimentación (entiéndase por cada estructura) tiene una capacidad portante particular y debería ser calculada en cada caso. Esta capacidad portante no es una propiedad intrínseca del suelo.

• La capacidad portante debe ser evaluada bajo las condiciones más reales posibles, con el mayor conocimiento de las cargas actuantes, del tipo y geometría de la cimentación y de las condiciones sísmicas imperantes.

• Es preferible evaluar siempre la resistencia del suelo para varios tipos de formulaciones aplicables con el suelo y obtener un resultado razonado para estas varias teorías.

• Es necesario evaluar la capacidad portante para teorías que incluyan efectos sísmicos de forma directa y compararlas con resultados para formulaciones pseudoestáticas. La capacidad portante bajo estas formulaciones puede ser mucho menor que la contraparte pseudoestática.

• La capacidad portante de una cimentación debería ser evaluada en forma conjunta por especialistas de geotecnia, ingenieros de cimentaciones e ingenieros estructurales, manteniendo las consideraciones que puede aportar cada especialidad.

FUENTES REFERENCIALES

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La mejor práctica parece ser la determinación de las propiedades de ingeniería del suelo de cimentación por un especialista de mecánica de suelos, con las recomendaciones pertinentes, y realizar el cálculo de la capacidad portante del suelo en una participación conjunta de ingenieros de cimentaciones e ingenieros estructurales. Es necesario hacer hincapié en el hecho

de que la capacidad portante no es una propiedad “intrínseca” de un suelo y es dependiente de las condiciones para la que fue calculada, lo cual tiene que ser notado por los diseñadores de las cimentaciones, por lo que estos resultados siempre deben ser evaluados.

61ESTRUCTURAS


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23. Choudhury, D.; Sitharam, T. y Subba Rao, K. S. (2004) “Seismic Design of Earth-Retain Structures and Foundations”. Current Science, Vol. 87, N.º 10.

24. Ministerio de Vivienda, Construcción y Saneamiento (2006) “Reglamento Nacional de Edificaciones”: Normas E.030 “Diseño Sismorresistente”, E.050 “Diseño de Cimentaciones” y E.090 “Estructuras de Acero”.

25. American Association of State Highway and Transportation Officials-AASHTO (2010) LFRD Bridge Design Specifications (5ta ed.). Washington D. C.

VÍCTOR I. FERNÁNDEZ-DÁVILA GONZÁLES

Ingeniero Civil egresado de la Universidad Nacional de Ingeniería. Magíster en Ciencias de la Ingeniería, MSc. Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Ph.D. P. Universidad Católica de Chile, Jefe de Proyecto, Jefe de las disciplinas Civil & Estructuras en GMI S. A. Profesor de Ingeniería Civil. Ex director y ex profesor de la Escuela de Ingeniería Civil de la Universidad Central de Chile. Profesor de Ingeniería Civil en la Universidad Nacional de Ingeniería y la Pontificia Universidad Católica del Perú. Ha sido expositor en numerosos congresos nacionales e internacionales y ha publicado variados artículos en revistas. Profesor investigador y supervisor de tesis de pre- y postgrado de Ingeniería Civil. Revisor de artículos técnicos del Journal of Engineering Structures (Elsevier Editorial). Presidente y organizador de las XXXIII Jornadas Sudamericanas de Ingeniería Estructural (Santiago de Chile, 2008). Su biografía ha sido publicada en la edición por el décimo aniversario (2008-2009) y por el 11th Edition (2011-2012) de Who´s Who in Science and Engineering. Par evaluador de programa de pregrado de la Comisión Nacional de Acreditación CNA-Chile. Evaluador de Proyectos para el Programa de Ciencia y Tecnología FINCyt (Perú). Evaluador Externo de Proyectos para CONCYTEC (Perú).

ESTUDIO PARAMÉTRICO DE LA RESPUESTA SÍSMICA DE ESTANQUES ELEVADOS DE HORMIGÓN ARMADO CON

AISLACIÓN SÍSMICA EN LA BASE

Victor I. Fernández-Dávila GonzálesGMI S. A. Ingenieros Consultores

P. Baquedano, F. Gran y E. F. Cruz

64 ESTRUCTURAS

V. I. Fernández-Dávila, P. Baquedano, F. Gran y E. F. Cruz ESTUDIO PARAMÉTRICO DE LA RESPUESTA SÍSMICA DE ESTANQUES ELEVADOS

Chile ha sufrido en muchas ocasiones los devastadores efectos de sismos de gran magnitud que han producido, como graves

consecuencias, la pérdida de vidas humanas y bienes materiales. Sobre la base de experiencias pasadas, debe considerarse como cierta la posibilidad de que el fenómeno se repita en el futuro, con efectos tan catastróficos como en el pasado y tal vez de mayores proporciones. Ante esta posibilidad, es necesario prepararse para enfrentar nuevas amenazas de tal naturaleza, debiéndose adoptar medidas tendientes a evitar o a minimizar los efectos de los sismos que pudieran ocurrir en el futuro (Flores et al., 2002).

Hospitales, cuarteles de bomberos, centrales de suministros y telecomunicaciones, cárceles y cualquier tipo de estructura que provea algún suministro importante para la población, requiere permanecer operativa luego de ocurrido un sismo severo, debido a que el cierre temporal puede significar importantes perjuicios en la calidad de vida, así como pérdidas económicas para el sector público y privado.

En este contexto, un tipo de estructura industrial encargada de suministrar el servicio de agua potable a la población es el estanque elevado de agua. En la literatura existen estudios sobre este tipo especial de estructura continua que considera su base fija y su base aislada (Shenton et al., 1999). Por otro lado, se sabe que la aplicación de sistemas de aislación sísmica a nivel mundial ha concentrado sus esfuerzos en el estudio de estructuras convencionales como edificios, por lo que resulta muy atractivo investigar sobre su aplicación en este tipo especial de estructura continua generalmente considerada rígida (Muñoz et al., 2001). En efecto, la aislación sísmica ha tenido una creciente aplicación en edificaciones, en los últimos años, en países que poseen alto riesgo sísmico (Japón, Estados Unidos, Italia, Canadá, Nueva Zelanda). Se comprobó su efectividad durante la ocurrencia de importantes sismos tales como el de Northridge (EE.UU., 1994) y el de Kobe (Japón, 1995), debido a que estas ciudades presentaban un importante número de estructuras que estaban diseñadas con sistemas de aislación friccional y elastomérica (Naeim et al., 1999).

El objetivo del presente trabajo es mostrar los resultados del estudio paramétrico realizado en este tipo especial de “estructura compuesta”, con la finalidad de comprender el comportamiento estructural que posee ante la acción de solicitaciones sísmicas.

Se presenta el estudio de la respuesta sísmica de estanques elevados de hormigón armado con sistema de aislación basal. Del análisis de sensibilidad de las variables que caracterizan los estanques se definieron modelos paramétricos elásticos a fin de obtener una familia representativa de casos realistas. Este tipo especial de estructura —similar a un péndulo invertido— se discretizó empleando el criterio de masas concentradas, y el sistema de aislación se conformó con un anillo rígido que conecta el extremo inferior del fuste con 12 aisladores distribuidos uniformemente. Las cargas sísmicas aplicadas a los modelos estructurales provienen del espectro de diseño de aceleraciones recomendada por la norma NCh 2745 Of. 03. Se observaron las respuestas máximas de los desplazamientos laterales, los esfuerzos de corte y los momentos flectores. El análisis de los resultados permitió observar que los momentos flectores máximos y los esfuerzos de corte máximos equivalen al 50% de tales respuestas máximas obtenidas en sus similares de base fija; del mismo modo, los desplazamientos laterales relativos máximos resultaron inferiores a 1,2%, lo que permite inferir que la estructura se desplaza prácticamente como un cuerpo rígido.

1. METODOLOGÍA

1.1 Tipo de estructura

Se analizó un estanque elevado de hormigón armado que almacena agua potable y que posee una conexión flexible (sistema de aislación) entre la base de la superestructura y la fundación. El sistema de aislación (tabla 1) trabaja en rango elástico y está compuesto por aisladores sísmicos, que consisten en

ESTUDIO PARAMÉTRICO DE LA RESPUESTA SÍSMICA DE ESTANQUES ELEVADOS DE HORMIGÓN ARMADO CON AISLACIÓN SÍSMICA EN LA BASE

65ESTRUCTURAS

ESTUDIO PARAMÉTRICO DE LA RESPUESTA SÍSMICA DE ESTANQUES ELEVADOS

un conjunto de láminas delgadas de goma intercaladas con placas de acero, las cuales se adhieren a la goma mediante un pegamento epóxico y posterior proceso de vulcanización. Como resultado, se obtiene un elemento resistente de baja rigidez horizontal y alta

rigidez vertical, logrando desacoplar a la estructura del movimiento sísmico del suelo. Se utilizaron 12 aisladores que se encuentran equidistantes entre sí ubicados en el perímetro del pedestal de soporte o fuste (figuras 1 y 2).

IRHD1

σt

σu

E

G

k

v

Resiliencia

Vs

MN/m2

%

MN/m2

MN/m2

MN/m2

%

m/s

45

28

680

1.9

0.54

1000

0.4997

80

37

Descripción Unidad Gomas/refuerzo Gomas/refuerzo Acero

65

21

420

5.9

1.37

1200

0.4997

60

37

100

420

40

210,000

81,000

176,000

0.29

100

5000

Tabla 1: Propiedades físicas de la goma

1IRHD: International Rubber Hardness (índice de dureza de la goma)

1 2 2 2 2 2 1

DIAFRAGMARÍGIDO

SISTEMADE AISLACIÓN

MASACONVECTIVA

RESORTE

AISLADOR

BASE

LÍNEA DEPROYECCIÓN

PROYECCIÓN 1AISLADORES

PROYECCIÓN 2AISLADORES

ØU

Ø f

Ø f

ef

d

ec

H 1

H

Hf

H t

Hr

ef

2H

Figura 1: Estanque elevado tipo “composite” y sistema de aislación

a) Sección transversal

b) Modelo de masas concentradas

c) Localización de aisladores de base

d) Proyección de aisladores en elevación

66 ESTRUCTURAS


Figura 2: Aislador sísmico

ESPESOR LÁMINADE GOMA

PLACA DEACERO

PLACA DEUNIÓN

H

D

La superestructura es el estanque elevado de hormigón armado tipo “composite” (Muñoz et al., 2001) y está compuesto por dos elementos de sección transversal circular: una base de soporte o fuste y, en su parte superior, un estanque o cuba. Esta elección se llevó a cabo considerando las construcciones más comunes de estanques elevados en la zona central de Chile y de su capacidad de almacenamiento de agua. El tipo de aislador considerado en el estudio es el aislador de alto amortiguamiento (HDR) (Naeim et al., 1999), debido a su alta capacidad de disipar energía proveniente del movimiento sísmico del suelo, impidiendo que esta energía sea absorbida totalmente por la superestructura.

Se eligieron ocho estanques tipo “composite” con los cuales se lograron identificar las características

geométricas y físicas más relevantes (tablas 2 y 3). Se consideraron propiedades geométricas tales como:

Ht, Hc, Hf = alturas totales del estanque, de la cuba y del fuste, respectivamente

ef, ec = espesores del fuste y de la cuba

φf, φc = diámetro del fuste y de la cuba

Hc1 = altura de la cuba donde el diámetro se mantiene fijo

Hc2 = altura de la cuba donde el diámetro es variable

La modelación de los estanques como estructuras tipo péndulo invertido se demuestra en la tabla 3, y consiste en verificar que más del 50% del peso total se encuentra en el nivel superior (INN 2002) (figura 1).

2000

2000

1000

1500

1500

500

500

2000

31.3

38.3

35.8

29.8

32.8

30.3

25.3

38.3

10.1

10.1

6.8

8.8

8.8

5.3

5.3

10.1

21.2

28.2

29.0

21.0

24.0

25.0

20.0

28.2

23.8

23.8

19.0

19.0

19.0

12.9

12.9

24.2

12

12

12

12

12

9

9

12

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

0.25

0.25

0.20

0.20

0.20

0.20

0.20

0.25

2.1

2.1

1.7

3.6

3.6

1.6

1.6

2.3

8.0

8.0

5.2

5.2

5.2

3.7

3.7

7.8

2

2

2

2

2

3

3

2

II

II

II

II

II

III

III

II

Estanque Capacidad(m3)N°

Pontigo-Buin

Linderos

Paine

Los Tilos

Estadio-Estación Buin

Melipilla

El Monte

El Trébol

1

2

3

4

5

6

7

8

5

5

5

5

5

5

5

5

Ht(m)

Hc(m)

Hf(m)

Hc1(m)

Hc2(m)

Zona

Suel

o

ξ (%)

фc(m)

фf(m)

ec(m)

ef(m)

Datossísmicos

Tabla 2: Características geométricas de los estanques y datos sísmicos locales

67ESTRUCTURAS


(Ec. 1)

(Ec. 2)

(Ec. 3)

1.2 Interacción fluido-estructura

La interacción fluido-estructura se realizó empleando el modelo mecánico equivalente propuesto por Housner (1954, 1963), quien propuso que el movimiento de la masa total de agua se puede representar de la siguiente manera:

a) una masa solidaria a la cuba o estanque, denominada masa fija o impulsiva (Mo); y

b) una masa que representa el fenómeno de oleaje del agua, denominada masa móvil o convectiva (M1) y que se conecta a las paredes de la cuba mediante un resorte de rigidez total K.

Las Ecs. (1) a (6) permiten evaluar la masa impulsiva y convectiva, la rigidez del resorte, el período de vibración del agua (Ta) y la ubicación de dichas masas medidas desde la base de la cuba.

Tabla 3: Pesos de los estanques elevados de agua (kN)

5000

6650

5470

3960

4520

3530

2830

6650

5390

5390

3410

3980

3980

1750

1750

5520

10,390

12,040

8880

7940

8500

5280

4580

12,170

20,000

20,000

10,000

15,000

15,000

5000

5000

20,000

30,390

32,040

18,880

22,940

23,500

10,280

9580

32,170

25,390

25,390

13,410

18,980

18,980

6750

6750

25,520

83.6

79.3

71.0

82.7

80.8

65.6

70.5

79.3

Estanque

Pontigo-Buin

Linderos

Paine

Buin

Estadio Buin

Melipilla

El Monte

El Trébol

Wfuste

Wfuste+Wcuba Wfuste + Wcuba + WH2O

Wcuba + WH2O

Wtotal=Wsup= Wsup/Wtotal

(%)Wcuba WH2O

(Ec. 5)

Donde:

MF = masa total del agua

WF = peso total del agua

α y β = variables dependientes de las presiones en las paredes

h0 = altura de la masa impulsiva con respecto al fondo del estanque

h1 = altura de la masa convectiva con respecto al fondo del estanque

Ta = período fundamental de vibración de la masa convectiva

H y D = altura y diámetro del estanque, respectivamente

(Ec. 4)

(Ec. 6)

HD

HD

Tanh

FM

M

⋅

⋅

=

23

23

0

DH

DH

Tanh

FM

M

⋅

⋅

⋅=5.13

5.13

5123631

22

1

245

⋅

⋅=

⋅DH

MM

WKH

FF

K

MaT 12 ⋅= π

−⋅+⋅⋅= 1

01

83

0 MFM

Hh α

⋅⋅⋅

−

⋅

−⋅=

DH

SenhDH

DH

CoshHh

5.13 5.13

5.1311

β

68 ESTRUCTURAS


1.3 Parametrización de la estructura

A partir del estudio de las características elásticas que definen el comportamiento de los ocho estanques elevados reales de sección circular (tabla 2), se encontraron inicialmente diez parámetros de interés que, combinados adecuadamente, permitieron representar a una amplia familia de casos (Fernández-Dávila et al., 2005). Los parámetros son los siguientes:

• (RH) Razón de alturas de la cuba y el fuste = Hc/Hf

• (RD) Razón de diámetros exteriores de la cuba y el fuste = φc/φf

• (HD) Razón de esbeltez = Ht/φf, es el cociente entre la altura total del estanque y el diámetro exterior del fuste

• (DEc) Razón diámetro exterior y espesor en la cuba = φc/ec

• (DEf) Razón diámetro exterior y espesor en el fuste =φf/ef

• (RM) Razón de masas = MH2O/Mt, es el cociente entre la masa total de agua almacenada y la masa total de la superestructura

• (RHc) Razón de alturas en la cuba = Hc1/Hc, es el

cociente entre la altura de la sección variable de la cuba y la altura total de la cuba

• (RHa) Razón de esbeltez del aislador de sección circular = H/D, es el cociente entre la altura total del dispositivo de aislación y el diámetro del aislador

• (RR) Razón alturas-diámetros = RH/RD, es el cociente entre la relación de alturas y la relación de diámetros exteriores

• (RDe) Razón diámetros exteriores-espesores = DEc/DEf, es el cociente entre las relaciones de diámetro exterior y espesor de la cuba y diámetro exterior y espesor del fuste

Las razones RR y RDe relacionan dos parámetros geométricos cada una, con lo cual los diez parámetros iniciales se reducen, finalmente, a seis (tabla 4). Estos valores fueron obtenidos a partir del estudio analítico de los valores observados para cada parámetro del total de ocho estructuras reales estudiadas (tabla 2), a fin de considerar una familia representativa de casos. A partir de las combinaciones realizadas entre los parámetros geométricos, físicos y sísmicos, la base de datos estudiada queda constituida por una familia de 972 estanques elevados de hormigón armado.

0.10

0.21

0.36

2.4

2.9

3.2

1.0

2.0

2.7

0.2

0.4

---

0.9

1.5

2.0

0.35

0.50

1.00

2

3

---

RRId

HD RDe RHc RM Suelo

Parámetros

Estanque SísmicosAislador

ZonaRHa

1

2

3

2 5 972

N°totalde

casosξ (%)

Tabla 4: Valores adoptados por los parámetros y número de casos estudiados

(---) No existe valor.

1.4 Análisis de sensibilidad

El análisis de sensibilidad consistió en comparar las respuestas sísmicas de un estanque elevado modelado usando dos tipos de elementos: elementos finitos tipo “shell” (MEF) y elementos planos unidimensionales tipo “frame” (CSI 2003). En ambos casos se empleó el criterio de masas concentradas en los nudos (MC). El

Los valores tomados para este estudio fueron α = 0 y β = 1, debido a que se consideran las presiones en las paredes del recipiente que almacena el agua. En el presente estudio, la altura H corresponde a la altura Hc del modelo analizado, y el diámetro D corresponde φc (figura 1.a). Además, Wf corresponde a WH2O.

69ESTRUCTURAS


estanque modelado por elementos finitos tipo “shell” requirió más de 700 elementos tipo “shell” (CSI 2003) de tamaño 1 x 1m2; en cambio, usando elementos tipo “frame”, se requirieron un total de diez para el fuste y cinco para la cuba.

La discretización permite expresar los desplazamientos de cualquier estructura en términos de un número finito de grados de libertad que proporciona una idealización conveniente del sistema.

Los estanques elevados de hormigón armado son modelados como un sistema tipo péndulo invertido debido a que poseen más del 50% de la masa en la parte superior de la estructura.

Para el caso particular de estanques elevados, la estructura de soporte (fuste) se subdivide en diez elementos y la cuba se divide en cinco elementos, lo que da un total de 15 grados de libertad de la estructura más un grado asociado al movimiento de la masa convectiva del agua (según la metodología propuesta por Housner), todos horizontales, que se complementarán con los 15 grados de libertad rotacional, teniendo en total 31 grados de libertad.

Dependiendo de la cantidad de aisladores utilizados en cada estanque elevado de hormigón armado, variará la disposición de estos en el modelo en dos dimensiones. La distribución de los aisladores en planta que modela a los aisladores ubicados por el perímetro del fuste a una distancia equidistante entre los dispositivos de aislamiento, se muestra en la figura 1.c.

Al momento de modelar los aisladores, es necesario generar una línea de proyección que permita la disposición en el plano de aislación de los dispositivos que se encuentran en el mismo eje. Una vez hecha esta línea, se busca el punto medio, que corresponde al lugar donde irá ubicado el par de aisladores.

La disposición final en dos dimensiones corresponderá a las propiedades de un aislador en sus extremos, y los puntos centrales serán modelados con las propiedades de dos aisladores, representados en la figura 1.d.

La unión de los aisladores que se proyectaron en dos dimensiones se realizará mediante un diafragma rígido, que representa un anillo de unión entre el fuste de la estructura y los dispositivos de aislamiento.

El sistema de aislación genera un nuevo grado de libertad horizontal en el modelo, producto de que, al incorporar este dispositivo las deformaciones entre

la estructura y las fundaciones, se ven afectadas, por lo que es necesario considerar el comportamiento en esta zona específica; con lo cual se tiene un total de 32 grados de libertad en la estructura compuesta. Finalmente, el modelo queda representado tal como lo muestra la figura 1.b.

Las respuestas que se compararon fueron los períodos de vibración, los desplazamientos laterales, los esfuerzos de corte y los momentos flectores. Los errores máximos encontrados fueron: 2,3% en los períodos de vibración, 8,8% en los desplazamientos laterales, 6,6% en el esfuerzo de corte basal y 4,3% en los momentos flectores. Se observó que las respuestas obtenidas usando elementos unidimensionales son conservadoras en comparación con las respuestas obtenidas con los elementos finitos. Es decir, las respuestas obtenidas por medio de elementos finitos son, en todos los casos, menores. Esta comparación fue realizada en los ocho estanques reales de la familia patrón considerando, además, situaciones de base aislada y fija (Muñoz, 2001).

La ecuación de movimiento que gobierna la respuesta de una estructura del sistema de varios grados de libertad sometida a un sismo se escribe como:

1.5 Espectro de diseño

La excitación sísmica que se utilizó fue el espectro de diseño según la norma NCh 2745 Of. 2003 (INN 2003), reducido por el factor de reducción R, que señala la norma de diseño sísmico de estructuras industriales NCh 2369 Of. 2002 (INN 2002). Dicho espectro de diseño reducido (gráfico 1) depende tanto de la zona sísmica como del tipo de suelo en donde se encuentre fundada la estructura, donde Sa es la aceleración espectral (m/s2) y Tn es el período de vibración de la estructura (seg).

(Ec. 7)

Donde:

üg(t) = aceleración del suelo

= matriz de masas

= matriz de rigidez lateral

= matriz de amortiguamiento

= fuerzas externas

)t(ug&&&&& ⋅⋅−=⋅+⋅+⋅ lmukucum

)t(ug&&⋅⋅− lm

)t(ug&&&&& ⋅⋅−=⋅+⋅+⋅ lmukucum

)t(ug&&&&& ⋅⋅−=⋅+⋅+⋅ lmukucum

)t(ug&&&&& ⋅⋅−=⋅+⋅+⋅ lmukucum

70 ESTRUCTURAS


1.6 Aisladores sísmicos

La metodología de diseño de aisladores sísmicos que se indica a continuación satisface los requisitos que se establecen en la norma de aislación sísmica de estructuras (INN, 2003):

a) Definir la zona sísmica y el tipo de suelo en donde se emplazará el estanque elevado de agua, para luego conocer el factor de zona Z, el factor de amplificación Ma y el factor de reducción de respuesta RI. Para este tipo especial de estructuras, la norma (INN, 2002) especifica un factor de importancia igual a 1.2.

b) El diseñador debe escoger las variables tales como el porcentaje de amortiguamiento (β) del sistema de aislación, el módulo de corte de la goma (G) y el período de vibración objetivo al que se desea llevar la estructura.

c) Determinación de las dimensiones del aislador elastomérico a través de un proceso iterativo que permita obtener la rigidez más adecuada, tanto desde el punto de vista de resistencia como del económico.

d) Cálculo del desplazamiento lateral de diseño, el cual depende de los factores CD y BD. El factor BD

depende directamente del amortiguamiento del sistema de aislación.

e) Determinación del período de vibración real de la estructura, el cual debe ser similar al propuesto en el paso b). Si esto no se cumple, se debe hacer una nueva iteración variando las dimensiones del aislador, tanto en su altura como en su diámetro, volviendo a empezar desde el paso c).

f) Calcular el desplazamiento lateral total de la estructura. Este desplazamiento toma en cuenta la torsión accidental. La fórmula utilizada en este paso debe ajustarse según el tipo de planta que tenga la estructura (rectangular o circular). En este estudio, las plantas son de sección circular.

g) Se debe obtener la rigidez vertical de los aisladores propuestos. En este paso se debe verificar que el sistema cuente con una frecuencia vertical mayor a 10 Hz (INN, 2003), lo que asegura una alta rigidez vertical, evitando excesivas vibraciones y baja deformación debido al peso propio.

h) Obtención de la rigidez flexural de la estructura.

i) Verificación de la resistencia a la compresión de las placas de acero (intermedias y exteriores).

j) Verificación del factor de seguridad al pandeo (debe ser mayor a 1).

k) Verificación del factor de seguridad al volcamiento (debe ser mayor a 1).

Espectro de Diseño, Estructuras aisladas

0

1

2

3

4

5

6

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00

Tn (s)

Sa

(m/s

2 )

Suelo II Zona 2 Suelo II Zona 3 Suelo III Zona 2 Suelo III Zona 3

Para la obtención de las respuestas se utilizó el método de superposición modal espectral, considerando la combinación cuadrática completa (CQC).

Gráfico 1: Espectro de diseño utilizado

71ESTRUCTURAS


Tabla 5: Valores límite máximos y mínimos de los esfuerzos en los aisladores (972 estanques elevados)

31,573.2

6163.0

1,601,540.1

312,616.9

47,776.8

392.8

0.41

0.08

1.17

0.24

KH(kN/m)

Kv(kN/m)

Kq(kN/m)

Ha(m)

Da(m)

Parámetros

Máximo

Mínimo

2. ANALISIS DE LOS RESULTADOS

El análisis de los 972 modelos paramétricos de los estanques elevados de agua se realizó utilizando la

herramienta computacional SAP2000 (CSI, 2003). Para obtener las respuestas máximas (desplazamientos laterales, esfuerzos de corte y momentos flectores) se utilizó la regla de combinación cuadrática completa (CQC) (INN, 2003). Se consideró que la mitad de los modelos se encuentran fundados sobre suelo tipo II y, los restantes, sobre suelo tipo III (gráfico 2) (INN, 2002), con la finalidad de comparar las respuestas de interés. Las variaciones porcentuales debido al tipo de suelo son iguales a un 6.54% en los esfuerzos de corte, 6.80% en los momentos flectores y 6.56% en los desplazamientos laterales.

Gráfico 2: Espectro de diseño de estructuras aisladas para la zona sísmica 2 y diferente tipo de suelo

RR ∈ [0.1; 0.36]; HD ∈ [2.4; 3.2]; RDe [1; 2.7]; RHc ∈ [0.2; 0.4]; RM ∈ [0.9; 2]; RHa ∈ [0.35; 1]; Tipo de suelo [2; 3].

Espectro de Diseño, Estructuras aisladas

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00

Tn (s)

Suelo II Zona 2 Suelo III Zona 2

Sa

(m/s

2 )

La tabla 5 muestra los valores límite máximos y mínimos de los esfuerzos en los aisladores obtenidos a partir del análisis realizado en los 972 estanques elevados.

La validez de este estudio se limita a los parámetros que adoptan los siguientes dominios:

72 ESTRUCTURAS


0

5

10

15

20

25

30

35

-0,02 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,120

5

10

15

20

25

30

35

-0,12 -0,1 -0,08 -0,06 -0,04 -0,02 0 0,020

5

10

15

20

25

30

35

-0,1 -0,05 0 0,05 0,1 0,15 0,2

Gráfico 3: Primeras tres formas modales del estanque elevado N.º 1 con base fija y lleno de agua

(a) Primer modo (b) Segundo modo (c) Tercer modo

Modo Fijo Aislado Modo Fijo Aislado

Períodos de vibración (seg)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

6.229531

0.372167

0.061536

0.033761

0.021573

0.015153

0.012383

0.010450

0.010087

6.519261

1.972617

0.430052

0.053562

0.032529

0.020217

0.014691

0.012100

0.010393

0.008611

0.007581

0.006915

0.006495

0.006260

0.006143

0.004673

0.003931

0.009913

0.008457

0.00747

0.006841

0.006457

0.006249

0.006143

0.004673

Tabla 6: Períodos de vibración, estanque (Pontigo-Buin) elevado lleno, fijo y aislado

Se analizó la forma modal entre estanques de base fija y de base aislada debido a que la incorporación del sistema de aislación produce un aumento de los períodos en todos los modos de vibración, excepto del primer modo asociado al movimiento del agua del estanque en comparación con los estanques elevados de base fija. La tabla 6 muestra que el período fundamental de vibración corresponde al período de

vibración del agua tanto en el estanque fijo como en el aislado; sin embargo, en el caso del estanque de base aislada, el segundo modo corresponde al sistema de aislación, que adoptó un valor entre 1.9 y 2.5 seg. Finalmente, en el tercer modo aparece la influencia de la estructura, lo que se produce en el segundo modo del estanque de base fija (gráficos 3 y 4).

73ESTRUCTURAS


Gráfico 4: Primeras tres formas modales del estanque elevado N.º 1 con base aislada y lleno de agua

(a) Primer modo (b) Segundo modo (c) Tercer modo

El análisis de resultados muestra lo siguiente:

• Al comparar los estanques de base fija con su símil de base aislada, se comprobó que con la incorporación del sistema de aislación se reducen los esfuerzos de corte

Gráfico 5: Esfuerzo de corte del estanque Pointigo-Buin

-3

2

7

12

17

22

27

32

-0,12 -0,1 -0,08 -0,06 -0,04 -0,02 0 0,02-3

2

7

12

17

22

27

32

-0,02 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1

-3

2

7

12

17

22

27

32

-0,1 -0,05 0 0,05 0,1 0,15

y los momentos flectores en 50%, aproximadamente (gráficos 5 y 6).

10·kN

H (m

)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Fijo Aislado

74 ESTRUCTURAS


• En los casos de base fija y base aislada, se aprecia que el movimiento del agua debido a la excitación sísmica es el principal causante del brusco aumento de las magnitudes del esfuerzo de corte. La tabla 7 muestra

Gráfico 6: Momentos flectores del estanque Pointigo-Buin

Momentos Flectores

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

H (m

)

Fijo Aislado

10·(kN-m)

los períodos de vibración del modelo paramétrico del estanque elevado N.° 1 (RH = 0,2; RD = 2; HD = 2,4; DEc = 60; DEf=60; RM = 0,9; RHc = 0,2; RHa = 0,35; RR = 0,1; RDe = 1).

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

9.854648

0.305408

0.051383

0.024278

0.018213

0.013818

0.010818

0.009002

0.007885

0.007175

0.006733

0.006485

0.006399

0.004792

0.004063

0.003456

0.002746

0.289871

0.051379

0.024093

0.017541

0.013569

0.010742

0.008967

0.007866

0.007163

0.006724

0.006476

0.006356

0.004063

0.003967

0.003054

0.002665

0.001307

Modo Lleno Vacío Lleno Vacío

10.006377

2.158063

0.458657

0.043047

0.023183

0.017429

0.013372

0.010531

0.008832

0.007763

0.007096

0.006690

0.006473

0.006398

0.004792

0.003999

0.003457

2.104117

0.453771

0.043037

0.022859

0.016810

0.013171

0.010461

0.008800

0.007745

0.007085

0.006681

0.006464

0.006357

0.003999

0.003967

0.003054

0.002665

Estanque fijo (seg) Estanque aislado (seg)

Tabla 7: Períodos de vibración, estanque aislado y fijo

75ESTRUCTURAS


• El desplazamiento lateral experimenta un fuerte aumento de su magnitud en la zona del aislador, que bordea 1000%, ya que la rigidez lateral de este es considerablemente menor a la rigidez que posee la estructura de soporte o fuste.

Una condición que se produce en todos los modelos estudiados y que favorece el diseño de la estructura es que el pedestal de soporte o fuste siempre se encuentra sometido a esfuerzos de compresión y no de tracción, como su símil de base fija. Esto ocurre debido a que se satisfacen las ecuaciones (8) y (9): (Ec. 8)

(Ec. 9)

En efecto, esto se debe a que los aisladores sísmicos reducen los momentos máximos, lo que hace que el cociente entre el peso de la estructura (Peso) y el área de la sección (A) del fuste sea considerablemente mayor al cociente entre el momento máximo (Mmax) y el módulo resistente (W), lo que significa que el fuste se encuentra siempre sometido a efectos de compresión, limitando la armadura de la sección a armadura mínima.

Según la norma chilena NCh 433 Of. 96 (INN, 1996), el desplazamiento lateral relativo en todos los niveles de la estructura debe ser menor a 2%. Del análisis de los resultados obtenidos en la familia de estanques elevados de agua se comprobó que cumplen con este requerimiento, debido a que el máximo desplazamiento lateral relativo fue de 1.2%.

δ : Desplazamiento lateral máximo (m)

φc : Diámetro de la cuba (m)

φf : Diámetro del fuste (m)

γh : Densidad aparente del agua (10∙kN/m3)

d : Diámetro del aislador (cm)

ec : Espesor de la cuba (m)

ef : Espesor del fuste (m)

Ht : Altura total del estanque (m)

Hc : Altura de la cuba (m)

Hf : Altura del fuste (m)

Hr : Altura del aislador (solo la goma) (cm)

Hc1 : Altura fija de la cuba (m)

Hc2 : Altura variable de la cuba (m)


• La incorporación del sistema de aislación reduce los esfuerzos de corte y los momentos flectores en 50%, aproximadamente (gráficos 5 y 6). Esta incorporación del sistema de aislación en los estanques elevados produjo que el fuste quedara sometido a esfuerzos de compresión, lo que no ocurre necesariamente en su símil de base fija.

• Es posible determinar que los estanques elevados de hormigón armado con aislación en la base estudiados, tienen un desplazamiento lateral en forma de un cuerpo rígido, debido a que el máximo desplazamiento lateral relativo fue de 1.2%.

• Las diferencias de las respuestas máximas determinadas del análisis por elementos finitos con el análisis de masas concentradas, utilizando las expresiones del modelo mecánico equivalente (Housner, 1963), fueron: 2.3% en los períodos de vibración, 8.8% en los desplazamientos laterales, 6.6% en el esfuerzo de corte basal y 4.3% en los momentos volcantes.

• El comportamiento sísmico de una estructura fija y una aislada es similar, variando solo los valores máximos de las respuestas, debido a que la forma geométrica que experimentan las respuestas de interés en forma gráfica es similar entre estanques aislados y fijos.

MH2O : Masa del agua almacenada (kN)

Mt : Masa total de la estructura (kN)

M : Momento volcante máximo (kN∙m)

MC : Criterio de masa concentrada

RDE : Relación diámetro espesor

RR : Relación altura diámetro

T1 : Período fundamental del primer modo (seg)

T2 : Período fundamental del segundo modo (seg)

T3 : Período fundamental del tercer modo (seg)

V : Esfuerzo de corte máximo (kN)

Vol : Volumen de agua del estanque elevado de agua de hormigón armado (m3)

WF : Peso del pedestal de soporte o fuste (kN)

LISTA DE SÍMBOLOS

0W

MÁreaPeso max >+

0W

MÁreaPeso max >−

76 ESTRUCTURAS

V. I. Fernández-Dávila, P. Baquedano, F. Gran y E. F. Cruz


Computers & Structures, Inc. (2003) SAP2000 Non linear. Version 8.2. Academic License. Proyecto de Investigación N.º 28. Universidad Central de Chile.

Fernández-Dávila, V.I; Baquedano, P.; Gran, F. (2005) Estudio de la respuesta sísmica de estanques elevados de agua de hormigón armado con aislación sísmica en la base. En IX Jornadas de Chilenas de Sismología e Ingeniería Antisísmica. Concepción (Chile).

Flores, F.; Franco, Ch.; Fernández-Dávila, V. I. (2002) Análisis y diseño sísmico de estanques elevados de hormigón armado con aislación basal. En VIII Jornadas Chilenas de Sismología e Ingeniería Antisísmica. Valparaíso. Chile.

Housner, G. W. (1954) Earthquake pressures on fluid containers. Eight Technical report under office of naval re-search. Pasadena: California Institute of Technology.

Housner, G. W. (1963) Dynamic Analysis of Fluids in Containers Subject to Acceleration. En Bull. Seismology Soc. Am. 47 (1), p. 15-37.

Instituto Nacional de Normalización-INN (1996) Diseño sísmico de edificios. NCh 433 Of. 96. Santiago de Chile.

Instituto Nacional de Normalización-INN (2002) Análisis y diseño sísmico de estructuras industriales. NCh 2369 Of. 2002. Santiago de Chile.

Instituto Nacional de Normalización-INN (2003) Análisis y diseño de edificios con aislación sísmica. NCh 2745 Of. 2003. Santiago de Chile.

Muñoz, M. (2001) Análisis y diseño sísmico de estanques elevados. Memoria para optar al Título de Ingeniero Civil en Obras Civiles. Universidad Central de Chile. Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas. Escuela de Ingeniería Civil en Obras Civiles.

Muñoz, M.; Fernández-Dávila, V. I. (2001) Análisis y diseño sísmico de estanques elevados. En 2° Congreso Iberoamericano de Ingeniería Sísmica. Madrid.

Naeim, F.; Kelly, J. M. (1999) Design of Seismic Isolated Structures: From Theory to Practice. Berkeley: John Wiley & Sons.

Shenton, H. W.; Hampton, F. P. (1999) Seismic response of isolated elevated water tanks. En Journal of Structural Engineering, vol. 125, N.º 9, pp. 965-976.

Los autores agradecen a la Escuela de Ingeniería Civil en Obras Civiles de la Universidad Central de Chile por el apoyo brindado a la presente investigación.

ESTABILIZACIÓN DE SUELOS ARCILLOSOS CON CAL

EDWIN CARPIO MEDINA

Egresado de la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Nacional San Antonio Abad del Cusco. Trabajó cinco años en el Gobierno Regional de Cusco en la Gerencia de Operaciones como Jefe de Estudios, Asistente Técnico y Residente de Obra. Ingresó a laborar en GMI en diciembre de 2002 y, como Ingeniero Supervisor, se ha desempeñado como Jefe de Oficina Técnica, Especialista en Trazo y Topografía y Especialista en Costos y Valorizaciones, en obras de infraestructura vial como mejoramientos, mantenimientos, rehabilitaciones y construcción de carreteras en distintas zonas de nuestro país.

81CIVIL


PROCESO CONSTRUCTIVO: ESTABILIZACIÓN DE

SUELOS ARCILLOSOS CON CAL

Edwin Carpio MedinaGMI S. A. Ingenieros Consultores

82 CIVIL

Edwin Carpio Medina ESTABILIZACIÓN DE SUELOS ARCILLOSOS CON CAL

PROCESOCONSTRUCTIVO: ESTABILIZACIÓN DE SUELOS ARCILLOSOS CON CAL

Las características de un suelo arcilloso vienen dadas, principalmente, por el tipo y cantidad de arcilla presente; en función de ellas, el

comportamiento del suelo podrá ser o no admisible para su empleo en las explanaciones en corte o en terraplén, en sub bases y bases en la construcción de carreteras de alta y baja intensidad de tráfico o en caminos rurales.

Bajo este punto de vista, los suelos pueden clasificarse como inadecuados, tolerables o adecuados. Sin embargo, los suelos pueden mejorarse y pasar de inadecuados a tolerables, e incluso de estos a adecuados mediante acciones mecánicas, químicas o de consolidación con la inclusión de elementos reforzantes o la inyección de lechadas de morteros muy fluidos.

La estabilización de suelos arcillosos con cal es realizada con suelo que pasa el tamiz 425 µm (N.º 40). La proporción óptima de suelo/cal para la estabilización es determinada por pruebas de características específicas del suelo estabilizado, como el índice de fuerza ilimitada compresiva o de plasticidad.

La cal no es un agente equilibrante efectivo para todos los suelos. Algunos componentes del suelo, como los sulfatos, fosfatos y restos orgánicos pueden afectar las reacciones de suelo/cal y pueden producir resultados erróneos al usar este método de estabilización.

Es necesario establecer prácticas de seguridad y de salud apropiadas y determinar la aplicabilidad de limitaciones reguladoras antes de usar este tipo de estabilización.

1. RESUMEN DE LAS CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS DE LA SUBRASANTE EN SUELO/CAL

Se toma como referencia la ejecución de trabajos de estabilización del suelos arcillosos con cal en la Carretera Neshuya–Pucallpa (2005-2007). Sin embargo, los suelos pueden mejorarse y pasar de inadecuados a tolerables, e incluso de estos a adecuados mediante acciones mecánicas, químicas o de consolidación con la inclusión de elementos reforzantes o la inyección de lechadas de morteros muy fluidos.

• Equipo específico: estabilizador de suelos rotativo con potencia > 300 kW y distribuidor mecánico de cal equipado con dosificador volumétrico.

• Cal viva molida en sacos o en big-bag.

• Máximo plazo de producción de cal viva para estabilización: 3 meses.

• Diseño de mezcla en función del índice de grupo AASHTO y del CBR prescrito.

• Determinación del índice de grupo cada 500 m y determinación del contenido de cal viva en consecuencia.

• Escarificación de la superficie para minimizar los desperdicios de cal originados por el viento.

• Estabilización con cal viva con por lo menos dos pasos del estabilizador hasta 0.30 m de profundidad

83CIVIL


(normalmente con 2 pasos de estabilizador rotativo con potencia > 300 kW se logra el grado de pulverización requerido sin necesidad de curado).

• Mediante la pulverización del suelo se debe lograr que, por lo menos, 60% del suelo pase la malla # 4; antes de iniciar la compactación, el contenido en humedad deberá ser ± 1% del contenido óptimo.

• Grado de compactación: 95% de la densidad seca Proctor Modificado.

• CBR 95% con 3 días de curado húmedo y 4 días de inmersión > 60.

• Hinchamiento al 95% Proctor Modificado < 0.5%.

• Curado húmedo de la superficie durante 72 horas.

• La superficie no será transitada por 7 días.

• Los materiales con índice de grupo superior a 20 serán reemplazados.

2. PRECAUCIONES POR LA UTILIZACIÓN DE CAL VIVA

La cal viva es mucho más cáustica respecto de la cal hidratada y puede causar rápidamente serias lesiones cuando entra en contacto con la piel húmeda y los ojos. Estos efectos son acentuados en condiciones de clima caliente y húmedo. Precauciones principales en caso de aplicación de cal viva en sacos:

Ropa de trabajo

Crema protectora

Protección de los ojos

Protección de nariz y boca

Después del trabajo

Primeros auxilios

Camisa con mangas largas, botas amarradas, pantalones amarrados sobre las botas, guantes amarrados, casco, ropa de trabajo suelta

Para proteger la piel expuesta, se puede lavar con jabón

Lentes sellados

Mascarilla con filtro protector

Ducharse para limpiar la crema protectora y la cal

Los problemas más comunes son las quemaduras: lavar los ojos con bastante agua, lavar las quemaduras de la piel y aplicar cremas

arcillosos con cal, en el que se detallan las actividades a realizar a fin de garantizar un adecuado producto final.

Uno de los procedimientos más empleados en la actualidad consiste en la adición al suelo de conglomerantes como la cal, lo que da lugar a una serie de interacciones de naturaleza físico-química (Kezdy, 1979) que producen una mejora en sus propiedades mecánicas (Ayuso y Pérez, 1982). El proceso de estabilización de suelos arcillosos con cal, en este sentido, tiene como propósito fundamental:

• La reducción del índice plástico.

• Reducción del hinchamiento lineal.

• Incremento de la capacidad de soporte.

• Reducción de los espesores de las capas granulares del pavimento.

• Reducción de la absorción de agua y de la capilaridad.

4. ALMACENAMIENTO DE CAL VIVA

Como se sabe, la cal es un producto que se obtiene de las rocas calizas calcinadas a una temperatura entre 900 y 1200 °C, durante días, en un horno rotatorio o en un horno tradicional, romano o árabe. En estas condiciones, el carbonato es inestable y pierde una molécula de óxido de carbono (IV).

El óxido de calcio reacciona violentamente con el agua, haciendo que ésta alcance los 90 °C. Se forma entonces hidróxido de calcio, también llamado cal apagada, o Ca(OH)2.

3. FLUJOGRAMA DEL PROCESO

En la siguiente página, se presenta un flujograma del proceso constructivo para la estabilización de suelos

84 CIVIL


INICIO

Autorización de la Supervisión

Retirar la capa de pavimento existente, cortando el espesor de capa granular

menos 5 cm

Cortar el espesor de material que no cumpla y transportar a un botadero

Nivelar y perfilar la superficie de 2º capa/motoniveladora

Compactar con rodillo liso para dar una superficie uniforme

Aplicar el % de cal óptimo según tabla de dosificación

Compactación de la capa estabilizada con rodillo pata de cabra

Nivelar y perfilar superficie de 1º capa/motoniveladora

Compactar con rodillo liso para lograr superficie uniforme

Aplicar el % de cal óptimo según tabla de dosificación

Compactación de la capa estabilizada con rodillo pata de cabra

Curado con agua, el tanque cisterna dará 1 pasada de riego

Se cortarán 15 cm y el material será acopiado

Identificar el material de subrasante en laboratorio a -15 cm: clasificación,

índice de grupo.

