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ICIV 201120 26 1 Análisis comparativo entre los sistemas de cimentación profunda de pilotes preexcavados y pilas de agregado compactado Por: Juan Manuel Mojica Amann Universidad De Los Andes 2011-2 Asesor de tesis: José Alberto Guevara Bogotá 2011
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Análisis comparativo entre los sistemas de cimentación profunda de pilotes preexcavados y pilas
de agregado compactado
Por: Juan Manuel Mojica Amann
Universidad De Los Andes 2011-2
Asesor de tesis: José Alberto Guevara
Bogotá 2011
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Resumen
Todas las estructuras están soportadas por cimentaciones, a las cuales se les trasmiten las cargas y estas las disipan en el terreno. Existen cimentaciones superficiales y profundas. El factor que determina el tipo de cimentación de una estructura es la capacidad portante del terreno. Para el caso de los puentes un factor determinante en el tipo de cimentación a diseñar, es el nivel de socavación que genere el rio.
Hoy en día el método más usado son las cimentaciones profundas. Estas pueden construirse por medio de pilotes preexcavados, hincados, micropilotes o pilas de agregado compactado. Esteúltimo tipo, fue desarrollado en el año 1989 por la empresa Geopier Fundation Company.
Este método consiste en realizar un mejoramiento de terreno por medio de pilas de agregado compactado, para luego construir la estructura sobre una cimentación directa.
Desde el año 2010 se vienen adelantado proyectos de construcción con este método de cimentación en Colombia. La teoría dice que se pueden reducir costos entre un 20 a 30 % en la cimentación, lo que resultaría un método muy conveniente para los constructores.
El presente trabajo busca realizar un comparación en el tema de costos, recursos entre los métodos de pilotes preexcavados y las pilas de agregado compactado.
Teniendo en cuenta que el método de las pilas de grava, es nuevo en Colombia y no se tiene una amplia experiencia, se busca realizar un análisis de la cadena productiva, bajo los parámetros de “Lean Construction”, realizando además una simulación del proceso constructivo utilizando el software Arena. Todo esto con el fin de buscar reducir la variabilidad, mejorar el tiempo de ciclo y generar una estandarización del proceso.
Con el ánimo de valor este método constructivo se plantea un experimento haciendo uso de la Centrifuga, en donde se busca realizar la comparación de asentamientos entre pilotes de madera y pilas de arena compactada.
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Tabla de Contenido 1. Introducción ....................................................................................................................... 10
1.1 Antecedentes ..................................................................................................................... 10
1.2 Alcance y Delimitación del problema ..................................................................... 12
1.3 Objetivo General ............................................................................................................... 13
1.3.1 Objetivos específicos .............................................................................................. 13
1.5 Metodología de Investigación ..................................................................................... 14
2. Revisión bibliográfica ............................................................................................................ 16
2.1. Cimentaciones Superficiales ....................................................................................... 16
2.2 Cimentaciones Profundas ............................................................................................. 19
2.2.1 Pilotes preexcavados ............................................................................................. 19
2.2.2 Micropilotes ............................................................................................................... 22
2.2.3 Pilas de agregado compactado (P.A.C) ............................................................ 26
3. Análisis comparativo de los métodos de pilotes preexcavados y pilas de agregado compactado ................................................................................................................ 32
3.1 Matriz DOFA Geopíer...................................................................................................... 32
3.2 Análisis comparativo de costos. ................................................................................. 33
3.3 QFD para pilas de agregado compactado ............................................................... 36
3.4 Insumos requeridos por cada método constructivo .......................................... 37
4. Laboratorio en la Centrifuga para pilas de agregado compactado ..................... 39
4.1 Modelación en Centrifuga para tres tipos de cimentaciones .......................... 39
4.2 Objetivos ............................................................................................................................. 40
4.3 Materiales Utilizados ...................................................................................................... 40
4.4 Procedimiento ................................................................................................................... 40
4.5 Cálculos y tablas ............................................................................................................... 43
4.6 Análisis de resultados .................................................................................................... 45
4.7 Conclusiones del laboratorio ....................................................................................... 46
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5. Simulación del proceso constructivo de pilas de agregado compactado .......... 46
6. Principios aplicables de “Lean Construction” y planificación de proyectos .... 48
7. Descripción del sistema y modelo de simulación ....................................................... 51
7.1 Proyecto............................................................................................................................... 51
7.2 Actividades de la simulación ....................................................................................... 52
7.3 Programa de simulación. .............................................................................................. 55
7.4 Modelo de Simulación .................................................................................................... 55
7.5 Validación del modelo .................................................................................................... 60
8. Aplicación de principios de ¨Lean Construction¨ al el proceso constructivo ... 63
8.1 Tiempo de ciclo y análisis de cada actividad del proceso constructivo ...... 63
8.2 Variabilidad en el proceso ............................................................................................ 65
8.3 Costos por días perdidos en mantenimiento ........................................................ 66
8.4 Distribución de tiempos ................................................................................................ 67
8.5 Desperdicio de material ................................................................................................ 68
8.6 Horario de trabajo e impuntualidad ......................................................................... 69
8.7 Planificación del trabajo ................................................................................................ 69
9. Recomendaciones ................................................................................................................... 72
10. Conclusiones ........................................................................................................................... 72
11. Bibliografía .............................................................................................................................. 74
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Contenido de Figuras
Figura 1. Secuencia para el mejoramiento del terreno ................................................. 17
Figura 2 Cimentación superficial por medio de zapata ................................................ 17
Figura 3 Cimentación superficial por medio de losa ...................................................... 18
Figura 4 Cargas actuantes en la zapata de cimentación ............................................... 18
Figura 5 Secuencia de construcción de pilotes preexcavados .................................... 20
Figura 6 Esfuerzos actuantes para un grupo de pilotes ................................................ 21
Figura 7 Maquina rotativa de micropilotes ....................................................................... 22
Figura 8 Proceso constructivo de un micropilote ........................................................... 23
Figura 9 Tuvo con Manguitos .................................................................................................. 24
Figura 10 Secuencia de colocación e inyección de la lechada secundaria ............. 24
Figura 11 Esquema constructivo de micropilotes inyectados y utilización de manguitos ....................................................................................................................................... 25
Figura 12. Estabilización de Taludes por medio de P.A.C ............................................ 27
Figura 13 Estabilización de Losas de Cimentación por medio de P.A.C ................. 27
Figura 14 Soporte de Tanques por medio de P.A.C ........................................................ 27
Figura 15 Control de Asentamientos por medio de P.A.C ............................................ 28
Figura 16. Montaje para prueba de carga ........................................................................... 29
Figura 17 Procedimiento Constructivo de las pilas de agregado compactado .... 29
Figura 18 Zonas de diseño de pilas de agregado compactado ................................... 30
Figura 19 Analogía de resortes de diseño .......................................................................... 30
Figura 20 Sección transversal de pilotes ............................................................................ 35
Figura 21 Sección transversal de pilas de agregado compactado ............................ 35
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Figura 22 QFD para pilas de agregado compactado ....................................................... 37
Figura 23 Cajas de acrílico con muestra de suelo arcilloso ......................................... 42
Figura 24 Cuadricula sobre la muestra de suelo ............................................................. 42
Figura 25 Placa de acrílico sobre muestra de suelo ....................................................... 42
Figura 26 Perforación para pilotes por medio de broca ............................................... 43
Figura 27. 12 pilas de arena compactada ........................................................................... 43
Figura 28 Instrumentación en la centrifuga con actuador y deformimetro ......... 43
Figura 29 Diagrama de flujo del proceso de producción, Gilbreths (1922) .......... 47
Figura 30 Esquema de control de procesos (Howell et al, 2009). ............................ 50
Figura 31 Modelo PHVA. NTC – ISO – 9001 (Tercera actualización) ....................... 51
Figura 32 Esquema del Proyecto Lucerna ......................................................................... 52
Figura 33 Posicionamiento de la Maquina ......................................................................... 52
Figura 34 Llenado de la Tolva ................................................................................................. 53
Figura 35 Subida, descargue y bajada de la Tolva........................................................... 53
Figura 36 Perforación y compactación de la grava ......................................................... 53
Figura 37 Secuencia de construcción de pilas de agregado compactado .............. 54
Figura 38 Flujo de datos y proceso hasta el reporte final ............................................ 55
Figura 39 Modelo de Simulación en Arena ® ................................................................... 55
Figura 40 Primera parte del modelo de Simulación....................................................... 56
Figura 41 Segunda parte del modelo de Simulación ...................................................... 56
Figura 42 Tercera parte del modelo de Simulación ....................................................... 57
Figura 43 Ventana para cargar archivos al modelo de simulación .......................... 57
Figura 44 Tabla de Posiciones generadas en archivo de texto, exportadas a Arena ® ........................................................................................................................................... 58
Figura 45 Función de probabilidad uniforme para Posicionamiento de Maquina ............................................................................................................................................................. 58
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Figura 46 Función de probabilidad Erlang para cargue de Tolva ............................. 59
Figura 47 Función de Probabilidad Uniforme para subida de tolva ........................ 59
Figura 48 Función de Probabilidad Erlang para descargue de Tolva .................... 59
Figura 49 Función de Probabilidad Triangular para bajada de Tolva .................... 60
Figura 50 Función de Probabilidad Beta para Perforación ......................................... 60