Extraer muestra de suelo + cal viva para verificar en laboratorio clasificación,

índice de grupo, Proctor, CBR

Reemplazar los materiales inadecuados a -15 cm para ser estabilizados con

material de cantera

Identificar el material de subrasante en laboratorio a –30 cm: clasificación,

índice de grupo

Extraer muestra de suelo + cal viva para verificar en laboratorio clasificación,

índice de grupo, Proctor, CBR

Extraer muestra de suelo de cantera

Aplicar diseño suelo/cal

Cálculo del porcentaje óptimo de cal viva

Mezclar el suelo + cal viva + agua

Diseñar suelo - % de cal viva

Mezclar el suelo + cal viva + agua

FIN

Verificar material de subrasante a -15 cm vs. especificaciones para

estabilizar

Material de subrasante a -30 cm vs.

especificaciones para estabilizar

Cortar el espesor de

material que no cumpla y

transportar a un botadero

Reemplazar los materiales

inadecuados a -30 cm para ser

estabilizados con material de

cantera

Aplicar diseño suelo/cal

TAREAS DE LABORATORIO

Sí cumple

Sí cumple

No cumple

No cumple

DISEÑO SUELO/CALMATERIAL EXISTENTE

PROCESO CONSTRUCTIVO PARA LA ESTABILIZACIÓN DE SUELOS ARCILLOSOS CON CAL

85CIVIL


Del mismo modo, se debe contar con el equipo adecuado para hacer una correcto manipulación del producto. Para el transporte interno en el almacén y para el transporte hacia el punto de colocación se debe contar con volquetes cubiertos con lonas y tanto el carguío como la descarga deben realizarse de forma tal que eviten la formación de nubes de polvo de cal que puedan ser transportadas a las áreas vecinas generando la contaminación del medio ambiente.

5. TRABAJOS PREVIOS

5.1 Desbroce y limpieza

Se realiza la limpieza de un ancho de franja a ambos lados del eje de aproximadamente 10 m para evitar contaminación del material a estabilizar y de la vegetación existente en la zona, extrayendo un espesor de 10 cm o la profundidad necesaria de cobertura vegetal, por la superficialidad de la vegetación de la zona de selva.

El material extraído es eliminado y colocado en botaderos. De igual modo este material, por ser orgánico, puede ser colocado en botaderos laterales, para efectuar el posterior trabajo de protección del pavimento o adecuación de los botaderos.

Por eso, si entra en contacto con seres vivos, deshidrata sus tejidos, ya que estos están formados por agua.

El hidróxido de calcio reacciona otra vez con el óxido de carbono (IV) del aire para formar de nuevo carbonato de calcio (cal). En esta reacción, la masa se endurece.

La Cal que se use para la construcción de bases de suelo/cal, debe ser cal viva molida y debe satisfacer los requisitos establecidos en la especificación AASHTO M-216 o ASTM C-977. El tiempo entre la producción de la cal viva y su utilización no será superior a los tres meses.

El almacenamiento debe ser ejecutado en ambientes ventilados y secos, cuidando de no exponer el material al contacto del personal o del medio ambiente (viento, lluvia).

El almacenamiento debe ser ejecutado en ambientes ventilados y secos, cuidando de no exponer el material al contacto del personal o del medio ambiente (viento, lluvia).

Los empaques de la cal deben ser los adecuados que eviten un humedecimiento del insumo así como un deterioro del envase; así como se aprecia en la imagen, pueden ser empaques de 40 kg o big-bag de 1 t aproximadamente.

86 CIVIL


El desbroce se efectúa con equipos idóneos, como el cargador frontal, por lo suave del terreno a cortar y el reducido espesor.

Para evitar daños en las propiedades adyacentes o en los árboles que deban permanecer en su lugar, se procurará que los árboles que han de derribarse caigan en el centro de la zona objeto de limpieza, troceándolos por su copa y tronco progresivamente, cuando así lo exija el supervisor.

Las ramas de los árboles que se extiendan sobre el área que, vaya a estar ocupada por la corona de la carretera deberán ser cortadas o podadas para dejar un claro mínimo de seis metros (6 m), a partir de la superficie de la misma.

5.2 Recuperación y excavación de material recuperable

Antes de iniciar la remoción del pavimento existente se requiere la aprobación, por parte del supervisor, de los trabajos de topografía, desbroce, limpieza y demoliciones, así como los de remoción de especies vegetales, cercas de alambre y de instalaciones de servicios que interfieran con los trabajos a ejecutar.

La secuencia de todas las operaciones de remoción debe ser tal que asegure la utilización de todos los materiales aptos y necesarios para la construcción de las obras señaladas en los planos del proyecto.

Si los suelos encontrados en la remoción están constituidos por suelos inestables, el supervisor ordenará las modificaciones que correspondan, con el fin de asegurar la estabilidad de la subrasante.

En los tramos indicados en los metrados con mejoramiento, la excavación se puede llevar hasta un metro por debajo del nivel proyectado de subrasante y su fondo no se compactará. Esta profundidad sobreexcavada se rellenará y conformará con material que cumpla las características definidas para terraplenes.

Las cunetas y bermas deben construirse de acuerdo con las secciones, pendientes transversales y cotas especificadas en los planos o modificadas por el supervisor. Todo daño posterior a la ejecución de estas obras, causado por el contratista, debe ser subsanado por este, sin costo alguno para el MTC.

Los materiales sobrantes de la excavación deberán ser colocados de acuerdo con las instrucciones del supervisor y en zonas aprobadas por este; se usarán para el tendido de los taludes de terraplenes o para emparejar las zonas laterales de la vía y de las canteras. Se dispondrán en tal forma que no ocasionen ningún perjuicio al drenaje de la carretera o a los terrenos que ocupen, a la visibilidad en la vía ni a la estabilidad de los taludes o del terreno al lado y debajo de la carretera.

87CIVIL


Todos los materiales sobrantes se deberán extender y emparejar de tal modo que permitan el drenaje de las aguas alejándolas de la vía, sin estancamiento y sin causar erosión, y se deberán conformar para presentar una buena apariencia.

Los materiales aprovechables de las excavaciones de zanjas, acequias y similares se deberán utilizar en los terraplenes del proyecto, extender o acordonar a lo largo de los cauces excavados, o disponer según lo determine el supervisor a su entera satisfacción.

Los residuos y excedentes de las excavaciones que nos hayan sido utilizados según estas disposiciones se colocarán en los depósitos de desechos del proyecto.

5.3 Mejoramiento de suelo de fundación

Luego de la recuperación del material, al aplicar carga directa con volquetes cargados se verifican las zonas donde se deben efectuar mejoramientos del suelo de fundación, siendo esta práctica la forma más rápida, económica y eficiente de detectar fallas a nivel de subrasante y en las capas conformantes del pavimento.

Se hace la verificación de los volúmenes a mejorar incidiendo en la mejora del drenaje, ya que los suelos finos absorben todo tipo de humedad aledaña, generando acolchonamientos perjudiciales para la estructura del pavimento a conformar.

En algunas zonas, la ejecución de drenaje longitudinal puede amenguar el problema e incluso ya no requerir el mejoramiento del suelo de fundación, por lo que en lo posible se deben ejecutar las labores de subdrenaje con la suficiente anticipación a los trabajos de explanaciones en los lugares donde se pueda garantizar la estabilidad de estas estructuras.

La base del mejoramiento de subrasante debe estar compuesta por material granular grueso para dotarle de un adecuado drenaje al suelo de fundación, constituyendo una capa rompecapilaridad. Esta capa, de ser necesario, tendrá desfogue mediante la ejecución de drenes franceses para aliviar la napa freática.

88 CIVIL


Se ejecutan los trabajos de conformación del material añadido, mediante el empleo del equipo idóneo: motoniveladoras, cisternas, rodillos lisos si el material añadido es granular; o rodillos pata de cabra, si es plástico.

En el caso presente, la conformación del mejoramiento se realiza hasta -0.30 m de la subrasante, debido a que

en este espesor se estabilizará el material arcilloso con cal, conformando así la subrasante del proyecto.

5.4 Verificación de niveles

Se efectúa la verificación de los niveles en los que se encuentra el material granular o material inestable (hinchamiento lineal > 2% e IG > 20) para reemplazarlo con arcilla seleccionada a nivel de subrasante, el nivel hasta donde se debe excavar el material no estabilizable con cal, es máximo de 0.30 m por debajo de la subrasante .

De existir la necesidad de mejoramientos por debajo de los -0.30 m de la subrasante, se controlan los espesores del material inadecuado para evitar sobreexcavaciones.

La excavación se efectuará hasta los niveles que garanticen una buena fundación a la estructura del pavimento a colocar y posteriormente se realizará el mejoramiento del terreno natural.

Nivel de subrasante

A-7-6(12)A-4(0)

A-6(5)

Gráfico 1

89CIVIL


5.5 Clasificación de materiales

Para verificar el tipo de materiales existentes en la pista se realizan sondeos y ensayos de clasificación en laboratorio.

De cada procedencia de los suelos de aporte empleados en la estabilización y para cualquier volumen previsto, se tomarán cuatro (4) muestras, y de cada fracción de ellas se determinarán:

• La granulometría.

• La plasticidad de la fracción fina. (Gráfico 2).

Durante la etapa de producción se debe examinar la descarga a los acopios; se hará el retiro de los suelos y agregados que, a simple vista, presenten restos de tierra vegetal, materia orgánica o tamaño superior al máximo especificado. Además, se efectúan las verificaciones periódicas que se indican en las Normas Generales del Ministerio de Transportes.

Los materiales son probados en laboratorio para obtener el diseño para la estabilización, haciendo como mínimo tres ensayos de Proctor por acopio o

cantera; según la uniformidad de estos, añadiendo un porcentaje de cal de 2%, 4% y 6%, para así obtener la curva de diseño y poder definir el porcentaje de cal necesario para alcanzar los requerimientos para el CBR del material estabilizado.

• CBR 95% del Proctor Modificado 3 días curado húmedo a 38 ºC + 4 días inmersión ≥ 60.

• Hinchamiento Lineal al 95% del Proctor Modificado < 0.5%.

Nivel de Subrasante

A-6(9)

A-4(0)A-6(5)

A-7-6(12)

15cm

Muestra desuelo para ellaboratorio desupervisión

Muestra desuelo para ellaboratoriocontratista

% de cal

2% 4% 6%

CBR95%

% de cal de diseño

60%

CURVA % DE CAL VIVA-CBR95%

Suelo neto

Sueloestabilizadocon cal

Granulometría

Índice plásticoHumedad natural

CBR

Compactación

MTC E 107

MTC E 111

MTC E 132

MTC E 117MTC E 124

Material oproducto

Propiedad ycaracterísticas

Método deensayo Frecuencia Lugar del

muestreoPor producción diaria 3 ensayos por suelo tipo

Por producción diaria 3 ensayos por suelo tipo

Por producción diaria 3 ensayos por suelo tipo

Cada 250 m

Pista

Pista

Pista

Pista

Los materiales analizados deben tener los siguientes ensayos y frecuencias:

Gráfico 2

90 CIVIL


5.6 Excavación de material no estabilizable con cal

Se procede a remover el material granular que no es estabilizable con cal. El material que puede ser reutilizado en la ejecución del pavimento o explanaciones es recuperado, transportado a acopios y guardado adecuadamente hasta su uso. (Gráfico 3).

Los materiales provenientes de la remoción del pavimento existente se utilizarán, si reúnen las calidades exigidas, en la construcción de las obras de acuerdo con los usos fijados en los documentos del proyecto. No se podrán desechar materiales ni retirarlos para fines distintos a los del contrato.

Los materiales provenientes de la remoción del pavimento existente que presenten buenas características para uso en la construcción de la vía serán reservados para colocarlos posteriormente.

Los materiales de excavación que no sean utilizables deberán ser colocados en los botaderos indicados en el proyecto o en otras zonas aprobadas.

El depósito temporal de los materiales no deberá interrumpir vías o zonas de acceso de importancia local.

Nivel de subrasante

Excavación o corte para reemplazo

A - 7- 6 (12)

5.7 Colocación de material arcilloso de aporte

Luego de haber llegado a la profundidad adecuada para la conformación de la primera capa de estabilización, de haber sido extraído el material por no ser estabilizable con cal, se coloca material arcilloso de aporte procedente de canteras o acopios aprobados por el supervisor. (Gráfico 4).

Durante la etapa de producción, el supervisor podrá realizar las pruebas adicionales que le permitan tener certeza de la calidad de los suelos por estabilizar, de acuerdo con las exigencias de las especificaciones técnicas del proyecto.

Se aprecia el transporte del material arcilloso que es traído de canteras que cumplan con los requisitos para la estabilización.

Nivel de subrasante

Variable

2º Capa=Subrasante, e=15 cm

Gráfico 3

Gráfico 4

91CIVIL


5.8 Extendido del material añadido

Se extiende la arcilla de la primera capa para su posterior mezcla con la cal viva; este procedimiento se realiza en dos capas, para poder garantizar una adecuada mezcla entre el suelo a estabilizar y la cal viva. Estas capas deben ser de 0.15 m de espesor. (Gráfico 5).

Esta actividad se realiza con motoniveladoras y no es necesario añadir agua, para no modificar los parámetros del suelo previos al mezclado con la cal.

Nivel de subrasante

5.9 Rodillado de capa de 15 cm a estabilizar

Se preconforma el material arcilloso con un rodillado que deje la superficie lisa para su plantillado y colocación de la cal; de esta manera se garantiza un extendido uniforme de la cal y su posterior mezclado con el suelo arcilloso. (Gráfico 6).

Este preconformado se efectúa con una o dos pasadas de los rodillos lisos sobre el material arcilloso, por lo que durante el proceso se debe tabular el nivel al que se debe llegar con el material añadido o existente, a fin de que el producto final presente el espesor contemplado en el proyecto, en este caso 0.15 m por cada capa a estabilizar.

1º Capa = 15cm = Material arcilloso existente o de cantera

Nivel de subrasante

Gráfico 5

Gráfico 6

92 CIVIL


5.10 Plantillado

Luego de preconformado el material arcilloso, se plantilla para colocar la cal. En el caso específico de efectuar la colocación de la cal manualmente, se debe cuadricular el área donde se va a añadir la cal para garantizar la correcta cantidad de cal, necesaria para estabilizar el suelo.

Como regla general, luego de tener el diseño del tramo a intervenir se usa la siguiente fórmula:

Donde:

L = Longitud de vía en la que se va a colocar la cal

P = Peso de la cal (por bolsa o big-bag)

Dms = Máxima Densidad seca del material arcilloso

%c = Porcentaje de cal obtenido del diseño

A = Ancho de la vía

e = Espesor de la capa a estabilizar

e*A*%c*dmsP L =

6. ESTABILIZACIÓN

6.1 Extendido de cal

Se coloca la cal viva en pista mediante un equipo esparcidor, que garantiza una colocación medianamente uniforme del agregado mineral, debido fundamentalmente a que la granulometría de la cal viva no permite un mayor trabajo del tornillo sinfín de la esparcidora, el mismo que generaría una nube de polvo provocando una gran pérdida del insumo y la contaminación del medio ambiente. (Gráfico 7).

Se aprecia cómo se coloca la cal con un equipo esparcidor debidamente acondicionado. Este procedimiento es crítico debido a que, si no se coloca la cantidad necesaria de cal por m2 de subrasante a estabilizar, se tendría que hacer un repaso del equipo, generando la contaminación de la cal y la exposición innecesaria del personal de piso, encargado de la uniformización de la cal ya extendida.

Pese al cuidado que se pone en el esparcido de la cal, este insumo genera pequeñas nubes de polvo que podrían generar problemas en las personas que están

Nivel de subrasante

Gráfico 7

93CIVIL


próximas al área de operaciones sin la indumentaria correspondiente, por lo que se debe tener un control estricto respecto de la proximidad de terceras personas.

6.2 Mezcla del suelo arcilloso con la cal

Al terminar el extendido y uniformización de la cal viva se procede a la mezcla, sobre la vía, del suelo con cal y agua, utilizando el equipo adecuado que permita obtener la mezcla de suelo/cal. El control básicamente se efectúa a la uniformidad y la granulometría de la mezcla. (Gráfico 8)

La aplicación del agua se debe hacer mediante un camión cisterna que va delante de la recicladora de suelos, o con el empleo de cualquier otro método que garantice un riego uniforme, evitándose la concentración de agua en la superficie del material que se está mezclando.

La cal viva también puede colocarse manualmente; el método puede ser variado, mediante bolsas individuales o como en el caso mostrado en las fotografías, con un big-bag, de tal modo que el contenido de cal colocado en pista no debe variar en

más de 5% por exceso o por defecto, de la cantidad de cal por metro cúbico de mezcla establecida en el diseño.

Siempre es necesario efectuar una uniformización de la cal para no tener bolsones de cal, que podrían proporcionar un mayor porcentaje de cal al suelo, con la consiguiente desmejora del CBR final.

Gráfico 8

94 CIVIL


La mezcla se realiza con una recicladora cuya velocidad promedio es de 2.5 m/s, para garantizar la correcta pulverización y mezcla del material arcilloso, la cal y el agua de hidratación a fin de iniciar el proceso iónico inicial, de lo cual resulta la floculación. Esta floculación tiene un efecto drástico en el suelo, en términos de una reducción en el índice plástico, aumento de la resistencia a la compresión y de esfuerzo al corte.

El agua que se use para la construcción de suelo/cal debe estar limpia, no debe contener materia orgánica y debe estar libre de sales, aceites, ácidos y álcalis perjudiciales.

6.3 Junta de construcción longitudinal

Al final del trabajo de cada día o cuando haya transcurrido más de una hora desde el momento en que se haya ejecutado la compactación final de cualquier borde de franja, se deben construir juntas de construcción, longitudinales o transversales, según sea el caso.

Las juntas de construcción se deben construir cortando verticalmente el suelo/cal compactado según una línea situada a 7 cm, al menos, del borde de la franja. La superficie de contacto de la junta de construcción se debe humedecer antes de proseguir con la colocación de la mezcla de suelo/cal. La ejecución de las juntas de construcción está sujeta a la aprobación del supervisor.

Muestra de suelopara el laboratoriodel contratista

Muestra de suelopara el laboratoriode supervisión.

6.4 Control de material mezclado

Inmediatamente mezclado el material con la cal, se toman muestras aleatorias para los ensayos de clasificación y humedad de campo. Estas muestras, además, se moldean para verificar el CBR de diseño, garantizando así la obtención de una adecuada estabilización del suelo.

De esta manera también se valida la correcta aplicación de la “fórmula de trabajo”, que es el resultado de los tramos de prueba de la subrasante estabilizada.

6.5 Compactación del suelo/cal

Esta labor se realiza con el empleo de rodillos pata de cabra, adecuados para “amasar” la mezcla de suelo/cal y densificarla.

El grado de compactación mínimo exigido es de 95% de la máxima densidad obtenida por el ensayo Proctor Modificado. La densidad obtenida en cada ensayo individual (Di) deberá ser igual o superior al 98% del valor medio del tramo (Dm), obteniéndose un solo resultado por debajo de dicho límite.

Las estabilizaciones con cal solo se podrán llevar a cabo cuando la temperatura ambiente, a la sombra, sea superior a diez grados (10 °C) y cuando no haya lluvia o temores fundados de que ella se produzca. En caso de que la mezcla sin compactar sea afectada por agua de lluvia y, como resultado de ello, la humedad de la mezcla supere la tolerancia mencionada en la subsección 207.10 de la especificación mencionada, el contratista deberá, a su costo, retirar la mezcla afectada y reconstruir el sector deteriorado a satisfacción del supervisor.

En esta actividad se tomarán los cuidados necesarios para evitar derrames de material que puedan contaminar las fuentes de agua, suelo y flora cercanos al lugar de compactación o, en el caso de que la mezcla sin compactar sea afectada por la lluvia, y el contratista deba retirar la mezcla afectada, los residuos generados

Nivel de subrasante

Gráfico 9

Gráfico 10

95CIVIL


7. ESTABILIZACIÓN DE LA SEGUNDA CAPA

Luego de haberse liberado por parte de la Supervisión la primera capa de estabilización, se prosigue con la ejecución de la segunda capa, la que sigue la misma metodología, por lo que en este apartado solo se presenta una síntesis del trabajo:

Nivel de subrasante

Ensayo de cono

6.7 Riego para el curado del suelo/cal

El curado de la capa estabilizada se efectúa con riego por 72 horas contadas a partir del momento en que se terminó la compactación de la capa. El suelo estabilizado con cal solo podrá abrirse al tránsito

Nivel de subrasante

• Se verifican los niveles para autorizar la ejecución de la segunda capa.

• Se controlan los niveles de la capa y se procede a colocar el material arcilloso para conformar la segunda capa.

• Se coloca el material arcilloso para conformar la segunda capa.

• Se extiende el material arcilloso mediante una motoniveladora.

• Se preconforma el material arcilloso con un rodillado que deje la superficie lisa para su plantillado y colocación de la cal.

• Se extiende la cal sobre la pista según el diseño para el tramo.

• Se efectúa el proceso de reciclado tal y como se hizo para la primera capa.

• Se toman muestras para el control.

• Se compacta con un rodillo pata de cabra.

• Se toman las densidades de campo.

• Se riega la superficie de la estabilización para el curado correspondiente.

deben ser colocados en lugares de disposición de desechos adecuados especialmente para este tipo de residuos.

6.6 Verificación de la densidad de compactación

Luego de conformada la capa estabilizada suelo/cal se hacen los controles de densidad, autorizando para proceder a la ejecución de los trabajos de la segunda capa o, de ser el caso, el perfilado final de la capa superior.

La verificación de la densidad de las capas compactadas debe tener en cuenta la corrección previa por partículas de agregado grueso, siempre que ello sea necesario. Este control se realizará en el espesor de capa realmente construido de acuerdo con el proceso constructivo aplicado.

Gráfico 11

a los cinco días de su compactación. La apertura inicialmente será durante un tiempo corto que permita verificar el comportamiento de la capa compactada y localizar las áreas que deban ser objeto de corrección. Como resultado de lo observado en esta apertura parcial, se definirá el instante de apertura definitiva al tránsito de la capa compactada, para así proseguir con los trabajos en el otro carril. (Gráfico 12)

Gráfico 12

96 CIVIL


8. ENSAYOS DE DEFLECTOMETRÍA

Se verifican las deflexiones de las capas de estabilización mediante el empleo de la Viga Benkelman.

El contratista deberá conservar el suelo estabilizado en perfectas condiciones, hasta que se construya la capa superior prevista en los documentos del proyecto. Todo daño que se presente deberá corregirlo, a su costo, a plena satisfacción de la Supervisión.

9. REFINE DE LA SUPERFICIE

Ya que la compactación de la mezcla del suelo y la cal se realiza con rodillo pata de cabra, la superficie queda muy rugosa por lo que, para proseguir con la ejecución de la colocación de las capas superiores, se debe efectuar un refine con motoniveladora a fin de obtener una superficie uniforme y lisa.

No se debe emplear un rodillo liso para esta labor, debido a que se generarían capas delgadas (galletas) de material estabilizado.

CONCLUSIONES

• La escasez o alta demanda de canteras de material granular, en zonas de Selva Baja, encarece los costos del pavimento, por las bajas capacidades de soporte que tienen los suelos finos, por lo que la estabilización de las capas de soporte permite un ahorro considerable.

• La estabilización de suelos arcillosos con cal permiten un ahorro en trabajos de corte, desperdicio, acarreo, mezclado y tendido.

• La cal viva ha demostrado tener una alta eficacia en el incremento de la capacidad de soporte de suelos arcillosos típicos del tramo entre Neshuya y Pucallpa.

• La cal produce reacciones de carácter puzolánico con la mayoría de las arcillas lo que, por lo tanto, a largo plazo va a producir una mejora aun mayor de las propiedades inicialmente obtenidas, por lo que el comportamiento a largo plazo se prevé que será mejor del previsto.

• Los resultados obtenidos demuestran que un 4% de cal es suficiente para que los suelos empleados mejoren de una manera sustancial su capacidad de soporte y reduzcan considerablemente su hinchamiento, lo que posibilita que se puedan emplear estos suelos así tratados en la ejecución de terraplenes, en explanadas mejoradas, e incluso como capas inferiores de firmes.

• La estabilización con cal permite aprovechar los suelos in situ, no requiriendo el uso de materiales de préstamo adecuados, con la consiguiente reducción del impacto medioambiental.

97CIVIL


LECCIONES APRENDIDAS

• Proceso constructivo y adecuación de equipos para la ejecución del trabajo; por ser una actividad poco realizada en nuestro medio.

• Temas de investigación abiertos: CBR del material estabilizado con cal en el tiempo y la afectación del pH en la reacción de la cal durante el proceso de construcción.

• La máxima reutilización del material in situ, ya que los suelos granulares pueden ser mezclados con arcilla para poder ser estabilizados con cal.


Ayuso Muñoz, J. (1982, julio-agosto) Efectividad de la cal y el cemento en el control de la expansividad de la arcilla. En Boletín del Laboratorio de Carreteras y Geotecnia Nº 152, p. 3-11.

Ayuso Muñoz, J.; Pérez García, F. (1982, enero-febrero) Influencia del tratamiento con cemento y cal en la resis-tencia de un suelo arcilloso típico del Valle del Guadalquivir. En Boletín del Laboratorio de Carreteras y Geotecnia Nº 149.

Consorcio AIC Progetti SPA-Bustamante Williams y Asociados Consultores S. A. (2001) Estudio de actualización y complementación de los estudios definitivos para el mejoramiento vial de la carretera Huánuco-Tingo María-Pucallpa Sector: Aguaytía-Pucallpa. Lima: CAPS BW&ACSA.

Dirección General de Carreteras y Caminos Vecinales-M.O.P. (1975) Pliego de prescripciones técnicas generales para obras de carreteras y puentes. Madrid: DGCCV.

RAFAEL MENÉNDEZ ACURIO

Ingeniero Civil egresado de la Universidad Nacional del Cusco, con maestría en Ciencias y estudios de doctorado en la Universidad de Texas A&M en los Estados Unidos.

Con experiencia en planificación y gestión institucional de caminos, diseño de pavimentos y geotecnia. Especialista de suelos y pavimentos de Graña y Montero Ingeniería (GMI). Consultor de la Oficina Internacional del Trabajo (OIT) en Perú, Ecuador, Guatemala, Paraguay, Bolivia y El Salvador. Fue especialista de obras del Provías Nacional y especialista de suelos y pavimentos en la construcción, diseño y supervisión de proyectos viales a nivel nacional.

Ha sido docente de postgrado de las universidades: Nacional de Ingeniería, San Antonio Abad del Cusco, Hermilio Valdizán de Huánuco y Particular de Tacna; y docente de pregrado en la Pontificia Universidad Católica, San Antonio Abad del Cusco, Católica Santa María de Arequipa y Particular de Piura.

99CIVIL

DISEÑO DE PAVIMENTOS ORIENTADO A LA GESTIÓN VIAL

DISEÑO DE PAVIMENTOSORIENTADO A LA GESTIÓN VIAL

Rafael Menéndez AcurioGMI S. A. Ingenieros Consultores

100 CIVIL

Rafael Menéndez Acurio

DISEÑO DEPAVIMENTOSORIENTADO A LA GESTIÓN VIAL

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Marcona-Emp. 01S 0+00-39+668

Emp 01S-Nasca 445+600-483+200

Nasca 0+00-DV-Pampachiri 245+76

Dv. Pampachiri 245+76-Chalhuanca341+016

Chalhuanca 341+016- Emp. R03S 443+74

Emp. R03S_1 757+247-Abancay 772+500

Abancay 772+500-Puente Cunyac 869+23

Puente Cunyac 869+23-Cusco 961+933

Cusco 983+998 -Urcos 1019+505.3

Total

39.688

38.332

245.79

95.226

102.724

15.253

96.73

92.703

31.202

757.648

Sector Nº Descripción Longitud (km)

1 HDM-4: Highway Development & Management AIPCR-PIARC.

El diseño de pavimentos orientado a la gestión vial integra, durante el proceso de diseño, el efecto de la conservación vial, permitiendo

analizar diferentes estrategias de construcción y conservación que optimicen las inversiones, garantizando el cumplimiento de los niveles de servicio o parámetros exigidos en el tramo diseñado. Este concepto es de especial importancia en el caso de concesiones viales en las que el concesionario busca la reducir las inversiones iniciales en la etapa de construcción, así como la reducción de las futuras intervenciones.

Debido a las limitaciones de los métodos que habitualmente se aplican en el diseño de pavimentos, tales como AASHTO 93 e Instituto del Asfalto, pocas veces se realiza el pronóstico de la evolución de deterioro durante el diseño de la estructura de pavimento, salvo en la etapa de análisis económico, en la que se emplean programas como el HDM-41, que incluye algoritmos para calcular la evolución

del deterioro y seleccionar las alternativas de mantenimiento más rentables.

Por otra parte, cada vez son más los tramos de la red vial que están siendo concesionados y la mayor parte de los contratos responsabilizan al concesionario del diseño tanto de la construcción, puesta a punto (rehabilitación inicial), así como del mantenimiento periódico y rutinario.

Por lo tanto, se requiere integrar al proceso de diseño convencional elementos que permitan simular la evolución de los parámetros más relevantes exigidos en el contrato de concesión y relacionarlos con las consideraciones de diseño.

La aplicación de los conceptos señalados se presentará a través del caso del diseño del pavimento del corredor vial interoceánico Perú-Brasil Tramo I, que comprende 757 km de carretera, cuyos tramos se pueden apreciar en el siguiente cuadro:

Tabla 1: Relación de tramos

101CIVIL


El procedimiento mostrado se basa en una serie de supuestos sobre el comportamiento futuro de la estructura del pavimento y la composición y cantidad de vehículos. Estas expresiones requieren ser calibradas a las condiciones locales mediante el monitoreo del comportamiento del pavimento durante su vida útil.

1. CRITERIOS DE DISEÑO

El diseño del pavimento dentro del contexto señalado en la introducción comprende, entonces, la definición de los trabajos de puesta a punto y las condiciones, oportunidad y características de los trabajos de mantenimiento periódico y rutinario que, de forma integral, deberán ejecutarse para el cumplimiento

La figura 1 muestra una vista panorámica del tramo que se inicia en el puerto de Marcona, pasando por las ciudades de Puquio, Chalhuanca, Abancay y Cusco, para llegar finalmente a Urcos. Este tramo es importante desde el punto de vista comercial y económico, y también desde el punto de vista turístico, debido a que une centros de atracción turística como Nasca, Pampa Galeras, Sayhuite, acceso a Choquequirao y Cusco.

Cada contrato de concesión tiene diferentes requerimientos o niveles de servicio que deben ser cumplidos.

El contrato de concesión del tramo I de la interoceánica establece los siguientes niveles de servicio para el pavimento (Tabla 2):

Diseño del pavimento

Puesta apunto

Mantenimiento periódico

Mantenimiento rutinario

=

+

+

Cumplimientode nivelesde servicio

Figura 1: Vista panorámica del tramo

Gráfico 1: Componentes del diseño del pavimento

de los niveles de servicio. En el siguiente gráfico se muestran los componentes del diseño de pavimentos.

102 CIVIL


Reducción ancho superf. rodadura

Reducción paquete estruct. exist.

Huecos

Fisuras

Parches

Ahuellamiento

Hundimiento

Exudación

Existencia de material suelo

Existencia de obstáculos

Peladuras

Desprendimiento de bordes

Grietas long. centro y bordes

Rugosidad a la recepción obras

Rugosidad en servicio

Deflexión máxima

% máx. de reducción

% máx. reducción espesor c/capa

% máx. área

% área fisuras > mayores a 5 mm

% área fisuras entre 2.5 y 54 mm

% máx. baches

% máx. área > 12 mm

% máx. hundimiento > 25 mm

% máximo

% máximo

Cantidad máxima

% máximo

% máximo

% máximo

Media móvil de 1 km

Media móvil de 1 km

Parámetro Medida Tratamientosuperficial

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

2.5 IRI

4.0 IRI

10%

0%

0%

15%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

2.0 IRI

3.5 IRI

25.015.1max

ESALD

Carpetaasfáltica

Nivel de servicio

2 Asphalt Institute (1981), Asphalt Pavement for Highways & Streets Manual Series Nº1 (MS-1), Lexington, KY. M.

3 AASHTO (1993), Guide for Design of Pavement Structures.

4 PIARC, Highway Development & Management HDM-4.

Los criterios de diseño para establecer las soluciones deben estar relacionados con los niveles de servicio exigidos; sin embargo, ninguno de los métodos usualmente aplicados permite diseñar para el cumplimiento directo de los niveles de servicio. Es así que el método del Instituto del Asfalto2 considera solamente el efecto de la fatiga en la carpeta asfáltica y el ahuellamiento en la subrasante, mientras que el método AASHTO 19933 utiliza la serviciabilidad como una variable de diseño que engloba el efecto combinado de las fallas y la percepción del usuario de la condición del mismo.

Tabla 2: Niveles de servicio de la concesión

Para el diseño del tramo I de la carretera Interoceánica se combinaron la metodología AASHTO 1993, las ecuaciones de deterioro desarrolladas por HDM-44 para el pronóstico de la evolución de la rugosidad y las fisuras, ecuaciones de correlación entre el número estructural efectivo y la deflexión desarrolladas sobre la base de los resultados obtenidos con el deflectómetro de impacto (FWD) a lo largo del tramo I, complementadas con resultados de las ecuaciones de fatiga y ahuellamiento de los métodos mecanísticos.

103CIVIL


Estructural

Superficial

Funcional

Espesor y perfiles

Propiedades físicas

Deflexión Do

Núm. estruct. efectivo (SNeff)

Fisuras

Textura

Rugosidad (IRI)

Ahuellamiento

Espesor capas de pavimento

Deflectómetro de impacto (FWD)

Relevamiento visual

Perfilómetro láser

Perfilómetro láser

Perfilómetro de ultrasonido (TPL)

Regla de 3 m

Georadar (GPR)

Calicatas

Ensayos de campo y laboratorio

Condición Parámetro Equipo de medición

2. RELEVAMIENTO DE INFORMACIÓN

La calidad y frecuencia de la información para el diseño es importante porque permite establecer de manera más adecuada los sectores de diseño y establecer una línea base para el sistema de gestión de pavimentos. En el tramo I, por la longitud a ser analizada y porque el plazo para contar con la información de campo y laboratorio era de cuatro meses, se optó por aplicar tecnología de alto rendimiento en el relevamiento, combinada con tecnologías convencionales. En la tabla 3 se presenta el resumen de los trabajos de relevamiento realizados.

Tabla 3: Equipo de medición empleado

2.1 Condición estructural

Para la determinación de la capacidad estructural de la vía existente se utilizó el deflectómetro de impacto, que es un equipo desarrollado a finales de los años

Figura 2: Deflectómetro de impacto (FWD)

60 que, mediante la aplicación del impacto de una carga, mide la deflexión en el punto de aplicación de la carga y a determinadas distancias. Al tratarse de un ensayo no destructivo, permite su medición en varios puntos.

La captura de la información se efectúa a través de una computadora, facilitando el posterior procesamiento de la información. Mediante procesos de retrocálculo y con las ecuaciones de AASHTO es posible establecer el número estructural efectivo, el módulo equivalente y el módulo resilente del suelo de fundación.

El ensayo fue realizado cada 200 m en ambos carriles. En la figura 2 se muestra el equipo empleado.

A manera de ejemplo, se presentan en los gráficos de la siguiente página, los resultados obtenidos a partir del ensayo FWD y retrocálculo aplicados en el tramo Dv. Marcona-Nasca, que corresponden a la deflexión máxima, módulo resilente del suelo de fundación y número estructural efectivo.

104 CIVIL


Gráfico 2: Deflexión máxima

DEFLEXIONES

0.0

20.0

40.0

60.0

450 + 000 455 + 000 460 + 000 465 + 000 470 + 000 475 + 000 480 + 000 485 + 000 490 + 000

Progresiv a del Proy ecto (km)

Def

lexi

ón (x

^ -2

mm

)

En el gráfico siguiente se pueden apreciar los módulos resilentes del suelo de fundación en ambos carriles y, con resultados puntales, los valores obtenidos a partir de ensayos de laboratorio y de manera indirecta a partir de las propiedades físicas del material extraído

en las calicatas. Esta comparación permite establecer la relación que existe entre los resultados de laboratorio y los obtenidos por retrocálculo a partir de los ensayos de deflexión por impacto.

Gráfico 3: Módulo resilente del suelo de fundación

SUELO DE FUNDACIÓN

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

450 + 000 455 + 000 460 + 000 465 + 000 470 + 000 475 + 000 480 + 000 485 + 000 490 + 000


Mód

ulo

resi

lent

e (M

pa)

105CIVIL


permite de manera directa evaluar las condiciones superficiales del pavimento; aspecto muy importante en una rehabilitación, porque el estado actual del pavimento muestra las evidencias de los tipos de fallas que están presentes y que deben ser atendidas en el diseño.

Así mismo, permite identificar la ubicación de los posibles bacheos en los casos donde la carpeta no será retirada en su totalidad.

El relevamiento se efectuó en tramos de 250 m continuos por cada kilómetro, con el correspondiente registro y valoración de fallas, registro fotográfico y

En el gráfico 4 se presentan los resultados del número estructural efectivo en la condición existente. Este parámetro permite conocer cuál es la capacidad estructural actual del tramo y establecer si, para las solicitaciones futuras, es suficiente o se debe considerar la aplicación de un refuerzo o la rehabilitación del tramo a fin de alcanzar el número estructural de diseño.

2.2 Condición superficial

Una parte importante dentro del proceso de análisis de la carretera es el relevamiento visual, que

Gráfico 4: Número estructural efectivo

NÚMERO ESTRUCTURAL

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

450 + 000 455 + 000 460 + 000 465 + 000 470 + 000 475 + 000 480 + 000 485 + 000 490 + 000


SN (c

m)

Figura 3: Relevamiento visual

106 CIVIL


Gráfico 5: Área fisurada tramo Dv. Marcona-Nasca

% ÁREA FISURADA

0%

20%

40%

60%

80%

100%

450 + 000 455 + 000 460 + 000 465 + 000 470 + 000 475 + 000 480 + 000 485 + 000 490 + 000

Progresiv a

% á

rea

fisur

ada

perfilómetro láser montado en un vehículo como el que se muestra en la figura 4.

Los resultados del perfilómetro fueron procesados para obtener el Índice de Rugosidad Internacional-IRI cada 20 m en ambos carriles del pavimento.

Adicionalmente, el perfilómetro permite obtener la textura superficial a 0.70 m del borde exterior del carril, tal como se muestra a manera de ejemplo en el gráfico 7.

Figura 4: Perfilómetro láser

medición de ahuellamiento. En el gráfico 5 se resumen los resultados de fisuras encontradas en el tramo de Dv. Marcona-Nasca y, para efectos del análisis, se consideró que las fisuras lineales de severidad baja tenían un ancho de influencia de 0.1 m y, las fisuras de severidad media y alta, con ancho de influencia de 0.30 m.

2.3 Condición funcional

La rugosidad fue medida de manera continua con el

107CIVIL


Gráfico 6: IRI tramo Dv. Marcona-Nasca

ÍNDICE DE RUGOSIDAD INTERNACIONAL IRI

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

450 + 000 455 + 000 460 + 000 465 + 000 470 + 000 475 + 000 480 + 000 485 + 000 490 + 000


IRI (

m /

km

)

Gráfico 7: IRI tramo Dv. Marcona-Nasca

TEXTURA

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

450 + 000 455 + 000 460 + 000 465 + 000 470 + 000 475 + 000 480 + 000 485 + 000 490 + 000

108 CIVIL


La medición del ahuellamiento fue realizada de manera continua utilizando una barra de ultrasonido como la que se muestra en la figura siguiente.

Este ensayo permite conocer el perfil transversal completo de una determinada sección pero, para el análisis, se emplearon solamente los resultados obtenidos a 0.70 m del borde de la calzada. Adicionalmente, durante el relevamiento visual, se efectuó la medición de ahuellamientos mediante una regla de 3 m cada 250 m, con el objeto de establecer una comparación con los resultados obtenidos con ultrasonido.

2.4 Espesor y perfiles

Debido a que la determinación de los espesores del

pavimento existente mediante los perfiles encontrados en las calicatas no es continua, en el estudio se midieron los espesores de manera continua con un georadar como el mostrado en la figura 6.

El GPR funciona con un sistema de radar que envía impulsos electromagnéticos repetitivos hacia la superficie, y la antena es capaz de detectar y medir la profundidad de las discontinuidades; la demora en el reflejo es utilizada para calcular los espesores de las capas de pavimento.

Los resultados son luego calibrados con los obtenidos en las calicatas para establecer si las capas consisten de materiales granulares, mejoramiento o los estratos de suelo natural.

Figura 5: Ultrasonido (TPL)

Figura 6: Georadar (GPR)

AHUELLAMIENTO

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

450 + 000 455 + 000 460 + 000 465 + 000 470 + 000 475 + 000 480 + 000 485 + 000 490 + 000


Ahue

llam

ient

o (m

m)

Gráfico 8: Ahuellamiento en tramo Dv. Marcona-Nasca

109CIVIL


Gráfico 9: Espesores medidos con georadar en el tramo Dv. Marcona-Nasca

ESPESORES DEL PAVIMENTO

450 + 000 455 + 000 460 + 000 465 + 000 470 + 000 475 + 000 480 + 000 485 + 000 490 + 000

Progresiv as

Prof

undi

dad

(m)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Adicionalmente a los ensayos anteriormente indicados, que permitieron un relevamiento continuo de la condición de pavimento, se ejecutaron calicatas.Las calicatas fueron ejecutadas cada 6 km, en general; cada 2 km, en zonas donde el estudio de factibilidad indicaba altas deflexiones; y cada 500 m, en zonas críticas.

Se tomaron muestras de la carpeta cada 18 km, se efectuaron ensayos de clasificación y caracterización física de cada estrato, y ensayos de relación humedad/densidad (Proctor Modificado) y Razón Soporte California (CBR) cada 12 km. En las zonas consideradas críticas, la frecuencia de ensayos fue cada 5 km.

3. TRAMOS DE DISEÑO

La determinación adecuada de los tramos o segmentos de diseño es muy importante y se debe realizar tomando en cuenta la mayor cantidad de variables, debido a que la carretera presenta variación en las condiciones superficiales de clima y tráfico.

Como ejemplo, se pueden apreciar en las figuras 7 y 8 dos sectores que, siendo contiguos, presentan una condición superficial completamente diferente.

3.1 Parámetros de sectorización

Para poder abordar el diseño es necesario sectorizar o dividir el tramo en segmentos de diseño, divididos

Figura 7: Sector Nasca-Dv. Pampachiri

Figura 8: Sector Chalhuanca-Abancay

110 CIVIL


Gráfico 10: Sectorización por diversos parámetros del sector Dv. Marcona-Nasca

3.2 Método de las diferencias acumuladas

La metodología aplicada para la sectorización es la indicada en el apéndice J de la Guía de Diseño de AASHTO 93, denominado Método de las Diferencias Acumuladas, que permite de manera estadística delimitar tramos homogéneos a partir de los resultados medidos. Los sectores están delimitados por los cambios de pendiente de la variable Zx, la misma que es calculada mediante la siguiente expresión:

En el gráfico 10 se presenta la sectorización por los parámetros indicados del sector Dv. Marcona-Nasca, y se puede apreciar que se pueden presentar diversas combinaciones; y depende del tipo de intervención requerida para que un criterio sea más relevante que otro.

ST1

ST1

ST1

ST1

ST1

ST1

ST1

ST1

ST1

ST2

ST2

ST2

ST2

ST2

ST2

ST2

ST3

ST3

ST3

ST3

ST3

ST4

ST4

ST4

ST4

ST5

ST5

ST6

ST6

ST8

ST8

ST8

ST8

ST8

ST8

ST8

ST8

ST8

450 + 350 455 + 350 460 + 350 465 + 350 470 + 350 475 + 350 480 + 350 485 + 350

estructura

tránsito

clima

suelo de fundación

número estructural

deflexión

rugosidad

ahuellamiento

TRAMOS DE DISEÑO

( )∑ ∑−= i

totali

acumuladoiiiix D

DDP

DPZ

Donde:Zx = diferencia acumuladaPi = parámetro analizado (IRI, deflexión, ahuellamiento, etc.)Di = distancia(PiDi)acumulado = valor acumulado total del parámetro analizado por la distanciaDi total = distancia acumulada

La determinación final del sector de diseño dependerá del tipo de intervención; por ejemplo, en aquellos sectores donde la deflexión es adecuada, no se requiere sectorizar en función de la deflexión, sino más bien en función de la rugosidad.

En el gráfico 11 se muestran los resultados de sectorización en función de tramos homogéneos de rugosidad IRI del sector Dv. Marcona-Nasca.

3.3 Clima y altitud

Otro aspecto relevante para la determinación de las alternativas de puesta a punto es la altitud sobre el nivel del mar, que guarda relación con los esfuerzos de gradiente térmico. Se estableció el uso de diferentes tipos de asfalto de acuerdo con la altitud del tramo, tal como se aprecia en el gráfico 12, que muestra el perfil actitudinal de todo el tramo.

• Estructura• Tránsito• Clima• Suelo de fundación• Número estructural• Deflexión• Rugosidad

• Ahuellamiento

sobre la base de la homogeneidad de algún factor de diseño. Para el diseño del tramo I de la Interoceánica se sectorizó el diseño sobre la base de los siguientes parámetros, ordenados en orden de importancia:

111CIVIL


Gráfico 11: Tramificación por diferencias acumuladas de Rugosidad (IRI) sector Dv. Marcona-Nasca

-4500.0

-3000.0

-1500.0

0.0

1500.0

450 + 000 455 + 000 460 + 000 465 + 000 470 + 000 475 + 000 480 + 000 485 + 000 490 + 000

promedio Sub Tramo 1 2007 sub tramo 2 2007 sub tramo 3 2007

sub tramo 4 2007sub tramo 5 2007 sub tramo 6 2007

Gráfico 12: Perfil altitudinal del total del tramo

Perfil longitudinal del proyecto y ubicación de estaciones meteorológicas

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

0+00

0

50+0

00

100+

000

150+

000

200+

000

250+

000

300+

000

350+

000

400+

000

450+

000

500+

000

550+

000

600+

000

650+

000

700+

000

750+

000

Distancia (km)

COTA

(msn

m)

P E R F IL LON GIT UD IN A LE st. Granja Kcayra

C LIM A 1E st. P am pa Galeras

C LIM A 2E st. P uquio

C LIM A 3Secto r 1

E st. A bancaySecto r 2

112 CIVIL


Donde:C = el coeficiente de correlación entre los resultados del FWD y los resultados de laboratorioP = carga aplicada por impactodr = deflexión medida en el sensor ir = distancia entre el sensor i y el punto de aplicación de la carga

Donde:MR = módulo resilente MRopt = módulo resilente a la condición de humedad de referenciaS = grado de saturaciónSopt = grado de saturación a la humedad de referencia

Donde:D60 = diámetro del tamiz correspondiente al 60% de pasanteW = pasante por la malla Nº 200PI = índice de plasticidad

Para efectos del diseño es necesario tomar un solo valor representativo del material comprendido dentro del sector de diseño; de acuerdo con el método de diseño AASHTO 1993, se considera como módulo resilente de diseño el promedio de los valores obtenidos en cada uno de los sectores analizados.

En el caso de sectores con presencia de nivel freático o altos contenidos de humedad, el valor de diseño es corregido por un factor para tomar en cuenta los cambios o variaciones en el contenido de humedad del suelo de fundación. El factor de ajuste del módulo resilente se calcula con la siguiente ecuación:

4. DISEÑO DE PAVIMENTOS

Los parámetros empleados en el diseño del pavimento se describen a continuación:

4.1 Suelo de fundación

El suelo de fundación de la carretera es variable, siendo necesario establecer un valor representativo para cada uno de los tramos de diseño. El parámetro requerido del suelo de fundación es el módulo resilente, que caracteriza el comportamiento del suelo de fundación en el rango elástico ante las cargas dinámicas impuestas por el tráfico, y su forma de medición directa involucra la ejecución de ensayos de módulo resilente de laboratorio o ensayos indirectos como el FWD.

En el diseño del tramo dicho valor fue determinado por retrocálculo a partir del ensayo de deflectometría por impacto (FWD); la expresión para calcular el Mr a partir de los ensayos FWD es la siguiente:

=

rdPCM

rdiseñoR

24.0

5National Cooperative Highway Research Program (2001), Mechanistic-Empirical Design of New and Rehabilitates Pavement Structures, NCHRP Design Guide, 1-37A.

6National Cooperative Highway Research Program (2001), Guide for Mechanistic-Empirical Design of New and Rehabilitates Pavement Structures, Appendix CC-1: Correlation of CBR Values with soil index properties.

64.02555 CBRM R =

Suelos finos

Suelos rranulares

Dichos resultados fueron complementados con valores obtenidos de forma indirecta a partir de los ensayos CBR, empleando una expresión matemática que figura en la guía de diseño mecanística-empírica del NCHRP5

y también con los obtenidos de manera indirecta a partir de las ecuaciones presentadas en el apéndice CC6 de la guía de diseño mecanística-empírica del

4.2 Tráfico y ejes equivalentes

Para el diseño se requiere calcular el número de repeticiones de ejes equivalentes en función de las

Una adecuada determinación de tramos de diseño servirá como línea base para el monitoreo del sistema de gestión de pavimentos que la concesión debe implementar para la etapa de explotación de la concesión.

NCHRP y que se indican a continuación:

113CIVIL


0.0E+00

1.0E+07

2.0E+07

3.0E+07

4.0E+07

0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000

DISTANCIA

ESAL

Repeticiones de ejes equivalentes

Donde:ESAL = el número de repeticiones de eje equivalente (18 kips) aplicada en el período de diseño.Fi = factor de daño por cada eje, calculado como sigue:

AASHTO Pavimentos Flexibles

Instituto del Asfalto

Donde:Lx = peso del eje en kipsL2 = es igual a 1 (ejes simples), 2 (ejes tandem) y 3 (ejes tridem)pt = serviciabilidad final

Gráfico 13: ESAL a 25 años

cargas de tráfico, el factor de crecimiento y el número de años. Las fórmulas que se aplican para dichos cálculos son las siguientes:

SN = número estructuralD = espesor de la losa en pulgadas

El siguiente gráfico resume los ejes equivalentes a 25

años a lo largo del tramo I.

114 CIVIL


4.3 Confiabilidad

La confiabilidad es un parámetro relacionado con el grado de incertidumbre, la variación en las predicciones del tráfico y de la respuesta del pavimentos, y la importancia de la vía. Los valores fluctúan entre 50% para vías locales a 99.9% en vías nacionales.

Para la verificación de la oportunidad de los mantenimientos periódicos, se calculó la confiabilidad (R) para una construcción por etapas con la siguiente expresión:

4.4 Serviciabilidad

La serviciabilidad es un parámetro que relaciona la condición funcional con la condición estructural de la vía. Es reconocido ampliamente que existe una buena relación entre la serviciabilidad y la rugosidad; por lo tanto, para el presente diseño, la serviciabilidad se calculó sobre la base de los valores de rugosidad (IRI). La expresión para relacionar la rugosidad con la serviciabilidad utilizada es la siguiente:

Donde:PSI = serviciabilidadIRI = rugosidad: Rugosidad máxima:3.5 para pavimentos de concreto asfálticos 4.0 para tratamientos superficialesRugosidad en tramos nuevos: 2.0 calzada de pavimento2.5 calzadas con tratamiento

Los valores de serviciabilidad empleados se resumen en la siguiente tabla:

Donde:Retapa = confiabilidad por cada etapaRtotal = confiabilidad del período de diseño

La desviación estándar considerada en el diseño fue de 0.45, que corresponde a la desviación estándar obtenida en la pista de pruebas AASHTO sin considerar el error de tráfico.

También fueron verificados los valores con otras expresiones desarrolladas para establecer la relación entre la rugosidad y la serviciabilidad:

Tabla 4: Confiabilidad por sectores

Tabla 5: Relación rugosidad/serviciabilidad

( ) ntotaletapa RR /1=

Sector 1

Sector 2

Sector 3

Sector 4

Sector 5

Sector 6

Sector 7

Sector 8

Sector 9

80%

95%

85%

85%

85%

90%

90%

95%

95%

Confiabilidadperíodo total

25 años

Confiabilidadpara dosperiodos

89%

97%

92%

92%

92%

95%

95%

97%

97%

Sector

2.5

3.5

4.0

2.0

Serviciabilidad (p) Pavimentos flexibles

3.2

2.6

2.4

3.5

Rugosidad IRI (m/km)

7 Paterson, W. D. O. (1987) Road Deterioration and Maintenance Effects. Washington, D.C.: The World Bank.

5.55IRI

epPSI−

==7

115CIVIL


Hall y Muñoz:

Al-Omari y Darter:

AASHTO Road Test:

Donde:PSI = serviciabilidadIRI = rugosidadSV = variación de la pendiente a un intervalo de 1 pieRD = ahuellamiento promedio en pulgadasC = fisuras lineales en 1000 pies2

P = área de parchado en 1000 pies2

4.5 Drenaje

El drenaje está considerado dentro del diseño como un factor que afecta directamente el coeficiente de capa, y se estima en función del porcentaje de tiempo que la estructura está próxima a la saturación y de acuerdo con la calidad del drenaje.

La saturación de la estructura está en función de las características granulométricas de los componentes del pavimento y de la porosidad, así como del caudal de agua que pueda ingresar por precipitaciones fluviales, capilaridad o nivel freático.

Con el objeto de verificar la calidad del drenaje, se calculó el tiempo para drenar el 50%8 del agua de saturación, el mismo que fue calculado a partir de las siguientes expresiones:

9 National Cooperative Highway Research Program (2004), Guide for Mechanistic-Empirical Design of New and Rehabilitates Pavement Structures, Part 2. Design Inputs, Chapter 3. Environmental Effects.

8 AASHTO (1986), Guide for Design of Pavement Structure, Volume 2, Appendix DD Development of Coefficient for Treatment of Drainage.

)/(210 scmdCk =

mmDpuDSi 20lg75.0 6060 =⇒>

−==

Gsnn d

eγ

180.080.0

Donde:K = permeabilidad en cm/sKsat = permeabilidad suelo saturado en cm/s9 C = coeficiente que varía de 90 a 120 (se consideró en el cálculo 100)P200 = % pasante la malla Nº 200IP = índice de plasticidad (LL-LP)d10 = diámetro en mm pasante 10% del materiald60 = diámetro en mm pasante el 60% del materialt50 = tiempo para que drene el 50% del agua L = longitud de flujo (se consideró un carril de 4.5 m)ne = porosidad efectiva (80% de la porosidad)n = porosidad

d = densidad secaGs = gravedad específica de los sólidos H = espesor de la capa drenante (base o sub base)S = pendiente (se adoptó el valor del bombeo 2%)

γ

116 CIVIL


En el siguiente gráfico se muestran los valores resultantes de t50, para todo el tramo:

Gráfico 14: Resultados de t50 para el tramo I

0.01

0.10

1.00

10.00

100.00

0+000 100+000 200+000 300+000 400+000 500+000 600+000 700+000

progresiva acumulada

t50

(día

s)

BASE SUB BASE

Se verificaron los resultados mediante la ecuación de Kozeny-Carman, la misma que se muestra a continuación:

+

=

e1e

S1

C1

k3

2okµ

γ

Donde: = peso unitario del fluido = viscosidad del fluidoCk = coeficiente empírico de Kozeny-CarmanSo = superficie específica por unidad de área de las partículas (1/cm)E = relación de vacíos

γµ

La expresión para una temperatura del agua de 20 ºC y un suelo consistente de partículas no uniformes se transforma en la siguiente expresión:

Donde:Deff = diámetro efectivo

fi = retenido entre la malla superior y la malla inferior

+

=

e1e

SF1

D10x99.1k32

2eff4

=∑ 5.0

si5.0

li

ieff

DDf%100

D

Dli = diámetro de la malla superiorDsi = diámetro de la malla inferiorSF = factor de forma; se adopta 6.6 para partículas de mediana angularidad

Posteriormente, se calculó el tiempo que demora la capa en drenar el 50% del agua libre de saturación (t50), mediante la siguiente expresión:

)SLH(k2Lnt

2e

50 +=

Donde:ne = porosidad efectivaL = longitud de recorrido (medio carril+berma)H = espesor de la capaS = pendiente de la capa (2%)

El clima dentro, del diseño de pavimento, representa una variable importante para la determinación de los requerimientos de los materiales a ser aplicados y para la determinación de las características de la estructura del pavimento.

Para el análisis del clima se contó con información de temperaturas máximas y mínimas y precipitación pluvial de las estaciones meteorológicas de SENAHMI ubicadas en zonas aledañas al tramo.

117CIVIL


4.6 Cálculo de espesores

El diseño fue efectuado mediante el método AASHTO 93. Este método de diseño, desarrollado a finales de

Tabla 6: Precipitación y temperatura media

Est. Abancay

Est. Chalhuanca

Est. Granja Kcayra

Est. Pampa Galeras

Est. Puquio

922.2

854.8

709.6

464.4

420.6

Precipitaciónmedia

anual (mm)

Temperaturamedia

anual (°C)

15.7

12.4

12.4

5.9

11.4

Estación

En la tabla 7 se presentan los tipos de cemento asfáltico a ser empleados de acuerdo con el siguiente criterio: sectores por debajo de los 1800 msnm, cemento asfáltico PEN 60-70; sectores entre 1800 y 3200 msnm, PEN 85-100; y por encima de los 3200 msnm, se empleará cemento asfáltico PEN 120-150.

Sector

Sector 1: San Juan de Marcona-Emp. Panamericana Sur

Sector 2: Empalme Panamericana Sur–Nasca

Sector 3: Nasca–Dv. Pampachiri

Sector 4: Dv. Pampachiri–Chalhuanca

Sector 5: Chalhuanca–Dv. Ruta 03s

Sector 6: Dv. Ruta 03s–Abancay

Sector 7: Abancay–Puente Cunyac Tramo Abancay-Occoruro

Sector 7: Abancay–Puente Cunyac Tramo Occoruro–Puente Cunyac

Sector 8: Puente Cunyac–Cusco

Sector 9: Cusco–Urcos

0+000-31+000

31+000-61+500

61+500-244+850

244+850-325+000

325+000-342+000

PEN 60-70

PEN 60-70

PEN 60-70

PEN 85-100

PEN 120-150

PEN 120-150

PEN 85-100

PEN 85-100

PEN 85-100

PEN 85-100

PEN 85-100

PEN 85-100

PEN 85-100

ProgresivaTipo de

cementoasfáltico

Tabla 7: Tipo de cemento asfáltico por sectores

10 AASHTO (1993), Guide for Design of Pavement Structures.

• •

••

Cálculo del tráfico de diseñoDeterminación del módulo resilente efectivo de diseñoCálculo del número estructuralCálculo de los espesores de diseño

los años 50, ha tenido varias versiones de sus guías de diseño, siendo la versión del año 1993 la que se emplea actualmente para el diseño de pavimentos.10

El procedimiento de diseño es el siguiente:

118 CIVIL


Las dos primeras partes del proceso fueron explicadas en los ítems anteriores. Con respecto al número estructural, este es un valor adimensional que representa una equivalencia numérica de la capacidad estructural del pavimento, y se calcula como:

∑=

=1i

iii mDaSN

33322211 mDamDaDaSN ++=

Donde:ai = coeficiente de capa en función de las propiedades de los materialesDi = espesoresmi = coeficientes de drenaje

Los coeficientes de capa fueron estimados a partir de las correlaciones que la guía de diseño presenta en las figuras 2.5, 2.6 y 2.7 y las ecuaciones indicadas a continuación; los resultados se resumen en la tabla 8.

Donde:EBS = módulo resilente de la baseESB = módulo resilente de la sub base

El coeficiente estructural de las bases recicladas con asfalto espumado fue obtenido del gráfico 15.11

11 Wirtgen (2004), Manual de reciclado en frío (2a ed.).

Capa

Carpeta asfáltica

Reciclado 100% RAP+asfalto espumado

Base granular

Base reciclado con asfalto espumado (rigidez inicial)

Sub base granular

100

100

40

400,000

252,000

30,000

100,000

17,000

0.41

0.32

0.14

0.21

0.12

CBR(%)

Mr(psi)

Coef.estruct.

Tabla 8: Coeficiente de capa tramos nuevos

4.7 Número estructural

El número estructural requerido para el número de repeticiones de diseño se obtiene resolviendo la siguiente ecuación:

Donde:

W18 = número de repeticiones de eje equivalente

(ESAL)

ZR = confiabilidad

So = desviación estándar

∆SN = número estructural

PSI = pérdida de serviciabilidad

MR = módulo resilente de la subrasante

(( 839.0Elog227.0a

977.0Elog249.0a

SB103

BS102

−=−= )

)

(

(

( 07.8Mlog32.2

1SN1094

40.0

5.12.4PSI

log20.01SNlog36.9SZWlog R

19.5

oR18 −+

++

−∆

+−++= )

)

)

119CIVIL


Gráfico 14: Propiedades bases con asfalto espumado

RANGOS REPRESENTATIVOS DE RIGIDEZ

COEFICIENTES ESTRUCTURALES DESPUÉS DE LA ESTABILIZACIÓN

pro cm 0,051 0,063

0,13

500Rigidez InicialFase 1 (MPa)

Rigidez PermanenteFase 2 (MPa)

Resistencia a latracción indirecta (kPa)

750 1000 1500

600

200

800

300

2000 3000

1000 1500

400 500

450

150

250

100

0,16

0,083 0,103 0,120 0,140

0,21 0,26 0,30 0,35pro inch

CARACTERÍSTICAS ESPERADAS DEL MATERIAL (DESPUÉS DE LA ESTABILIZACIÓN)Nota: 1. Para un trá�co de diseño mayor a 800.00 ESAL la resistencia a la tracción indirecta (ITS)

siempre debería obtenerse a partir de un diseño de mezclas en laboratorio.2. Ver la tabla de abajo para una Razón de Tensiones adecuadas (TSR)

TASA DE APLICACIÓN ESPERADA DEASFALTO ESPUMADO (% EN PESO)

CLASIFICACIÓN AASHTO DE MATERIALNATURAL ANTES DE LA ESTABILIZACIÓN

A - 7 - 5 A - 7 - 6

A - 6

A - 5

A - 4

A - 3

A - 2 - 6 A - 2 - 7

A - 2 - 4

4 1/2

3 1/2

3 1/2

2 1/2

3

3

4

4

A - 2 - 5

A - 1 - b

A - 1 - a

1 10 100

120 CIVIL


En los sectores en los que la puesta a punto del pavimento no comprende la rehabilitación (reemplazo, estabilización o reciclado de la base granular), sino solamente el refuerzo de la carpeta existente, el espesor del refuerzo requerido fue calculado con la siguiente expresión:

El gráfico 16 presenta la comparación entre el número estructural efectivo encontrado en el tramo y el número estructural requerido para 25 años. Se aprecia que, en la totalidad de los tramos, se requiere la colocación de algún tipo de refuerzo o la rehabilitación del tramo, siendo más críticos los sectores 2 y 7.

1

efff1 a

SNSND

−=

3peff ED0045.0SN =

Gráfico 16: Comparación del número estructural efectivo y el número estructural requerido

SN Efect. VS SN Req

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000

Distancia

SN

0.0E+00

1.4E+07

2.8E+07

4.2E+07

5.6E+07

7.0E+07

SN Efectivo SN Req SECTOR 1 SECTOR 2 SECTOR 3 SECTOR 4

SECTOR 5 SECTOR 6 SECTOR 7 SECTOR 8 SECTOR 9 ESAL

5. ANALISIS DEL CICLO DE VIDA

Se analizaron diversas alternativas de diseño con el objeto de establecer la solución óptima desde el punto de vista económico y técnico.

Para el análisis técnico de las alternativas se simuló, mediante las ecuaciones de deterioro y vida remanente, el comportamiento de la solución dentro del período de diseño. Los parámetros simulados son los siguientes:

• Estrategias de intervención

• Número estructural

• Rugosidad

• Deflexión

• Fisuras

• Ahuellamiento

• Aplicación del mantenimiento periódico

• Costo total

121CIVIL


5.1 Estrategias de intervención

En coordinación con el concesionario, se establecieron las estrategias de mantenimiento y las alternativas de diseño, que fueron analizadas para cada uno de los sectores a fin de establecer cuál de ellas era la más adecuada y de menor costo en cada uno de los casos. El procedimiento se muestra en el anexo. En las siguientes tablas se resumen las estrategias y alternativas de diseño analizadas.

Tabla 10: Alternativas de diseño

Tabla 9: Estrategias de mantenimiento

Estrategia 1

Estrategia 2

Fresado+TSB

TSB

Slurry seal

TSM + slurry

Recapeo

Recapeo

Puesta a punto Mantenimiento rutinario Mantenimiento periódico

Nivel deintervención

Criterio Alternativa 1 Alternativa 2

Mantenimientorutinario

Mantenimientoperiódico

Rehabilitación

Slurry sealfog seal

Sello de fisuras

RecapeoReciclado+tratamiento

superficial

Fresado+carpeta

Tratamiento superficialMonocapa o bicapa

Sello de fisuras

Microfresado+recapeoTratamientos superficiales

Base reciclada+carpetao tratamiento superficial

IRI<IRI máximoÁrea fisurada<10%

Do<Dmáx

IRI>IRI máximoÁrea fisurada<20%

Do<Dmáx

5.2 Análisis del número estructural

El número estructural es requerido para establecer las dimensiones de los recapeos o refuerzos que deben ser colocados a lo largo de la vida útil del pavimento. Para simular el deterioro de la estructura se aplicaron las expresiones desarrolladas por AASHTO para el cálculo de la vida remanente y el factor de condición, mediante las siguientes expresiones:

Donde:RL = % de vida remanenteNp = el tráfico en ESAL a la fechaN1.5 = el tráfico en ESAL para una serviciabilildad final de 1.5CF = el factor de condición obtenido a partir de RL

−=

5.1

p

N

N1100RL

oeff SNxCFSN =

En el gráfico 17 se presentan los resultados obtenidos para el sector Dv. Marcona-Nasca y se puede apreciar que cada alternativa analizada tiene una evolución diferente del número estructural; sin embargo, todas ellas presentan una tendencia similar.

122 CIVIL


Gráfico 17: Variación del número estructural efectivo con el tiempo para el sector Dv. Marcona-Nasca

Variación del número estructural con el tiempo

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

0 5 10 15 20 25

Nº de años

Núm

ero

estr

uctu

ral S

N

SN PP1 SN PP2 SN sin PP SN total

5.3 Análisis de la rugosidad

La evolución de la rugosidad fue simulada mediante los algoritmos desarrollados por el HDM, que permiten comparar la efectividad y oportunidad de la colocación de los recapeos como mantenimiento periódico, mantenimiento rutinario y los sellos.

Donde:

IRI = variación incremental de la rugosidad debido

al deterioro estructural

ao = coeficiente de calibración

Kgm = factor de calibración ambiental

ESAL = número de ejes equivalentes en millones

N = antigüedad del pavimento desde el último

mantenimiento periódico

M = coeficiente ambiental

∆

( 45b

NKm0s ESALSNP1eaIRI gm −+=∆ )

5.4 Análisis de las deflexiones

La evolución de la rugosidad fue simulada mediante los algoritmos desarrollados por el HDM, que permiten comparar la efectividad y oportunidad de la colocación de los recapeos como mantenimiento periódico, mantenimiento rutinario y los sellos.

Donde:

SNeff = número estructural efectivo

K1 = constante (intersección de la recta en el eje de

las ordenadas en un gráfico logarítmico)

K2 = pendiente de la recta en un gráfico logarítmico

Do = Deflexión en mm x 10-2

2ko1eff DkSN −=

SNP = número estructural reajustado

123CIVIL


Se desarrolló una ecuación para cada sector, para una confiabilidad del 50%. En el siguiente gráfico se pueden apreciar las ecuaciones para diferentes niveles

Relación entre el SN y la Deflexión

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00

SN

Def

lexi

ón

S1 SN S2 SN (cm) S31 SN (cm) S32 SN (cm) S4 SN (cm)

S5 SN (cm) S6 SN (cm) S7 SN (cm) S8 SN (cm) S9 SN (cm)

Gráfico 18: Relación entre el número estructural y la deflexión máxima para el total del tramo

Gráfico 19: Relación entre el número estructural y la deflexión máxima para el Sector 1

Sector 1: Marcona-Emp. 01S

SN 50%= 8.756Do-0.313

R2 = 0.584

SN 90% = 8.6883Do-0.2747

R2 = 0.9999

SN 75% = 8.6997Do-0.2916

R2 = 1

SN 80% = 8.6933 Do-0.2868

R2 = 1

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.00

Deflexión viga Benkelman DoBB

Núm

ero

Estr

uctu

ral S

N

de confiabilidad en el tramo de Marcona-Empalme Panamericana.

124 CIVIL


En el gráfico 20 se puede apreciar la evolución de la deflexión para cada una de las soluciones propuesta para el sector Dv. Marcona-Nasca. Mediante este análisis se establece la oportunidad del recapeo o refuerzo de la estructura.

Gráfico 20: Variación de la deflexión con el tiempo

Variación de la deflexión con el tiempo

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

140.0

160.0

180.0

200.0

0 5 10 15 20 25

Nº de años

Def

lexi

ón D

o

Do PP1 Do PP2 Do total Do s/PP

Con el procedimiento indicado se puede establecer cuál es la oportunidad de la aplicación del mantenimiento periódico, y el efecto en la rugosidad de las alternativas de tratamientos y mantenimientos rutinarios. Así mismo, se pueden vincular directamente los parámetros requeridos al diseño.

5.5 Análisis de fisuras y ahuellamientos

Con el objeto de verificar si la formación de fisuras y el ahuellamiento a producirse en la vía se encuentran dentro del rango adecuado (0.5 pulgadas para el ahuellamiento y 20% del área para el caso de fisuras), se verificaron las alternativas mediante cálculos mecanísticos bajo el siguiente procedimiento:

Los esfuerzos fueron calculados mediante la ecuación de Boussinesq, con la transformación previa de las capas mediante el método del espesor

equivalente; posteriormente, se aplicaron las ecuaciones de fatiga y deformación.

La carga aplicada corresponde a un eje simple dual. El esfuerzo vertical fue calculado por debajo del centro del área cargada, considerando la carga circular uniformemente distribuida y la carga del otro neumático como una carga puntual. Las expresiones empleadas se muestran a continuación:

qπ

σ 325.122

3

Z cosR2P3

)za(z

1q +

+

−=

Donde z = esfuerzo vertical por debajo del centro de la carga circular uniforme considerando la acción adicional de una carga puntual a una distancia Rq = presión actuante en el área circularz = profundidad donde se está determinando el esfuerzoa = radio del área cargadaP = carga puntual actuanteR = distancia entre el punto de análisis y el punto de aplicación de la carga = ángulo formado entre la vertical y R

σ

q

125CIVIL


Lo esfuerzos horizontales a nivel de carpeta fueron calculados por debajo del eje del área cargada, considerando solamente el esfuerzo del área cargada mediante la siguiente expresión:

+

+++

−+= 5.122

3

5.022r )za(z

)za(z)1(2

212q µµσ

+

+++

−+= 5.122

3

5.022r )za(z

)za(z)1(2

212q µµσ

Donde: r = esfuerzo radial debajo del centro de la carga circular uniforme q = presión actuante en el área circular = módulo de Poissonz = profundidad donde se está determinando el esfuerzoa = radio del área cargada

Los espesores equivalentes fueron calculados mediante el método de Odemark aplicando la siguiente expresión:

σ

µ

32

12

221

1e )1(E)1(E

hfhµµ

−−

=

Donde:he = espesor equivalentef = factor de ajusteh1 = espesor de la capa que será transformada

µ

( ( 854.01

291.3tf E0796.0N −−= ε ) )

Donde:Nf = número de repeticiones de carga que producirán 20% de área fisurada t = deformación unitaria tangencial en la parte inferior de la carpetaE1 = módulo de elasticidad de la carpeta

ε


250.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0 5 10 15 20

Nº de años

SDfatigaPP1 DfatigaPP2 DfatigaTOTAL DfatigaS/R

Variación del daño por fatiga con el tiempo

Dañ

o po

r fat

iga

Para la determinación del ahuellamiento se aplicó la siguiente expresión, desarrollada por el Instituto del Asfalto para un ahuellamiento límite de 0.5 pulgadas:

Donde:Nd = número de repeticiones de carga que producirán un ahuellamiento de 0.5 pulgadas c = deformación unitaria por compresión a nivel de la parte superior de la subrasanteε

E = módulos de elasticidad = módulo de Poisson

Para la determinación del daño por fatiga se aplicó la siguiente ecuación, desarrollada por el Instituto del Asfalto para un 20% de área fisurada:

( ( 854.01

291.3tf E0796.0N −−= ε ) )

126 CIVIL


5.6 Análisis de sensibilidad

A fin de conocer la sensibilidad de algunos aspectos clave del diseño, como son el número estructural requerido, el período hasta el siguiente mantenimiento periódico y el costo total de la estructura; se


250.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0 5 10 15 20

Nº de años

SDfatigaPP1 DfatigaPP2 DfatigaTOTAL DfatigaS/R

Variación del daño por fatiga con el tiempoD

año

por f

atig

a

0

1

2

3

4

5

6

7

8

1.00E+05 1.00E+06 1.00E+07 1.00E+08

Núm

ero

estr

uctu

ral r

eque

rido

Relación SN-ESAL para diferentes CBR

CBR=5 CBR=10 CBR=15CBR=20 CBR=25 Diseño

Tráfico ESAL

desarrollaron varios escenarios tomando como variables el espesor de la carpeta en la puesta a punto y el espesor de la base granular, los mismos que se pueden apreciar en los siguientes gráficos.

Gráfico 23: Relación entre el número estructural requerido, el tráfico y el CBR de la subrasante

127CIVIL


0 1 2 3 4 5 6 7 80

5

10

15

20

25

Tiem

po e

n añ

os 1

ra a

plic

ació

n

Espesor carpeta 1ra aplicación

Relación Tiempo 1ra aplic. - Espesor carpeta para diferentes espesores de base

D2=4" D2=6" D2=8" D2=10"D2=12" D2=14" Diseño

Cost

o to

tal U

S$/m

2

100

120

140

160

180

200

220

240

Espesor carpeta 1ra aplicación

0 1 2 3 4 5 6 7 8

D2=4" D2=6" D2=8" D2=10"D2=12" D2=14" Diseño

Relación costo Total - Espesor carpeta para diferentes espesores de base

De esta forma, es posible evaluar cuáles son las alternativas que generan el mayor beneficio para el proyecto, ya sea extendiendo el plazo hasta el mantenimiento periódico o reduciendo el costo inicial modificando los espesores de base granular y carpeta. Este tipo de análisis facilita la toma de decisiones al contratante, al momento de analizar las diferentes estrategias de puesta a punto y mantenimiento.

Gráfico 24: Relación entre el espesor de la carpeta en la puesta a punto, el espesor de la base y el tiempo transcurrido hasta el mantenimiento periódico

Gráfico 25: Relación entre el costo total de la estructura de pavimento, el espesor de la carpeta en la puesta a punto y el espesor de la base granular

Otro aspecto a analizar en el contexto de la gestión del pavimento es el costo total que representa cada solución; este resulta de la suma de la puesta a punto y los costos del mantenimiento rutinario y el mantenimiento periódico. El gráfico 26 muestra la variación del costo total (puesta a punto y mantenimiento periódico) dependiendo de los diferentes espesores de base y carpeta que sean colocados en la puesta a punto.

128 CIVIL


5.7 Análisis de las inversiones requeridas

Se analizaron las inversiones requeridas en cuanto a la puesta a punto y los mantenimientos periódicos traídos a valor presente neto a una cierta tasa de descuento.

En el siguiente gráfico se puede apreciar el monto por m2 de cada una de las soluciones para, de esta forma, establecer cuál de ellas representa el menor monto.


2560.00

70.00

80.00

90.00

100.00

110.00

120.00

130.00

140.00

150.00

0 5 10 15 20

Nº de años

TOTAL PP1 TOTAL PP2 TOTAL TODO INICIO

Mon

to a

valo

r act

ual x

m2

Inversiones acumuladas a valor actual


• El relevamiento de información con tecnología avanzada simplifica el proceso, reduce tiempos y permite contar con información más detallada.

• El trabajo con empresas especializadas permitió integrar sus experiencias al diseño del pavimento.

• El relevamiento visual de fallas fue realizado en segmentos de 200 m, clasificando las fallas de acuerdo con un sistema mixto basado en la experiencia del consultor y el sistema PCI.

• El relevamiento de la condición funcional IRI y la textura del pavimento fue realizado con un perfilómetro láser.

129CIVIL


• El relevamiento de la condición estructural del pavimento se efectuó mediante el ensayo de deflexión por impacto (FWD) cada 200 m en cada carril; a partir de dicha información se calcularon, mediante retrocálculo, el módulo resilente del suelo de fundación (Mr), el número estructural efectivo (SNeff) y el módulo de elasticidad del paquete estructural (Ep).

• La medición de ahuellamiento fue efectuada mediante un equipo de ultrasonido (TPL); esta información fue contrastada con la medición directa del ahuellamiento durante el relevamiento visual de fallas, y se encontró que no existe una correlación adecuada entre ambos resultados.

• Los espesores de las capas componentes de la estructura de pavimentos fueron determinados mediante el equipo de georadar (GPR); estos resultados fueron ajustados a las mediciones directas de los espesores en calicatas.

• Se ejecutaron calicatas en todos los tramos con espaciamiento de 6 km, 2 km y 0.50 km, dependiendo del nivel de deflexión y la condición superficial.

• La tramificación fue realizada en función del nivel de intervención que requiere el sector, el tipo de suelo de fundación, el tráfico, el clima y las condiciones funcionales y estructurales, y se aplicó el método de las diferencias acumuladas presentado por AASHTO.

• La rugosidad fue incorporada al método AASHTO a través de la expresión desarrollada por el HDM para relacionar serviciabilidad final e inicial con rugosidad.

• La deflexión fue incorporada al diseño mediante una relación con el número estructural, que permitió calcular qué estructura es requerida a fin de cumplir con la condición de deflexión máxima admisible en cada intervención.

• Las soluciones planteadas se inscriben dentro del concepto de cumplimiento de los niveles de servicio establecidos en el contrato de concesión referidos a la deflexión máxima y la rugosidad límite.

• Se plantearon diversos trabajos a nivel de puesta a punto, priorizando alternativas de reciclado o reutilización de los materiales. Los principales trabajos se listan a continuación:

• La metodología de diseño aplicada fue AASHTO 1993, y se verificaron los resultados; adicionalmente, se verificaron los diseños en los sectores con bases recicladas con asfalto espumado mediante métodos mecanísticos de análisis elástico multicapa.

• La Integración del equipo de diseño, construcción y concesionario desde el inicio de los trabajos fue adecuada, porque permitió discutir la aplicabilidad y efectividad de las soluciones planteadas.

• Se recomienda implementar un sistema de gestión de pavimentos que comprenda todas las concesiones de la Corporación para aprovechar las experiencias previas y mejorar la predicción del comportamiento del pavimento.

• Tratamientos superficiales monocapa

• Tratamientos superficiales bicapa

• Slurry seal

• Bases granulares recicladas con asfalto espumado

• Bases recicladas de asfalto reciclado (RAP) con asfalto espumado

• Microfresado de la superficie de rodadura

• Refuerzos de carpeta asfáltica

130 CIVIL


ANEXOS

ANEXO 1: PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DEL PAVIMENTO

EVALUACIÓN ESTRUCTURAL

TRÁFICO

CLIMA

PROSPECCIÓN DE CANTERASY BOTADEROS

CALICATAS

DEFLECTOMETRÍA

RUGOSIDAD

FRICCIÓN

RELEVAMIENTO VISUAL DEFALLAS

VIDEO

GEORADAR

EVALUACIÓN FUNCIONAL

Tipología de fallas, metrado defisuras y defectos

Espesores de capas hasta0.75 cm de profundidad

Tramificaciónpor tránsito

Tramificación porclima y altitud

Sectorizaciónpor deflexión

Sectorizaciónpor IRI

TRAMOS Y ESPESORESREVISIÓN DE INFORMACIÓN

Tramificaciónpor suelo de

fundación

IMD por tramos y sub tramostasas de crecimiento y ESAL

ALTITUD Y CLIMA

ENSAYOS DELABORATORIO Y DISEÑO

DE MEZCLAS

IFI

IRI

AHUELLAMIENTOS Ahuellamiento en mm

IDENTIFICACIÓN DE SUBTRAMOS UNIFORMES

Espesores, perfil estratigráficodensidades, muestras,

muestras de laboratorio

Deflexión máxima, módulosde elasticidad

Tramificaciónpor estructura

SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS:Tratamientos superficiales,

recapeos, reciclado, reconstrucción

RESTRICCIONES DE CONTRATOCarpeta: IRI< 2 Dadm = (1.15/N18)

¼

Trat. superf: IRI< 2.5

ALTERNATIVAS DE ACUERDO CON LA EVALUACIÓN: ESTRUCTURAL,

FUNCIONAL, DE FALLAS Y DRENAJE DISEÑO PRELIMINAR:MÉTODO AASHTO 1993 EINSTITUTO DEL ASFALTO

PRESUPUESTO(menor costo total)

SELECCIÓN DE ESTRATEGIAS:Tratamientos superficiales,

lechadas, recapeos

PREDICCIÓN DEL COMPORTAMIENTOCON HDM4

ESTRATEGIAS VIABLES(canteras, equipo mecánico,

materiales)

UMBRALES DE INTERVENCIÓNCarpeta: IRI< 3.5 Dadm = (1.15/N18)

¼

Trat. superf: IRI< 4.0 Dadm = (1.15/N18)¼

ANÁLISIS DE FALLAS(IRI, % fisuras, ESAL)

COSTOS DE ALTERNATIVAS(PRESUPUESTO)

DISEÑO DETALLADOAASHTO 1993

CONSIDERACIONES NOECONÓMICAS

ESPECIFICACIONES TÉCNICASPRESUPUESTO PLANOS

INFORME FINAL

Sí

No Mejoralternativa

131CIVIL


D0 > Dadm=(1.15/N18)

1/4

% fisuras >20%área total

Ahuellamiento > 0.5"Hrefuerzo > 3

Base: reciclado +espumado

MAC + polímeros

MAC

4<IRI<5

sí

no

no

sí

sí

nosí

no

fresadosí sí

no MAC

microfresado

Sellado de fisuras

si

no MAC

Altitud> 3500

Altitud> 3500

Altitud> 3500

Sellado de fisuras

no

sí

Slurry seal

sí

sí

no

Ahuellamiento>0.5"

bacheo

no

microfresado Sellado de fisuras Slurry seal

bacheo Sellado de fisuras Bicapa o monocapacon polímeros

bacheo Sellado de fisurasno

sí

no

Slurry seal

Bicapa o monocapacon polímeros

MAC + polímeros

MAC + polímeros2.8<IRI<4

2<IRI<2.8

IFI<0.45

Buen

a IR

I<2.

8M

ante

nim

ient

oRe

gula

r 2.8

<IRI

<4Re

cupe

raci

ónM

ala

4<IR

I<5

Reha

bilit

ació

nM

uy M

ala

IRI>

5Re

cons

trucc

ión

ANEXO 2: ESTRATEGIAS PARA LA DETERMINACIÓN DE LA PUESTA A PUNTO

Sobre el autor: Ver página 98

MECANISMOS DE FALLA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES

Rafael Menéndez AcurioGMI S. A. Ingenieros Consultores

134 CIVIL

Rafael Menéndez Acurio MECANISMOS DE FALLA EN PAVIMENTOS FLEXIBLES


El diseño de los pavimentos flexibles mediante los métodos actuales, como AASHTO o Instituto del Asfalto, tiene incorporados criterios de falla. En el

caso del método AASHTO, se considera el parámetro de serviciabilidad, que resulta ser una representación global del estado del pavimento que incluye la variación de la pendiente, área de parches, longitud de fisuras y ahuellamiento. El método del Instituto del Asfalto considera como falla cuando el 20% del área se encuentra fisurada o si el ahuellamiento total es mayor de 0.5”.

Sin embargo, no es posible, con ninguno de estos métodos, efectuar un diseño dirigido a satisfacer específicamente alguno de estos criterios de falla; es recién con el método denominado AASHTO 2002 o método mecanístico empírico del NCHRP (M-E del NCHRP) que se puede verificar el diseño estructural del pavimentos mediante diferentes mecanismos de falla,

tales como: fisuras de abajo hacia arriba, fisuras de arriba hacia abajo, fisuras de origen térmico, rugosidad (regularidad superficial), ahuellamiento por capas, ahuellamiento total y fisuras en las bases estabilizadas.

1. DESARROLLOS CLAVE EN EL DISEÑO Y ANALISIS DE PAVIMENTOS

Para tener una idea del contexto dentro del cual se han desarrollado las diversas teorías para el diseño de pavimentos se debe entender previamente la evolución de los aspectos relacionados con el diseño, como son: la caracterización de los materiales, los ensayos y los métodos de análisis. En el siguiente cuadro se presenta un resumen de la evolución de estos factores desde el año 1940 a la fecha.1

1 Monismith, C. L. (2004) Evolution of Long-Lasting Asphalt Pavement Design Methodology: A perspective. En International Symposium on Design and Construction of Long Lasting Asphalt Pavements. Alabama.

Análisismecanísticos

Caracterización de materiales

Ensayos nodestructivos

Ensayos noacelerados

Diseñomecanísticosempíricos

Gestión depavimentos

Mejora de losprocesosconstructivos

1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000USACE (Boussinesa)

Burmister (2-3 análisis elástico por capas)

Rigidez MAC Shell

Módulo resilentesuelos

Abacos Mc LeodDiseño de mezclas

MAC ShellEnsayo VibratorioDinámico SHELLViga Benkelman

(WASHO)Pista prueba

WASHO USACE

Pista de pruebasAASHTO

1ra conf. Pavimentosasfálticos (1962)

USACE, TRRL

CompactaciónMAC (Chevron)Capas gruesas

(Beage)

Chevron

FEPAV

FatigaMAC

Propagación deondas (TRRL)

FWD Francia yDinamarca

HWS Sudáfrica

SHRP mezclasasfálticas

NCATWesTrackLTPP (USA)

MnRoadALF (Australia)

Shell, Chevron(1997)

NCHRP I-10

WSDOTArizona DOT

Institutodel asfalto

(1982)

LCPC (Francia) GuíaAASHTO

2002

Tabla 1: Evolución de los aspectos clave en el diseño de pavimentos

135CIVIL


2 AASHTO (2008), Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide, A Manual of Practice. Interim Guide. EE. UU.

Se puede apreciar que, si bien los métodos mecanísticos surgen en 1962, es con el uso extensivo de la computadora y con la creación del SHRP (programa estratégico de investigación de vías de los EE. UU.) que se genera un desarrollo sustancial en los métodos mecanísticos, llegando al método más completo de análisis más completo disponible a la fecha: el M-E del NCHRP, con la actualización efectuada por AASHTO el año 2008.2

Otro hito importante en la ingeniería de pavimentos es el programa de monitoreo de largo plazo en secciones de vías en EE. UU. y Canadá (LTPP), que mide los parámetros de comportamiento de los tramos y el tráfico, y cuya base de datos está disponible para cualquier persona que desee interpretar los resultados y validar alguna teoría.

2. TIPOS DE FALLA

Los tipos de falla presentes en un pavimento son diversas y dependen, en términos generales, de la carga que se aplica en el pavimento, el clima, las condiciones de ejecución de la obra y las condiciones de conservación de la carretera. Las fallas pueden ser agrupadas en:

• Estructurales: rotura de uno o más componentes del pavimento que

En la tabla 2 se presenta un resumen de los tipos de falla, el mecanismo que las produce y si actualmente son consideradas dentro de los métodos de diseño de pavimentos.

En dicha tabla se puede apreciar que solamente se consideran dentro de los métodos de diseño las fallas por fatiga y las fallas por deformación estructural, por ser consideradas las más relevantes. Sin embargo, en ciertos casos se deben incluir otros mecanismos de falla, como es el caso de los pavimentos en altura, donde el mecanismo de falla de fisuras por gradiente térmico puede ser más relevante que los otros mecanismos.

Mecanismo Comentarios

Sí

No

No

No

No

No

No

Sí

No

No

Solo se considera el esfuerzode tensión en la parte inferiorde la carpeta

Ocurre por una combinaciónde tráfico y esfuerzostérmicos

Una de las causas másfrecuentes de fallas en lospavimentos

Afecta el comportamientomecánico del suelo y capasgranulares estacionalmente

Fatiga

Fisuras iniciadas enla superficie

Fisuras de origen término

Fisuras por baja temperatura

Fisuras reflejadas

Propagación de fisuras

Deformación de la carpeta

Deformación estructural

Envejecimiento del asfalto

Cambios climáticose hidrológicos

Fisuras

Deformación

Cambio en laspropiedadesdel material

Factores queinfluencian elcomportamientodel pavimento

Consideradoactualmenteen el diseño

Tabla 2: Mecanismos de falla

compromete la respuesta estructural del pavimento, se manifiestan como fisuras o grietas; dependiendo de su magnitud y severidad se puede considerar que el pavimento requiere rehabilitación o solamente refuerzo.

• Funcionales: la carretera no es capaz de cumplir su función por problemas de confort, seguridad o regularidad superficial (rugosidad); algunos de estos defectos están relacionados por la respuesta como un conjunto estructural o también por la calidad de los componentes.

136 CIVIL


3. UBICACIÓN DE ESFUERZOS CRÍTICOS EN EL PAVIMENTO

Para el análisis de la estructura del pavimento es relevante determinar la ubicación de los esfuerzos y deformaciones críticas para que el modelo mecanístico refleje esta condición. La ubicación crítica fue inicialmente planteada por Dormon el año 1962, y está representada en la siguiente figura:3

Figura 1: Ubicación de los puntos críticos de esfuerzos y deformaciones en un pavimento flexible

3 Brown, S. F. (1997) Achievements and Challenges in Asphalt Pavements Engineering. En ISAP-8th International Conference on Asphalt Pavements. Seattle.

El punto para la determinación de las mayores deformaciones tangenciales es la parte inferior de la carpeta asfáltica, donde se originan las fisuras de abajo hacia arriba; para la determinación de la deformación crítica por compresión, se analizan los esfuerzos en la parte superior del suelo de fundación, que da lugar a las deformaciones acumuladas hasta reflejarse como ahuellamientos en la superficie de rodadura.

En la figura 2 se muestran los puntos críticos donde se debe efectuar el análisis de esfuerzos y deformaciones, dependiendo de la configuración de los ejes analizados.

h1

h2

ao

DynamicModulus E1(Bitumen - Bound layer)

DynamicModulus E2(Granular - base andSub - base)

Compression strain insoil surface (Hightemperatures critical)

Tensile strain inBitumen - boundlayer

Tensile stress inBitumen - bound layer(Low temperaturecritical)

DynamicModulus E3(Subgrade)

SIMPLE DUAL

TANDEMDUAL

TANDEMDUAL - SIMPLE

14.2”

14.2” 14.2”

61.0

”

61.0

”

64.0

”64

.0”

27.0

”

27.0

”

27.0

”

X

Y 3 4

5

3 4

5

3 4

4. FALLAS ESTRUCTURALES

Se denomina fallas estructurales a aquellas que comprometen la vida útil del pavimento y su capacidad de soporte de las cargas de tráfico. Se manifiestan en la superficie de rodadura como ahuellamientos, hundimientos o fisuras, tal como se aprecia en el gráfico 1. Estas fallas se pueden dar en forma combinada y, en el caso de las fisuras, estas pueden ser fisuras por fatiga en la parte inferior de la carpeta, fisuras desde la parte superior hacia la parte inferior y fisuras de origen térmico.

En la figura 3, se aprecia la falla estructural que combina fatiga y gradiente térmico en la carretera Puquio Dv. Pampachiri.

Figura 2: Ubicación de los puntos críticos de análisis de esfuerzos y deformaciones para diversas configuraciones de carga

137CIVIL


Gráfico 1: Tipos de fallas estructurales

Figura 3: Falla estructural severa por efecto combinado de fatiga por carga y fatiga por gradiente térmico

138 CIVIL


5. AHUELLAMIENTOS

Las fallas relacionadas con la deformación permanente en la estructura de pavimento se denominan ahuellamiento y se pueden producir por:

• Deformación acumulada en la subrasante debido a acumulación de deformaciones plásticas, y se aprecia en la superficie de rodadura como un descenso de la zona de las huellas con respecto al nivel de rasante, tal como se ve en la figura siguiente.

• Deformación acumulada en la carpeta de rodadura como consecuencia de la deformación

excesiva de la mezcla asfáltica, por mezclas asfálticas inestables o presiones de carga elevadas; en este caso se produce una depresión en la zona de la huella y un resalto en la parte exterior de la huella, tal como se aprecia en la parte derecha de la figura 4.

Per�loriginal

Copa deasfalto

Deformación dela subrasante

Fallas de subrasante o capa intermedia

Roderas por fallas en la subrasante

Per�loriginal

Plano decorte

Falla de la capa de asfalto

Roderas por fallas en la mezcla

Figura 4: Ahuellamiento por deformación en la subrasante y por deformación en la carpeta asfáltica

En la figura 5 se aprecia la influencia del contenido de asfalto en la deformación de la mezcla asfáltica. Se indica que, cuando el porcentaje de asfalto es bajo, la mezcla se disgrega; y cuando está presente en exceso, se deforma con facilidad y desarrolla ahuellamientos.

En la figura 6 se aprecia un tramo de la carretera La Oroya-Huancayo con ahuellamiento severo por exceso de asfalto.

Figura 5: Representación del efecto del contenido de asfalto en la deformación de la mezcla asfáltica

139CIVIL


Figura 6: Ahuellamiento severo por deformación plástica de la mezcla asfáltica

6. EVOLUCIÓN DE LAS FALLAS

El proceso de formación de fallas se produce en el tiempo, y la velocidad con que se produce depende, entre otros factores, del tráfico (cantidad de vehículos pesados), de los factores climáticos, de la calidad de los materiales y las condiciones de mantenimiento del camino.

Las fallas en pocas ocasiones se producen de manera súbita; son, más bien, consecuencia de la acumulación

de daño por aplicación repetitiva de deformaciones. Aun en pavimentos correctamente diseñados, si no se presta atención al mantenimiento, la evolución de las fallas se acelerará.

En la siguiente figura se muestra la evolución de las fallas por fatiga y de las fallas por deformación acumulada en la subrasante.

Figura 7: Evolución de la formación de fisuras de abajo hacia arriba y de arriba hacia abajo

Fisuras de arriba hacia abajo Deformaciones

140 CIVIL


7. FALLAS FUNCIONALES: ÍNDICE DE REGULARIDAD SUPERFICIAL (IRI)

ASTM E 867: Rugosidad

Define la rugosidad como la desviación de una superficie respecto de una superficie plana teórica, con dimensiones características que afectan la dinámica y la calidad al manejar.

• Es una medida estándar de la regularidad superficial de un camino, desarrollada por el Banco Mundial en 1986.

• Está relacionada con el confort del usuario al transitar en el pavimento: • Seguridad al manejar. • Costos de operación del vehículo.

• La escala que cuantifica el grado de confort de los pavimentos depende de la superficie de rodadura: • Vías pavimentadas, escala de 0-12. • Vías no pavimentadas, escala de 0-20.

Figura 8: Escala de IRI desarrollada por el Banco Mundial

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

Desprendimiento de agregados ydepresiones profundas

Depresiones superficiales frecuentes,algunas profundas

Despresiones menoresfrecuentes

Imperfecciones de lasuperficie

0 = PERFECCIÓN ABSOLUTA

IRI = (m/km = mm/m)

Clasificación del Banco Mundial Aeropistas

Pavimentos nuevos

Pavimentos viejos

Pavimentosdañados

Caminos no pavimentadosen buen estado

Caminos nopavimentadosrugosos

7.1 Variación del índice de regularidad en el tiempo

a. El valor del IRI no es constante, su valor tiende a incrementarse en el tiempo por el deterioro del pavimento.

b. La tasa de incremento dependerá de: • Valor inicial de IRI • Volumen y tipo de tráfico • Calidad de la superficie de rodadura • Mantenimiento de la vía

Body Mass

Suspension Springand DamperAxle Mass

Tire Spring

IRIMeasuredProfile

COMPUTER ALGORITHM

Figura 9: Representación del cuarto de carro empleado en el modelo para la determinación del IRI

El IRI está basado en la simulación de la respuesta de un sistema de cuarto de carro a una velocidad normalizada de 80 km/h. (Figura 8).

141CIVIL


7.2 Relación PSI-IRI

La relación existente entre la serviciabilidad (PSI) y la rugosidad es un aspecto muy discutido, debido a que en la pista de pruebas de AASHTO no se midió rugosidad sino, más bien, variación de la pendiente longitudinal. Se debe entender que la estandarización de la rugosidad bajo un índice único (IRI) fue desarrollada en 1986, casi treinta años después de haber sido creado el concepto de serviciabilidad.

Sin embargo, se ha encontrado que existe una relación directa entre estos dos parámetros, sobre todo en pavimentos nuevos, en los cuales la influencia de la presencia de fisuras y ahuellamientos no existe. A continuación, se presentan algunas de las relaciones desarrolladas entre estos dos factores:

a. Según HDMIII (1987) PSI=5e-0.24IRI (asfálticos)

b. Otras fuentes PSI=5.85-1.68IRI0.5 (asfálticos) PSI=7.10-2.19IRI0.5 (hidráulicos)

Gráfico 2: Relación entre la serviciabilidad y la rugosidad

Relación PSI-IRI

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

0 1 2 3 4 5 6

Asfáltico Hidráulico

IRI (m/km)

PSI (

p)

8. MÉTODO INSTITUTO DEL ASFALTO

8.1 Falla por fatiga

Se desarrolla en la parte inferior de la carpeta asfáltica; los

Donde:

Nf = número de repeticiones de carga para producir la falla

ef = deformación por tensión en la parte inferior de la capa de carpeta asfáltica

EAC = módulo de elasticidad de la carpeta asfáltica

8.2 Criterios de falla por deformación permanente en la subrasante

El ahuellamiento límite debe ser menor a 0.50” (12.7 mm):

Donde:

Nf = número de repeticiones de carga para producir la falla por ahuellamiento

ec = deformación por compresión en la parte superior de la subrasante

gráficos de diseño se elaboraron sobre la base de una mezcla asfáltica con 11% de asfalto en volumen y 5% de contenido de vacíos, y se considera falla cuando el 20% del área está fisurada.

142 CIVIL


Gráfico 3: Curva límite bajo los dos criterios de falla

Criterio de fallo de la explanada

ZONA DE VALIDEZ

Criterio de fallodel pavimento

ε=6,5 . 10 -4

ε=1,415.10-4

Espesor de las capas granulares

Espe

sor d

e la

s ca

pas

bitu

min

osas

9. MÉTODO AASHTO 1993

9.1 Condición de falla del pavimento

a. Durante el ensayo AASHTO se analizó la importancia de definir una condición terminal del pavimento y se adoptó la serviciabilidad, pero solamente como una medida de comportamiento funcional, mas no como una predicción estructural del comportamiento.

b. AASHTO desarrolló la siguiente ecuación para predecir el agrietamiento; sin embargo, no se utiliza en el diseño:

Donde:

Dc = es el índice de espesor del fisuramiento

L = es la carga por eje en kips

9.2 Índice de serviciabilidad (PSI)

• Es un índice de la comodidad y seguridad que percibe el usuario en el pavimento.

• Cuantifica en una escala de 0 a 5 el grado de confort y seguridad que el usuario percibe al transitar.

• Inicialmente, la medición era realizada por un grupo de cinco conductores, quienes manejaban en el

Pavimentos Asfálticos PSI (p)

Donde:

SV = varianza de la pendiente longitudinal x 102 (pulg/pie), representa la regularidad del pavimento medida con perfilómetro

RD = ahuellamiento promedio (pulg)

C = superficie agrietada (pie2/1000 pie2)

P = área con baches (pie2/1000 pie2)

10. DISEÑO MECANÍSTICO EMPÍRICO M-E DE LA NCHRP (MÉTODO AASHTO 2002)

10.1 Proceso de diseño

El proceso de diseño mecanístico empírico planteado por el NCHRP y complementado en la guía interina de AASHTO, publicada en 2008, denominada Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide, A Manual of Practice, comprende un sofisticado programa de cómputo para el análisis de la estrategia, basado en modelos de respuesta de los materiales y en una representación más adecuada del tráfico mediante espectros de carga. Otro aspecto relevante es el efecto del clima en la respuesta de los materiales y la aplicación de modelos incrementales (los valores de respuesta se modifican en el tiempo).

En el siguiente gráfico se presenta el esquema del proceso de diseño mediante el método M-E del NCHRP.

pavimento y evaluaban su confort con una escala de 0 a 5 (de Intransitable a Perfecto); el parámetro se denominaba PSR.

• En vista de que era una medición subjetiva, que podía reflejar un panorama inexacto de la condición del pavimento, el proceso de medición fue objeto de algunas modificaciones.

• Utilizando métodos estadísticos, se obtuvieron ecuaciones para determinar el Índice de Serviciabilidad Actual (PSI).

143CIVIL


HMA UpwardPropagation

Tensile strain and stresses

Base layer

Tensile strain and stresses

HMA Layer

Base layer

Downward CrackPropagation

Repeated Wheel Loads& High tire pressure

Repeated Wheel Loads& High tire pressure

Gráfico 4: Esquema del proceso de diseño mediante la metodología M-E del NCHRP

a. Fisuramiento por fatiga de abajo hacia arriba

b. Fisuramiento por fatiga de abajo hacia arriba

c. Fatiga en bases estabilizadas químicamente d. Deformación permanente (ahuellamiento)e. Fisuramiento por temperatura

10.2 Modelos de respuesta

Modificarestrategia

Datos

Análisis

Selecciónde laestrategia

Aspectosconstructivos

Alternativasviables

Análisis delciclo de vida

Acumulaciónde daño

Modelos de predicción de fallas

Estrategia de diseño inicial

Modelo de análisis de pavimentos

Tráfico Suelo deFundación Clima Propiedades

materiales

Cumplecriterio decomporta-

miento

Estrategiaseleccionada

144 CIVIL


Donde:Nf = Nº de repeticiones de cargaK’1 = corrección por el espesor del pavimentoC = factor de ajuste de laboratorio y campoet = deformación tangencialE = módulo elásticohac = espesor de la carpeta asfáltica

Factor de corrección por espesor

Factor de ajuste de laboratorio a campo

Donde:Vb=contenido efectivo de asfalto (%)Va= porcentaje de vacíos (%)

10.4 Fisuras de abajo hacia arriba (% del área total del carril)

Donde:FCbottom = fisuramiento por fatiga de abajo hacia arriba expresado en % del área del carrilD = daño por fatiga de abajo hacia arribaC1 = 1.0C’1 = -2* C’2C2 = 1.0C’2 = -2.40874-39.748 (1+hac)

-2.856

10.5 Ahuellamiento total

Donde:RDTOTAL = ahuellamiento totalRDAC = ahuellamiento en la carpeta asfálticaRDGB = ahuellamiento de las capas granularesRDSG = ahuellamiento de la subrasante

a. AHUELLAMIENTO EN LA CARPETA

Donde:ep = deformación plásticaer = deformación resilente N = Nº de repeticiones de cargaT = temperaturahac = espesor de la carpetaProfund = profundidad del punto de análisis

10.3 Fisuras por fatiga: de abajo hacia arriba y de arriba hacia abajo

145CIVIL


b. AHUELLAMIENTO DE MATERIALES GRANULARES Y SUBRASANTE

Donde:bBG SG = factor de calibración 1.673 para bases granulares y 1.35 para subrasantes ev = deformación vertical en la capab, r, eo = propiedades de los materialesN = Nº de repeticionesH = espesor de la capa

c. PARÁMETROS

Donde:Wc = contenido de humedadEr = módulo resilente del material

10.6 Deformación permanente al nivel de confiabilidad

Donde:Se = error estándar por tipo de componenteRD = ahuellamiento al 50% de confialibilidad Zp = desviación estándar normal

10.7 Valores admisibles recomendados por la guía de diseño M-E

De arriba hacia abajo(fisuras longitudinales)

De abajo hacia arriba (fisuras por fatiga)

Fisuras térmicas

Fisuras en capasestabilizadas

Deformaciónpermanente

Rugosidad final (IRI)

190 m/km

25%-50%del área total

190 m/km

Índice de daño <25%

75 mm-125 mm

2.35-3.95 m/km

Valor admisibleTipo de falla

Tabla 3: Valores admisibles recomendados por la guía M-E del NCHRP para los distintos parámetros de diseño

10.8 Ejemplo de diseño

a. Datos similares a los anteriores

b. Adicionalmente:

• Nivel de diseño: 3

• Tipo de vehículo: 5 con carga de 18,000 lb por eje

• Clima moderado

• Condiciones de falla:

- Fisuras de abajo hacia arriba: 25% del área

- Ahuellamiento total: 0.5”

146 CIVIL


Fisuras de arriba hacia abajo

Fisuras totales

límite de diseño

Edad del pavimento (meses)

30

20

10

00 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264

Fisu

ras

Inte

rcon

ecta

das

(%)

límite de diseño


IRI (

pulg

/mill

a)3000

2700

2400

2100

1800

1500

1200

900

600

300

00 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264

147CIVIL


Rugosidad

Deformación permanente: ahuellamiento

límite de diseño

total

al nivel de la confiabilidad

subrasante

carpeta asfáltica

base granular


Prof

undi

dad

del a

huel

lam

ient

o (p

ulg)

0.70

0.60

0.50

0.40

0.30

0.20

0.10

0.000 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264

área de trazado

límite de diseño

IRI

al nivel de confiabilidad


IRI (

pulg

/mill

a)

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

00 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264

148 CIVIL


CONCLUSIONES

• Las fallas más relevantes son los agrietamientos por fatiga y el ahuellamiento.

• Las mezclas inestables muestran ahuellamiento en forma prematura.

• Los métodos actuales de diseño no permiten que el proyectista modifique las condiciones de falla.

• Existen diversos modelos de fallas, tanto estructurales como funcionales, que han sido integrados en la guía M-E del NCHRP.

• El método AASHTO 2002 permite modelar hasta 5 tipos de fallas (4 estructurales y 1 funcional), lo que permite al proyectista un mayor control de los parámetros y un mejor pronóstico de las posibles fallas.


AASHTO (2008), Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide, A Manual of Practice. Interim Guide. EE. UU.

Brown, S. F. (1997) Achievements and Challenges in Asphalt Pavements Engineering. En ISAP-8th International Conference on Asphalt Pavements. Seattle.

Monismith, C. L. (2004) Evolution of Long-Lasting Asphalt Pavement Design Methodology: A perspective. En Inter-national Symposium on Design and Construction of Long Lasting Asphalt Pavements. Alabama.

172

2000

25

1000

25

0.25

0.5

90

90

90

90

90

90

90

112

0

4.4

1

0.23

0.53

97.05

99.999

92.89

94.16

61.98

39.94

Cumple

Cumple

Cumple

Cumple

N/A

Falla

Falla

Criterio de comportamiento DistressTarget

ReliabilityTarget

DistressPredicted

ReliabilityPredicted Acceptale

IRI final (in/mi)

Fisuras de arriba hacia abajoen AC (Long Craking) (ft7mile):Fisuras de abajo hacia arriba(interconectadas) (%):AC fisuras de origen térmico(Transverse Cracking) (ft/mi):

Capa estabilizada (Fatigue Fracture)

Deformación permanente(solo AC) (in):Deformación permanente(todo el pavimento) (in):

Deformación permanente: ahuellamiento

149CIVIL


ELÉCTRICA

JORGE OLIVERA CRISTÓBAL

Ingeniero Electricista Senior (CIP 90614), con más de 15 años de experiencia en el desarrollo de proyectos relacionados con la industria, petróleo y gas, minería y edificaciones.

Labora desde el año 2003 en GMI, donde ha desarrollado proyectos para sus diferentes áreas.

En los últimos cuatro años, en calidad de Jefe de disciplina, viene desarrollando proyectos relacionados con gas y petróleo para grandes clientes, como Petroperú S. A., Pluspetrol Corporation S. A., Repsol YPF, Recosac y Coga, entre otros.

ÁREAS CLASIFICADAS COMO PELIGROSAS DE ACUERDO CON EL NEC

2005

Jorge Olivera CristóbalGMI S. A. Ingenieros Consultores

154 ELÉCTRICA

Jorge Olivera

1. NORMAS INTERNACIONALES APLICABLES

• Código NEC: Código Nacional Eléctrico, Capítulo V.

Artículos 500-506, 410-516

• Normas API RP-500: American Petroleum Institute

• Norma IEC 79-10 de 1995: International Electrotechnical Commission

• NFPA 497 y 499: Nacional Fire Protection Association

ÁREAS CLASIFICADAS COMO PELIGROSAS DE ACUERDO CON EL NEC 2005

• CENELEC: European Committee for Electrotechnical Standardization

• JIS: Japanese Industry Standard

• SAA: Standards Association of Australia

• NMAB 353-4 y NMAB 353-6

• ISA: Instrument Society of America

• CNE: Código Eléctrico del Perú

• PEMEX: Cómite de Normalización de Petróleos Mexicanos y Organismos Subsidiarios

1.1 Artículos del código NEC, capítulo V

• Artículo 500: Áreas Clasificadas como Peligrosas

• Artículo 501: Áreas o lugares Clase I

• Artículo 502: Áreas o lugares Clase II

• Artículo 503: Áreas o lugares Clase III

• Artículo 504: Sistemas Intrínsecamente Seguros

• Artículo 505: Áreas o lugares Clase 1, Zonas 0, 1 y 2

• Artículo 506: Áreas o lugares Zonas 20, 21 y 22

• Artículo 510: Especificación de Áreas o lugares Clasificados como Peligrosos

• Artículo 511: Garajes Comerciales

• Artículo 513: Hangares

• Artículo 514: Estaciones de Gasolina

• Artículo 515: Plantas con Almacenamiento de Productos no Terminados.

• Artículo 516: Aplicaciones de Pintura en Spray

Los riesgos de explosión pueden hacer su aparición en cualquier fábrica o industria en la que se manipulen sustancias inflamables, donde el

peligro de fuego o explosión pueda existir debido a la presencia de gases o vapores inflamables, líquidos inflamables o fibras o pelusas volátiles inflamables.Estos lugares se deben de clasificar dependiendo de las propiedades de estos vapores, líquidos, fibras o pelusas y por la posibilidad de que se produzcan concentraciones o cantidades inflamables o combustibles.

Una atmósfera explosiva es una mezcla con aire, en condiciones atmosféricas, de sustancias inflamables en forma de gases, vapores, nieblas o polvos, en la que, después de una ignición, la combustión se puede propagar hacia la mezcla no quemada.

Todas la definiciones y la normatividad sobre áreas clasificadas están indicadas en el Capítulo 5, art. 500 de la NEC, así como los procedimientos y recomendaciones prácticas para clasificación de áreas para instalaciones eléctricas indicadas en el STD. API 500.

155ELÉCTRICA


Clase

Materiales Combustibles

Clase I: Gases y Vapores

Clase II: Polvos Combustibles

Clase III: Fibras y PartículasVolátiles

Grupos por tipo de material

A, B, C, D (Clase I)

E, F, G (Clase II)

División 1

Peligro constante o frecuente

División 2

Peligro probable por causa de un mal funcionamiento o mal almacenaje

2. CLASIFICACIÓN DE AREAS PELIGROSAS

Tabla 1

2.1 Clases

2.1.1 Áreas o lugares clase I

Son áreas o lugares donde gases o vapores inflamables están o pueden estar presentes en el aire en cantidades suficientes para producir una mezcla explosiva.

Industrias y aplicaciones de áreas o lugares Clase I:

• Plantas de almacenamiento de gas natural o licuado

• Plantas químicas

• Refinerías de petróleo

• Plantas de almacenamiento y manejo de gasolina

• Tanques de almacenamiento de líquidos o gases flamables

• Áreas de pintado con pinturas en spray o de plásticos

• Almacenes de combustible para aeronaves o hangares

• Plataformas de perforación marinas o terrestres

• Áreas de bombeo de productos petroleros

2.1.2 Áreas o lugares clase II

Son áreas o lugares en donde la concentración de polvos combustibles representa un peligro.

Industrias y aplicaciones de áreas o lugares Clase II:

• Almacenamiento de granos, manejo y plantas procesadoras.

• Almacenamiento, manejo y plantas de procesamiento de carbón

• Plantas metalúrgicas y molinos de metales y polvos metálicos

• Fábricas de explosivos o pólvora para fuegos artificiales

• Plantas de almacenamiento o manejo de granos, azúcar, chocolate

• Plantas farmacéuticas de fertilizantes

156 ELÉCTRICA

Jorge Olivera

2.1.3 Áreas o lugares clase III (fibras)

Son áreas o lugares que pueden ser clasificados como peligrosos debido a la presencia de fibras o pelusas fácilmente inflamables, pero en las cuales dichas fibras o pelusas no se encuentran en suspensión en el aire en cantidades suficientes para producir mezcla combustible.

Industrias y aplicaciones de áreas o lugares Clase III:

• Fábricas de telas de algodón, lino o manejo de textiles

• Plantas de procesamiento de madera, cortado y pulverizado o maquinado

• Fábricas de ropa

2.2 Divisiones

2.2.1 Lugares división 1

Son áreas donde el material peligroso está presente en el ambiente bajo condiciones normales de operación. Esto también incluye lugares donde el peligro es debido a trabajos frecuentes de mantenimiento o reparación, o a fallas frecuentes del equipo.

• NEC® Artículos 500.5(B)(1), 500.5(C)(1) y 500.5(D)(1)

2.2.2 Lugares división 2

Son áreas donde gases o vapores inflamables, polvo, o fibras son manejados, procesados o usados, pero los cuales solo están presentes bajo condiciones anormales, tales como contenedores o sistemas cerrados, de los cuales solo pueden escaparse a través de una ruptura o falla.

• NEC® Artículos 500.5(B)(2) , 500.5(C)(2), y 500.5(D)(2)

2.3 Por combinación

2.3.1 Lugares clase I, división I

Esta clasificación incluye usualmente los siguientes lugares:

• Lugares de transvase de un recipiente a otro de líquidos volátiles inflamables.

• Áreas donde se realizan operaciones de pintura y rociado con disolventes volátiles inflamables.

• Cámaras o compartimentos de secado para la evaporación de disolventes inflamables.

• Secciones de plantas de limpieza y tinturado donde se utilizan líquidos inflamables.

• Cuartos generadores de gases.

• Cuartos de bombas de gases inflamables o líquidos volátiles inflamables.

• Todos los demás lugares donde exista la probabilidad de que se produzcan concentraciones combustibles de vapores o gases inflamables en funcionamiento normal.

2.3.2 Lugares clase I, división II

Esta clasificación incluye usualmente los siguientes lugares:

157ELÉCTRICA


• Lugares en donde se utilizan los líquidos volátiles inflamables, gases o vapores inflamables, lo cual solo resultaría peligroso en caso de accidente o funcionamiento anormal.

• Los factores que merecen consideración para establecer la clasificación y dimensiones de cada uno de estos lugares son la cantidad de materiales inflamables que podrían escapar en caso de accidente, la suficiencia del equipo de ventilación, el área total involucrada y el historial de incendios o explosiones de esa industria y comercio.

2.4 Grupos

2.4.1 Gases y vapores: grupos A, B, C y D

Los grupos indican el grado de riesgo:

• Los grupos A, B, C y D son clasificados por familias químicas, como se indica en el documento NFPA 497-1997 & 325M-1994.

• El factor más importante en la clasificación de un gas o vapor por grupo es cuánta presión es creada durante una explosión. El grupo A (Acetileno) crea la mayor presión, seguido con el grupo B (Hidrógeno).

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

90.0

Group AAcetylene

Group BHydrogen

Group CEthylene

Group DPropane

Gráfico 1

• NEC® Artículo 500.6(A)

2.4.2 Polvos: grupos E, F & G

• Los grupos indican el grado de riesgo, basados en la resistividad eléctrica de la tabla de la derecha (Fuente: ANSI/ISA-S12.10-1988).

• Los grupos indican el grado de riesgo, basados en la resistividad eléctrica de la tabla de la parte inferior (Fuente: ANSI/ISA-S12.10-1988).

• Grupo E (Conductores Eléctricos): atmósferas que contengan polvos metálicos combustibles, como aluminio y magnesio.

• Grupo F (Combustibles): atmósferas que contengan polvos de carbón mineral, carbón de madera o coke.

• Grupo G (Granos): atmósferas que contengan granos agrícolas y otro tipo de polvos.

• NEC® Articulo 500.6(B)

2.5 Resumen de clases y gruposClase I: Vapores y Gases Inflamables (gases o vapores presentes en cantidad suficiente para producir la ignición o explosión).

• Grupo A: Acetileno

• Grupo B: Hidrógeno

• Grupo C: Ethileno

• Grupo D: Gasolina

Type DustOhm

cmCake mixCocoaPowdered sugarSugarGrain dustFlourCorn starchFlour under stress( 6 KV)

Crushed charcoalPrinters ink powderNucharActivated carbonCharcoalWet cokeWet cokeWet charcoalWet petroleum cokeWet nucharWet coal

Solid carbon*

Solid graphite*

AluminumMagnesium

GRU

PO G

GRU

PO F

GRU

PO E

1012

1010

109

108

107

106

105

105

104

103

102

10

1

0 * These are solids, not dusts.

158 ELÉCTRICA

Jorge Olivera

3.1 Definición de U. L. de aparato a prueba de explosión

Clase I, División 1

Una envolvente que pueda soportar una explosión interna de gases o vapores y que prevenga que esos gases o vapores provoquen la ignición de los gases o vapores existentes en la atmósfera que rodea a la envolvente.

3.1.1 Diseños de envolventes a prueba de explosión

Una envolvente a prueba de explosión deberá ser capaz de:

• Soportar la presión interna de la explosión

• Prevenir la propagación o flama a través de cualquier junta o abertura hacia el exterior de la envolvente

• Mantener una baja temperatura externa que no encienda la atmósfera inflamable que la rodea

• Prueba de explosión bajo norma U. L. (U. L. 1203)

• Las pruebas de explosión son realizada para determinar la presión máxima y los efectos de propagación

• Pruebas de presión hidrostática a cuatro veces el valor de la máxima presión de explosión de los gases específicos

3.1.2 Equipo a prueba de explosión

Junta roscada

Clase II: Polvos Combustibles (polvos combustibles presentes en suficiente cantidad para hacer posible un riesgo de fuego o explosión).

• Grupo E: Polvos metálicos

• Grupo F: Polvos de carbón

• Grupo G: Polvos de granos

Clase III: Fibras y Pelusas (fibras fácilmente inflamables presentes en el ambiente pero no suspendidas en el aire).

3. CONDICIONES DE EXPLOSIVIDAD

Existen tres condiciones básicas necesarias para que una explosión o incendio ocurran:

• Suficiente acumulación de gases, vapores o polvos.

• Mezcla de aire con estas substancias inflamables.

• Suficiente energía para encender la mezcla.

Focos de ignición

Comburente Combustible

llama, arco eléctrico, cuerpo caliente, golpes,rozamientos entre superficies

gases,vapores,

polvos,niebla

oxígeno, o bien para losexplosivos,reactivo

Eliminar una o más vértices del triángulo significa evitar una explosión

THREADED JOINT

HOT FLAMING GAS

HOT FLAMING GAS

BURNING OR HOT GASESARE ARRESTED IN FASSING

TMR: OUGH THREADED JOINT

159ELÉCTRICA


4. PROPÓSITO DE LA APLICACIÓN EN AREAS CLASIFICADAS DE SELLOS EN TUBERÍAS CONDUIT

El propósito de instalar sellos en las tuberías conduit es confinar, dentro de las envolventes a prueba de explosión, la explosión que se produzca en su interior; evitando que esta pase a otros equipos o áreas no clasificadas como peligrosas, así como el paso de gases de un área peligrosa a otra no peligrosa.

4.1 Sellos para tubería conduit

• Requeridos dentro de una distancia de 18” de la envolvente que contenga dispositivos de arqueo o alta temperatura (Clase I, División 1 y 2).

• Requeridos en locales Clase I, División 1 donde existen tuberías conduit de 2” o mayores entrando a gabinetes donde existen cableados, tablillas o terminales.

• Requeridos en uniones Clase I, donde la tubería conduit abandona el área peligrosa.

• U. L. requiere que tanto el sello como el compuesto sellante (cemento) utilizado sean fabricados por el mismo proveedor.

• La profundidad del compuesto sellante deberá ser igual al tamaño de rosca de la tubería conduit, con un espesor mínimo de 5/8”.

• Los sellos para tubería conduit de llenado expandido pueden ser usados con un sistema conduit, permitiendo hasta un 40% de espacio para cableado.

• Los sellos para tubería conduit estándar están limitados al 25% de cableado.

Sellos para tuberías conduit

Productos necesarios para instalación eléctrica en áreas clasificadas

Junta plana rectificada

FLAT - JOINT

BURMING OR HOTGASES ARE ARRESTEDIN PASSING THROUGHGROUND JOINT

HOT FLAMINGGAS

Explosion

Flame Front

Pressure Piling

160 ELÉCTRICA

Jorge Olivera

5.1 Rango T en luminarias para áreas clasificadas como peligrosas

Una luminaria (o cualquier dispositivo que produzca calor), para operar en un área clasificada como peligrosa, deberá tener un rango T que no exceda el nivel de TAI (temperatura de autoignición) del material presente en el aire en ese lugar.

450 °C

300 °C

280°C

260 °C

230 °C

215 °C

200 °C

180 °C

165 °C

160 °C

135 °C

120 °C

100 °C

85 °C

TI

T2

T2A

T2B

T2C

T2D

T3

T3A

T3B

T3C

T4

T4A

T5

T6

TI

T2

T3

T4

T5

T6

TI

T2

T3

T4

T5

T6

MáximaTemperatura

alcanzada(°C )

NEC -96NOM-001

-SEDETabla

500-3 (d)

NEC-96NOM-001

-SEDETabla

505-10 (b)

EN50-014

6. AREAS CLASIFICADAS: CÓDIGOS DE TEMPERATURA

Tabla 2

7. AREAS CLASIFICADAS SEGÚN LA NORMA IEC

La Norma Europea IEC 79-10 divide las áreas peligrosas en tres zonas:

• ZONA 0: áreas en las cuales una atmósfera explosiva está constantemente presente o puede presentarse por largos períodos de tiempo.

• ZONA 1: áreas en las cuales una atmósfera explosiva puede presentarse ocasionalmente por períodos cortos durante condiciones normales de operación.

• ZONA 2: áreas en las cuales una atmósfera explosiva puede presentarse solo raras veces.

Ver tabla 3

5. LUMINARIAS Y ARTEFACTOS DE ILUMINACIÓN: PLACA DE DATOS DEL PRODUCTO CON LISTADO U. L.

• Número de catálogo completo

• Estas luminarias deben estar certificadas por un organismo nacional o internacional reconocido (Listado U. L.)

• Área clasificada Adecuada: la clasificación de la luminaria debe ser superior o igual a la del lugar:

• Clase I, División 2: Rango “T”; Clase II, Grupos E, F,G: Rango “T”.

• El código de temperatura debe ser menor que la temperatura de ignición del material combustible o combustible involucrado

• Temperatura ambiente 40 ºC

• Datos eléctricos:

• Información de la lámpara

• Voltaje primario

• Corriente de operación

• Factor de potencia (90% mín.) y frec. de operación (50 ó 60 Hz)

• Encerramiento y corrosión (NEMA 4X)

• Cable de alimentación a utilizar

161ELÉCTRICA


Grupo MaterialVernota

TAITemperaturade autoignición

P.I.Punto deinflamación

Límites de explosividadporciento en volumen

Densidadde vapor

(aire igual a 1)

A

B

B(C)

B

Acetileno

Aceite y combustibledel proceso del gas( conteniendo más de30% de H2 en volumen)

Acroleina (inhibidor)

Hidrógeno

1

2

1

1

305

235

520

gas

-26

gas

2.5

2.8

4.0

100.0

31.0

75

0.9

1.9

0.1

Tabla 3

DIVISIÓN 1

ZONE 0

ZONE 1

ZONE 2DIVISIÓN 2

Áreas clasificadas según la Norma IEC

7.1 Técnicas de protección contra explosión según IEC/CENELEC

• Seguridad aumentada (Ex) e

• A prueba de llama (Ex) d

- La envolvente será capaz de resistir una explosión interna

• Son aparatos que no producen arcos o chispas o no generan temperaturas lo suficientemente altas para causar la ignición durante la operación

• Usada para terminales eléctricas, motores, transformadores y luminarias

• Evita los puntos calientes arriba de la clasificación de temperatura

• Mayores distancias entre elementos en comparación con una instalación normal

• Materiales especiales de aislamiento

• Terminales que evitan el aflojamiento

• Seguridad intrínseca (Ex) i

• No libera energía eléctrica o térmica suficiente para inflamar cualquier mezcla adyacente

• Encapsulamiento m

• Las partes que podrían encender la atmósfera explosiva son encapsuladas en una resina suficientemente resistente a las influencias del medio ambiente

• Envolvente antideflagrante

• Protection mínima IP 54

• La envolvente deberá soportar la explosión interna sin sufrir avería en su estructura

• La transmisión de la explosión se previene por la trayectoria de las juntas de la envolvente

• Aparatos presurizados (Ex) p

• Inmersión en aceite (Ex) o

• Encapsulados en arena (Ex) q

• Las partes que podrían encender la atmósfera explosiva son encapsuladas en una resina suficientemente resistente a las influencias del medio ambiente

• No arqueo (Ex) n

• Envolventes con respiración restringida

• Aparatos que no producen arcos o chispas o generan temperaturas lo suficientemente altas como para causar la ignición durante su operación normal

162 ELÉCTRICA

Jorge Olivera

1

2

3

4

5

6

7

9

10

11

12

13

14

15 16

17

1.- Switch o interruptor de corte2.- Caja de paso3.- Centro de control de motores4.- Caja o panel5.- Caja de paso6.- Tomacorriente 7.- Sello cortafuego en tuberías8.- Unión Universal9.- Acoples flexibles

10.- Equipo de iluminación para exteriores11.- Equipo de iluminación para interiores12.- Equipo de iluminación con lámparas fluorescentes13.- Equipo de iluminación con lámparas fluorescentes14.- Tablero de distribución para áreas clasificadas15.- Estación manual (botonera)16.- Estación manual con piloto17.- Caja o panel con visor

8. CRITERIOS PARA LA DEFINICIÓN DE AREAS CLASIFICADAS

DIMENSIÓN API (mts.)

DIMENSIÓN PEMEX (mts.)

División 2 7.50 8.00 N° 20 / N° 21 N° 1

Más otra área en el mismo plano,que se extiende horizontalmentehasta…… mts. de la fuente de peligro:

15.00 15.00 N° 20 / N° 21 N° 1

7.50 8.00 N° 20 / N° 21 N° 1

se extiende horizontalmente hasta 30mts.De la fuente de peligro. (Solo en lugaresen donde pueden ocurrir liberacionesapreciables de productos inflamables).

0.60 0.60 N° 20 / N° 21 N° 1

Rectangular

CLASIFICACIÓN DE ÁREAS PELIGROSAS PARA LA SELECCIÓN DEL EQUIPO ELÉCTRICO (REFINERÍAS) - API 500/PEMEX

DESCRIPCIÓN (Según PEMEX)

PRODUCTO DENTRODE LUGARES

ADECUADAMENTEVENTILADOS Y QUE

CONTIENENSISTEMAS CERRADOS

UBICACIÓN DELPRODUCTO

INFLAMABLE

CLASIFI-CACIÓN

TIPO DEÁREA

NRO DEFIGURA API

500

PRODUCTOMÁS

PESADOQUE EL AIRE

TIPO DEPRODUCTO

NRO DE FIGURA PEMEX

DIMENSIONES

Se debe extender…mts. hacia arriba y hacialos lados a partir de la fuente de peligro

y verticalmente hasta ….. mts.de altura sobre el piso.

Ferretería y equipamiento para áreas clasificadas

8

163ELÉCTRICA


División 2

División 2

División 2

División 2

División 2

División 1

División1

PRODUCTOMÁS

LIGERO QUE EL AIRE


ADECUADAMENTE VENTILADOS Y QUE

CONTIENEN SISTEMAS CERRADOS (Para

locaciones con techo, como shelters de

compresores)

PRODUCTO DENTRO DE LUGARES

INADECUADAMENTE VENTILADOS Y QUE

CONTIENEN SISTEMAS CERRADOS (Caso 1)

PRODUCTO DENTRO DE LUGARES

INADECUADAMENTE VENTILADOS Y QUE

CONTIENEN SISTEMAS CERRADOS (Caso 2)

Área rectangular peligrosa (Para locaciones de proceso)

Área rectangular peligrosa (si la fuente de peligro se encuentra a menos de 5 m de la altura)

Rectangular

Rectangular

Rectangular

Rectangular

En el interior del sistema

cerrado (Edificio, etc)



En el exterior del techo del cobertizo, un area que se extiende ……..metros, hacia los lados de las ventanas, ventilas o aberturas exteriores en el techoY en el plano vertical,…….. metros hacia arriba de estas aberturas existentes en el techo y hacia abajo hasta el nivel exterior del techo.

Dentro de la locación el area deberá tener unadivisión 2

y …. mts hacia abajo y hacia los lados, apartir de la fuente de peligro.

En el interior de la locación, desde el techo hasta el piso será un área Clase 1, División 1

En el interior de la locación, se considera en su totalidad como un área Clase 1, División 2.

En el exterior del techo del cobertizo, se debe considerar un área clase I, División II hasta…….. metros, del techo del cobertizo en todas las direcciones.

Se debe extender……mts. hacia arriba

y hasta…… metros a los lados externos de las paredes del cobertizo en el plano vertical. y …… metros hacia abajo del límite inferior de las paredes del cobertizo.

Se extiende un área Clase 1, División 2, horizontalmente…….. metros hacia los lados de la fuente de peligro , o cuando esta se encuentre colocada a menos de 5 m. considerar esta altura.

4.50

7.50

7.50

4.50

4.50

3.00

0.60

4.50

3.00

5.00

8.00

8.00

5.00

5.00

3.00

0.60

5.00

3.00

N° 23

N° 23

N° 23

N° 24

N° 24

N° 25

N° 25

N° 25

N° 25

N° 25

N° 26

N° 26

N° 14

N° 14

N° 14

N° 2

N° 2

N° 15

N° 15

N° 15

N° 15

N° 15

N° 7

N° 7

Rectangular

División1



Todo elsistemacerrado

Todo el sistemacerrado

N° 22 N° 6

Division 2 3.00 3.00 N° 22 N° 6

15.00 15.00 N° 22 N° 6

7.50 8.00 N° 22 N° 6

30.00 30.00 N° 22 N° 6

PRODUCTOMÁS

PESADOQUE EL AIRE


INADECUADAMENTEVENTILADOS Y

QUE CONTIENENSISTEMAS CERRADOS

y …… metros de altura sobre el nivel piso.

Se debe agragar una area Div 2 que se extienda horizontalmente hasta …… metros de la fuente de peligro

Debe agregarse otra área Div 2 de 0.60m de altura que se extendera horizontalmente hasta una ……. metros, para los lugares donde se considere que el escape o liberación de productos puede ser considerable

A esta área de Div. 1, le rodeara en cualquier plano una Div. 2, que llega ……. metros de distancia en todas las direcciones.

Lugares cerrados donde puedan existir fugas apreciables de materiales combustibles, mas pesados que el aire, a través de retenes sellos o empaques o donde se trasvasen liquidos inflamables, deben considerarse como area peligrosa de la Division 1.

DIMENSIÓN API (mts.)

DIMENSIÓN PEMEX (mts.)

CLASIFICACIÓN DE ÁREAS PELIGROSAS PARA LA SELECCIÓN DEL EQUIPO ELÉCTRICO (REFINERÍAS) - API 500/PEMEX

DESCRIPCIÓN (Según PEMEX)

UBICACIÓN DELPRODUCTO

INFLAMABLE

CLASIFI-CACIÓN

TIPO DEÁREA

NRO DEFIGURA API

500

TIPO DEPRODUCTO

NRO DE FIGURA PEMEX

DIMENSIONES

Estarán rodeados, en cualquier plano vertical , por área de la División 2, que llega hasta……metros de distancia en todas las direcciones, a partir del límite del área de la división 1.

Nota: Ver las dimensiones de los puntos suspensivos de la columna DESCRIPCIÓN, en las columnas DIMENSIÓN API Y DIMENSIÓN (PEMEX) respectivamente.

JAIME CARVALLO GARCÍA

Ingeniero Electricista colegiado con 40 años de experiencia profesional. Veinticinco años de experiencia en diseños eléctricos para plantas mineras. Desde sus inicios como profesional ha participado en proyectos en las áreas de generación, transmisión y distribución de energía en media y baja tensión, en su mayoría orientados al sector minero de gran envergadura. Entre los principales proyectos en los que ha intervenido podemos citar los siguientes: Planta Concentradora de Tintaya, Planta Concentradora de Ares, Planta Concentradora de Iscaycruz, Planta Concentradora de Cerro Verde, Planta de Aglomeración de Plomo de Centromin, Plantas de Ácido de Cobre y Plomo de Doe Run, etc.

Su experiencia con GMI S. A. data del año 1993, cuando desempeñó el cargo de Ingeniero Eléctrico Senior en la ejecución de la Ingeniería de Detalle de la planta concentradora de Oro Ares para la compañía Minera Ares. Ha participado en numerosos proyectos como parte del equipo de GMI, destacando siempre por su profesionalismo y profundo conocimiento de la materia.

WILLY TRINIDAD NATIVIDAD

Ingeniero Electricista egresado de la Universidad Nacional de Ingeniería. Con estudios en Protección Catódica, así como también en Gerencia de Proyectos. Actualmente cursa una maestría en Sistemas Eléctricos de Potencia.

Trabaja en GMI Ingenieros Consultores desde el año 2007; actualmente se desempeña como Ingeniero de Diseño de la parte Eléctrica, en el desarrollo de proyectos en media y baja tensión para el rubro de minería e hidrocarburos, en etapas de ingeniería básica y detalle.

En su experiencia laboral se destaca el haber sido Jefe de Disciplina del Proyecto Topping Plant (Pluspetrol) el año 2008.

CÁLCULO Y DIMENSIONAMIENTO DE

PANELES SOLARES Y BATERÍAS

Jaime Carvallo García y Willy Trinidad NatividadGMI S. A. Ingenieros Consultores

166 ELÉCTRICA

Jaime Carvallo y Willy Trinidad

CENTRAL FOTOVOLTAICA

Paneles de silicioTorre meteorológicaUnidad de monitoreoSala de controlSala de potenciaArmario de corriente contínua

InversionesArmario de protección ycontrol de la corriente alternaTransformadoresLínea de transporte de energìa

1

2

3

4

56

7

8

9

10

2

1

3

4

5

67

8

910

1. SISTEMA FOTOVOLTAICO

Es el conjunto de componentes mecánicos, eléctricos y electrónicos que concurren para captar la energía solar disponible y transformarla en utilizable como energía eléctrica.

CÁLCULO Y DIMENSIONAMIENTO DE PANELES SOLARES Y BATERÍAS

Figura 1

PANEL SOLAR

REGULADOR

Salida opcionalAccesorios 12 V.

Batería 12 V.

Hacia el conversor 12 V. en 220 V.

Conexiónpanel solar Conexión batería

Figura 2

167ELÉCTRICA


1.1 Componentes

• Generador fotovoltaico: encargado de captar y convertir la radiación solar en corriente eléctrica mediante módulos fotovoltaicos.

• Baterías: almacenan la energía eléctrica variable producida por el generador fotovoltaico para poder utilizarla en períodos en los que la demanda exceda la capacidad de producción del generador fotovoltaico.

• Regular de carga: encargado de proteger y garantizar el correcto mantenimiento de la carga de la batería y evitar sobretensiones que puedan destruirla.

• Inversores de la energía eléctrica: encargados de transformar la corriente continua producida por el generador fotovoltaico en corriente alterna, necesaria para alimentar algunas cargas o para suministrarla a la red de distribución eléctrica.

• Elementos de protección: como interruptores, diodos de bloqueo, etc., dispuestos entre los diferentes elementos del sistema para su protección en caso de sobrecargas o cortocircuitos.

• En algunos casos, un generador auxiliar: para complementar la energía del generador fotovoltaico cuando este no pueda mantener la demanda y el suministro no pueda ser interrumpido.

1.2 Diagrama de configuración

CARGAS ENCORRIENTECONTINUA (DC)

CARGAS ENCORRIENTEALTERNA (AC)

Load

ChargeController

Battery

Inverter Load

ChargeController

Battery

.. conductores: Es considerada en los cálculos.

CARGAS AC CON RESPALDO DE GENERADOR

Load

PowerConditioning

Battery

DC power AC power

Generator

Gráfico 1

Gráfico 2

η

ηcc

ηb

ηcc

ηb

η i

168 ELÉCTRICA


2. CONVERSIÓN DE ENERGÍA SOLAR EN ELECTRICIDAD

• La conversión directa de la energía solar en energía eléctrica se debe a la interacción de la radiación luminosa con los electrones en los materiales semiconductores, fenómeno conocido como efecto fotovoltaico.

• La conversión de la radiación solar en corriente eléctrica tiene lugar en la célula fotovoltaica. Una célula fotovoltaica es un dispositivo formado por una lámina de material semiconductor, generalmente de forma cuadrada, con una superficie de aproximadamente 100 cm2.

• Los paneles o módulos fotovoltaicos son un conjunto de células conectadas convenientemente y montados sobre un soporte metálico de aluminio anodizado, que confiere al panel rigidez y protección mecánica.

Los electrones que forman parte del exterior de los átomos son golpeados por los fotones (interaccionan), liberándose de los átomos a los que estaban originalmente confinados. Esto les permite, posteriormente, circular a través del material y producir electricidad. Las cargas positivas complementarias que se crean en los átomos que pierden los electrones (parecidas a burbujas de carga positiva) se denominan huecos y fluyen en el panel solar en el sentido opuesto al de los electrones.

2.1 Irradiación solar

• Irradiancia: es la medida de la densidad de potencia de la luz solar; se mide en W/m2. La irradiancia es, por lo tanto, una cantidad instantánea.

• Irradiación: es la medida de la de la densidad de energía de la luz solar; se mide en kWh/m2. Desde

2.2 Paneles fotovoltaicos

Factores determinantes:

• La potencia máxima o potencia pico (WP) es la máxima potencia que puede dar el panel con una irradiancia de 1000 W/m2.

• La corriente máxima (Im) es la corriente que suministra el panel a potencia máxima. Es esta corriente la que determina la cantidad de paneles requeridos, y no la potencia.

• La tensión máxima (Vm) es la tensión que da el panel a potencia máxima.

• La corriente de cortocircuito (ISC) es la corriente límite que puede dar el panel fotovoltaico con tensión nula en sus terminales, esto es, cuando se ponen en cortocircuito sus terminales.

• La tensión en vacío (VOC) es la tensión que genera el panel sin carga (en vacío).

• La potencia generada por un panel es directamente proporcional a la irradiancia que recibe; en consecuencia, varía durante el transcurso del día y es fuertemente afectada por las condiciones climáticas, día nublado, lluvioso, etc.

• La máxima potencia o potencia pico que dan los fabricantes de paneles solares no se debe interpretar como una potencia constante que da el panel durante las horas de sol, sino solo entre aproximadamente las diez de la mañana y las dos de la tarde, y con una irradiación de 1000 W/m2

que la energía es la integración de la potencia en un espacio de tiempo dado, la irradiación es la integral de la irradiancia. Normalmente, el tiempo de integración es igual a las horas de sol de un día.

• Horas pico de sol: es el número de horas a un nivel de irradiancia de 1000 W/m2 necesarias para producir la irradiación diaria total en un punto determinado de la superficie de la Tierra. Se obtiene simplemente dividiendo la irradiación promedio diaria o mensual, según sea el caso, por 1000 W/m2; lo cual corresponde a la integración de la irradiación diaria sobre todas las horas de sol del día, o a la irradiación promedio mensual sobre todas las horas de sol del mes.

2.3 Ángulo de declinación

Movimiento de la Tierra alrededor del Sol

En su rotación alrededor del Sol, la Tierra efectúa dos movimientos, uno alrededor de su eje polar, de un día de duración; y otro alrededor del Sol en un plano llamado “plano de la elíptica”, de un año de duración.

Figura 3

contacto frontal

contacto posterior

fotones

siliconatipo N

siliconatipo P

+ - + - + -

169ELÉCTRICA


Figura 4

Declinación solar

Es el ángulo que forma el eje polar de la Tierra con el plano de la elíptica. Este ángulo varía por efecto de la rotación de la Tierra con respecto a su eje y con respecto al Sol, y es uno de los ángulos que origina que la radiación solar no sea perpendicular a la tangente de la superficie de la Tierra en el punto donde se la mide.

El ángulo de declinación solar varía continuamente a lo largo del año, entre un máximo de +23.450 y un mínimo de –23.450. Esta variación del ángulo de declinación origina que también varíe el ángulo de incidencia de la luz solar sobre la superficie de la Tierra y, en consecuencia, que varíe la irradiancia, por no ser perpendicular a los paneles ubicados en la Tierra.

DECLINACIÓNEJE POLAR

TIERRA

-23,5° DECLINACIÓN + 23,5

DECLINACIÓN

PLANOECUATORIAL

PLANOECLÍPTICO

23,5°23,5°

SOL

Equator

North Sunlight

Axis parralelto the sun´slight

δ

δ

The tilt of the earth compared to the sun, given by the declination angle, depensd on the season. Shown here is the maximum declination angle, occuring at summer solstice in the nothern hemisphere and winter solstice in the winter hemisphere

Equator

NorthLattitude ofInterest φ


δ

δφ

Zenith angie, ζζ= φ − δ

Array tiltSun altitude

Array Tilt & Sun Altitude Angles.

Figura 5

Figura 6

Figura 7

170 ELÉCTRICA


Valor del ángulo de declinación

El ángulo de declinación está dado en función del día del año por la ecuación:

Donde:

d = es el número del día a lo largo del año; comenzando a contar a partir del 1 de enero y considerando que febrero tiene 28 días, con lo que el 365 corresponde al 31 de diciembre.

El ángulo de declinación alcanza su máximo valor (+23.450) en el día en el que comienza el verano, denominado solsticio de verano. Es nulo en los días en los cuales comienzan la primavera y el otoño, denominados equinoccios. Alcanza su mínimo valor de (-23.450) en el día en el cual comienza el invierno, denominado solsticio de invierno.

2.4 Ángulo de elevación o altitud

Movimiento de la Tierra alrededor del Sol

• El ángulo de elevación o de altitud es el ángulo formado por la posición aparente del Sol en el cielo

con la horizontal del lugar. Varía a través del día; es 00 al salir el Sol y obtiene su máximo valor al mediodía solar.

• La máxima elevación que alcanza el Sol en un lugar determinado de la superficie de la Tierra depende de la latitud del lugar y del día del año (estación). Es más grande en el solsticio de verano, cuando es igual a la latitud del lugar más la máxima declinación de 23.45, y más pequeño en el solsticio de invierno, en donde es igual a la latitud menos la máxima declinación (23.45).

• El máximo ángulo de elevación o altitud se puede determinar a partir del ángulo de declinación y de latitud del lugar, y está dado por la ecuación :

Donde:

αmax = es el máximo ángulo de elevación o altitud del lugar en el día considerado.

= ángulo de latitud del lugar (fijo en el tiempo).

= ángulo de declinación en el día considerado.

= más para el hemisferio norte y menos para el hemisferio sur.

proyección de latrayectoria

del Sol

trayectoriaaparentedel Sol

ángulo acimutal

ángulo zenital

altura solar

ZENIT LOCAL

NADIR

NS

vert

ical

del

luga

rpu

esta

del

sol

salid

a de

l sol

horizonte

O

E

+ Ψ Ψsγs

θzs

− Ψ

sol

Figura 8

171ELÉCTRICA


Equator

NortLattitude ofInterest φ


δ

δφ

Zenith angie, ζζ= φ − δ

Array tiltSun altitude

Array Tilt & Sun Altitude Angles.

Figura 9

Figura 10

2.5 Efecto de la inclinación de los paneles solares

• La máxima potencia que genera una celda fotovoltaica ocurre cuando su superficie es normal a la luz solar incidente, pero como el ángulo de posición del Sol está continuamente cambiando, un panel fotovoltaico con inclinación fija captura solamente una fracción de la potencia total irradiada en el año.

• Se recomienda que la inclinación de los paneles nunca sea menor de 15o debido a que, cuando están colocados horizontalmente, acumulan polvo y humedad. En zonas donde existe nieve y hielo es conveniente inclinar los paneles un ángulo superior a 65o durante la época de nieve.

• Cuando la carga es constante o ligeramente variable durante el año, el máximo de potencia generada por los paneles fijos normalmente se obtiene cuando el ángulo de inclinación de los mismos con respecto a la horizontal es igual al valor promedio mensual o anual de:

Donde:

= ángulo de inclinación más conveniente con respecto a la horizontal, de los paneles solares.

= ángulo de latitud del lugar (fijo en el tiempo).

= ángulo de declinación promedio mensual o anual, según se quiera fijar la inclinación más conveniente para el peor mes o para un año.

2.6 Clases de paneles

E

N

S

w

Tilt

Azimuth

PV array facing south at fixed tilt

Figura 11

Figura 12

N

ES

W

Axis of rotation

One axis tracking PV arraywith axis oriented south.

Azimuth

Tilt

172 ELÉCTRICA


N

ES

W

Axis of rotation

Axis of rotation

Two-axis tracking PV array

Tilt

Figura 13

2.7 Baterías

• Tipos:

• De plomo ácido

• De níquel cadmio

• Las características que definen el comportamiento de una batería son fundamentalmente:

• Capacidad de descarga en Amperios hora (Ah)

• Profundidad de descarga

• Vida útil en ciclos

• Capacidad en Amper hora. Se define como la cantidad de electricidad que puede obtenerse durante una descarga completa de la batería plenamente cargada. Es el producto de la intensidad de descarga por el tiempo que actúa.

• Los factores que varían la capacidad de una batería son:

• Tiempo de descarga

• Temperatura de operación

• Profundidad de descarga. Se denomina profundidad de descarga al porcentaje de la capacidad total de la batería que se utiliza durante un ciclo de carga/descarga.

• Vida útil en ciclos. La vida de una batería se expresa en ciclos, que se definen como el número de veces que se produce una carga/descarga.

2.8 Cálculo de los paneles solares

• Tipos: Hay tres diferentes tipos de procedimiento de diseño de los paneles solares, los cuales dependen de la disponibilidad de datos de irradiación y del período de tiempo sobre el cual se van a realizar los cálculos:

• Cálculo para el peor mes, ya sea el de máxima carga o el de menor irradiación solar.

• Simulaciones en un tiempo base, usualmente horario o diario. Para este método se requiere conocer una detallada información de la irradiación solar: horaria o diaria. Este método permite un examen minucioso del estado de carga de las baterías.

• Reglas empíricas: que se basan en cálculos empíricos aproximados que no tienen en cuenta los parámetros dependientes de la ubicación del panel y no permiten determinar la factibilidad del sistema seleccionado.

2.9 Cálculo horario o diario

• Este método de cálculo no es aplicable en nuestro medio debido a que no se dispone de mediciones diarias u horarias de la irradiación solar. El SENAMHI solo dispone de promedios anuales de irradiación diaria y de métodos gráficos para los valores medios mensuales.

• Los valores de irradiación que suministran el SENAMHI e institutos similares de otros países son siempre de la irradiación perpendicular a la superficie de la Tierra en el lugar de medición. Se designa normalmente por Shorizontal, y su valor se da en Wh/m2.

• En los países ubicados lejos de la Línea Ecuatorial, en donde la irradiancia incidente en los paneles solares tiene un alto contenido de irradiancia difusa, las mediciones de irradiación se suelen suministrar para tres valores de inclinación; estos son:

• Inclinación = a la latitud del lugar de medición

• Inclinación = latitud – 15o

• Inclinación = latitud + 15o

2.10 Cálculo para el mes peor

• El método de cálculo del mes peor usa cargas específicas y datos de irradiación solar promedio del mes considerado.

• Sus ventajas son: cálculos simples y cortos, se requieren pocos datos iniciales, se puede calcular con una hoja Excel, no requiere de programas computacionales.

173ELÉCTRICA


2.10.1 Pasos a seguir en el cálculo del mes peor

• Efectuar un arreglo inicial de la topología del sistema conforme a la aplicación del mismo.

• De las tablas del SENAMHI, determinar el ángulo de latitud y de altitud del lugar donde se instalarán los paneles.

• Calcular la carga de cada mes del año en Ah. La carga en Ah es el producto de la carga en W por el número de horas diarias durante el cual dicha carga está presente, dividida por su tensión nominal.

• Determinar, a partir de la información disponible del SENAMHI o algún otro instituto similar, la irradiancia promedio mensual para la zona donde se ubicarán los paneles. Normalmente se da en Wh/m2.

• Si la carga es constante o ligeramente variable durante el año, determinar el ángulo de inclinación de los paneles conforme a lo indicado en el acápite 2.5. Si la carga es variable determinar, por tanteos, la inclinación de los paneles que maximice la irradiación solar en los paneles durante el mes en el cual la carga es más alta.

• Determinar el ángulo de declinación para el punto medio del mes en el lugar escogido, utilizando la fórmula dada en el acápite 2.3.

• Determinar el ángulo promedio de elevación o altitud al mediodía solar, para el lugar escogido, utilizando la fórmula dada en el acápite 2.4.

• Convierta la irradiación media mensual, de vertical a la superficie de la Tierra, a vertical sobre la superficie inclinada de los paneles solares, mediante la expresión :

• Incrementar las cargas dividiéndolas por los factores de eficiencias de los cargadores solares, inversores, convertidores, baterías, pérdidas en el cableado, etc.

• Las tensiones normalmente usadas en los sistemas fotovoltaicos son: 12, 24 y 48 VCC.

horizontal plane

Smodule

Sincident

Shorizonal

Sun´srays

solararray

α+β

α

α

β

β

• Determinar el número de horas diarias de sol. El número de horas diarias de sol se puede obtener a partir de las indicaciones dadas en el estándar IEC 61215 referente a la fabricación y pruebas de paneles solares. Según este estándar, las características de catálogo —esto es, potencia de pico, tensiones y corrientes nominales de los paneles solares— se determinan considerando que el panel recibe una irradiancia de 1000 W/m2. Luego, conforme a lo indicado en el acápite 2.1, las horas pico de sol promedio mensual son iguales a la irradiancia promedio mensual en kWh/m2 dividida por 1000 W/m2. Para los cálculos, se toma la irradiación del peor mes o el promedio anual.

Figura 14

Shorizontal =Sincidentsin(α)

Smodule =

Smodule =Sincidentsin(α+β)

Sincidentsin(α+β)

sin(α)

• Sus desventajas son: no se incluye un análisis estadístico diario de la variabilidad y disponibilidad de la energía de los paneles solares que determinen la capacidad del banco de baterías; solo se limita a promedios mensuales, lo que no siempre es lo más conveniente.

• Calcular la corriente requerida del arreglo de los paneles solares. La corriente requerida del arreglo de los paneles se calcula con la ecuación:

Donde:

FDEG = factor de desgaste de los paneles solares. Para una vida de 10 años, se suele considerar 0.9; para una vida de 20 años, 0.83

174 ELÉCTRICA


La corriente de los paneles es la corriente que genera un panel a su potencia pico. Es un dato del fabricante. Esta corriente se derratea 10% para tener en cuenta la reducción de corriente debido al polvo, humedad, etc.

• Número de paneles en serie. El número de paneles en serie es igual a la tensión del sistema (12, 24 ó 48 VCC) entre la tensión nominal del panel. La tensión nominal del panel es un dato del fabricante.

• Determinar la capacidad del banco de baterías requerido. La capacidad del banco de baterías está dada por la siguiente ecuación:

Donde:

Carga (Ah) = carga total corregida en Ah. Considera los factores de derrateo de los equipos y del cableado

Días = días de autonomía del banco de baterías

DOD = es la profundidad de descarga expresada como una fracción. Normalmente = 0.8

DT = es el factor de derrateo por temperatura. Para las baterías níquel-cadmio = 0.95

DCH = es el factor de derrateo por el ciclo carga/descarga. Normalmente = 0.9

2.11 Regulador de carga

Los reguladores de carga cumplen las siguientes funciones:

• Evitar la descarga de las baterías sobre los paneles; para ello, básicamente se emplea un diodo.

• Regular la carga y la descarga de las baterías para evitar que las baterías se sobrecarguen o se descarguen más de lo permitido.

2.11.1 Diagrama de configuración

Figura 15

solarirradiance probe

Applications of the Enerstat

ORDC use

OR

OROR

OR

ORinputAON

inputAON

Energy counter

Energy counter

Shunt 100 mV

anemometer

pre-payment

AC use

1 temperatureprobe

•Cálcular del número de paneles requeridos en paralelo. El número de paneles en paralelo se determina por la ecuación:

175ELÉCTRICA


2.11.2 Funcionamiento del regulador de carga

El regulador monitorea constantemente la tensión de las baterías. Cuando dicha tensión alcanza un valor para el cual se considera que las baterías se encuentran cargadas (aproximadamente 14.6 V para las baterías de 12 V nominales y 28.8 V para las de 24 V nominales), el regulador interrumpe el proceso de carga.

Cuando el consumo hace que las baterías comiencen a descargarse y, por lo tanto, a bajar su tensión, el regulador reconecta el generador fotovoltaico a las baterías y vuelve a comenzar el ciclo.

Estas operaciones son realizas mediante un microprocesador que, además, puede optimizar la forma en que se cargarán las baterías; para lo cual tiene la función de adaptar las características de producción del generador a las exigencias de la carga.

Durante los ciclos de carga y descarga de las baterías, la carga del sistema permanece conectada a las baterías.

2.11.3 Dimensionamiento del regulador de carga

El regulador queda definido especificando su nivel de tensión (que debe ser igual a la tensión nominal del sistema) y la corriente máxima que deberá manejar.

2.11.4 Otras funciones de los reguladores de carga

• De medición

• Control

• Supervisión remota vía ETERNET o satélite de todos los parámetros de tensión y corriente del sistema

• Indicaciones locales, mediante leds, de todos los parámetros de tensión y carga de la red

• Regulación

• Protección

• Corriente y tensión de la carga, de los paneles solares y de las baterías

• Irradiación solar diaria

• Energía suministrada por los paneles solares y la consumida por la carga

• Arranque y conexión remota de un grupo electrógeno de respaldo

• De la carga de las baterías por desconexión de la carga

• Sobrecargas forzadas periódicas de las baterías

• Contra sobrecorrientes

• Contra sobretensiones

• Contra sobretensiones transitorias

• Inversión de polaridad

MIGUEL BUSTINZA RODRÍGUEZ Ingeniero Electricista egresado de la Universidad Nacional de Ingeniería en 1985 (CIP 51100). Con experiencia en proyectos de instalaciones mineras e industriales, líneas de transmisión, electrificación rural, sistemas de distribución y utilización de energía eléctrica. Capacitado por Doble Engineering Co. (Boston Massachussets-EE. UU.) en programas de mantenimiento preventivo de subestaciones y uso de equipos para pruebas en media y alta tensión. Expositor en seminarios profesionales en la Universidad Nacional de Ingeniería, Colegio de Ingenieros del Perú y otros. Ex docente universitario. Actualmente, se desempeña como Jefe de Disciplina en GMI S. A., contribuyendo con su experiencia a planificar y dirigir los diseños eléctricos de algunos proyectos encomendados a GMI, asegurando la calidad de los mismos.

177ELÉCTRICA


CRITERIOS PARA LA COORDINACIÓN DE

AISLAMIENTO ELÉCTRICO Y SELECCIÓN DE

PARARRAYOS EN REDES DE MEDIA TENSIÓN

Miguel Bustinza RodríguezGMI S. A. Ingenieros Consultores

178 ELÉCTRICA

Miguel Bustinza

T odo sistema eléctrico está propenso a que se presenten sobretensiones anormales, sea como consecuencia de una falla eléctrica, una

maniobra o como producto de un fenómeno externo imprevisto, como la caída de un rayo en la instalación misma o en las proximidades de esta. Por tanto, los equipos a ser instalados en estos sistemas deben ser capaces de soportar los esfuerzos eléctricos a que son sometidos por el sistema, producto de las sobretensiones referidas.

El objetivo de esta presentación es mostrar una guía práctica y resumida sobre la aplicación de los criterios de la coordinación del aislamiento eléctrico en la selección de pararrayos en redes de distribución de media tensión, considerando como bases las normas y bibliografía presentadas al final del tema y la experiencia propia del autor.

1. ¿QUÉ ES LA COORDINACIÓN DEL AISLAMIENTO?

En una instalación ideal, el nivel de tensión que pueden soportar los equipos debe ser mayor o igual a la máxima sobretensión que se puede generar en el sistema. Dadas las magnitudes que pudieran llegar a tener estas sobretensiones, esta consideración resulta muchas veces en instalaciones onerosas. Se requiere, por tanto, determinar el nivel óptimo de aislamiento que deben tener los equipos, de manera que se puedan tener instalaciones seguras y económicamente factibles, considerando probabilidades de fallas e instalando dispositivos de protección que atenúen las sobretensiones originadas por estas fallas o por maniobras de operación.

La coordinación del aislamiento eléctrico es, entonces, el arte de correlacionar los niveles de aislamiento de los

CRITERIOS PARA LA COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO ELÉCTRICO Y SELECCIÓN DE PARARRAYOS EN REDES DE MEDIA TENSIÓN

equipos y los esfuerzos eléctricos que les impone el sistema, considerando todas las sobretensiones que pueden generarse, las características ambientales del área de la instalación y la respuesta de los dispositivos de protección, con el fin de obtener instalaciones seguras, económicas y con riesgo de falla aceptable.

Estrictamente, la coordinación del aislamiento requiere de métodos estadísticos que consideren riesgos y probabilidades de fallas; pero también es posible usar algún método determinista considerando normas internacionales, como en el caso de las redes de media tensión. En la práctica, los niveles del aislamiento a considerarse en el diseño de los equipos se encuentran normalizados y, por tanto, en algunos casos la selección se reduce a definir la norma con la cual se va a diseñar.

2. SOBRETENSIONES EN UN SISTEMA ELÉCTRICO

En un sistema eléctrico comúnmente se presentan los siguientes tipos de sobretensiones:

2.1 Sobretensión temporal a frecuencia industrial

Sobretensión a baja frecuencia de duración relativamente larga, cuya frecuencia puede ser distinta de la frecuencia de operación de la red.

• Tiene origen interno.

• Las causas pueden ser fallas a tierra o pérdidas de carga.

179ELÉCTRICA

CRITERIOS PARA LA COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO ELÉCTRICO

48 Hz ≤ f ≤ 62 Hz10 Hz f < 500 Hz

3600 s Hz ≥ υ ≥ 0.03 sυ= 60s

KST U

tt

U

Th

tTime (µs)

Tr

100

50

Volta

ge (%

)

0

2.2 Sobretensión transitoria de impulso de origen externo

Sobretensión unidireccional suscitada ante una descarga atmosférica, que puede ser representada por una onda típica de frente rápido, compuesta por un tiempo de cresta comprendido entre 0.1 y 20 μs y un tiempo de cola igual o inferior a 300 μs.

• Inducidas por descargas de rayo.

• Descargas de rayo directas.

Gráfico 1 Fuente: Obtenido del curso de Alta Tensión (UNI)

Gráfico 2: Onda típica de sobretensión por rayo según estándar IEEE 1313.1

2.3 Sobretensión transitoria de impulso de origen interno

Sobretensión oscilatoria, usualmente producto de una maniobra de operación, que puede ser representada por una onda típica de frente lento, con un tiempo de cresta comprendido entre 20 y 5000 μS y un tiempo de cola igual o inferior a 20 μS.

• Sobretensiones por maniobra.

• Se presenta en sistemas de alta tensión.

Sobretensiones por rayo (Tr = 0.1-20μs, Th < μs; donde Tr es el valor de cresta y Th el tiempo medio)

180 ELÉCTRICA

Miguel Bustinza

Gráfico 3: Onda típica de sobretensión por maniobra según estándar IEEE 1313.1

Th Time (µs)Tr

100

50Vo

ltage

(%)

0

Sobretensiones por maniobra (Tr = 20-5000 μs, Th < 20,000 μs; donde Tr es el valor de cresta y Th el tiempo medio)

3. CURVA TENSIÓN CRÍTICA DE DESCARGA-TIEMPO

Gráfico 4:Fuente: Curso sobre Para-raios (Franco Engenharia-Sao Paolo)

Característica tensión crítica de descarga x tiempo para un material aislante

Onda de impulso de descargas atmosféricas

Sobretensoes de manobra

Vd(tV)

(

Sobretensoes de 60 Hz(

t (µs)

En el gráfico anterior se puede apreciar la curva de aislamiento que debe tener un equipo, considerando los diferentes tipos de sobretensiones. En el gráfico siguiente se muestran los diferentes tipos de disrupciones que se pueden suscitar:

181ELÉCTRICA


4. NIVEL DE AISLAMIENTO SEGÚN STD IEEE 1313 .1

Gráfico 5:Fuente: Obtenido del curso de Alta Tensión (UNI)

1,15 UBIL

KV

UBIL

Um

Un

0.83 UBIL

UCDA = UFOV

Disrupciónen el frente

Disrupciónen la cresta

Disrupciónen la cola Disrupción

crítica 50%

Característicastensión-tiempo

Tiempo defalla crítica

10 100 1000

µs

tr

t

15

16.2

36.2

48.3

72.5

121

145

169

242

34

50

70

95

95140

140185230

230275325

230275325

275325360395480

95110

150

200

250

250350

350450550

450550650

550650750

650750825900975

1050

Basic Ughtning impulse insulation

level(phase - to - ground)

BIL

kV, crest

Low - frequeneyshurt - duration

withstand voltage(phase - to - ground)

kV, rms

Maximun systemvoltage

(phase - to - phase)Vm

kV, rms

Tabla1: Standar withstand voltages for Class I(15kV Vm ≤ 242kV)

Table 1 and 2 show for a given maximum rated voltage the posibility of choice from several withstand voltages. The choice should be based on the insulatyion coordination procedure.

The withstand voltages in tables 1 and 2 are phase to ground voltages. With some equipment, the phase-to-phase withstand voltage (i.e., test voltages) can be the same as the phase to ground withstand voltage (e.g., with three-phase tranformers). With other equipment, the phase-to-phase insulation level is undefined (e.g., support insulators), and the withstand voltage is dictated by the desing of the assembly (i.e., air clearances between phases and to ground). It is necessary to establish the phase-to-phase insulation level, or required clearances, by the insulation coordination procedure.

182 ELÉCTRICA

Miguel Bustinza

5. NIVEL DE AISLAMIENTO SEGÚN NORMA IEC 60071 -1

0,6* (nota 1)

1,2*

3,6

7,2

15

15*

17,5

24

36

52

72,5

92,4

123

145

170

245

4*

10

10

20

28

34

38

50

70

95

140

150*

185

(185)

230

(185)

230

275

(230)

275

325

(275)

(325)

360

395

460

30*

2040

4060

907595

95110*

7595

95125145

145170

200*

250

325350*

380*

450

450

550

(450)

550

650

(550)

650

750

(650)

(750)

850

950

1050

Tensao maxima doquipamento

Um

Tensao auportavelnormalizada de

frequencia fundamentalde curta duracao

Tensao suportavelnormalizadade impulso

atmosferico

Tabla2: Niveis de isolamento normalizados para1kV Um ≤ 245kV

6. CRITERIOS PARA SELECCIONAR UN PARARRAYOS

6.1 Importancia del sistema a proteger

• Clasificación ANSI

• Clase Distribución

• Clase Intermedia

• Clase Estación

• Clasificación IEC

• Clase 1

• Clase 2

• Clase 3 y 4

6.2 Altitud de la instalación

•Según Norma IEC 71-1

• Para instalaciones situadas en altitudes superiores a 1000 msnm:

Fc = 1+1.25 (H-1000) x 10-4

• Para H = 4200 msnm

Fc= 1.4

6.3 Tensión máxima de operación continua (mcov)

El pararrayos debe ser capaz de soportar permanentemente la tensión de operación continua a que le somete el sistema (MCOVSIST.); por tanto, el MCOVSIST. es el máximo valor de tensión eficaz, en frecuencia de trabajo, que puede ser aplicado continuamente al pararrayos:

MCOVSIST = (VmaxSIST/√3) x kd

Kd = factor de desbalance (entre 1.05 a 1.10)

MCOVPR ≥ MCOVSISTNOTAS

1. O nivel de isolamento correspondiente a Um = 0,6 kV so e aplicavel a secundario de transformador, cujo primario tem Um superior a 1 kV

2. Se os valores entre parentesis forem considerados insuficientes para provar que as tensoes suportavels fase - fase especificadas sao satisfeitas, ensaios adicionais de suportabilidade fase - fase sao necessarios.

* indica valores nao constantes na IEC 60071-1

6.4 Capacidad de soportar sobretensiones temporales (tov)

El pararrayos debe ser capaz de soportar las sobretensiones temporales que se presenten en el sistema durante la máxima duración que puedan tener.

183ELÉCTRICA


• TOV: amplitud de la máxima sobretensión temporal a frecuencia fundamental, depende del tiempo, tipo de aterramiento y capacidad de este para disipar fallas.

Donde

Fat = factor de aterramiento y es igual a

Fat = (VmaxftSIST durante una falla)/(VmaxftSIST en condiciones normales), que se presentan en las fases sanas durante la ocurrencia de una falla de fase a tierra.

Según el sistema de aterramiento, se encuentran en los siguientes rangos:

Sistema multiaterrizado = Fat ≤ 1.3

Sist. sólidamente aterrizado = 1.3 ≤ Fat ≤ 1.4

Sist. aterrizado por impedancia = 1.4 ≤ Fat ≤ 1.73

Sist. aislado = Fat ≥ 1.73

• Los fabricantes de pararrayos presentan curvas que relacionan el TOV que pueden soportar, en unidades de MCOV o de la tensión nominal Vn, y el tiempo de duración de soporte. Una curva típica es la mostrada en el gráfico 6.

6.5 Por coordinación de aislamiento

El pararrayos debe ser capaz de limitar las sobretensiones que puedan aparecer en el sistema por

1,8

1,7

1,6

1,5

1,4

1,3

1,2

0,1 1 10 100 1000 10000

Tempo (seg.)

p.u.

da

MCO

V

Curva de tensión a frecuencia fundamental x tiempopara un pararrayo de ZnO tipo distribución

Gráfico 6Fuente: Pararrayos de óxido de zinc sin centelladores (Catálogo KEE)

debajo de la curva de aislamiento del equipo a proteger, considerando unos márgenes de protección que debe garantizar frente a impulsos de rayo y de maniobra.

Los márgenes de protección a considerar y el porcentaje mínimo a garantizar se muestran a continuación:

• MPa: Margen de protección para onda cortada

MPa = {[1.15 BIL- (VW +ΔV)]/(VW +ΔV)}x 100%

MPa ≥ 20%

• MPb: Margen de protección para onda plena

MPb = {[BIL- (VD +ΔV)]/(VD +ΔV)}x 100%

MPb ≥ 20%

• MPc: Margen de protección para ondas de maniobra

Se da solo en sistemas de alta tensión.

MPc = {(0.83BIL- VM) /(VM)}x 100%

MPc ≥ 15%

Donde:

VW = nivel de protección del pararrayos a la onda cortada

VD = tensión residual de descarga del pararrayos

VM = nivel de protección del pararrayos a sobretensiones de maniobra

ΔV = incremento de tensión por reflexión en el cable

TOVSIST = √2 x MCOVSIST x Fat

184 ELÉCTRICA

Miguel Bustinza

6.6 Por condiciones ambientales (contaminación según norma IEC 60071-2)

Finalmente, el pararrayos debe tener una línea de fuga mínima que permita evitar cualquier contorneo que se pueda presentar a través de su superficie.

La Norma IEC 60071-2 establece la distancia de fuga mínima a considerar según el tipo del medio físico de la instalación (tabla 3)

I Light

II Medium

III Heavy

IV Very heavy

27.7

34.6

43.3

53.1

Pollutionlevel Examples of typical environments

Minimunspecific

creepagedistancenum/kV

Areas without industries and with low density of houses equipped with heating plantsAreas with low density of industries or houses but subjected to frequet winds and/or rainfallAgriculture areasMountainous areasAll these areas shall be situated at least 10 km to 20 km from the sea and shall not be exposed to winds directly from the seab

Area with industries not producung particularly polluting smoke and/or with average density of houses equipped with heating plantsAreas with bigh density of houses and /or industries but subjected to frequent winds and/or rainfallAreas exposed to wind from the sea but not too close to coasts (ar least several kilometers distant)

Areas with bigh density of industries, and suburbs of large cities with high density of heating plants producing pollutionAreas close to the sea or in any case esposed to relatively strong winds from the sca

Areas generally of moderate extent, subjected to conductive dusts and to industrial smoke producing particularly thick conductive deposistAreas generally of moderate extent, very close to the coast and exposed to sea spray or to very strong and polluting winds from the seaDesert areas, characterized by no rain for long periods, exposed to strong winds carraying sand and salt, and subjected to regular condensation

-

-

---

-

-

-

-

-

-

-

-

aUse of fertilizer by spraying or the burning of crop residues can lead to a higher pollution level due to dispersal by wind.bDistances from seacoast depend on the topography of the coastal arca and on the extreme wind conditions.

Tabla 3

7. ¿CÓMO LIMITA LAS SOBRETENSIONES EL PARARRAYOS?

El gráfico 7 muestra de manera explícita cuál es el comportamiento de una sobretensión sin pararrayos y cómo este lo limita; igualmente, se aprecia cuál sería el nivel de aislamiento del equipamiento eléctrico, considerando un margen de protección preestablecido.

185ELÉCTRICA


Gráfico 7

ONDA DE SOBRETENSIÓN(sin apartarrayos)

TENSIÓN KV

TENSIÓN DEARQUEO

NIVEL DE AISLAMIENTOTODO EL EQUIPO

TENSIÓN RESIDUALVr

5 10 15 20 25 30 35 t (µ seg)

Id

MARGEN DE PROTECCIÓN

Los márgenes de protección anteriormente tratados, la curva del pararrayos y la curva de aislamiento del equipo a proteger, se muestran en el siguiente gráfico:

Gráfico 8Fuente: Obtenido del curso de Alta Tensión (UNI)

KV

1.65 UBIL

1.15 UBIL

UBIL = UNBA

0.83 UBIL

Ua

Ub

Frente lineal y ondas cortadas

Ondas plenas

Ondas de STM

Característicadel pararrayos

Ma Mb

Mc

t

186 ELÉCTRICA

Miguel Bustinza

8. SELECCIÓN DE PARARRAYOS

Para seleccionar un pararrayos se recomienda seguir rigurosamente los seis criterios presentados, considerando las características específicas del sistema eléctrico y los equipos a instalar.

Algunos fabricantes y normas presentan tablas que recomiendan el pararrayos a usar según el sistema eléctrico que se tenga. Se recomienda usar estas tablas de manera referencial, ya que podría suceder que, para un sistema en particular, se obtengan diferentes resultados.

2400

4160Y/2400

4260

4800

6900

8320Y/4800

12000Y/6930

12470Y/7200

13200Y/7620

13800Y/7970

13800

20780Y/12000

22860Y/12000

23000

24940Y/14400

27600Y/15935

34500Y/19920

2540

4400Y/2540

4400

5080

7260

8800Y/5080

12700Y/7330

13200Y/7620

13970Y/8070

14520Y/8388

14520

22000Y/12700

22000Y/12700

24340

26400Y/15240

29255Y/16890

36510Y/21080

3(2.55)

6(5.1)

9(7.65)

9(7.65) OR 10 (8.4)

10 (8.4)

10 (8.4) and 12 (10.2)

15(12.7)

15(12.7)

18(15.3)

21(17.0)

27(22.0)

6(5.1)

9(7.65)

12(10.2)

15(12.7)

15 (12.7)

15 (12.7)

21(17.0)

21(17.0)

27(22.0)

30(24.4)

30(29.0)

3(2.55)

6(5.1)

6(5.1)

6(5.1)

9(7.65)

18(15.3)

30(24.4)

Nominal voltage Maximun voltagerange B

Four-wiremultigrounded

neutral wye

Three-wire low

impedancegrounded

Three-wire high

impedancegrounded

Commonly applied arrester duty-cycle(MCOV) voltage rating (kV rms) on

distribution systems

System voltage(Vrms)

Tabla 4

• Tiempo falla = 2 seg

• Longitud de cable entre pararrayo y transformador = 5 m

• Altitud de instalación = 4200 msnm

• Contaminación ambiental = III (IEC 60071-2)

Siguiendo los criterios referidos:

a) Pararrayos Clase Intermedia

b) Instalación a 4200 msnm

Fc = 1.4

c) MCOVSIST = (24/√3) x 1.1 = 15.24kVef

MCOVPR≥ MCOVSIST

De la tabla 4 (tabla 7 de la Norma IEEE Std C62-22-1997) se selecciona el pararrayos de 21 kV y MCOVPR = 17 kV.

Se considerará el pararrayos de óxido metálico MOV AZS de Cooper, cuyas características de protección y soporte ante sobretensiones temporales se presentan en las siguientes páginas.

8.1 Ejemplo práctico de aplicación 1

Datos:

Subestación 1500 kVA-22.9/4.16 kV

• Vn = 22.9 kV

• Vmax = 24 kV

• BIL = 170 kV

187ELÉCTRICA


3

6

9

10

12

15

18

21

24

27

30

36

2.55

5.10

7.65

8.40

10.20

12.70

15.30

17.00

19.50

22.00

24.40

29.00

7.0

14.0

16.5

16.5

21.0

25.0

31.0

34.0

39.0

45.0

50.0

60.0

12/14

23/26

25/28

28/32

37/43

41/47

49/57

53/61

65/75

74/85

81/94

93/108

9.9

16.3

19.9

22.4

29.8

32.8

39.8

42.5

52.7

59.7

65.6

75.3

10.8

19.8

21.5

24.3

32.3

35.5

43.1

46.0

57.1

64.6

71.1

81.6

11.8

21.8

23.7

26.7

35.5

39.1

47.4

50.6

62.7

71.0

78.1

89.7

13.9

25.5

27.7

31.2

41.6

45.7

55.4

59.2

73.4

83.1

91.4

104.9

15.9

29.2

31.7

35.8

47.6

52.3

63.5

67.8

64.1

95.2

104.7

120.1

19.7

36.1

39.3

44.3

59.0

64.8

78.6

84.0

104.1

117.9

129.7

148.8

ArresterRating(kV ms)

MCOV(kV rms)

Minimun60 Hz

Sparkover(kV crest 2)

Front-of-waveProctective

Level*(kV crets) 1,5 kA 3 kA 5 kA 10 kA 20 kA 40 kA

Maximun Discharge Voltage (kV crest)8/20 µs Current Wave

3

6

9

10

12

15

18

21

24

27

30

36

2.8

6.6

10.4

10.4

13.2

13.2

17.9

17.9

21.7

21.7

26.4

26.4

7.1

16.8

26.4

26.4

33.5

33.5

45.5

45.5

55.1

55.1

67.1

67.1

2.0

4.5

7.0

7.0

8.9

8.9

12.0

12.0

14.4

14.4

17.5

17.5

5.1

11.4

17.8

17.8

22.6

22.6

30.5

30.5

36.6

36.6

44.5

44.5

45

60

75

75

95

95

125

125

150

150

200

200

15

21

27

27

35

35

42

42

70

70

95

95

13

20

24

24

30

30

36

36

60

60

80

80

ArresterRating(kV ms)

(In.) (In.)(cm) (cm)

Creepage Strike Insulation Withstand Voltages

1,2/50 usimpulse

(kV crest)

1 minDry

(kV rms)

10 sec.Wet

(kV rms)

Tabla 6

PROTECTIVE CHARACTERISTICSThe protective characteristics of the VariGAP Type AZS arresters are shown in Table 5

Tabla 5

INSULATIONS CHARACTERISTICSThe insulations characteristics of the VariGAP Type AZS arresters are shown in Table 6

*Number 1/Number 2 Number 1 - This is ther value of the aparkover of ther gap assembly based on a wave rising 100 kV per 12 kV of arrester rating Number 2- Based on 5 kA current impulse that results in a discharge voltage cresting in 0.5 µs

188 ELÉCTRICA

Miguel Bustinza

For-Wire WyeNult - Grounded

Neutral

Three-Wire WyeSolidy Grounded

Neutral

Delta andUngroundad

WyeNominal Maximum

System Voltage (kV rms) Recommended Arrester Rating* (kV rms)

3

6

6

6

9

-

-

-

-

-

16

-

-

30

-

-

-

-

-

6

-

-

-

9

12

15

15

15

-

21

24

-

27

30

36

-

-

3

-

-

-

6

9

9

10

10

-

15

18

-

18

21

27

36

2.54

4.4Y/2.54

4.4

5.08

7.26

8.8Y/5.08

12.7Y/7.33

13.2Y/7.62

13.97Y/8.07

14.52Y/8.38

14.52

22Y/12.7

24.2Y/13.87

24.34

26.4Y/15.24

29.3Y/16.89

36.5Y/21.08

48.3Y/28

2.4

4.16Y/2.4

4.16

4.6

6.9

8.32Y/4.8

12.0Y/6.93

12.46Y/7.2

13.2Y/7.62

13.8Y/7.97

13.8

2076Y/12.0

22.86Y/13.2

23

24.94Y/14.4

27.6Y/15.93

34.5Y/19.92

46Y/26.6

2.2

2

1.8

1.6

1.4

1.2

10.1 1 10 100 1000 104 103

TIME ( Seconds)

Per Unit MCDV

Per Unit Arrester Rating

TEMPORARYOVERVOLTAGE(TOV) CAPABILITYThe Temporary Overvoltage (TOV)capability of the VariGAP Type AZSarrester is shown in Graphic 8

PERFORMANCE TEST CHARACTERISTICSTh VariGAP Type AZS arresterconsistently withstands the following desing tests asdescribed byANSI/IEEE C62.11:

• Duty Cycle:22 current surges of 5 kA crest8/20 µs waveshape.• High-current, Short-durationDischarge:2 current surges of 56 kA crest4/10 µs waveshape.• Low-current, Long-durationDischarge:20 current surges of 75 kA crest2000 µs rectangle wave duration.

Following each of these tests, the arresters remain thermally stable asverified by:

• Continually decreasing powervalues during a thirty minutepower monitoring period.• No evidence of physical orelectrical deterioration.• The 60 Hz sparkover and 5 kA(8/20 µs) discharge voltagesmeasured after each test changed by less than 10% from the initial values.

Tabla 7

*Number 1/Number 2 Number 1 - This is ther value of the aparkover of ther gap assembly based on a wave rising 100 kV per 12 kV of arrester rating Number 2- Based on 5 kA current impulse that results in a discharge voltage cresting in 0.5 µs

Gráfico 9Ondas de STM

189ELÉCTRICA


d) TOVSIST = √2 x 15.24Kv x 1.73 = 37.29 kV

TOVPR ≥ TOVSIST

Para ir a las curvas se requiere expresar el TOV del pararrayos en función del MCOV o la tensión nominal Vn del pararrayos:

TOVPR ≥ (TOVSIST)/(√2 x MCOVPR)

TOVPR ≥ (37.29)/(√2 x 17) = 1.55 pu MCOVPR

TOVPR ≥ (TOVSIST)/(√2 x VnPR)

TOVPR ≥ (37.29)/(√2 x 21) = 1.26 pu VnPR

De la curva anterior TOV – Tiempo del fabricante = t ≥ 100 seg

Por tanto, el pararrayos tiene capacidad suficiente para soportar las sobretensiones temporales.

e) Cálculo de los márgenes de protección

De las características del pararrayo, para 21 KV se tiene:

Nivel de protección de onda cortada (VW) = 61 kV

Tensión de descarga a 10 kA (VD) = 59.2 kV

Nivel de protección de STM (VM) = 34 kV

Se considera entre un incremento de tensión unitaria en el cable por reflexión:

ΔVu = 5.2 a 6.5 kV/m, para un longitud de 5 m

ΔVL = 6.5 x 5 = 32.5 kV

MPa = {[1.15x170-(61+32.5)]/(61+32.5)}x 100%

MPa = 109.1% ≥ 20%

MPb = {[170-(59.2+32.5)]/(59.2+32.5)}x 100%

MPb = 85.4% ≥ 20%

MPc = {(0.83 x 170- 34) /(34)}x 100%

MPc = 315% ≥ 15%

f) Distancia de fuga mínima por contaminación ambiental

Grado de polución III (IEC 60071-2) = 43.3 mm/kV

Dist Fugamin = 43.3 mm/kV x MCOVSIST x Fc

Dist Fugamin = 43.3 mm/kV x 15.24 kV x 1.4

Dist Fugamin = 924 mm

De la tabla 3 de características de aislamiento del pararrayos se tiene, para 21 kV, una distancia de fuga de 455 mm, lo cual es insuficiente.

Por tanto, se requiere otro pararrayos con mayor distancia de fuga.

8.2 Ejemplo práctico de aplicación 2

Verificación con el pararrayos HSRB27 de Tyco

a) Pararrayos Clase Intermedia

Con las características de protección siguientes:

VnPR = 27 kV

VW = 79.7 kV,

VD = 73.6 kV

VM = 57.3 kV

b) Instalación a 4200 msnm

Fc = 1.4

c) MCOVSIST = 15.24kVef

MCOVPR = 21.6 kV ≥ MCOVSIST

Las características del pararrayo se presentan en la tabla 8

d) TOVSIST = 37.29 kV

TOVPR ≥ TOVSIST

TOVPR ≥ (TOVSIST)/(√2 x VnPR)

TOVPR ≥ (37.29)/(√2 x 27) = 0.98 pu VnPR

De la curva anterior TOV – Tiempo del fabricante: t ≥ 300 seg

Por tanto, el pararrayos tiene capacidad suficiente para soportar las sobretensiones temporales.

190 ELÉCTRICA

Miguel Bustinza

Tabla 8

Metal oxide arrester (ZnO)Polymeric HousingEC 60099-4Nominal dischange current: 10 kA Line Terminal

Ground TerminalMounting

Drawing: BOW-4-002

Line dischange class 2High current impulse 4/10 µs: 100 kA

1/20 µs

Energy Capability:4.5 kJkV at Ur according toEC 60099-4

Rated voltage: Ur : 27.0Uc : 21.6Tc : 32.1

1760500025396.63349304.0

kVkVkV for 1s

kV

kgm mm m

kANN

kV

Continuous operating voltage:TOV Capability:Outdoor applicationRated short circuit current:Max. App. Cant. LoadPull Strength:Impulse voltage -1,2/50 µs: Power frequency voltage- wet:Flashover Distance:Creepage Length:Approx. Weight:

5 kA679 kV 73.6 kV 812 kV 79.7 kV 53.9 kV 57.3 kV

ZnO - Surge - Arrester

HSRBP27IEC 60099-4

Uc : 21.6 kVUr : 27.0 kV

Manufacturing Year

http//energy.tycoelectronics.comPhone: +44-1011273-692591. Fax: +44-001273-601741Tyco Electronics UK Ltd. Stevenson Road, Brington East Sunssec BN2 0df England

I 40 kA10 kA class 2

BCIN

10 kA 10 kA 125 A 500 A20 kA 40 kA

(Clause 8.4.2 table 5 & 8.5.5)

Transmission Surge Arrester HSR Range

HSRBP27

Surge Arrester CharacteristIcs

Maxdmum Residual VoltageeLightning current Impulse

Power frequency voltage versus time with prior energyMarking

ENERGY DIVISION

Electronics

Bowthorpe EMP

TIME (s)

Technical Information: - Contact Product Management Brighton UK (-44 (0) 1273 692691)

RAT

IO O

F W

HIT

HST

AND

FLAT

ED V

OLT

AGE

(Ur)

VOLT

AG

E (U

W)/

1 10

1.3

1.2

1.1

1.0

0.9

0.8100 1000 10000 100000

Switching current ImpulseSteep lightningcurrent Impulse8/20 µs 30/60 µs

All of the above information, including drawings, illustrations and graphic designs, re�ects our present understanding and is to the best of our knowledge and belief correct and reliable. Users, however, should independently evaluate the suitability of each product for the desired application. Under no circumstances does this constitute an assurance of any particular quality or performance. Such an assurance is only provided in the context of our product speci�cations or explicit contractual arrangements. Our liability for these products is set forth in our standard terms and conditions of sale.

191ELÉCTRICA


e) Cálculo de los márgenes de protección:

MPa = {[1.15x170-(79.7+32.5)]/(79.7+32.5)}x 100%

MPa = 74.2% ≥ 20%

MPb = {[170-(73.6+32.5)]/(73.6+32.5)}x 100%

MPb = 60.2% ≥ 20%

MPc = {(0.83 x 170- 53.9) /(53.9)}x 100%

MPc = 161.8% ≥ 15%

f) Distancia de fuga mínima por contaminación ambiental:

Grado de polución III (IEC 60071-2) = 43.3 mm/kV

Dist Fugamin = 924 mm

De las características de aislamiento del pararrayos se tiene una distancia de fuga igual a 930 mm, la cual esta vez sí es suficiente.

Por tanto, el pararrayos HSRB27 de Tyco sí es el indicado para el sistema propuesto.

9. NORMAS APLICABLES

• IEEE Standard 1313.1-1996: Standard for Insulation Coordination. Definitions, Principles and Rules.

• IEEE Standard 1313.2-1999: Guide for Aplications of Insulation Coordination.

• IEEE Standard C62.22-1997: IEEE Guide for Application of Metal-Oxide Surge Arresters for Alternating-Current Systems.

• IEC 60-1-1989: High-Voltage test techniques.

• IEC 60-2-1994: Measuring Systems.

• IEC 60099-4: Metal-Oxide Surge Arresters without Gaps for ac Systems.

• NBR 6939-1999: Coordenacao do Isolamento. Procedimiento.


• Para seleccionar un descargador de sobretensiones (pararrayos) se requiere considerar todas los pasos planteados. Dependiendo del nivel de tensión y las características del medio a instalar, a veces, como en el caso de los ejemplos, predomina el grado de contaminación ambiental sobre la magnitud de las sobretensiones.

• Para redes de media tensión, los parámetros que definen el uso de un pararrayos son fundamentalmente su capacidad para soportar tensiones continuas (MCOV), su capacidad para soportar las sobretensiones temporales (TOV) y la resistencia que tenga para no contornear en medios de alta contaminación, con una distancia de fuga adecuada. Los márgenes de protección son más determinantes en instalaciones de alta tensión; pero siempre es necesario calcularlos para las condiciones de onda cortada y onda plena.


Curso sobre Para-raios “Aplicao em redes de distribuicao, subestacoes e linhas de transmissao, dictado por Franco Engenharia. Sao Paulo.

ABB SESWG/A 2300E, Technical Information Selection Guide for ABB HV Surge Arrester.

Curso de Alta Tensión dictado por el Ing. Justo Yanque M. Universidad Nacional de Ingeniería. Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica.

IEEE Std.C62.22.1997

Institute of Electrical and Electronics Engineers-IEEE (1997) Guide for the Application of Metal-Oxide Surge Arresters for Alternating-Current Systems. Nueva York: Surge Protective Devices Committee of the IEEE Power Engineering Society.

MECÁNICA

ESTEBAN RÍOS PITA VILLAR

Quince años de experiencia profesional en la industria de la construcción minera, procesos y mantenimiento de plantas industriales. Tiene amplio conocimiento en diseño, estimaciones, presupuestos, proyecciones, control de costos, alcances de trabajo y programación.

Además, posee experiencia en proyectos EPC, EPCM, desde estudios conceptuales, planeamiento, ingeniería hasta construcción, arranques de planta e inicio de la producción. Ha participado en proyectos “Fast Track”, en proyectos hechos en alianzas estratégicas con otras empresas y en proyectos desarrollados por esfuerzo propio.

Cuenta con conocimiento de trabajo bajo sistemas estándares nacionales e internacionales, utilizando procedimientos y buenas prácticas profesionales en las principales áreas de trabajo de los proyectos, así como en las coordinaciones de ingeniería con las áreas de control y construcción

195CIVIL


RESUMEN PARA EL DISEÑO DE LÍNEAS DE TUBERÍAS

Esteban Ríos Pita ViillarGMI S. A. Ingenieros Consultores

196 MECÁNICA

Esteban Ríos Pita


El término “pipe” se refiere a una conducción cerrada de un fluido, usualmente de sección circular. El término “pipeline” indica que

se trata de un recorrido considerable que, por lo general, contiene bombas, válvulas, equipos de control y otras facilidades. Están destinados a transportar fluidos (líquido o gas), mezcla de fluidos, sólidos, mezcla sólido-líquido, cápsulas u otros vehículos movidos por el fluido a lo largo de la tubería. Como el término pipeline implica una relativa longitud, se establece que generalmente se trata de tuberías mayores o iguales a 4” con una longitud mínima de 1.6 km.

1. CLASIFICACIÓN

Los pipelines se pueden clasificar de acuerdo con el fluido que transportan, la mecánica de fluidos, la naturaleza del lugar, el medio de apoyo y el tipo de material de la tubería

1.1 De acuerdo con el fluido o material transportado

• Líneas de agua

• Líneas de desagüe

• Líneas de gas natural

• Líneas de petróleo o crudo

• Líneas de producto (derivados de petróleo, gasolina, diesel, kerosene, etc.)

• Líneas de transporte de sólido (carbón, minerales, arenas, desperdicios, pulpa de

madera, bienes de consumo, correo, etc.)

• Otros (aire, químicos, materiales peligrosos, etc.)

1.2 De acuerdo con la mecánica de fluidos

• Flujo de fluidos incompresibles en fase simple

• Flujo de fluidos compresibles en fase simple

• Mezcla sólido-líquido en flujo bifásico (hidrotransporte)

• Mezcla sólido-gas en flujo bifásico (transporte neumático)

• Mezcla gas-líquido en flujo bifásico

• Cápsulas en flujo bifásico

• Fluidos no newtonianos

1.3 De acuerdo con la locación

• Pipelines marinos

• Pipelines sobre tierra

• Pipelines en planta industrial

• Pipelines cruzando el campo (overland)

1.4 De acuerdo con el medio de apoyo

• Pipelines enterrados

• Pipelines apoyados directamente sobre terreno

197


MECÁNICA

• Pipelines apoyados mediante soportes sobre terreno

• Pipelines marinos

1.5 De acuerdo con el material de la tubería

• Acero al carbono

• Fibra de vidrio

• Hierro

• Plásticas

• Concreto

• Otras

2. NORMAS APLICABLES AL DISEÑO

Las normas del American Standart Institute y la American Society of Mechanical Engineers ANSI/ASME son las más aplicadas en el análisis de sistemas de tuberías. Cada uno de estos códigos recoge la experiencia de empresas de ingeniería, ingenieros de proyectos, proyectos de ingeniería, etc., que se listan a continuación:

• ASME B31.1 Power Piping: tuberías típicamente dentro de centrales de generación eléctrica, plantas industriales, sistemas de calentamiento geotérmicos, sistemas de centrales de calentamiento y enfriamiento.

• ASME B31.3 Process Piping: tuberías típicamente encontradas en refinerías petrolíferas, plantas químicas, farmacéuticas, textiles, papel, semiconductores, criogénicas, plantas relacionadas al proceso y terminales.

• ASME B31.4 Pipeline Transportation System for Liquid Hydrocarbons and Other Liquids: tuberías que transportan productos, los cuales son predominantemente líquidos, entre las plantas y los terminales, entre los terminales, estaciones de bombeo, regulación y medición.

• ASME B31.5 Refrigerant Piping: tuberías para refrigerantes.

• ASME B31.8 Gas Transportation and Distribution Piping Systems: tuberías de transporte de productos en las cuales se transportan gases entre las fuentes y

los terminales, incluyendo compresores, reguladores, estaciones de medición y tuberías de recolección de gas.

• ASME B31.9 Building Services Piping: tuberías típicamente encontradas en edificios públicos, comerciales, institucionales, industriales y unidades residenciales múltiples, las cuales no tienen el rango de medidas y presiones cubiertas en la norma ASME B31.1.

• ASME B31.11 Slurry Transportation Piping Systems: tuberías de transporte de lodos acuosos entre plantas y terminales, dentro de los terminales, estaciones de bombeo y regulación.

• AWWA M11 Steel Pipe-A guide for Design and Instalation: tuberías de acero utilizadas en suministro de agua, acueductos, líneas principales de transmisión, líneas principales de distribución, tubería forzada de presión, plantas de tratamiento de agua, colección de agua subterránea.

• AWWA M41 Ductile-Iron Pipe and Fittings: tuberías de hierro dúctil usualmente aplicadas en líneas principales de suministro de agua, manipulación de salmuera, manipulación de ácido, líneas gravimétricas de desagüe, cruces subacuáticos, líneas de agua de regeneración.

• AWWA M45 Fiberglass Piping Design: tuberías de fibra de vidrio usualmente aplicadas en procesos químicos, desalinización, revestimiento de tuberías, tuberías de purga, sistemas geotérmicos, efluentes industriales, irrigación, campo petrolífero, agua potable. Tuberías típicamente dentro de centrales de generación eléctrica, refrigeración y agua cruda, sistemas de alcantarillado, toma y desembocadura de agua de mar. Tuberías de transporte de lodos, sistemas de drenajes y evacuación de agua de lluvias, distribución de agua.

3. DIAGRAMA DE FLUJO PARA DISEÑO DE LÍNEAS DE TUBERÍAS

El flujómetro que se muestra a continuación es una guía para el proceso de diseño de líneas de tuberías; en general, los factores y criterios de diseño dependerán de la norma que se aplique para cada caso en particular.

198 MECÁNICA

Esteban Ríos Pita

Gráfico 1

RuteoConsideracionesambientalesConsideracionesde seguridad

Parte 12.1, 2.3y 2.4

Aseguramientode la calidadElaboración deun plan de calidad

7

Condicionesde servicioClasificaciónde substanciasPresión, temperatura,flujo e incremento de condiciones de diseñoSelección del diámetrode la tubería

2.22.72.8

Factor de diseñoClasificación de la locaciónSelección del factor de diseño

Criterios de diseñoPresión: temperaturade diseñoCriterio de esfuerzoExpansión y flexibilidad

MaterialSelección de materialSelección delespesor de pared

Recorrido dela tuberíaConsideracionesambientalesDiseño del recorridoReajuste del factorde diseño

Cambio de Diseño

2.42.5

2.82.92.9

32.8

Parte 12.62.6

Terminales yestaciones intermediasDiseño de tuberiasPresión de diseñode componentesSelección deválvulas y equiposAjuste del factorde diseñoSistema de seguridadCriterio de esfuerzosExpansión y flexibilidad

Prueba de puestaen servicioConsideracionesambientalesPlan de pruebasPlan de puestaen servicio

5.42.82.85.45.82.92.9

Corrosión externaConsideracionesambientalesInspección decorrosiónProtección Catódica

4.2Parte 14.24.4

889

Corrosión interna 4.3

199


MECÁNICA

4. METODOLOGÍA PARA LA EVALUACIÓN DE LÍNEAS DE TUBERÍA

El método de trabajo que se describe a continuación está preparado para ser una práctica general. Se sabe que existen varios programas de cálculo y deben ser seleccionados de acuerdo con la experiencia del especialista o requerimiento del cliente (necesidades del usuario).

4.1 Trazado del perfil longitudinal

En líneas gravimétricas:

• Para el trazado del perfil de una línea gravimétrica se deben eliminar puntos de inflexión verticales que estén por encima de la línea de gradiente hidráulica desde el inicio al final de la línea de conducción, ya que se corre el riesgo de cortar la columna de agua por subpresiones.

• Minimizar las inflexiones del perfilado de la tubería para minimizar los bloques de anclaje de concreto tratando que las inflexiones que no puedan evitarse tengan ángulos reducidos. La función de los bloques de anclaje de concreto es contrarrestar el empuje axial producto de la presión de operación de la línea.

• En tuberías enterradas se debe mantener una profundidad mínima de enterramiento (según las normas o recomendaciones del fabricante, aplicar la más exigente) para minimizar el volumen de excavación y relleno.

• Se debe buscar un equilibrio entre el costo del movimiento de tierra, el costo de los bloques de anclaje y la cantidad de tuberías a emplear cuando se está intentando determinar la ruta óptima de un tendido del pipeline.

• Como criterio general y en la medida de lo posible, para el caso de cruce de quebradas naturales en el terreno se prefiere realizar relleno del sector involucrado y la construcción de alcantarillas para pasar recto, en lugar de implementar sifones invertidos en el tendido del pipeline.

En líneas de impulsión:

• Las líneas de tuberías deben tener una disposición económica y proyectarse para usar estructuras existentes como soportes.

• La disposición debe de permitir el fácil acceso y manipulación de válvulas, bridas, instrumentos, etc. en operación y mantenimiento.

• Considerar los requerimientos específicos del proceso, separaciones requeridas debido a máxima expansión térmica y recomendaciones de normas.

4.2 Predimensionamiento

Consideraciones básicas de diseño:

• La presión de diseño corresponde a la condición más severa de presión y temperatura en operación normal.

• El esfuerzo admisible a considerar dependerá de cada criterio, sea el tipo de carga aplicada, temperatura de trabajo o rango de esfuerzos para cargas térmicas.

• El espesor de pared de la tubería sometida a presión interna o externa dependerá del esfuerzo permisible del material del tubo, la presión de diseño, diámetro de diseño del tubo, tolerancia de fabricación, maquinado y efectos de la corrosión y erosión.

• El valor del esfuerzo permisible del material del tubo dependerá de la norma aplicable a cada sistema de tuberías.

• Considerar que el esfuerzo admisible por presión está afectado por un factor de calidad que depende del proceso de fabricación de la tubería, sea con costura o sin costura.

Mediante el cálculo de predimensionamiento se estima:

• El flujo de descarga

• El diámetro de diseño tomando como consideraciones:

• Criterios de velocidad

• Criterios de caída de presión (porcentaje máximo de pérdidas en la línea)

• El espesor de la tubería

4.3 Ajuste del predimensionamiento

A continuación se muestran los cálculos a desarrollar para verificar los cálculos de predimensionamiento y ajustes al diseño.

4.3.1 Cálculos hidráulicos

Objetivo y alcance

El cálculo hidráulico que normalmente realizamos es para diseñar líneas de suministro de agua (flujo incompresible en fase simple).

El cálculo hidráulico de líneas de tuberías es ejecutado considerando la condición de flujo estable para predecir las diferentes condiciones de operación y los escenarios que el proyecto defina.

200 MECÁNICA

Esteban Ríos Pita

Dependiendo del caso, el cálculo en condiciones estables de sistemas de tuberías debe ser siempre realizado para:

• Estimar la caída de presión a lo largo del tendido

• Establecer el perfil de presión a lo largo del sistema

• Estimar el flujo de descarga

De forma complementaria, el cálculo hidráulico considera el análisis de los sistemas en estado inestable, el cual es realizado para establecer las presiones de transiente máxima y mínima, el flujo en arranque y parada.

Adicionalmente, el análisis del sistema en estado inestable (transientes) es necesario para determinar fuerzas que se ejercen en las tuberías, equipos y soportes causados por sobrepresiones o cambios en el flujo de transporte o cierre de válvulas.

Con los perfiles de presiones obtenidos para las diferentes condiciones analizadas se determinan los diferentes materiales y espesores de pared de las tuberías del pipeline.

La tendencia actual es que todos los análisis de este tipo sean realizados mediante programas especializados. La disponibilidad de los programas en el mercado frecuentemente brinda mejores beneficios en su aplicación que los desarrollados por propio esfuerzo y, por lo general, es responsabilidad del líder de la disciplina la correcta selección del programa que debe considerarse.

A. Análisis en estado estable (condición de operación)

La aplicación de cálculos manuales para la determinación de la caída de presión es relativamente fácil de realizar mediante el uso de la formula de Darcy-Weisbach para la determinación de pérdidas friccionales (y la aplicación de la fórmula de Colebrook-White para la determinación del factor de fricción usado en la misma fórmula). Todas estas han sido automatizadas para dar resultados precisos (fluidos en fase simple) en programas como AFT Fathom para fluidos claros y el modulo AFT Fathom Slurry para lodos, PIPENET modulo Standard o el Flow of Fluids, basado en el Technical Paper TP-410 de Crane.

A continuación, se desarrolla el marco teórico para el cálculo hidráulico en estado estable:

Fórmula de Darcy-Weisbach

La aplicación de cálculos manuales para la determinación de la caída de presión (si el flujo es

dato) es factible de realizar mediante el uso de la fórmula de Darcy-Weisbach para la determinación de pérdidas friccionales (aplicación de la fórmula de Colebrook-White para la determinación del factor de fricción usado en la misma fórmula).

La Fórmula de Darcy–Weisbach es válida para flujo laminar, turbulento de cualquier líquido o fluido incompresible y compresible con restricciones. A continuación, se muestra la fórmula:

Donde:

= caída de Presión (Pa, N/m2)

= factor de fricción de Darcy-Weisbach

= longitud del ducto o la tubería (m)

= diámetro hidráulico (m)

= densidad (kg/m3)

= velocidad (m/s)

De forma alternativa, la ecuación de Darcy-Weisbach mostrada puede ser expresada en términos de pérdida de columna de fluido como:

Donde:

= pérdida de columna de líquido (m)

= factor de fricción de Darcy-Weisbach

= longitud del ducto o la tubería (m)

= diámetro hidráulico (m)

= velocidad (m/s)

= aceleración de la gravedad (9.81 m/s2)

Ecuación de conservación de la energía

La presión de operación en cada tramo de tubería se determina aplicando la ecuación de conservación de la energía “Teorema de Bernoulli” teniendo en cuenta las pérdidas de energía por fricción generadas en el flujo de agua dentro de la conducción.

El Teorema de Bernoulli es una expresión que representa la aplicación de la ley de la conservación de la energía al flujo de fluidos en una tubería. A continuación, se enuncia el balance de energía para dos puntos de un fluido:

201


MECÁNICA

Metodología de cálculo

A continuación, se desarrollará una metodología general para la evaluación presiones máximas y mínimas generadas debido al fenómeno de golpe de ariete; ya sea por cierre de válvula en línea gravimétrica o parada súbita de una bomba en línea de impulsión, se hace uso del software Hammer, con el cual se obtienen los siguientes resultados:

• Sumario de cálculo de transiente

• Sumario con las condiciones iniciales de transiente

• Presiones máximas y elevación

• Gráfico de presiones de transiente máximas y mínimas (presión transiente, presión operativa y presión mínima).

Parámetros de entrada:

• Caudal

• Características del fluido

• Característica de la bomba (si aplica)

• Arreglo de la tubería

• Dimensiones de la línea

• Material

• Velocidad de onda

Resultados:

• Presiones máximas

• Presiones mínimas

• Formación de bolsas de aire

4.3.2 Análisis de esfuerzos y flexibilidad

Objetivos y alcance

El análisis de esfuerzos y flexibilidad de pipelines y redes de tuberías es ejecutado para determinar la condición de las tuberías (si cumplen o no los requerimientos de las normas), definición de soportes y de cargas transferidas a los soportes y bloques de anclajes; información que requiere la disciplina civil-estructural del proyecto para el diseño.

Consideraciones

• El análisis de esfuerzos y flexibilidad de pipelines y redes de tuberías debe considerar los escenarios del sistema en estado estable e inestable (transientes).

= altura geométrica

= presión estática

= densidad

= gravedad

= velocidad

= pérdida o incremento de energía

Fórmula de Manning

La fórmula de Manning es una evolución de la fórmula de Chézy para el cálculo de la velocidad del agua en

canales abiertos y tuberías parcialmente llenas.

Donde:

= área mojada (área de la sección del flujo de agua), está en función del tirante hidráulico

(m2)

= perímetro mojado, es función del tirante hidráulico (m)

= parámetro que depende de la rugosidad de la pared, su valor varía entre 0.01 para paredes muy pulidas (p.e. plástico) y 0.06 para ríos con fondo muy irregular y con vegetación.

= velocidad media del agua en m/s, es función del tirante hidráulico (m/s)

= caudal del agua, es función del tirante hidráulico (m3/s)

= pendiente de la línea (m/m)

La aplicación de estas fórmulas dependerá del tipo de línea sea gravimétrica o de impulsión y de la condición de llenado de la tubería (llena o parcialmente llena).

B. Análisis en estado transitorio

El análisis de sobrepresiones para el caso de fluidos newtonianos líquidos incompresibles con densidades y viscosidades estables, como es el caso común de transporte de agua, se realiza mediante los programas:

• Hammer de Bentley

• AFT Impulse de Coade

• PIPENET módulo de Transiente

202 MECÁNICA

Esteban Ríos Pita

• El estado estable define las cargas sostenidas y, el inestable, las cargas ocasionales originadas por la condición de fluido; otras cargas ocasionales que deberán ser tomadas en cuenta son sismo y viento.

• En el gráfico 2 se muestran las cargas típicas a considerar.

• Un sistema amerita una análisis de flexibilidad a partir de diámetros mayores a ocho pulgadas, presiones altas o altos gradientes térmicos.

• En el análisis de flexibilidad del sistema de tuberías, el esfuerzo más restrictivo y de mayor relevancia es el de expansión térmica.

• Un sistema de tuberías debe cumplir los siguientes requerimientos de flexibilidad como mínino:

• El nivel de esfuerzos en cualquier punto del sistema debido a desplazamientos no debe de exceder el rango de esfuerzos permisibles establecidos como base para el cálculo de la expansión térmica y para el análisis de flexibilidad.

• Las fuerzas no deben perjudicar a los soportes o equipos conectados.

• Los desplazamientos de la tubería deben estar dentro de límites establecidos por cada instalación en particular.

Metodología de cálculo

• El cálculo manual, como requiere de varias iteraciones y es de carácter matricial, es complicado y con el paso del tiempo ha pasado a ser obsoleto.

Gráfico 2

- Cargas por presión de diseño (presión interna o externa)

- Cargas por peso

- Cargas dinámicas

- Cargas por impacto

- Vibraciones excesivas - Por variación de características del fluido

Resonancia - Maquinaria

- Efectos de expansióno contracción térmica

- Viento

- Cargas sísmicas

- Viento

- Restricción al movimiento de expansión térmica de la tubería

- Gradiente térmico

- Golpe de ariete

- Descarga de fluidos

- Caídas bruscas de presión

- Peso muerto por tuberías, accesorios y equipos

- Cargas vivas por peso del fluido del proceso o de prueba

• En la actualidad, el análisis de esfuerzos y flexibilidad se realiza mediante el uso de programas especializados, algunos de ellos son:

• Caesar II

• Autopipe

• Triflex

• CAE Pipe

• Otros

• A continuación, se indica una metodología general para la evaluación de esfuerzos y flexibilidad en líneas de tuberías mediante el uso de los software arriba indicados.

El Autopipe realiza el estudio de un sistema de tuberías mediante el análisis de:

• Esfuerzos por cargas de operación, expansión térmica y transiente en la tubería

• Cálculo de desplazamientos y deflexiones en las tuberías

• Obtención de un modelo de la línea de modo grafico con anclajes y soportes

• Análisis y resultados por medio de normas estándar de diseño

Parámetros de entrada:

• Caudal

• Características del fluido

• Condiciones ambientales

• Arreglo de la tubería

• Dimensiones de la línea

• Material

• Presiones y temperaturas

• Máximo gradiente de temperatura

203


MECÁNICA

• Cargas típicas

• Restricciones

Resultados:

• Esfuerzos

• Reacciones en los soportes

• Desplazamientos

• Animaciones de deformación

5. Herramientas

Las herramientas listadas en el siguiente cuadro se aplican para ajustar los cálculos y diseño. Los cálculos finales también se pueden realizar manualmente; sin embargo, es recomendable aplicar estos software, ya que brindan mayores beneficios.

Tipo de Cálculo Tipo de Fluido Componente

AFT Fathom

WaterCAD

MathCAD

Spreadsheets

Pipenet Standard module

Crane Flow of Fluids

MathCAD

Spreadsheets

AFT Fathom–Slurry

MathCAD

Spreadsheets

HYSYS

Pipeflo7

Pipesim

Hammer

AFT Impulse

Pipenet Transient module

Olga

Pipenet

Caesar II

Autopipe

Triflex

CAE Pipe

Agua o fluidos newtonianos

Fluidos no newtonianos

Lodos newtonianos

y no newtonianos

Oil & gas

Agua o newtonianos

Lodos newtonianos

Oil & gas

Todos

Hidráulico–Estado Estable

Hidráulica–Transientes

Esfuerzos y Flexibilidad


Baha Abulnaga. Slurry System Handbook. Mc Graw-Hill.

British Standard BS 8010 (1992) Code of Practice for Pipelines, Part 2. Pipelines on land: design, construction and installation, Section 2.8: Steel for oil and gas.

Jacobs, B. E. A. Design of Slurry Transport Systems.

Liu, Henry. Pipeline Engineering. Lewis Publishers.

Mohinder, L. y Nayyar, P.E. Piping Handbook.

Mohitpour, M.; Golshan, H. y Murray, A. (1998) Pipeline Desing & Construction: A practical Aproach.

Tabla 1

EDWARD MARÍN PENADILLOS

Ingeniero Electrónico graduado en la Universidad Antenor Orrego de Trujillo. Siguió cursos de Maestría y Doctorado en la Universidad Federal de Río de Janeiro, en Brasil, en la especialidad Técnicas Avanzadas de Control de Procesos.

Su experiencia profesional está basada en la realización de proyectos de ingeniería, desarrollando sistemas de automatización en proyectos industriales y mineros. En los últimos años ha tenido bajo su responsabilidad la ejecución de diversos proyectos de ingeniería y gestión de adquisiciones de proyectos.

En la actualidad, está enfocado en impulsar el plan estratégico de la empresa en lo que se refiere a la realización de proyectos EPCM.

LUCILA DÍAZ MORALES Ingeniera Electrónica graduada en la Universidad Antenor Orrego de Trujillo. Siguió cursos de especialización en Telecomunicaciones, Gestión de Compras Internacionales, Operaciones y Logística. Posteriormente, se graduó en Dirección de Empresas (MBA) en el PAD de la Universidad de Piura.

Ha trabajado en diversas áreas de producción y gestión de las empresas, como Telecomunicaciones, Gestión de Compras y Contrataciones.

En los últimos años ha venido desempeñándose como coordinadora de proyectos y responsable del área de adquisiciones de proyectos.

207


MECÁNICA

EL PROCESO EFECTIVO DE GESTIÓN DE MATERIALES

Y SU IMPACTO EN LOS PROYECTOS

Edward Marín Penadillos y Lucila Díaz MoralesGMI S. A. Ingenieros Consultores

208 GESTIÓN DE PROYECTOS

Edward Marín y Lucila Díaz

La Gestión de Materiales (GM) en un proyecto es el proceso de planificar y ejecutar todas las actividades necesarias para asegurar que la

cantidad y calidad de equipos y materiales estén disponibles en obra a tiempo y al menor costo posible para soportar el plan de ejecución del proyecto.

Los elementos funcionales de la GM incluyen: planificación, generación de requerimientos de materiales y equipos, gestión de compras, inspecciones y gestión de materiales en obra.

La GM es un proceso; por lo tanto, puede ser analizado, mejorado y medido.

1. IMPORTANCIA DE LA GESTIÓN DE MATERIALES EN LA EJECUCIÓN DEL PROYECTO

El costo de los materiales, típicamente, representa del 50 al 60% del valor del proyecto; así mismo, el atraso en su entrega es la causa más común de atrasos en la construcción (1).

El material correcto, en el momento correcto y en el lugar correcto resulta en una mejora de la

productividad en el trabajo, en una reducción de material sobrante (surplus), en eliminación de sorpresas de escasez de material y en un control más eficiente del cronograma del proyecto. La GM en el plan de ejecución del proyecto es fundamental para la reducción del costo, incremento de valor y para la mejora de la rentabilidad del proyecto.

Nuevas tecnologías, recursos globales y procedimientos innovadores de adquisiciones ofrecen oportunidades para desarrollar ventajas competitivas. Las empresas más exitosas del futuro serán aquellas que, efectivamente, desarrollen procedimientos de ejecución de proyectos de clase mundial.

2. VISIÓN GENERAL DEL PROCESO DE GESTIÓN DE MATERIALES

El proceso de GM se inicia con la planificación; la planificación de la GM debe realizarse en las etapas tempranas del proyecto. La buena planificación, junto con una correcta interacción con la ingeniería y gerencia de construcción, garantizará un proceso exitoso de gestión de materiales con un impacto positivo en el proyecto.

EL PROCESO EFECTIVO DE GESTIÓN DE MATERIALES Y SU IMPACTO EN LOS PROYECTOS

209

PROCESO EFECTIVO DE GESTIÓN DE MATERIALES


Etapacomercial

Plan degestión demateriales

Actualizacionesal plan degestion demateriales

Compras

Requerimento de materiales

Planificaciónde materiales

Seguimineto

Tráfico

Inspecciones

Recepciónalmacenamiento

despacho

Instalaciónde materiales

Reportesde Avance

Pruebas y puesta en

marcha

Cierre deProyecto

La GM forma parte importante de la organización del proyecto. Todas las áreas del proyecto deben formar parte activa en las actividades de esta.

Gerente de Proyecto

Gerente de controlde proyecto

Gerente de construcciónGerente de MaterialesGerente de Ingeniería

Actividades de Gestión de Materiales

Gráfico 2: La GM en la organización de un proyecto

Gráfico 1: El proceso de gestión de materiales



3. EVOLUCIÓN DE LA GESTIÓN DE MATERIALES

El Construction Industry Institute (CII) comenzó a interesarse en la Gestión de Materiales en la industria de la construcción durante los inicios de los años 80.

Una de las conclusiones del CII en la asamblea anual de 1985 fue que la industria de la construcción estaba sumamente atrasada respecto de la industria de manufactura, en relación con la aplicación de conceptos de GM. Se determinó que las prácticas de GM en la industria de la construcción eran mínimas o nulas (2); sin embargo, también se determinó que el potencial para un incremento de productividad y reducción de costos era evidente. En la industria de la manufactura, una adecuada GM generaba un incremento de la productividad de 5 a 10% (2). Es razonable pensar que tal incremento podría ser alcanzado o superado en la industria de la construcción.

En 1988, el CII publicó el Project Materials Management Handbook, la primera referencia para los procesos de GM en la industria de la construcción.

En la actualidad, estudios del CII muestran un considerable incremento en la adopción de los conceptos de GM en la industria de la construcción. El siguiente cuadro muestra las mejoras de resultados al aplicar los conceptos de GM en esta industria (3):

4. UNA EFECTIVA GESTIÓN DE MATERIALES GENERA AHORRO EN EL COSTO TOTAL INSTALADO DE PLANTAS INDUSTRIALES

En la actualidad los inversionistas, propietarios o clientes tienden progresivamente a delegar mayores responsabilidades a las empresas consultoras especializadas, debido a la alta especialización que los actuales proyectos demandan, no solamente desde el punto de vista técnico sino, principalmente, desde el punto de vista de gestión. La tendencia en la ejecución de los proyectos es hacia los contratos tipo suma alzada y puesta en marcha a un nivel de operación de la planta (LSTK-Lump Sum Turn Key). Este tipo de contratos representan contratos de alto riesgo para las empresas de servicios EPCM, puesto que estas asumen todo el riesgo financiero. La ejecución efectiva de GM para esta categoría de proyectos puede resultar en un muy significativo beneficio en la rentabilidad de la empresa de servicios.

El ahorro en el costo del proyecto es un beneficio tangible y directo de una efectiva GM. Los estudios realizados por CII muestran una estimación de ahorro del 2 al 4% sobre el Costo Total Instalado (CTI) (3).

Los beneficios inmediatos son: incremento de productividad de la mano de obra, menor duración de la construcción, menor costo indirecto asociado a la construcción, mayor precisión en la información y reducción del material sobrante. Los costos en oficina también se ven reducidos con la introducción de sistemas informáticos de GM.

El estudio señala que una efectiva GM (3):

• Incrementa la productividad del equipo del proyecto en hasta 10%; ello contribuye en 1.5% de ahorro al CTI.

• Reduce los materiales bulks en hasta 6% y el costo de los equipos en 2.5%, obteniendo una contribución al ahorro del CTI en 1.5%.

• Reduce los costos asociados a la construcción en hasta 5%; ello contribuye a un ahorro de 1% del CTI.

Concepto % de mejora

Reducción de materialsobrante (surplus)

Mejora en la performance del proveedor

Ahorro en el flujo de caja

Reducción en almacenamiento en sitio y manejo de materiales

Incremento en la productividad de la mano de obra

Mejora en el cronograma del proyecto

Reducción de horas de gestión de proyectos

Reducción de riesgos

40

24

23

21

16

16

15

5

Tabla 1

211



5. LA GESTIÓN DE MATERIALES EN EL PLAN DE EJECUCIÓN DEL PROYECTO

El Plan de Ejecución del Proyecto (PEP) siempre deberá incluir el plan de GM apropiado para el proyecto.

El PEP deberá ser desarrollado y emitido en términos apropiados para el tipo de contrato, indicando qué servicios serán ejecutados y por quién, con el objetivo de cumplir con los requerimientos del contrato.

La parte de GM del PEP incluye plan control de materiales, selección de proveedores, plan de adquisiciones y seguimiento, plan de inspecciones, logística y gestión de los almacenes.

El plan de la GM debe ser consistente con los requerimientos de construcción, con los planes de subcontratación, el plan de fabricación y debe tener en cuenta las consideraciones de posibles limitaciones o restricciones financieras.

5.1 El pensamiento CMME

El pensamiento clásico en la ejecución de proyectos refuerza la idea del concepto EPC (Engineering, Procurement & Construction). Este pensamiento debe evolucionar de forma tal que se ajuste al pensamiento CMME (Construction, Materials Management, Engineering).

El concepto CMME ayuda a reforzar la idea de que la Gestión de Materiales (Materials Management) es direccionada por la construcción; a la vez que las prioridades y esfuerzos de ingeniería deben estar direccionados por la Gestión de Materiales.

El pensamiento CMME puede ser resumido en lo siguiente:

• La GM es direccionada por la construcción

• Para lograr la eficiencia en la construcción, necesitamos planificar; ello permitirá obtener el material correcto, en el momento correcto, en el lugar correcto y al menor costo

• El concepto CMME requiere orientar los esfuerzos hacia las facilidades físicas a ser construidas

• Gestionar los materiales es el elemento clave integrador del PEP

• El pensamiento CMME comienza analizando cómo serán construidas las facilidades físicas, cuál será la secuencia de construcción; así como identificar los principales problemas y oportunidades

La gestión de la calidad total puede ser aplicada para mejorar el proceso de GM. El punto de partida es la identificación del cliente; para la GM el cliente es construcción. Todo debería ser iniciado y finalizado pensando en el cliente (construcción). La GM deberá ser planificada para soportar las secuencias de construcción (1).

5.2 Programa de constructibilidad

El programa de constructibilidad dirige el pensamiento CMME.

La constructibilidad es el óptimo uso del conocimiento en construcción y la experiencia en planificación, ingeniería, adquisiciones y operaciones en obra para alcanzar los objetivos del proyecto. La constructibilidad es alcanzada mediante la integración temprana y efectiva de todos estos elementos.

Es altamente recomendable que el proceso de evaluación de constructibilidad sea implementado en las etapas tempranas del proyecto, durante las actividades FEL (Font-End Loading).

El programa de constructibilidad deberá incluir los siguientes entregables:

• Plan específico de ejecución de la construcción (CEP) del proyecto. El plan deberá estar basado en referencias de sistemas y buenas prácticas de construcción

• Análisis de prioridades de diseño y construcción

• Cronograma específico de construcción del proyecto y designación de prioridades

• Plan de movilización

Estos entregables son esenciales para una buena planificación y ejecución de la GM.

5.3 Work breakdown structure

El componente crítico para controlar los materiales de un proyecto es la estructura de desglose de trabajo, o Work Breakdown Structure (WBS).



El WBS identifica el marco en el cual el proyecto será planificado, gestionado, construido y puesto en operación. Proporciona una base consistente para el monitoreo del requerimiento de los materiales durante el curso del proyecto.

Muchos asociamos el WBS con la identificación y colección de datos asociado al costo de un proyecto, pero el costo es solo un elemento de aplicación del WBS. El WBS es interfuncional y multidimensional: es la composición del MBS (Material Breakdown Structure), del CBS (Cost Breakdown Structure) y del OBS (Organizational Breakdown Structure); es decir, el WBS puede ser representado como un espacio tridimensional o espacio volumétrico.

5.4 Atributos de un proyecto exitoso

Estudios de CII, así como datos estadísticos, demuestran que todo proyecto exitoso goza, entre otras cosas, de los siguientes atributos:

• La GM fue reconocida como parte importante de la gestión y de la ejecución del proyecto

• Uso extensivo de planificación

• Involucramiento extensivo y temprano de la gerencia de construcción

• El equipo del proyecto entendió los conceptos y el proceso de trabajo de la Gestión de Materiales

• El equipo del proyecto conoció cómo funcionan los lineamientos fundamentales del sistema informático de Gestión de Materiales

• El equipo del proyecto entendió la necesidad de la línea base de control de proyecto

• El equipo del proyecto reconoció la necesidad de controlar el material del proyecto sobre la base del WBS

• El WBS fue desarrollado para soportar la ejecución de la construcción y los requerimientos de pruebas y puesta en marcha

• El WBS no estuvo basado únicamente en las necesidades de control de costo

• El equipo de proyecto se concentró regularmente en temas relacionados con GM

• El Gerente de Proyecto tuvo una perspectiva mucho más amplia que la de solo desarrollar ingeniería

• Ejecución completa de los metrados de materiales, particularmente los metrados de electricidad e instrumentación

• El Gerente de Proyecto conoció lo que debería hacer el sistema informático de GM y hacía las preguntas correctas con relación a ello

• Existió un plan detallado de GM

• La entrega de los materiales en los almacenes del proyecto fue organizada y controlada

• El personal de almacén del proyecto fue entrenado y experimentado

• Es claro que un proyecto exitoso deberá tener muchos otros atributos; sin embargo, los indicados son los atributos que de alguna u otra manera están relacionados con la GM.

6. AUTOMATIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE GESTIÓN DE MATERIALES

Una GM efectiva combina buenas prácticas y las últimas tecnologías en sistemas computacionales para enlazar todas las funciones asociadas a la GM; así mismo, enlaces con otros sistemas computacionales de gestión de proyectos, control de proyectos, ingeniería & CAD y tecnologías en construcción y fabricación incrementan la productividad del equipo del proyecto. Todos los líderes del proyecto deberán desarrollar suficiente entendimiento de estos sistemas.

El incremento en los niveles de automatización de los procesos involucrados en un proyecto generará un impacto positivo en el resultado. Algunas características generales y relevantes de estos sistemas incluyen:

• Sistemas altamente integrados

• Datos estructurados compartidos

Figura 1: Concepción volumétrica del WBS. WBS = CBS + MBS + OBS

213



• Procesos de trabajo Interfuncional (varias áreas de un proyecto y varias disciplinas)

• Rápida ejecución de todas las tareas

• Incrementa la necesidad de comunicación compartiendo datos interna y externamente

• Es esencial el entrenamiento en el correcto uso de los sistemas

La consolidación de la información del proyecto de una variedad de bases de datos en una sola base de datos centralizada e inteligente permitirá la visualización de:

• Planificación y secuencia de construcción

• Disponibilidad del material

• Progreso de la construcción

• Paquetes de trabajo y contratistas asociados a cada paquete de trabajo

Un sistema computacional puede ser de gran ayuda para encontrar la solución, pero aún se requiere el entendimiento detallado de los procesos.

7. ROL DE LA GERENCIA CORPORATIVA

El apoyo y la identificación de la Gerencia Corporativa en relación con la GM son indispensables en la implementación del proceso y las buenas prácticas. El rol de la Gerencia Corporativa incluye, entre otras cosas:

• Proporcionar recursos para la implementación y el entrenamiento

• Difundir la importancia de la GM a otras disciplinas

• Formalizar los procesos de GM

• Ejercer influencia sobre los gerentes de proyectos

• Implementar procedimientos para la medición efectiva de los resultados de la GM

• Promover estandarización de materiales

• Promover alianzas con proveedores

CONCLUSIONES

• La GM es un componente esencial del Plan de Ejecución del Proyecto.

• La GM es multifuncional y es un proceso altamente integrado.

• La GM esta direccionada por la construcción.

• Una GM efectiva impacta positivamente en el costo total del proyecto y ayuda en la gestión y reducción de los riesgos.

• Es esencial establecer un WBS multidimensional (volumétrico) antes del inicio de la ejecución del proyecto.

• Una GM efectiva requiere de un entendimiento en Gestión de Proyectos.

• El factor más importante en el éxito de la Gestión de Materiales es una adecuada planificación.

• Los objetivos fundamentales de la GM son tener material correcto, en el lugar correcto, en el instante correcto y al menor costo.


1. Stukhart, George (1995) Construction Material Management.

2. Construction Industry Institute-CII (1985) Attributes of Materials Management.

3. Construction Industry Institute-CII (1998) Publication SP 98-03: Materials Management, A Decade of

Improvement. CII Conference.

RAFAEL FIGARI COSTA

Se graduó de la carrera de Ingeniería Civil en la Pontificia Universidad Católica del Perú en 2006. Desde 2003, se ha desempeñado en diferentes empresas consultoras, participando en diversos proyectos de ingeniería que incluyen el análisis y diseño estructural para proyectos industriales y de edificaciones, estimación de costos para proyectos de inversión, supervisión de obras civiles y el análisis económico de alternativas de rehabilitación y mantenimiento vial. Desde de 2007 labora en GMI como parte de la comunidad de estructuras, participando principalmente en proyectos de las industrias de minería, petróleo y siderúrgica. Adicionalmente, cuenta con una amplia experiencia como docente en las áreas de ciencias y matemáticas, lo que le ha permitido desempeñarse exitosamente como docente interno en GMI.

Rafael Figari CostaGMI S. A. Ingenieros Consultores

DESARROLLO DE PROYECTOS DE CAPITAL Y

ESTIMADOS DE COSTO


Rafael Figari

Un proyecto de capital es aquel en el que una empresa u organización busca invertir un determinado capital (propio, financiado o

una combinación de ambos) en la implementación de alguna mejora que le permita, en general, aprovechar una oportunidad de mercado atractiva. Esta inversión se da normalmente a través de proyectos de construcción de nuevas instalaciones, adquisición o ampliación de instalaciones existentes, optimización de sistemas de producción, implementación de nuevas tecnologías, etc.

En este tipo de proyectos, el propietario debe evaluar, antes de tener un diseño completo de las instalaciones, si estas se ajustan a la oportunidad de negocio en cuestión y si el costo de las mismas le permite tener un proyecto comercialmente competitivo, que se ajuste a sus estrategias y que sea económicamente viable.

En estas circunstancias, el propietario y sus acreedores se encuentran más de una vez ante una decisión muy difícil, que es la de continuar o no con el desarrollo del proyecto hasta llegar a comprometer los fondos para el financiamiento del mismo (usualmente, cientos de millones de dólares); todo esto, antes inclusive de iniciar el diseño detallado del proyecto. Por ello, antes de continuar con un proyecto, el propietario debe tener la seguridad, o por lo menos tener un grado aceptable de confianza, de estar tomando las decisiones correctas.

Actualmente, los nuevos proyectos de inversión se dan en condiciones de mercado y con requisitos y condiciones ambientales cada vez más exigentes, lo que obliga a los equipos de proyectos a ser cada vez más eficientes en la ejecución de sus proyectos y elegir solamente aquellos que cumplan con estas condiciones. Al mismo tiempo, esto obliga a las organizaciones a obtener resultados más competitivos para sus inversiones, para lo cual deben implementar sistemas formales de gestión de proyectos.

La gran responsabilidad de ejecutar el proyecto adecuadamente y con los mejores resultados posibles recae principalmente sobre el gerente de proyecto y su equipo de trabajo; quienes estarán, sin duda, siempre dispuestos a usar todos los medios y herramientas disponibles a su alcance para reducir el riesgo de no alcanzar sus objetivos.

Felizmente para ellos, existen en la actualidad muchos estándares y organizaciones que plantean herramientas y sistemas estructurados de gestión de proyectos orientados a maximizar el éxito de las inversiones y obtener los mejores resultados posibles en cada caso. Algunos ejemplos son el Project Management Institute (PMI), el Independent Project Analysis Institute (The IPA Institute) y el Association for the Advancement of Cost Engineering (AACE).

En todos ellos podemos encontrar una filosofía común: planificar con anticipación las actividades necesarias para la ejecución del proyecto, con el objetivo principal de hacer las cosas bien y evitar retrasos, retrabajos y adicionales no previstos.

Sin embargo, resumir la tarea del equipo de proyecto en una sola frase no permite reflejar la complejidad real de esta labor. Si pensamos en todo lo que el equipo de proyecto debe hacer para ejecutar el mismo, veremos fácilmente que no es algo sencillo de conseguir. La correcta ejecución del proyecto implica identificar oportunidades, definir objetivos claros, establecer estrategias comerciales, elaborar estudios de mercado, definir productos y capacidad de producción, recopilar y preparar una gran cantidad de información, estudiar el impacto ambiental del proyecto, evaluar alternativas de procesos y tecnologías aplicadas, elegir una ubicación, coordinar criterios con todas las partes involucradas, elaborar diseños y especificaciones, estimar costos, planificar actividades y recursos, evaluar los riesgos y seguridad, definir estrategias contractuales, lograr el

DESARROLLO DE PROYECTOS DE CAPITAL Y ESTIMADOS DE COSTO

217

DESARROLLO DE PROYECTOS DE CAPITAL


financiamiento del proyecto, supervisar la calidad de su ejecución, controlar los gastos, etc.

Una de las herramientas a disposición de los equipos de proyectos es la metodología de Front End Loading o FEL, que plantea desarrollar el proyecto por fases y etapas. La primera fase del proyecto se denomina fase de definición y está compuesta por tres etapas (FEL 1, FEL 2 y FEL 3) en las que se revisa la oportunidad de negocio, se evalúan alternativas de solución, se prepara la información técnica, se desarrollan los estudios de prefactibilidad y factibilidad, se evalúan los costos y se planifica las actividades del proyecto, previas al inicio del diseño detallado. La segunda fase del proyecto se denomina fase de ejecución y está compuesta normalmente por entre 5 y 7 etapas, dependiendo del tipo y complejidad del proyecto. Durante esta fase se desarrolla la ingeniería de detalle, se gestiona la compra de materiales y equipos, se ejecuta la construcción, se coordina y ejecuta el arranque y comisionamiento de las nuevas instalaciones y se entregan las mismas a operaciones, cerrando el proyecto de capital como tal.

Esta metodología, acompañada de procedimientos definidos y un sistema estándar de clasificación de estimados de costo, resulta en una potente herramienta de soporte para la gestión de proyectos; tanto para equipos experimentados como para equipos con poca experiencia en la gestión integrada de proyectos de capital.

Este artículo recoge las prácticas recomendadas por The IPA Institute y por la AACE, así como la experiencia de GMI en el desarrollo, supervisión y gestión de proyectos de ingeniería; y presenta, desde un enfoque integrador, una revisión de los principales criterios y elementos clave para la gestión exitosa de proyectos de capital.

1. DESARROLLO DEL PROYECTO

No es posible hablar de una metodología estructurada de gestión de proyectos si no tenemos claro, en

primer lugar, que todos los proyectos de inversión siguen un ciclo de vida. Este ciclo de vida se puede dividir en fases y etapas que conforman el proceso de evolución continua del proyecto, desde la concepción inicial de la idea de negocio hasta la elaboración de los planos “as-built” y el comisionamiento de las nuevas instalaciones.

El ciclo de vida del proyecto se entiende como la sucesión lógica de las diferentes etapas y/o fases de desarrollo del mismo. En términos generales y desde el punto de vista del propietario, el ciclo de vida incluye:

1) Una primera etapa de evaluación comercial para identificar oportunidades de negocio y evaluar la cartera de proyectos, para definir cuáles de ellos podrían ser viables y ameritan mayor definición.

2) Una fase de definición de proyecto, en que se define el alcance de los proyectos viables, se comparan alternativas y se desarrollan los estudios de prefactibilidad y de factibilidad para obtener un estimado de costo confiable que permita decidir si invertir o no los fondos del proyecto.

3) Una fase de ejecución, en que se completa el desarrollo de la ingeniería de detalle y se realiza la procura o gestión de compras y la construcción del proyecto. Esta etapa termina con el comisionamiento y arranque de las nuevas instalaciones.

4) Una etapa de operación del proyecto, bajo la gestión del propietario, en que las nuevas facilidades deberán cumplir con los objetivos trazados en las etapas iniciales del proyecto.

Si analizamos este planteamiento con más detalle, podemos identificar ocho etapas para el ciclo de vida del proyecto, tal como se muestran en el gráfico 1 a continuación :

FASE DE DEFINICIÓN DE PROYECTOFEL (FRONT END LOADING)

FASE DE EJECUCIÓN DE PROYECTOARRANQUE DE OPERACIONES Y CIERRE

Etapa 1(FEL 1)

Perfil deinversión

Etapa 3(FEL 3)

Estudio de factibilidad

Etapa 2(FEL 2)

Estudio deprefactibilidad

Etapa 7Comisionamiento

y arranque

Etapa 8 Operación

yManteni-miento

Etapas 4, 5 y 6Ing. de detalle,

procura yconstrucción

Gráfico 1: Ciclo de vida del proyecto


Rafael Figari

A lo largo del proceso de definición y ejecución del proyecto, las funciones y capacidades clave del equipo de proyecto, necesarias para su desarrollo, van cambiando según los objetivos de cada etapa. Así, tenemos que en la etapa inicial, durante el desarrollo del perfil de inversión, las funciones clave son aquellas relacionadas con el análisis financiero y económico, la gestión del riesgo e ingeniería de valor y la estimación de costos y planeamiento.

Durante la segunda etapa, cuando se desarrolla el estudio de prefactibilidad, estas funciones mantienen su prioridad, mientras que funciones como las de diseño de ingeniería, gestión de contratos y control de proyecto empiezan a tomar mayor importancia gradualmente.

Durante el desarrollo del estudio de factibilidad, las funciones clave son aquellas relacionadas con el diseño de ingeniería, planeamiento, análisis de negocios y estimación de costos.

Una vez que se inicia la ejecución del proyecto y se establecen los contratos para el desarrollo de la ingeniería de detalle, la procura y la construcción, las competencias clave necesarias son las relacionadas con el diseño de ingeniería, control de proyectos (costo, cronograma, calidad y alcance) y gestión de contratos, mientras que funciones como estimación de costos, análisis financiero y gestión del riesgo van perdiendo protagonismo gradualmente.

Finalmente, en las etapas 7 y 8, durante el comisionamiento y arranque, y posteriormente durante la operación y mantenimiento del proyecto, las funciones clave son las de control y operaciones.

1.1 Fase de definición del proyecto

El éxito o fracaso de un proyecto puede estar condicionado al logro de diferentes objetivos, tales como iniciar la producción en una fecha estratégica para aprovechar determinadas condiciones de mercado, lograr que las instalaciones trabajen a la capacidad proyectada, ejecutar el proyecto con un alto nivel de seguridad y calidad, implementar exitosamente nuevas tecnologías u obtener un retorno mínimo sobre la inversión dentro de un plazo determinado.

Naturalmente, es de interés para los propietarios e inversionistas tratar de prever los diferentes escenarios o eventos que pudieran poner en riesgo el logro de estos objetivos y el éxito del proyecto en general; y la mejor forma de conseguirlo es logrando

un proyecto predecible. En términos generales, esto quiere decir un proyecto en el que se pueda saber o estimar de antemano, y con cierta seguridad, qué es lo que va a ocurrir.

Lograr un proyecto predecible implica contar con un estimado de costo y cronograma predecibles, ejecutar el proyecto dentro del plan, en el tiempo establecido y de acuerdo con la calidad y alcance definidos por el propietario. Esto de por sí no es una tarea sencilla, y se hace aún más difícil de alcanzar a medida que la magnitud y complejidad del proyecto aumentan.

Por ello, se debe poner especial atención en el desarrollo de la fase de definición del proyecto, ya que es en esta en la que se toman las decisiones más importantes sobre la dirección del proyecto y se define y desarrolla la información necesaria para que la ejecución del mismo pueda darse sin mayores problemas, retrasos o sobrecostos.

Durante la fase de definición se desarrolla el alcance, se forma el equipo de proyecto, se preparan los estudios y diseños preliminares y se planifica el trabajo, antes de iniciar el diseño de la ingeniería de detalle. En este proceso, muchas veces los proyectos son descartados, archivados para una revisión posterior o modificados considerablemente respecto de su concepción inicial.

La importancia de esta fase radica, principalmente, en que la capacidad del propietario y su equipo de proyectos para influir o hacer cambios en el proyecto es muy alta, mientras que el costo de dichos cambios es relativamente bajo —en promedio, se invierte entre el 5% y el 7% del costo total del proyecto durante toda la fase de definición— (The IPA Institute, 2005).

Al terminar la fase de definición, una vez que ha sido aprobado el financiamiento para el proyecto y se otorgan los contratos para la ingeniería de detalle, procura y construcción, el gasto del proyecto crece rápidamente, las tareas se multiplican y el personal involucrado en el proyecto aumenta de manera considerable. Esto aumenta el costo de los cambios a partir de ese momento (cambios tardíos) y reduce la capacidad del equipo de proyecto de influenciar en la dirección de los mismos, ya que los acuerdos contractuales y decisiones tomadas en la fase inicial fijan el plan de ejecución y sirven de base para el trabajo a desarrollar.

Esta relación de capacidad de influencia vs. costo de los cambios a lo largo del ciclo de vida del proyecto se puede ver conceptualmente en el gráfico 2:

219



INFLUENCIA vs. COSTO

Fase de Definición de Proyecto

Fase de Ejecución de Proyecto

Capacidad para Influenciar en el costo

Costo de los Cambios en el Proyecto

ALTA

BAJA

TIEMPO

Estudio de factibilidad

Estudio deprefactibilidad

Perfil deinversión

Ingenieríade detalle

Construcción

Procura

Comisionamiento y arranque Operación y

Mantenimiento

De acuerdo con la buena práctica en gestión de proyectos, es recomendable llevar a cabo la etapa de definición de manera ordenada para asegurar, de ese modo, que toda la información necesaria para la ejecución del proyecto sea preparada en el momento adecuado y con el nivel de detalle requerido. Además esto permite identificar, desde las etapas tempranas, cuáles son los mejores proyectos u oportunidades de negocio para concentrar en ellos los recursos disponibles, y cuáles son las principales fuentes de riesgo, para elaborar planes de prevención y mitigación.

Así, se debe ejecutar cada una de las tres etapas de definición -el perfil de inversión, el estudio de prefactibilidad y el estudio de factibilidad- de manera consecutiva para lograr la mejor definición posible para las mejores alternativas de proyecto; todo ello antes de iniciar el desarrollo de la ingeniería de detalle logrando así mejorar, las posibilidades de éxito del proyecto.

1.2 Equipo de proyecto

El equipo de proyecto es el grupo humano responsable de desarrollar y ejecutar un proyecto, pasando por las diferentes etapas de su ciclo de vida. Formar un equipo de proyecto sólido y bien integrado debe ser una de las principales prioridades de toda organización de desarrollo de proyectos.

Lograr esto es, inclusive, más importante que contar con un sistema formal de gestión de proyectos, ya que el sistema en sí no garantiza la correcta ejecución de los proyectos si no se cuenta con los profesionales clave, con las capacidades necesarias, y si estos no están integrados en un equipo capaz de alcanzar los objetivos.

Dentro del equipo de proyecto, es fundamental la función del gerente de proyecto. En él recae, directa o indirectamente, la responsabilidad de establecer los objetivos, identificar las funciones clave, planificar la integración del proyecto, identificar y mitigar los riesgos, alinear el proyecto a los objetivos del propietario, desarrollar una estructura de división de trabajo (EDT), establecer el cronograma y presupuesto, reunir los recursos, organizar el equipo, delegar las tareas, comunicar, ejecutar el plan, monitorear el desempeño, revisar y actualizar los planes y avances, resolver conflictos, determinar las prioridades, negociar los cambios, pronosticar los resultados y asegurar la documentación, entre otras.

Por ello, es fundamental para el propietario contar con un gerente de proyecto con gran capacidad y experiencia en proyectos similares al que se desea ejecutar y que sea capaz de gestionar y manejar al equipo de proyecto hacia los objetivos establecidos.

Gráfico 2


Rafael Figari

Adicionalmente, es recomendable que estas capacidades sean desarrolladas y mantenidas dentro de las organizaciones que gestionan y ejecutan sus propios proyectos, ya que encontrarlas en el mercado es difícil, tienen normalmente una respuesta tardía y no siempre se logran integrar adecuadamente a los procesos de la compañía, afectando el desempeño del equipo y del proyecto en general.

2. METODOLOGÍA DE PUERTAS: FRONT-END LOADING (FEL)

“Front-End Loading” (FEL) es un término aplicado a una metodología de gestión de la definición de proyectos de capital, que plantea desarrollar las tres primeras etapas del proyecto (perfil de inversión, estudio de prefactibilidad y estudio de factibilidad) de manera ordenada, estructurada y consecutiva.

Esta metodología plantea establecer puntos o puertas de control entre cada etapa, en las que un comité de evaluación analiza si el proyecto y la información necesaria para su desarrollo y ejecución están en un nivel adecuado de definición o madurez para que puedan iniciar el desarrollo de la etapa siguiente. Esta

FEL (FRONT -END LOADING)

IdeaInicial Puerta

FEL 1PuertaFEL 2

PuertaFEL 3

Ejecución,comisionamiento,

arranque y operación

FEL 3Estudio defactibilidad

Palnificación delproyecto

FEL 2Estudio de

prefactibilidad

Definición delalcance de proyecto

FEL 1Perfil de Inversión

Definición deobjetivos de

negocio

Evaluacióncomercial de

proyecto potencial.Se establecenlos objetivosde negocio

Evaluación dealternativas.

Ingeneria conceptual.Seleccionar opciónque cumpla mejorobjetivos de FEL I

Desarrollo del alcancedetallado. Ingenieria

basica. Plan de ejecución (PEP).

Estimación de costo ycronograma para

aprobación y control

metodología también se conoce como “Pre-Project Planning” (PPP) o “Front-End Engineering Design” (FEED).

Es recomendable mantener la independencia del comité de evaluación respecto del equipo del proyecto, para asegurar la objetividad de la evaluación y garantizar que solo los mejores proyectos o aquellos con un nivel adecuado de definición pasen las puertas de control. Así como también es recomendable mantener una razonable continuidad del equipo a lo largo del ciclo de vida del proyecto para evitar problemas de planificación y cambios o retrabajos innecesarios.

Es importante tener en cuenta que un proyecto que se descarta no debe verse como un fracaso para la organización o para el equipo de proyecto, si se ha alcanzado el nivel de definición o madurez requerido en la puerta de evaluación. Para una organización de ejecución de proyectos, descartar una o más alternativas permite enfocar sus mejores recursos en el desarrollo de los mejores proyectos, aumentando sus probabilidades de éxito y mejorando el desempeño de estos.

El gráfico 3 muestra un esquema de las tres etapas: FEL 1, FEL 2 y FEL 3, que conforman la fase de definición del proyecto y los principales objetivos y elementos de cada una.

Gráfico 3

221



En cada puerta de aprobación, el comité de evaluación, que debe incluir la participación de representantes del negocio, de ingeniería, de construcción, de mantenimiento y de operaciones, debe decidir si el proyecto se encuentra en un nivel adecuado de definición o madurez para pasar a la etapa siguiente o si debe ser reciclado para mayor definición, postergado para una nueva evaluación en espera de un mejor escenario, o descartado de manera definitiva.

La aprobación del proyecto en una de las puertas de control no significa necesariamente que el proyecto alcanzará la fase de ejecución y será construido. Solamente significa que el proyecto recibe aprobación y asignación de fondos para el desarrollo de la etapa siguiente.

En cada etapa, se debe desarrollar la información y ejecutar las tareas necesarias únicamente para evaluar los objetivos específicos correspondientes a esa etapa. Sin embargo, en cada etapa sí se hace una evaluación del caso de negocio completo, incluyendo un cronograma para la ejecución del proyecto, un estimado de costo capital y un análisis económico y financiero.

La metodología FEL permite al propietario enfocar sus recursos en aquellos proyectos que resulten más atractivos a sus intereses y descartar aquellos que no cumplan con sus objetivos.

Adicionalmente, se reducen los cambios tardíos y retrabajos durante la ejecución, y se tiene el beneficio de obtener al final de cada etapa un proyecto con la mejor definición posible y un “paquete” completo de información que sirve de base para el desarrollo de la etapa siguiente. En resumen, las etapas de la fase de definición del proyecto (FEL) corresponden a:

Etapa 1 (FEL 1) → Perfil de inversión: Definición de los objetivos de negocio. Estimación de costo para evaluación de caso de negocio.

Etapa 2 (FEL 2)→ Estudio de prefactibilidad: Definición del alcance del proyecto (definición de objetivos técnicos). Evaluación de alternativas, inicio de planificación, ingeniería conceptual, estimado de costo para comparación de alternativas y actualización de caso de negocio.

Etapa 3 (FEL 3) → Estudio de factibilidad: Definición del plan de proyecto. Desarrollo detallado del alcance, ingeniería básica, plan de

ejecución (PEP), estimado de costo y cronograma para aprobación y línea base.

Si bien la aprobación definitiva de los fondos para la ejecución del proyecto se da una vez que el proyecto pasa la evaluación en la puerta de FEL 3, es poco probable que un proyecto sea descartado en esta puerta. Esto quiere decir que, normalmente, la aprobación de un proyecto en la puerta de FEL 2, que va acompañada de la decisión de desarrollar el estudio de factibilidad y la ingeniería básica, implica la decisión del dueño de ejecutar el proyecto. Una vez que se aprueba la puerta de FEL 2 y se inicia la etapa siguiente, los costos del proyecto aumentan considerablemente y se desarrollan estudios preliminares detallados (suelos, riesgo sísmico, clima, estudio de impacto ambiental, etc.), después de los cuales es poco probable que se descarte el proyecto.

2.1 Etapa FEL 1: perfil de inversión

La etapa FEL 1 corresponde al desarrollo del perfil de inversión y también se conoce como etapa de definición de los objetivos de negocio o de planificación del negocio.

En esta etapa, el proyecto potencial aún se encuentra en evaluación frente a otras alternativas de negocio, por lo que normalmente no cuenta todavía con fondos asignados de manera específica. Las actividades correspondientes al desarrollo de esta etapa para las diferentes oportunidades de negocio suelen ser cubiertas por una sola cuenta o centro de costo corporativo.

El principal objetivo de esta etapa es el de clarificar y cuantificar una oportunidad de negocio, que podría eventualmente desarrollarse como un proyecto de capital. Una vez que la oportunidad de negocio ha sido identificada, esta debe desarrollarse solo al nivel necesario para ser evaluada. Esto incluye normalmente estudios preliminares de mercado, análisis técnicos y financieros, el desarrollo de un cronograma de hitos principales y la preparación de un estimado de costo capital. Este último corresponde normalmente a un estimado conceptual clase 5 o clase 41 sobre la base de métodos estocásticos e información histórica.

El proyecto es evaluado luego en comparación con proyectos de características similares y con otras alternativas de inversión, para definir su importancia estratégica y su potencial como negocio. La idea es invertir solamente el tiempo y recursos necesarios para decidir si la oportunidad de negocio es viable o no.

1 Ver AACE International Recommended Practice 18R-97.


Rafael Figari

Es en esta etapa en que el proyecto toma forma como tal, una vez que se establecen los objetivos comerciales del propietario, los que deben quedar documentados en la Declaración de los Objetivos de Negocio, y posteriormente integrados al alcance del proyecto. Esta etapa ofrece la mejor oportunidad para influir en la dirección del proyecto a un costo relativamente bajo, ya que la evaluación se hace a un nivel conceptual, con poco o ningún desarrollo de ingeniería y en base a criterios económicos y financieros principalmente.

El resultado final de esta etapa es una definición clara y documentada de la oportunidad de negocio, de la cual el proyecto de capital es solo un elemento.

Luego de la aprobación de la puerta de FEL 1, la información desarrollada deberá ser transferida a un equipo técnico liderado por el gerente de proyecto, que tomará la dirección del proyecto a partir de la siguiente etapa. Esta transferencia es clave para garantizar el alineamiento de objetivos, prioridades y alcance entre el propietario (negocio) y el equipo técnico (ingeniería). La mejor práctica será realizar esta transferencia de manera formal y documentada, asegurando la participación del personal clave en la definición de los objetivos de negocio y técnicos.

Normalmente, el gasto correspondiente a esta etapa está cerca del 0.5% del costo total del proyecto (The IPA Institute, 2005).

2.2 Etapa FEL 2: estudio de prefactibilidad

La etapa FEL 2 corresponde al desarrollo del estudio de prefactibilidad, y también se conoce como etapa de definición del alcance o de conceptualización técnica del proyecto. Durante esta etapa se define el alcance técnico del proyecto de acuerdo con los objetivos de negocio establecidos en la etapa previa.

Una de las primeras tareas del propietario al iniciar la etapa FEL 2 debe ser la de designar un gerente de proyecto y empezar a formar su equipo de proyecto.

La conceptualización técnica del proyecto debe entenderse como el proceso de traducir los objetivos de negocio a objetivos técnicos concretos, detallados en el alcance del proyecto. Así, la etapa FEL 2 se concentra en desarrollar y evaluar posibles

alternativas de solución técnica para el proyecto, que estén alineadas con los objetivos de negocio. Estas alternativas pueden incluir diferentes enfoques técnicos o, inclusive, alcances distintos.

La estimación de costos para esta etapa corresponde normalmente a una estimación conceptual clase 42 y se basa principalmente en métodos estocásticos. También se pueden considerar cotizaciones para el costo de los equipos principales y para los elementos principales del costo del proyecto.

La actividad final de esta etapa consiste en hacer una revisión actualizada del caso de negocio sobre la base de la información técnica desarrollada y los estimados de costo y cronograma actualizados. Esta revisión del caso de negocio debe dar como resultado la selección y aprobación, para la siguiente etapa, de una única alternativa que cumpla mejor con los objetivos del propietario.

Típicamente, los entregables de la etapa de FEL 2 corresponden a una ingeniería conceptual, e incluyen:

• Evaluación económica de las alternativas de alcance, sobre la base del estimado de costo actualizado

• Selección de sitio definitiva y arreglos generales de planta preliminares

• Identificación de servicios, infraestructura y necesidades fuera del límite de batería (suministro de agua y energía, vías de acceso, etc.)

• Diagramas de flujo de procesos (PFD) basados en balances de masa o energía, y diagramas de tuberías e instrumentación preliminares (diagramas de bloques)

• Listado de equipos principales

• Identificación de riesgos de procesos (HAZID)

• Análisis preliminar de riesgos del proyecto

• Plan de ejecución del proyecto a nivel preliminar, incluyendo cronograma de proyecto

• Análisis de constructibilidad

• Estudios de impacto socioeconómico y ambiental


223



El gasto correspondiente a las actividades de esta etapa está normalmente alrededor del 1.5% del costo total del proyecto.

2.3 Etapa FEL 3: estudio de factibilidad

La etapa FEL 3 corresponde al desarrollo del estudio de factibilidad, y también se conoce como etapa de planificación del proyecto.

Durante esta etapa se desarrollan de manera detallada el alcance, el costo, el cronograma y el plan de ejecución a partir del desarrollo de la ingeniería básica y como preparación para la etapa de ejecución del proyecto.

Los documentos, especificaciones, estudios y planos preparados como parte de la ingeniería básica son la principal información de entrada para obtener un estimado de costo de aprobación (AFE) para la alternativa seleccionada en la etapa anterior; y durante FEL 3, además, se prepara la información del proyecto para su ejecución. Entre el 10% y el 40% del trabajo total de ingeniería es ejecutado durante esta etapa.

El enfoque en esta fase se concentra en el diseño de ingeniería y planeamiento de la ejecución del proyecto. No se deberían dar mayores ajustes al proyecto debido a que, durante esta etapa, los ratios de gasto se incrementan considerablemente y los cambios y retrabajos se hacen más costosos.

Los entregables de esta etapa corresponden a una ingeniería básica e incluyen, normalmente:

• Diagramas de flujo de procesos (PFD) definitivos

• Diagramas de tuberías e instrumentación preliminares (P&ID)

• Especificaciones de equipos

• Plan de procura y plan de ejecución (incluyendo cronograma con recursos)

• Arreglos de planta (Plot Plans), planos y otros documentos técnicos

• Alcances detallados de trabajo

• Estimado de costo con grado de autorización (AFE)

• Estudios preliminares (topografía, suelos, riesgo sísmico, hidrología, etc.)

• Definición de servicios auxiliares (energía, agua, desagüe, accesos, etc.)

La estimación de costos clase 33, para la etapa de FEL 3, se prepara utilizando mayoritariamente métodos deterministas, aunque los métodos estocásticos también son aceptables para algunas áreas del proyecto. Se utilizan métodos semidetallados con metrados y precios unitarios, aunque los ítems considerados pueden aún estar a un nivel “agrupado” para tareas similares o disciplinas, por ejemplo: “Movimiento de Tierras”, “Trabajos Preliminares”, “Obras de Concreto Simple”, “Soportes de Tuberías” u otros.

Las tarifas de mano de obra y equipos de construcción consideradas en el estimado de costo de FEL 3 son, normalmente, tarifas “todo incluido”. Esto quiere decir que consideran el costo de jornales, equipos de seguridad, capacitaciones y entrenamiento, facilidades temporales del contratista, alimentación y hospedaje, servicios de construcción, almacenes, transporte de personal, movilización y desmovilización de contratistas, costos indirectos y utilidad del contratista, seguros y otros.

Esta etapa culmina con una revisión formal de los entregables del proyecto en la puerta FEL 3 y con la autorización de uso de los fondos para su ejecución. El gasto correspondiente a las actividades de esta etapa está normalmente entre el 3% y el 5% del costo total del proyecto.

2.4 Índice FEL

De acuerdo con la metodología propuesta por el IPA Institute se puede establecer un índice numérico de calificación para el nivel de definición del proyecto durante la fase FEL. Este índice se basa en el estado de desarrollo de los diferentes entregables del proyecto, información disponible, características del equipo, objetivos establecidos, etc.

El índice FEL es una medida continua que captura el nivel de definición, preparación o madurez de un proyecto en cualquier punto de la fase de definición, pero resulta más significativo a partir de la mitad de la etapa FEL 2.

Debe tenerse en cuenta que el índice FEL no evalúa la calidad del proyecto, de sus entregables ni la oportunidad de negocio en sí misma. Lo que se busca es tener un índice del nivel o estado de desarrollo del proyecto en un determinado momento para identificar los trabajos pendientes que puede ser necesario tener listos antes de pasar a una etapa más avanzada del proyecto.

Se evalúan tres componentes de definición del proyecto que, en conjunto, abarcan todos los



Rafael Figari

comunidad, y si los expedientes para solicitud de los permisos necesarios han sido presentados.

El subcomponente de requisitos de salud y seguridad ocupacional corresponde principalmente al análisis de riesgos operacionales (HAZOP) relacionados con la operación de las nuevas instalaciones. Considera también los riesgos del proyecto durante su definición y ejecución. Algunos de los entregables evaluados por este subcomponente pueden formar parte del análisis de riesgo estratégico del proyecto.

El componente de estado de la ingeniería considera el avance del diseño del proyecto. Este corresponde normalmente al porcentaje de avance de la ingeniería total necesaria para el proyecto. Una consideración importante a tener en cuenta es si los diseños desarrollados consideran el aporte de los representantes de construcción, procura, operaciones y mantenimiento. Los diseños y especificaciones de ingeniería sirven de base para la cuantificación de las cantidades y estimación de los costos del proyecto, por lo que una ingeniería más desarrollada o con mayor definición permite obtener estimados de costo y cronograma más predecibles.

El plan de ejecución del proyecto considera todos los aspectos de planificación y coordinación necesarios para la correcta ejecución del proyecto luego de recibir la autorización para el uso de los fondos correspondientes. Su objetivo es consolidar, documentar y comunicar las decisiones fundamentales sobre la manera en que el proyecto deberá ser ejecutado, y debe poder contestar preguntas clave como: ¿cuáles son los objetivos del negocio?, ¿cuáles son los objetivos específicos del proyecto y cuál es su alcance?, ¿cómo se ejecutará el proyecto?, ¿quién va a estar involucrado y cómo?, ¿cuándo ocurrirá cada actividad?, ¿qué recursos serán necesarios?

FACTORESDE SITIO

ESTADODE LA

INGENIERÍA

ÍNDICEFEL

PLAN DEEJECUCIÓN

DEPROYECTO

(PEP)

Condiciones existentes

Planos de distribución

Requisitos ambientales y comunitarios

Requisitos de salud y seguridad

Gráfico 4

aspectos del mismo y toda la información que es necesario desarrollar para su correcta ejecución. Los componentes propuestos son:

• Factores de sitio• Estado de la ingeniería• Plan de ejecución del proyecto

El primer componente se subdivide, a su vez, en cuatro subcomponentes: condiciones existentes, planos de distribución (Plot Plans), requisitos ambientales y comunitarios, y requisitos de salud y seguridad ocupacional.

El subcomponente de condiciones existentes considera los factores físicos y locales que pueden afectar el costo o el cronograma del proyecto. Algunos ejemplos son la topografía, las condiciones geotécnicas e hidrológicas y el riesgo sísmico. También considera la disponibilidad y calidad de la mano de obra local, costos locales, contratistas, etc. De estos factores dependen decisiones como la selección de la ubicación, diseños técnicos, especificaciones, configuración de equipos, etc.

El subcomponente de planos de distribución considera la ubicación de los equipos y sus distancias de separación. Se evalúa si se dispone de diseños de arreglos de equipos, PFD, P&ID y arreglos generales en planta que sirven de base para la cuantificación de cantidades importantes, análisis de riesgo operacional, evaluación de interferencias, etc.

El subcomponente de requisitos ambientales y comunitarios considera todos los aspectos ambientales, de relaciones comunitarias y permisos gubernamentales, así como otros requisitos de entidades locales. Se evalúa si se ha establecido contacto con las entidades correspondientes y la

225



Escala FEL modificada para el final de FEL 2

4.00 4.75 5.75 6.75 7.75 9.753.00 12.00

7.25

BuenoÓptimo Regular DeficienteSobredefinido

Alcancecompleto

Alcance enproceso

Mejor práctica al final de FEL 2

Mejor práctica al final de FEL 3

Escala FEL para el final de FEL 3

BuenoÓptimo Regular Pobre DeficienteSobredefinido

4.00 4.75 5.75 6.75 7.753.00 12.00

4.25

están dentro de rangos de calificación recomendados para la aprobación del proyecto en las puertas FEL 2 y FEL 3.

La idea de fondo detrás de la metodología de Front-End Loading es la de preparar adecuadamente al proyecto para su ejecución antes de recibir la aprobación de uso de los fondos necesarios para el mismo. Para ello, se debe evaluar la oportunidad de negocio, definir los objetivos, comparar alternativas, estudiar las condiciones locales, preparar los diseños y estimar los costos y cronogramas del proyecto. Todo esto, considerando el aporte de todos los interesados clave en el proyecto, como son los representantes de negocios, ingeniería, contratos, construcción, mantenimiento y producción.

Según esta metodología, el índice FEL se presenta como un claro indicador del nivel de definición del proyecto en un determinado momento y es una referencia importante para evaluar el estado del mismo al momento de ser calculado.

Las principales ventajas que podemos obtener con la correcta aplicación del método de puertas son:

• Desarrollar un “paquete” de información completo, documentado y bien definido de los objetivos, prioridades, alternativas, costo de inversión y planificación de la ejecución del proyecto.

Gráfico 5

De acuerdo con el estado o nivel de definición, con el desarrollo o avance de la información, estudios, planos y documentos relacionados a cada uno de los componentes y subcomponentes del proyecto, y de acuerdo a si estos han sido considerados o no en la preparación de los estimados de costo y cronograma, cada uno de los componentes del índice FEL se califica con un valor de 1 a 4, siendo 1 correspondiente a la mayor definición posible y 4 correspondiente a la menor definición posible.

Esto permite calcular un valor que sirve como indicador del nivel de desarrollo del proyecto en general. De acuerdo con la información publicada por The IPA Institute, el valor de este índice al momento de la aprobación del proyecto (al final de FEL 3) tiene una correlación importante con el éxito del proyecto.

El valor del índice se calcula como la suma de las calificaciones de cada uno de los tres componentes principales, donde la calificación del componente de factores de sitio es el promedio simple entre las calificaciones de cada uno de sus cuatro subcomponentes.

Entonces, el índice FEL puede tomar un valor desde 3 hasta 12. La escala de calificación y los valores recomendados como mejor práctica se presentan en el gráfico 5.

Estos valores son únicamente referenciales; en realidad, los valores indicados como mejor práctica


Rafael Figari

Debe entenderse la estimación de costos como un proceso que “acompaña” al proyecto, sobre todo durante la fase de definición, y que tiene para cada etapa de la misma objetivos, métodos y recursos diferentes. Mientras que en la etapa de FEL 1 se requiere tener estimados de orden de magnitud sobre la base de información limitada para tomar decisiones de negocio, para las etapas de FEL 2 o FEL 3 es necesario preparar estimados con mayor grado de precisión sobre información de ingeniería con un mayor grado de definición para tomar decisiones técnicas, autorizar la inversión para el proyecto o establecer una base de control para la ejecución del mismo.

Es práctica común establecer un sistema de clasificación estructurado de los estimados de costo para las distintas etapas de la fase de definición de proyecto de acuerdo con los diferentes parámetros que los caracterizan. Esto permite mejorar la comunicación entre las diferentes partes involucradas con la preparación, evaluación y uso del estimado de costo de capital. Estas partes pueden incluir a los propietarios del negocio, gerentes de proyecto, equipo de ingeniería, consultores externos, ingenieros de costos, equipo de control de proyecto, contratistas y otros, según el proyecto y la línea de negocio.

3.1 Clases de estimado de costo

El sistema de clasificación de estimados de costo puede ser diferente de una organización a otra pero, en términos generales, este se puede definir de manera uniforme sobre la base de las prácticas recomendadas internacionales 17R-97 y 18R-97 de AACE.

Estas prácticas establecen cinco clases de estimados definidos como Clase 1, 2, 3, 4 y 5. El estimado de Clase 5 es el que corresponde al nivel de definición de proyecto menos desarrollado, y el estimado de Clase 1 corresponde al mayor nivel de definición o desarrollo de la ingeniería.

Los parámetros usualmente utilizados para la clasificación del estimado son el nivel de madurez del proyecto, uso final del estimado, metodología usada para la estimación, rango de precisión esperado y esfuerzo requerido para la estimación; siendo el nivel de madurez del proyecto la característica principal y la que determina la clase de estimado correspondiente y, los otros cuatro parámetros, características secundarias.

La tabla 1 presenta las clases de estimado mencionadas y los valores típicos de sus parámetros característicos:

• Obligar al equipo de proyecto a seguir una secuencia lógica en la planificación.

• Requiere que los productos/entregables sean completados antes de comenzar la siguiente etapa del proyecto, asegurando la mejor definición posible para cada etapa.

• Reduce los cambios y retrabajos durante la ejecución.

• Permite cancelar los proyectos que no cumplen con los objetivos del negocio y concentrar los recursos/esfuerzo en los mejores proyectos.

• Mejora la comunicación dentro de la corporación (negocios, ingeniería, construcción, etc.)

• Proporciona una guía para equipos de proyecto menos experimentados.

3. ESTIMADO DE COSTO CAPITAL

Durante la fase de definición del proyecto, es de importancia vital para el propietario tener un valor estimado del monto de inversión o capital necesario para financiar el proyecto, desde la ingeniería de detalle hasta el comisionamiento y arranque. Esto debido a que, como ya hemos mencionado, en cada una de las etapas de definición del proyecto de capital (FEL 1, FEL 2 y FEL3) se debe tomar la decisión de si el proyecto debería continuar desarrollándose o no.

Por lo tanto, cada una de las puertas de decisión subsecuentes durante el ciclo de vida del proyecto requiere de la preparación de estimados de costo con un grado creciente de precisión. Es decir, que se deben preparar estimados de costo cada vez más predecibles o con rangos de precisión cada vez más estrechos.

El monto de inversión es uno de los principales criterios de aprobación para que el proyecto pueda pasar a la siguiente etapa de definición o a la etapa de ejecución, por lo que el Estimado de Costo Capital es uno de los entregables más importantes durante la fase de definición del proyecto. Una vez completada la fase de definición, el estimado final de aprobación (comúnmente denominado AFE, del inglés Approval/Authorization for Expenditure) se constituye, junto con el cronograma de ejecución del proyecto, en la primera línea base de control del proyecto contra la que se evalúa el desempeño del mismo.

227



Clase 5

Clase 4

Clase 3

Clase 2

Clase 1

Clase deEstimado

Nivel de madurez de

proyecto

Uso final delestimado

Metodología deestimación

Rango esperadode precisión*

Esfuerzorequerido**

0% a 2%

1% a 15%

10% a 40%

30% a 70%

50% a 100%

Selección de proyecto

Prefactibilidad ofactibilidad no

bancableIng. conceptual

Factibilidad bancableIng. básica

Ing. DetalleControl/Propuesta/

Oferta

Estimado deverificación

L: -20% @ -50%H: +30% @ +100%

L: -15% @ -30%H: +20% @ +50%

L: -10% @ -20%H: +10% @ +30%

L: -5% @ -15%H: +5% @ +20%

L: -3% @ -10%H: +3% @ +15%

1 @ 200horas

20 @ 300horas

150 @ 1500horas

300 @ 3000horas

600 @ 6000horas

Orden de magnitud,capacidad factorizada,

datos históricos

Factores sobre la basede equipos o modelos

paramétricos

Costos unitariossemidetallados conpartidas a nivel de

ensamble

Costos unitariosdetallados con

metradossemidetallados

Costos unitariosdetallados con

metrados detallados

El nivel de madurez del proyecto es el principal parámetro para determinar la clase de estimado a preparar para cada etapa del proyecto. Normalmente se mide sobre la base del porcentaje de avance del proyecto, que corresponde usualmente al porcentaje de avance de la ingeniería. El nivel de avance del proyecto está definido por el alcance y madurez de la información de entrada disponible para el proceso de estimación de costos.

El uso final del estimado puede variar de acuerdo con la etapa del ciclo de vida del proyecto. Según el avance del proyecto, el uso del estimado pasa de evaluación estratégica y factibilidad a estimados de aprobación de fondos y presupuestos de control. El uso también puede variar de acuerdo con el responsable o parte interesada en el mismo. Así, un propietario puede utilizar un estimado de Clase 3 para sustentar la aprobación de fondos para un proyecto, mientras que un contratista puede utilizar la misma clase de estimado para presentar una oferta de obra.

Existen básicamente dos grandes metodologías para la estimación de costos: la metodología conceptual o estocástica, que involucra modelos básicos o complejos a partir de información histórica de proyectos

pasados, que permite establecer ratios de costo versus parámetros como la capacidad, programación, dimensiones físicas, tipo de proyecto y otros; y la metodología detallada o determinista, en que las variables independientes usadas para estimar el costo son generalmente una medida directa de las unidades del elemento en evaluación. Esta metodología está directamente relacionada con la multiplicación de los metrados de los diferentes elementos o partidas del proyecto por los precios unitarios correspondientes.

Si bien se puede encontrar una combinación de ambos métodos en todas las clases de estimados, la tendencia indica que, de la Clase 5 a la Clase 1, el método de estimación pasa de ser mayoritariamente estocástico a ser mayoritariamente determinista.

El estimado de costo es una predicción del costo final de un proyecto (para un determinado alcance) y, por naturaleza, está asociado a un cierto grado de incertidumbre y a una probabilidad de sobrepasar el monto estimado. Dada su naturaleza probabilística, el resultado de la estimación del costo no debería enfocarse como un valor puntual, sino como un rango de valores o costos potenciales asociados cada uno a una probabilidad de excedencia. Sin embargo, la mayor

Tabla 1: Clases de estimado Fuente: Adaptado de AACE International Recommended Practice N° 18R-97

* La complejidad tecnológica del proyecto y la calidad de la información referencial de costos disponible pueden afectar significativamente el rango de variación. Los valores +/- representan la variación típica porcentual en torno al monto estimado, luego de la aplicación de la contingencia (determinada típicamente con un 50% de nivel de confianza) para un determinado alcance.

** Referencial para proyecto de US$ 20M → La relación entre el costo del esfuerzo requerido para la preparación de los estimados y el costo total del proyecto es mayor para proyectos pequeños y menor en megaproyectos. Para mayor detalle, ver referencia 6 “AACE 19R-97 – Estimate Preparation Costs”.


Rafael Figari

Las provisiones son usadas principalmente cuando se preparan estimados del tipo semidetallado o detallado (Clases 3, 2 y 1), y están asociadas a algún elemento específico de costo o partida específica identificable. Los estimados conceptuales clase 5 ó 4 no suelen incluir provisiones, ya que dentro de la metodología usada para su preparación (ratios, factores, costos históricos) ya está incluido el costo de los elementos no definidos.

Comúnmente, las provisiones se consideran como un factor en porcentaje aplicado a algún componente de costo detallado, tal como el metrado o el precio unitario. Algunos ejemplos típicos de provisiones son:

• Provisión por avance de diseño de equipos:

Normalmente se incluye este tipo de provisión cuando se tienen equipos importantes diseñados específicamente para el proyecto, con el fin de considerar los costos derivados del desarrollo continuo del diseño del equipo o de posibles modificaciones al mismo, aun después de haberse colocado las órdenes de compra respectivas. Esta provisión se aplica como un porcentaje adicional que afecta al costo del equipo.

• Provisión por metrados:

Las provisiones por metrados o cantidades buscan cubrir el costo de aquello que, por falta de definición, no se puede cuantificar con claridad al momento de preparar el estimado, o de aquellos elementos que no resulta práctico metrar en detalle. Generalmente, la provisión por metrados se aplica como un porcentaje adicional a las cantidades de los elementos de costo o partidas, e influye en el costo adicional de los materiales, así como en el costo de la mano de obra y recursos necesarios para su instalación.

• Provisión para sobrecompras:

Este tipo de provisión busca cubrir las pérdidas de inventario debidas a daños en los materiales o equipos en obra, desechos o pérdidas de material por corte (por ejemplo, de tuberías o acero estructural), mal uso de los materiales, robo, etc. Normalmente se aplican estas provisiones como un porcentaje que afecta solamente al costo de los materiales.

• Provisión por daños de transporte no recuperables:

Normalmente los daños a los equipos o materiales pueden ser cubiertos por seguros específicos si son detectados oportunamente

parte de los usuarios finales del estimado de costo esperan obtener un valor puntual para el costo del proyecto. El rango esperado de precisión es un indicador del grado al cual podría variar el costo final del proyecto en torno al monto estimado. Este normalmente se expresa como un +/- % alrededor del costo estimado, luego de la aplicación de la contingencia (usualmente determinada con un nivel de confianza del 50%), con una determinada probabilidad de que el costo real se encuentre dentro del rango establecido.

El esfuerzo requerido para la preparación del estimado es un indicador del costo, tiempo y recursos necesarios para su elaboración. Normalmente se expresa como un porcentaje del costo del proyecto para un tamaño de proyecto dado, y está determinado por la extensión y madurez de la información de entrada disponible como base. Así, el esfuerzo requerido será mayor en la medida en que la definición del proyecto también aumenta en complejidad. Sin embargo, con una metodología eficiente de estimación se pueden lograr mejores resultados para proyectos repetitivos. Debe notarse, además, que los costos para la preparación del estimado, expresados como porcentaje del costo total del proyecto, varían de manera inversamente proporcional al tamaño del proyecto en un ratio no lineal. Así, para una clase de estimado dada, el porcentaje de costo de preparación (respecto del costo total) será menor en la medida en que el costo total del proyecto aumente.

3.2 Provisiones

Al momento de preparar un estimado de costo capital, es poco común el caso en que todo está definido, es conocido, está claramente especificado o se puede cuantificar con exactitud. Sin embargo, para completar el estimado, se debe considerar el costo de todos aquellos aspectos aún no definidos, conocidos, especificados o cuantificables para obtener un monto de capital que refleje el costo total del proyecto. Esto obliga al equipo de estimación a incluir en el estimado de costo provisiones y contingencias orientadas a cubrir el costo de aquellos elementos aún no definidos, no cuantificables o que no resulta eficiente cuantificar al momento de preparar el estimado, así como el costo asociado a las incertidumbres propias del proceso y los métodos de estimación.

Las provisiones o asignaciones son montos incluidos en un estimado para considerar los costos de aquellos elementos que son predecibles, pero que no están completamente definidos o que no resulta económicamente eficiente cuantificar en detalle al momento de preparar la estimación.

229



en el punto de entrega de los mismos. La provisión por daños de transporte se incluye para cubrir aquellos daños no reconocidos por los seguros, y se aplica como un porcentaje al costo de los equipos o materiales.

• Provisión por elementos mayores no definidos:

Ocasionalmente, se debe estimar un monto de “orden de magnitud” para algún elemento mayor del proyecto si su diseño o definición aún no han sido desarrollados al momento de preparar el estimado. En ese caso, el costo de dicho elemento se incluye en el estimado como una provisión hasta que el monto correspondiente pueda ser estimado con mayor precisión.

Otras provisiones misceláneas pueden ser incluidas en un estimado para casos en los que una correlación estadística resulte más confiable que una cuantificación detallada, o cuando no resulte económico hacer un metrado detallado. Estas provisiones normalmente se incluyen como porcentajes que se aplican a las cantidades o costos de los materiales. Algunos ejemplos son:

• Porcentaje de excavación/relleno manual vs. excavación/relleno con maquinaria

• Accesorios para encofrados

• Material para conexiones de acero estructural

• Pernos, juntas, colgadores de tuberías, etc.

• Operaciones de soldadura miscelánea

• Pruebas hidrostáticas u otras operaciones de pruebas

En general, las provisiones deben establecerse en las bases de estimación y deben reflejar el estado de definición (o avance de la ingeniería) del proyecto. Así, en la medida en que el nivel de avance del proyecto es mayor, las provisiones necesarias deberán ser menores.

3.3 Escalamiento

El escalamiento es un monto incluido en el estimado de costo para cubrir el posible aumento en los salarios, tarifas y costos del proyecto en general, debido a factores económicos como la inflación o por efecto de un desbalance entre la oferta y la demanda de productos o servicios específicos en el mercado. Este monto es más relevante en proyectos de mayor duración y es independiente de la contingencia del proyecto.

3.4 Análisis de sensibilidad y contingencia

Como parte del análisis de riesgos del proyecto, se suele elaborar una evaluación cuantitativa de los mismos o un análisis de riesgos del costo del proyecto, también conocido como análisis de rangos o análisis de sensibilidad. Este análisis es un proceso que busca calcular la probabilidad de sobrepasar (o no alcanzar) el monto estimado para el costo del proyecto y brinda una evaluación desde una perspectiva científica de las incertidumbres y probabilidades asociadas al estimado de costo para poder determinar el monto de la contingencia que debe ser agregada a este. La simulación de Montecarlo u otros métodos similares son aplicados con frecuencia en los talleres de análisis de sensibilidad de un proyecto.

La contingencia es, en muchos aspectos, el elemento menos comprendido incluido en un estimado de costo; probablemente, debido al enfoque que tienen sobre esta los diferentes miembros de un equipo de proyecto. Mientras que un gerente de proyecto podría esperar que se incluyan en el estimado tantos fondos como sea posible —para reducir el riesgo de sobrepasar el estimado en la ejecución del proyecto, y puede buscar una contingencia tan grande como pueda ser aprobada—, un gerente de ingeniería puede buscar que la contingencia cubra cualquier sobrecosto de ingeniería, y un gerente de construcción puede esperar que la contingencia no sea usada durante el desarrollo de la ingeniería para poder contar con ese fondo para cubrir los adicionales de construcción. Adicionalmente, la gerencia corporativa podría considerar cualquier solicitud de contingencia como un “parche” para el estimado y podría interpretar la necesidad de uso de la misma como producto de un pobre manejo del proyecto.

Para el estimador, la contingencia es el monto de dinero agregado al estimado de costo (para un alcance definido) para reducir el riesgo de exceder el monto estimado a un nivel aceptable para los objetivos del proyecto. Es un monto de dinero incluido en el estimado para cubrir incertidumbres inherentes al proceso y metodologías de estimación. En este sentido, podemos decir que la contingencia es necesaria, debido a la naturaleza probabilística del proceso de estimación de costos.

Como ejemplo, supongamos que, para un proyecto que se encuentra al final de la fase de definición, se ha preparado un estimado de costo semidetallado (Clase 3) a partir de la ingeniería básica y como


Rafael Figari

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

113.6

119.7

125.3

129.9

133.6

136.8

139.2

143.3

148.5

8.3

13.9

23.2

6.6%

11.1%

18.5%

Probabilidadacumulada

de no sobrepasarel estimado

Monto estimadode fondosrequeridos

(millones de US$)

Contingenciaestimada

(millones de US$)(%)

parte del estudio de factibilidad. El monto estimado para el costo total del proyecto (antes de la aplicación de la contingencia) es de US$125.3 M (125.3 millones de dólares). Se ha desarrollado un taller de sensibilidad para analizar los riesgos del costo del proyecto y se ha ejecutado un análisis mediante la simulación de Montecarlo, considerando los rangos de variación de los diferentes elementos de costo del proyecto. Como resultado, se ha calculado que la probabilidad de no exceder el monto de US$125.3 M es del 30%, y se ha obtenido un rango de posibles valores para el costo total del proyecto asociados cada uno a una probabilidad de no exceder el monto estimado.

El gráfico 6 ilustra el rango de variación total del estimado de costo y su distribución de probabilidades, obtenidas como resultado del análisis de sensibilidad.

Podemos ver que existe un 70% de probabilidades de que el costo final del proyecto sea mayor que el

estimado más probable, de US$125.3 M. O en otras palabras que, en conjunto, los montos mayores a US$125.3 M tienen un 70% de probabilidad de ocurrir, lo que podría representar un riesgo inaceptable para el propietario.

Estos resultados se pueden ordenar de manera acumulada en la tabla de valores del costo estimado total vs. probabilidad de no excedencia, mostrada en la tabla 2.

A partir del rango de variación y las probabilidades de no excedencia presentadas en la tabla, se puede identificar fácilmente el monto necesario como fondo del proyecto para lograr una determinada probabilidad de no exceder el estimado. Por ejemplo, si el propietario quisiera tener un 90% de confianza de no exceder el costo del estimado, deberá incluir una contingencia de US$26.6 M (22.1%) para obtener un estimado final de US$146.7 M. Si se buscara, en cambio, tener la misma probabilidad de tener un costo

Tabla 2: Correspondencia entre montos de inversión y niveles de confianza

30% 70%

Prob

abili

dad

Costo estimado

US$ 103.2 US$ 125.3 US$ 157.4

Gráfico 6

231



0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160

Costo Estimado (Millones de $)

Prob

abili

dad

de n

o ex

cede

r

Contingencia

US$133.6 M

US$8.3 M

US$125.3 M

Gráfico 7

Los elementos normalmente cubiertos por una contingencia incluyen, entre otros:

• Errores y omisiones en el proceso de estimación

• Variabilidad asociada al esfuerzo de cuantificación

• Diseños que no están suficientemente desarrollados como para permitir cantidades finales al momento de preparar el estimado

• Algunos elementos que no se pueden cuantificar con precisión, pero deben ser estimados

• Algunos elementos a ser cuantificados, que normalmente se calculan por métodos de factores u otros métodos conceptuales

• Variabilidad en la productividad de la mano de obra

• Disponibilidad, habilidad y productividad de la mano de obra que varían respecto de aquella estimada inicialmente

• Variaciones normales de clima, que pueden ser diferentes de lo asumido, afectando la productividad de los trabajos

• Variabilidad en las tarifas de mano de obra

• Tarifas de mano de obra que pudieran variar por cambios en las cuadrillas típicas asumidas al momento de preparar la estimación o por condiciones del mercado.

• Costo de materiales y equipos

• Algunos materiales de construcción que puedan reemplazar a aquellos asumidos al momento de preparar el estimado

• Cambios en las cantidades respecto de aquellas asumidas al momento de preparar la estimación

Normalmente se excluyen de la contingencia:

• Los cambios significativos de alcance

• Cambios sustanciales en el proceso

• Eventos de fuerza mayor, como huelgas o desastres naturales

• Inflación excesiva inesperada

por encima o por debajo del estimado, se debería incluir una contingencia de US$8.3 M (6.6%).

Los datos presentados en la tabla 2 también pueden graficarse para una identificación más fácil de los montos estimados, la confiabilidad de no excederlos y las contingencias requeridas en cada caso; lo que se muestra en el gráfico 7, aplicado al ejemplo anterior.


Rafael Figari

CONCLUSIONES

El desarrollo de proyectos de inversión implica siempre un riesgo para el propietario y los inversionistas; un riesgo sobre el éxito o fracaso de su inversión y del proyecto en general. Este riesgo es natural para todo proyecto futuro, pero es mucho mayor su posible impacto en la medida en que los proyectos sean de mayor magnitud, costo o complejidad.

Es principalmente de este riesgo que surge la necesidad, para las organizaciones de proyectos, de desarrollar sistemas formales de gestión de proyectos que les permitan minimizar las incertidumbres y los riesgos a un nivel aceptable, teniendo en cuenta que es imposible eliminarlos completamente.

• Variaciones de cambio monetario excesivas e inesperadas

3.5 Control de costos

La estimación de costos del proyecto tiene la finalidad de saber, de antemano, el monto que será necesario invertir para la ejecución de un proyecto específico. Esto es de gran utilidad para evaluar las alternativas de inversión y la rentabilidad del proyecto como negocio. Sin embargo, esta herramienta estaría incompleta o perdería su efectividad si, durante la ejecución del proyecto, no se establece un control adecuado de los costos como parte del sistema de control del proyecto. Para proyectos pequeños, el control puede estar a cargo de un grupo de profesionales que monitoreen y evalúen el avance, la calidad, el alcance y el costo del proyecto conforme se ejecutan el diseño de la ingeniería de detalle, la procura de equipos y materiales, la construcción y el comisionamiento y arranque del proyecto. Pero, a medida que el proyecto crece en magnitud o complejidad, puede ser necesaria toda una organización de proyecto que ejecute de manera integrada el control de calidad, control de avance o cronograma, control de costos y control de alcance del proyecto.

Dentro del control de proyecto, el control de los costos implica monitorear permanentemente el avance del proyecto y el avance del gasto respecto del cronograma y el flujo de caja establecidos en la fase de definición del proyecto.

Este control se logra con un sistema que permita identificar a tiempo cualquier posible desviación del

costo o cronograma respecto del plan establecido. Estas desviaciones potenciales deben ser identificadas y clasificadas, y se debe cuantificar su impacto en el costo/cronograma del proyecto. El sistema que sirve de base para la identificación de las desviaciones potenciales se denomina sistema de control de cambios, y debe establecer los procedimientos para identificar, clasificar y cuantificar las posibles desviaciones y para definir los planes o medidas de corrección o mitigación correspondientes. En caso de que estas desviaciones sean muy grandes o su impacto no pueda evitarse, debe establecerse de dónde se tomarán los fondos para cubrirlo.

Cuando las desviaciones tengan su origen en un cambio de alcance o de condiciones por parte del propietario, su impacto en el costo y cronograma debe ser cubierto por órdenes de cambio que actualizan la línea base a las nuevas condiciones.

Adicionalmente, el sistema de control de costos debe monitorear periódicamente los indicadores de costo del proyecto y preparar pronósticos para el presupuesto del proyecto durante su ejecución. Esta revisión periódica debe reportarse al equipo de proyectos para poder llevar una gestión adecuada e integrada de los diferentes aspectos del mismo.

El sistema de control de proyectos, en general, y de control de costo, de manera específica, sirven de apoyo a la gerencia del proyecto para mantenerse permanentemente informada del avance del proyecto y para poder tomar a tiempo las medidas correctivas ante cualquier posible cambio o desviación.

233



Bajo este enfoque, la metodología FEL de puertas de aprobación presenta una potente herramienta para los equipos de proyecto con o sin mayor experiencia, ya que establece objetivos, requisitos, responsables, entregables completados y otros objetivos específicos consideradas como buenas prácticas para cada etapa de la definición del proyecto; permitiendo que la información y estudios del proyecto sean desarrollados o definidos de manera ordenada y completa antes de iniciar la ejecución del proyecto. Los beneficios de contar con un sistema formal de gestión de proyectos tipo FEL se hacen aun más evidentes en los proyectos integrados tipo EPC o EPCM.

Como parte de este sistema formal de gestión de proyectos, la clasificación formal de los estimados de costo de capital plantea un criterio unificado acerca de las clases de estimados, las metodologías utilizadas para elaborarlos, la precisión esperada, la información requerida, las habilidades necesarias, los entregables que deben ser preparados, la organización adecuada y el manejo de la información apropiados para cada etapa del proyecto. Siendo el estimado de costo uno de los principales entregables de FEL y teniendo en cuenta que este sirve de base para muchas decisiones importantes durante toda la fase de definición de proyecto, contar con una filosofía integrada de estimación de costos contribuye en gran medida a preparar estimados de costo confiables y predecibles y a mejorar en general la comunicación dentro del equipo y alinear los objetivos y el trabajo a realizar.

Si bien estas prácticas y su aplicación dependen finalmente del tipo de proyecto, magnitud, ubicación, industria, etc., es recomendable integrarlas a las prácticas de una empresa que se dedica al desarrollo de proyectos de capital o desarrollar una metodología propia que considere las buenas prácticas recomendadas por las primeras; para asegurar el desarrollo integrado y completo de la definición del proyecto, prepararlo adecuadamente para su ejecución, garantizar la preparación de estimados de costo de calidad que sustenten las decisiones de negocio y permitir el adecuado control de los costos durante la fase de ejecución del proyecto, con la finalidad última de controlar los riesgos del proyecto y maximizar el éxito del mismo y de la inversión del capital.

GESTIÓN DEL CAMBIO

MAGALY MORALES ZANABRIA

Comunicadora Social con tres años de experiencia profesional, con especialización en Comunicación Organizacional. Cuenta con estudios de Diseño Gráfico, Comunicación Publicitaria y Estrategias de Marketing Promocional. Actualmente se desempeña como Analista de Comunicación Interna de GMI Ingenieros Consultores, donde realiza labores de pleaneación y ejecución de campañas internas, gestión de medios internos de comunicación, así como gestión del cambio e imagen institucional de la empresa.

NILTON ZOCÓN ALVA

Ingeniero con once años de experiencia profesional. Realizó un MBA, Master en Dirección de Empresas en la Escuela de Alta Dirección de la Universidad Privada de Piura. Actualmente se desempeña como Gerente de Desarrollo Organizacional en GMI Ingenieros Consultores, donde desarrolla temas de Gestión Humana, Gestión del Conocimiento, Comunicación Interna, Gestión del Desempeño, Planes de Capacitación y Líneas de Carrera. Ha tenido experiencia en las áreas de Gestión de Tecnologías de la Información, Investigación y Desarrollo, Gestión de Proyectos aplicando la guía PMBOK del Project Managment Institute, Gestión de la Información y Sistema de Gestión de la Calidad ISO 9001. Es docente en la Maestría de Empresas Inmobiliarias de Centrum MDI y en la Facultad de Administración de la Universidad San Ignacio de Loyola. Cuenta con la certificación Microsoft Certified Professional. Logró varios reconocimientos, como el primer puesto en el Concurso de Proyectos del Congreso Intercom 2000 y el Premio Creatividad Empresarial 2009 por el Sistema de Gestión del Conocimiento de GMI.

MARIA ELENA HURTADO TORRES

Contadora Pública Colegiada y Certificada con amplia experiencia. Realizó un MBA, Master en Administración de Empresas en la Universidad Ricardo Palma. Actualmente se desempeña como Contadora General de GMI S. A. Ingenieros Consultores y ECOTEC S. A., donde es responsable del área de Contabilidad. Es auditora financiera y tributaria, así como auditora interna del Sistema de Gestión Integrado ISO 9001-ISO 14001. Desarrolla temas de Administración de Personal y Bienestar Social, y está comprometida en actividades de responsabilidad social y medio ambiente dirigidas a los colaboradores y a la comunidad en general.

ALOHA ROJAS CHANCO

Trabajadora Social con cinco años de experiencia profesional, titulada y colegiada con estudios de especialización en Seguridad Social. Se desempeña como asistente de Bienestar Social, gestionando el área de Bienestar Social a través de la elaboración y ejecución de los planes de responsabilidad social interna (colaboradores) y externa (comunidad y medio ambiente), así como de la coordinación de actividades preventivas en salud. Se encarga de la gestión de seguros y beneficios sociales de los colaboradores, lo que conlleva al bienestar de los mismos.

Nilton Zocón Alva, Magaly Morales Zanabria, Maria Elena Hurtado y Aloha Rojas Chanco

GMI S. A. Ingenieros Consultores

CONSTRUYENDO UNA CULTURA ORGANIZACIONAL:

GMI CAMBIO

238 GESTIÓN DEL CAMBIO

Nilton Zocón, Magaly Morales, Maria Elena Hurtado y Aloha Rojas

La cultura de trabajo es la parte más importante y compleja de desarrollar en una organización, pues implica trabajar en las costumbres, los

valores, las creencias y la forma de pensar de las personas. Esto es determinante para que la persona acceda o no a compartir lo más valioso que posee, que es su conocimiento.

Es por ello que la cultura constituye uno de los pilares del modelo de Gestión del Conocimiento de GMI pues, para que este funcione, es necesario tener una cultura basada en la interacción e integración de los colaboradores, motivando en ellos la socialización que propicie el intercambio de conocimiento.






INNOVACIÓN


CALIDAD

PLAME






Informaciónexterna

Conocimientoen los

proyectos



Figura 1: Modelo de gestión del conocimiento

CONSTRUYENDO UNA CULTURA ORGANIZACIONAL: GMI CAMBIO

239GESTIÓN DEL CAMBIO


1. NECESIDADES DE CAMBIO

Para las personas, el conocimiento es lo más valioso que posee; de su conocimiento depende cuánto gana en su trabajo, su reconocimiento en la sociedad y los beneficios que puede dar a su familia. Durante mucho tiempo nos han repetido que el conocimiento es producto de nuestro esfuerzo y, en muchos casos, también de sacrificios, por eso conservamos un rechazo natural a compartirlo y, por el contrario, tendemos a protegerlo.

Sin embargo, el temor a compartir nuestro conocimiento nos puede llevar a perderlo si tenemos en cuenta lo siguiente:

1. El conocimiento es lo único que no se pierde cuando se comparte. Cuando una persona comparte dinero, pierde el monto que comparte y este pasa a manos de otra persona que incrementa su dinero. En el caso de compartir conocimiento, no existe una pérdida, sino una relación en la que ambas partes ganan: una adquiere nuevo conocimiento y otra afianza el conocimiento que posee.

2. Las personas que enseñan son las que más aprenden. Cuando una persona comparte su conocimiento y enseña a otra, analiza y cuestiona lo que sabe, reforzando así el conocimiento compartido.

En estos principios radica la importancia de gestionar el conocimiento en una organización, y más aun en una organización que vende conocimiento, como GMI.

No obstante, cuando hablamos de gestión del conocimiento en una organización, hablamos también de la disposición de sus miembros para compartirlo o solicitarlo. Por un lado, las personas tendemos a proteger el conocimiento adquirido al considerar que nos hace valiosos o imprescindibles en la organización. Por otro, tenemos temor a preguntar o establecemos prejuicios de parecer inexpertos o poco capacitados.

En GMI estamos convencidos de que las personas son como pirámides, compuestas por una base de actitudes (disposición para interactuar entre las personas), un centro de aptitudes (conocimiento técnico) y una cima de altitudes (visión de liderazgo).

3. El conocimiento que no se usa, se pierde. Cuando una persona adquiere un conocimiento pero no lo aplica o comparte, el conocimiento se restringe al uso que esa persona pueda darle y existe el riesgo de que ese conocimiento se olvide o se pierda.

4. El conocimiento adquiere valor cuando se traduce en acciones. El conocimiento por sí solo no sirve; es cuando se aplica en el trabajo o en la vida cotidiana, que adquiere su verdadero potencial.

Figura 2

¿Por qué tengo que compartirmi conocimiento?

Si te digo lo que sé, seré reemplazable.A mí me costó aprender lo que sé

¡Él no sabe nada!

Sala de reunionesForos

Ambientes de capacitaciónArtículos del conociemiento

Bibliotecas abiertasActividades de integración

Medio

Emisor Receptor

Si pregunto creerá que no sé nada.Los viejos no saben, son muy antiguos

No me interesa aprenderde ese tema, no lo necesito.

¡Él no comparte lo que sabe!



2. ESTRATEGIA DE CAMBIO CULTURAL

La estrategia de GMi Cambio busca una cultura de participación en los colaboradores, generar en ellos una actitud positiva que facilite la transmisión del conocimiento y el intercambio de experiencias y buenas prácticas dentro de la organización.

Para ello se desarrolló un diagnóstico de cultura organizacional a través de diversas herramientas

Cuando dos personas se relacionan, se produce un cruce similar al de dos pirámides, y lo primero que se encuentran son las actitudes. Es por ello que, si el encuentro de las personas no tiene condiciones favorables al nivel de actitudes, el proceso de interrelación no prospera y ya no se produce el intercambio de aptitudes y altitudes.

GMI necesitaba trabajar en las actitudes de sus colaboradores para facilitar su comunicación y generar una cultura basada en el intercambio de conocimiento. Con actitudes positivas en su gente, GMI puede continuar con los siguientes pasos, transmitiendo aptitudes y altitudes, generando, así, una ventaja competitiva.

Ante los resultados anteriores, nace GMi Cambio, una estrategia dirigida a desarrollar el hemisferio cerebral derecho de la organización y a generar actitudes positivas en los colaboradores que permitan alcanzar el objetivo de gestión del conocimiento.

ALTITUDES

APTITUDES

ACTITUDES

=

cuantitativas y cualitativas con colaboradores de toda la organización.

Entre las conclusiones arrojadas por el estudio, está que GMI tiene una amplia diversidad de formas de ser en cuanto a las personas que componen la empresa, lo cual es el primer elemento a considerar para el correcto diseño de la cultura. Si bien existen muchas diferencias, es necesario aprender a vivir juntos y en armonía para ser exitosos y felices. GMI debía enfocarse en aquello que lo diferencia de los demás, aquello que lo hace único y que le da una identidad reconocible. Para ello, era necesario cultivar la tolerancia y concentrar la atención en lo que une y no en lo que divide.

El estudio arrojó que GMI tenía las siguientes características:

GMI tenía muy desarrollado el hemisferio cerebral izquierdo, responsable de los procesos “racionales”; y poco desarrollado el hemisferio cerebral derecho, responsable de los procesos “emocionales”.

En GMI no existía una real integración entre sus colaboradores.

La poca interacción entre los colaboradores no facilitaba la comunicación entre ellos.

Los colaboradores consideraban que los mejores eran los más serios, ocupados y quienes pasaban más tiempo en la oficina.

RIGUROSIDADORDEN

respuestasestereotipos

seriedadestructura

COMPLEJIDADconvencionalismos

autenticidadDESORDENpreguntas

irreverenciaextencridadsimplicidad

diversión

ALTITUDES

APTITUDES

ACTITUDES

ALTITUDES

APTITUDES

ACTITUDES

Figura 3

Figura 4

a.

b.

c.

d.

Figura 5



2.1 Despertar a la organización

Para iniciar el proceso de cambio era necesario despertar a la organización con una actividad que los motivara a expresarse ya que, para entonces, todos los colaboradores se concentraban únicamente en las labores propias del trabajo.

Por ello se iniciaron campañas como “Y tú ¿qué piensas?”, lanzando una serie de comunicaciones de

¿Medio lleno o medio vacío?Definitivamente esta pregunta implica una toma de posición frente a la vida. Para unos queda poca agua y no alcanza... para otros todavia hay mucha y por lo tanto las oportunidades están ahí.Y tú, ¿qué ves?

¿Un largo camino por recorrer o el principio de una aventura?Dependiendo de cómo lo veas, iniciar algo nuevo puede ser un largo y tedioso camino... o el principio de una fascinante aventura.Y tú, ¿qué ves?

¿Más viejo o más sabio?Para unos se envejece con el tiempo... para otros se gana experiencia, conocimiento y sabiduria. Mientras unos festejan con alegria cada cumpleaños otros miran cada año que se va con nostalgia.Y tú, ¿qué ves?

¿Desastre u oportunidad?siempre es posible tener perspectivas distintas. La destrucción de un camino puede ser un problema... pero tambien la oportunidad de reconstruirlo y hacerlo mejor.Y tú, ¿qué ves?

Así mismo, se debía lograr que la organización descubriera que cada persona cuenta con una opinión y que en GMI tenían la oportunidad de expresarla.

intriga que buscaban que las personas expresaran sus puntos de vista sobre un determinado tema.

Figuras 6-9: Campaña de intriga

Figura 10: Campaña para incentivar al personal a expresar su opinión



Figuras 11-13: Campaña para incentivar al personal a expresar su opinión



2.2 Testimonios de aliento

Para el éxito de un cambio cultural, la motivación debe venir desde los colaboradores; es por ello que personas de todos los niveles de la organización, desde personal de limpieza hasta jefes de proyectos, expresaron mensajes como los siguientes:

• Renuévate• Cambia• Si quieres resultados diferentes, haz las cosas de manera diferente• Reinvéntate• El comienzo es la parte más importante del éxito• Si quieres cambiar el mundo, cámbiate a ti mismo

2.3 El mundo está cambiando... ¿y tú?

Los colaboradores de la empresa debían reflexionar sobre cómo venían haciendo las cosas hasta entonces y si se estaban adaptando a los cambios que se daban en su entorno. Para ello, se publicó una serie de mensajes que mostraban los cambios y evoluciones en el mundo.

2.4 Generar una marca del cambio

Todo cambio organizacional debe ser comunicado de forma creativa, que llame la atención de los colaboradores y se posicione entre ellos; es por ello que GMI creó un logotipo y un eslogan. El mensaje reflejado por ambos elementos era que el cambio de cada colaborador (“Mi cambio”), significaba el cambio de la organización: “GMi Cambio”.

2.5 Compartir testimonios de cambio

Para motivar que las personas reconocieran la necesidad de cambio en el desarrollo de las personas y promover nuevos espacios para compartir experiencias, se crearon videos con testimonios de las personas más representativas de la empresa, compartiendo cómo el cambio les ayudó en su vida personal y profesional.

IPOD

LIBROS

DISQUETE 8PULGADAS

El mundo esta cambiando... y tu?

DISQUETE 3 1/2PULGADAS

CDCOMPACTO

DISCO DUROEXTERNO

MEMORIAUSB

Figura 14: Testimonios de aliento

Figuras 15 Figuras 17-18: Videos con testimonios

Figuras 16: Logotipo y slogan



2.6. Recopilación de la experiencia

Finalmente, se debía rescatar todo lo trabajado hasta entonces para posicionarlo entre los colaboradores; para ello se creó un portal web, en el que se recopilan las evidencias de esta campaña que dio inicio al cambio en GMI y donde se comparten todas las fotos y videos con las comunidades.

Es así que, como parte de la estrategia de gestión del conocimiento en GMI, se inició el Plan de Gestión del Cambio, que busca generar una cultura de innovación y mejora continua, brindando a nuestros colaboradores espacios para expresarse, integrarse, compartir y escuchar a los líderes.

2.7 Nuevos espacios de trabajo

Para cambiar la cultura de la empresa, es muy importante poner énfasis en su comunicación informal y canalizar, a través de ella, la estrategia de GMI. Por eso era trascendental dotar de espacios que indujeran a los colaboradores a interactuar, ejecutándose así la remodelación de las oficinas.

GMI contaba anteriormente con oficinas estrechas y saturadas de documentación, que no permitían una circulación cómoda de las personas, y no contaba con espacios abiertos que facilitaran la interacción entre colaboradores.

El diseño de las oficinas responde hoy a la estrategia de gestión del conocimiento y se traduce en ambientes abiertos que buscan la socialización y colaboración, donde las personas pueden fluir libremente y es la proximidad la que da soporte a la innovación y a la comunicación.

Es importante resaltar que los colaboradores fueron un factor muy importante en las decisiones del nuevo diseño. Ellos fueron convocados para realizar observaciones y plantear posibles soluciones.

El diseño de estas nuevas oficinas tiene como objetivo potenciar la gestión del conocimiento a través de la flexibilidad, la tecnología, la comunicación interna y la socialización.

Figura 20: Talleres de diseño de la Estrategia Empresarial

Figura 19: Portal web de GMI Cambio




Figura 25: Nuevas oficinas

Figura 23: Nuevas oficinas

Figura 27: Mesas de trabajo


Figura 26: Salas de asesoría

Figura 24: Salas de videoconferencia

Figura 28: Salas de reuniones

2.8 Nuevas oficinas



Figura 29: Bibliotecas

Figura 31: Kitchenette

Figura 30: Zonas de impresión

Figura 32: Pantallas de comunicación Interna

2.9 Mejorando nuestra convivencia

GMI quiere desarrollar es una cultura de respeto a uno mismo y a los demás. Para ello, es necesario crear protocolos sobre el uso de los ambientes de trabajo, con prácticas que ayuden a los colaboradores a adaptarse mejor y desarrollar buenas relaciones con sus compañeros.

Es por ello que el protocolo Etiqueta en la oficina brinda recomendaciones sencillas para mantener

un grato ambiente de trabajo a través de una mejor convivencia.

La Guía de buenas prácticas ambientales en la oficina reúne nociones básicas sobre la gestión ambiental y establece pautas de comportamiento que conlleven a una reducción del impacto ambiental.

Figura 33: Manuales de convivencia



Campañas de refuerzo

Nuestro centro de trabajo es el lugar donde pasamos la mayor parte del tiempo; sin embargo, hay diferencias entre sobrevivir en un espacio de trabajo y prosperar en él. Con la mentalidad apropiada y el uso de algunos consejos prácticos, el espacio de trabajo puede ser muy cómodo; es por eso que GMI realiza campañas internas con el objetivo de brindar pautas a todos nuestros colaboradores sobre el correcto uso de los ambientes de trabajo.

Además de la realización de charlas, distribución de protocolos y señalización de los ambientes, GMI cuenta con videos protagonizados por colaboradores, a través de los cuales se dan a conocer diversos consejos para el mejor uso de las instalaciones, tales como:

• Uso de las salas de reuniones• Uso de las salas de asesoría• Uso de los locutorios• Uso de las estaciones de trabajo• Uso del kitchenette• Uso de los servicios higiénicos

En la actualidad, los protocolos Etiqueta en la oficina y Guía de buenas prácticas ambientales en la oficina son también parte del proceso de inducción a nuevos colaboradores y son entregados a todos ellos en el Manual de Procedimientos y Reglamento Interno; así mismo, están publicados en nuestro Sistema de Gestión del Conocimiento, principal medio de comunicación interna que registra la cultura de la empresa.

Días de Orden y Limpieza

Teniendo en cuenta que GMI tiene una infraestructura muy moderna y espacios compartidos, es necesario promover actitudes positivas para una mejor convivencia. Como parte de ello, la organización promueve entre sus colaboradores el hábito de mantener el orden y la limpieza de las oficinas para comodidad de todos.

De esta forma es que nacen y se realizan los Días de Orden y Limpieza, día en que todos los colaboradores de las oficinas de Lima son convocados a ordenar su espacio de trabajo durante media hora y seleccionar los papeles que ya no usarán. Con esta actividad se promueve la socialización de las personas mientras ordenan sus estaciones de trabajo; se genera una mejor convivencia e impulsa el reciclaje entre los colaboradores como parte de nuestra política ambiental.

Figura 34: Videos sobre el mejor uso de las instalaciones

Figuras 35-37: Días de Orden y Limpieza



2.10 Actividades artísticas

Como parte del cambio cultural, GMI necesita que sus colaboradores se desenvuelvan sin temores, se expresen naturalmente, trabajen y asuman retos en equipo. Para lograrlo, GMI organiza actividades artísticas que les permiten desarrollar nuevas habilidades y generan espacios de interacción distintos del lugar de trabajo, lo que les permite relacionarse de forma más cercana y vencer su timidez.

De esta forma, la empresa genera un mayor sentido de equipo en las comunidades, e invita a la cooperación y el involucramiento de sus colaboradores.

Como parte de esta estrategia, se han desarrollado actividades como:

2.10.1. “Aguas, aguas, el que no comparte se saca el 8”

La primera aparición de artistas en GMI reunió a 20 colaboradores en un sketch denominado “Aguas, aguas, el que no comparte se saca el 8”, escena que representaba personajes de la serie “El Chavo” y tenía como mensaje la importancia de preguntar y compartir conocimiento entre los miembros de GMI.

Las frases del personaje del Profesor Jirafales reflejan mucho del mensaje de GMI:

“Es muy importante que se ayuden entre compañeros, que se ayuden a ser mejores. Solo ayudando a los demás a ser mejores, podremos ser mejores nosotros mismos”.

“El mejor conocimiento no está en los libros, ni en las bibliotecas, ni en las computadoras. El mejor conocimiento está en las personas. Mientras más conocimiento comparten van a aprender mejor. El conocimiento no vale más cuando uno se lo guarda para sí, el conocimiento vale más cuando se comparte”.

“Tú no puedes dar por sentado lo que una persona sabe. Si Godines pregunta algo, no es para molestar sino para aprender”.

2.10.2 Primera Gala de Talentos

Luego de la primera presentación artística, GMI buscó fortalecer las comunidades del conocimiento convocando a su participación en la “Primera Gala de Talentos”, en la que cada una de ellas presentó un número artístico en el 25 aniversario de la empresa.

El show de talentos incluyó la presentación de bailes, actuación, música y canto, todos protagonizados por colaboradores de la empresa, incluyendo también un número de jefes y gerentes. La ya conocida banda de GMI también se hizo presente para cerrar el evento.

Lo valioso de esta nueva actividad dentro de la empresa se reflejó durante todo el proceso. Los ensayos para la presentación central fueron organizados por la empresa, provocando que por casi tres meses los colaboradores de las distintas comunidades tuvieran la oportunidad de convivir en un espacio diferente, compartir experiencias y colaborar con un objetivo común.

Figuras 38-39: Escenas del sketch de “El Chavo”



Figuras 40-41: Comunidad Mecánica: Música y baile de Saya

Figuras 42-43: Comunidad Supervisión: Obra de teatro “Respetando al medio ambiente”

Figura 44-45: Comunidad Arquitectura: Marinera norteña

Figuras 46-47: Comunidad Instrumentación: Obra de teatro “Trabajando con profesionalismo”



Figuras 48-49: Comunidad Desarrollo Organizacional: Teatro clown “Trabajando en equipo”

Figuras 50-51: Comunidad Estructuras: Obra musical de percusión

Figuras 52-53: Comunidad Administración: Baile de tango



2.10.3 Coro navideño GMI

La celebración navideña en GMI se ha convertido en una celebración especial que involucra una serie de actividades de integración y solidaridad. Es por ello que GMI aprovecha la oportunidad para musicalizarla con voces de sus colaboradores y propiciar un ambiente fraterno en la empresa.

2.10.4 Talleres de talento

Con el objetivo de desarrollar de manera integral a sus colaboradores y continuar creando oportunidades de socialización, se iniciaron también los “Talleres de Talentos GMI”. En estos talleres, los colaboradores tienen la oportunidad de relajarse y potenciar su talento artístico en clases de canto, baile, clown e instrumentos musicales. Además, es una ocasión para interrelacionarse con colaboradores de otras especialidades y proyectos.

2.10.5 Segunda Gala de Talentos

Considerando la acogida de la Primera Gala de Talentos y lo provechoso de esta iniciativa para integrar a los colaboradores de las comunidades y crear confianza entre ellos, GMI organizó la “Segunda Gala de Talentos”. Esta nueva propuesta provocó que las comunidades se esforzaran y presentaran números muy creativos y completos. Los ensayos se realizaron con tres meses de anticipación a la fecha central, propiciando una mayor convivencia entre los miembros de las comunidades.

El día de la gala, las presentaciones sorprendieron por su variedad y excelente producción. Estas incluyeron musicales, danzas típicas, bailes modernos, divertidos sketchs, danza moderna y actuación.

Figuras 54-55: Grabación del coro navideño

Figura 56: Taller de clown

Figura 57: Taller de canto



Figuras 60-61: Comunidad Eléctrica: Baile “Grease”

Figuras 62-63: Comunidad Supervisión: Obra musical

Figuras 58-59: Comunidad Mecánica: Música y baile

Figuras 64-65: Comunidad Estructuras: Landó



Figuras 66-67: Comunidad Instrumentación: Obra de teatro “Shrek”

Figuras 68-69: Comunidad Desarrollo organizacional: Baile de hip hop

Figuras 70-71: Comunidad Arquitectura: Danza moderna

Figuras 72-73: Comunidad Administración: Baile y canto de música latina



2.10.8 Integrando a la familia

Para el éxito de su estrategia, GMI necesita también establecer relaciones favorables con la familia de sus colaboradores, de tal forma que propicien y fortalezcan actitudes positivas hacia la empresa.

Por esto, GMI busca que tanto los colaboradores como sus familiares se sientan acogidos por la empresa, y es

2.10.6 Asumiendo juntos el reto: La maratón

Cohesionar GMI es hacer de ella una organización que, unida, alcanza sus objetivos y que asume retos en colaboración. Bajo ese concepto es que se organizó la primera maratón de la empresa, para transmitir a sus colaboradores la importancia de asumir retos, esforzarse por ellos y alcanzarlos, tanto en el ámbito personal como en el laboral.

La maratón logró reunir a colaboradores, familiares y amigos para juntos recorrer 5 km, rodeando el Pentagonito. El evento contó con la participación de 250 personas de todas las edades, incluyendo familias enteras y grupos de amigos.

Figuras 74-76: Maratón de GMI

2.10.7 GMistura:

Para fortalecer las relaciones entre los miembros de las comunidades, GMI promueve su interacción en distintas situaciones. Es por ello que se realizó GMistura, un evento orientado a que cada comunidad trabajara en equipo por alcanzar un objetivo. En este caso: preparar y vender un plato típico a fin de recolectar fondos para un evento de solidaridad.

Con este evento, GMI logra que todos los colaboradores participen y contribuyan al éxito de su comunidad. El primer GMistura se caracterizó por una gran convocatoria, amplia participación y gran recaudación de dinero en todas las comunidades.

Figuras 77-78: GMistura



2.11 Cultura de reconocimiento

Promover en los colaboradores actitudes positivas acordes con la estrategia de la empresa es otro de los factores fundamentales para el GMI que deseamos. Es por ello que anualmente se otorgan reconocimientos como:

Premio a los Valores Corporativos

Este reconocimiento es otorgado a los colaboradores que han destacado en el año por la práctica constante de los cuatro valores que guían el comportamiento de GMI y el Grupo Graña y Montero: cumplimiento, seriedad, calidad y eficiencia.

La celebración tiene como objetivo promover la práctica de los valores y agradecer a los colaboradores por ejemplificarlos y ser referentes de la cultura de GMI .

Figuras 79-81: Visita de Navidad

Figuras 82-83: Premiación a los valores corporativos

por ello que realiza actividades que los integran a sus celebraciones.

El caso más representativo es la visita de Navidad, evento en el cual GMI invita a los hijos y cónyuges de los colaboradores a que conozcan un poco más de las actividades de la empresa y visiten las oficinas.

Los niños son recibidos por un grupo de colaboradores y reciben información muy didáctica de lo que hacen sus padres en GMI. Luego recorren las instalaciones acompañados de Papá Noel y elaboran un trabajo manual que queda como recuerdo en la oficina. Posteriormente, los niños buscan a sus papás entre las estaciones de trabajo y reciben algunos obsequios.

Premio al Docente Interno del Año

Este reconocimiento es otorgado al colaborador que ha desarrollado una destacada labor de docencia en la empresa, compartiendo sus conocimientos a través de talleres, charlas y horas de capacitación.



Reconocimiento por participación artística

A fin de premiar la creatividad y el esfuerzo de los colaboradores en la participación en

Figura 84: Premiación al Docente Interno del Año

Figura 85: Premios a la participación en actividades artísticas

La actividad tiene como objetivo incentivar a más colaboradores a compartir sus conocimientos con sus compañeros de trabajo.

actividades artísticas, GMI otorga los siguientes reconocimientos:

• Comunidad más creativa

• Colaborador más entusiasta

• Artistas revelación

• Artistas más carismáticos

• Artistas más colaboradores

Download - Libro Del Conocimiento VOl 1 - GMI

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