Figura 51 Proceso Iterativo de Calibración del modelo. Banks (2001) .................. 61
Figura 52 Desperdicio de material ........................................................................................ 65
Figura 53 WBS para la construcción de pilas de agregado compactado ................ 71
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Contenido de Tablas
Tabla 1 Proyecciones de mediano plazo de la construcción, Proyecciones Fedesarrollo ................................................................................................................................... 11
Tabla 2 Ítems e incidencia en proyectos de construcción ........................................... 12
Tabla 3 Formato para la toma de tiempos construcción de las pilas....................... 16
Tabla 4 Costos por m3 de pilotes preexcavados y pilas de agregado compactado ............................................................................................................................................................. 34
Tabla 5 Volumen y costo de concreto para placa de cimentación de 70 cm y 1 m de espesor ....................................................................................................................................... 36
Tabla 6 Insumos requeridos por método constructivo ................................................ 37
Tabla 7 Contaminación producida por cada método ..................................................... 38
Tabla 8 Asentamientos de pilotes y pilas de agregado ................................................. 45
Tabla 9 Duración en segundos para la construcción de una pila .............................. 62
Tabla 10 Duración y desviación estándar para el sistema real y modelo de simulación ....................................................................................................................................... 63
Tabla 11 Tiempo total (seg) de construcción de un elemento ................................... 63
Tabla 12 Días, trabajado y días parados ............................................................................. 67
Tabla 13 Costo total por días de mantenimiento de la maquina ............................... 67
Tabla 14 Distribución de tiempos por operario .............................................................. 68
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Contenido de Graficas
Gráfica 1 Crecimiento del PIB total y del sector de la construcción en Colombia, Dane, Cuentas Nacionales ......................................................................................................... 10
Gráfica 2. Producción de VIS y No VIS, Dane, Censo de edificaciones – Vivienda VIS y No VIS .................................................................................................................................... 11
Gráfica 3 Desplazamiento vs. Carga Aplicada ................................................................... 45
Gráfica 4 Tiempo de ejecución de un elemento ............................................................... 64
Gráfica 5 Elementos construidos por días trabajados ................................................... 66
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1. Introducción
La construcción en Colombia siempre ha sido parte del motor de la economía nacional, aunque no se han tenido avances tecnológicos significativos en los procesos de constructivos, como tampoco se ha implementado herramientas que ayuden a la ejecución de los mismos.
La maquinaria utilizada, las condiciones de los trabajadores, la planificación y desarrollo de proyectos, son una clara muestra que en Colombia falta invertir en tecnología para la construcción.
En la construcción de cimentaciones, se continúan usando métodos inventados hace más de 50 años. En esta área de la ingeniería civil, se ha avanzado mucho en países desarrollados, con nuevas tecnologías que mejoran los rendimientos y reducen costos de construcción, como es el método de las pilas de agregado compactado. Desde hace dos años se vienen adelantando proyectos en Colombia con este método, por lo que resulta interesante realizar un análisis del mismo.
1.1 Antecedentes
El PIB de Colombia presentó una tendencia creciente de aproximadamente 4,5 % en promedio desde el año 2003 hasta el 2007. Para el año 2008 y 2009 se percibe una caída en este crecimiento, teniendo en cuenta la crisis mundial que se presentó. Para el año 2010 se tiene una recuperación, con un crecimiento del 4,3 %. Según el Banco de la Republica, se espera un crecimiento entre el 4.5 % y 6.5 % para el año 2011.
El sector de la construcción es más sensible a choques externos y a las señales del mercado, que el PIB total, esto se puede evidenciar con el crecimiento de este sector entre los años 2002 y 2010 en la siguiente gráfica:
Gráfica 1Crecimiento del PIB total y del sector de la construcción en Colombia, Dane, Cuentas Nacionales
El sector de la construcción representa aproximadamente un 7 % del PIB total, lo que resulta en un factor de vital importancia para el desarrollo del país.
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Según el DANE, Colombia tiene un déficit de vivienda del 36 % aunque la producción de viviendas viene creciendo tal como se muestra en la siguiente gráfica:
Gráfica 2. Producción de VIS y No VIS, Dane, Censo de edificaciones – Vivienda VIS y No VIS
De acuerdo a las necesidades de construcción de viviendas en Colombia, la importancia del sector de la construcción para el crecimiento del país, se tienen proyecciones de crecimiento a mediano plazo, tal como se muestra en la siguiente tabla:
Proyecciones de mediano plazo
Tabla 1Proyecciones de mediano plazo de la construcción, Proyecciones Fedesarrollo
Crecimiento (%) 2010 2011 2012
PIB 4 5 5,7
OFERTA
Agropecuario 4,0 1,8 2,9
Construcción 3,6 5,2 9,9
Industrial 5,6 6,4 7,2
Comercio 4,4 5,6 6,2
Servicios 3,0 4,0 4,1
La construcción es un sector de crecimiento constante, necesario para un país en desarrollo y de gran importancia entre los indicadores económicos. Por estas razones se quiere analizar uno de los factores involucrados en los proyectos de construcción de viviendas, como son las cimentaciones utilizadas, realizando una investigación sobre nuevas tecnologías utilizadas en el mundo como son las pilas de agregado compactado.
En la siguiente tabla se muestra la incidencia que tiene cada uno de los ítems representativos en la construcción de vivienda.
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Tabla 2Ítems e incidencia en proyectos de construcción
Ítem Descripción Incidencia (%)
1 Lote 5
2 Diseño 1,1
3 Movimiento de Tierras 4,6
4 Cimentacion (pilotes) 6,6
5 Placa de cimentación 0,5
6 Estructura 13,6
7 Acabados 58,1
8 Equipos Especiales 4
9 Personal 6,5
TOTAL 100
Como se puede observar en la tabla, la cimentación representa un 6,6 % del total del costo de construcción.
1.2Alcance y Delimitación del problema
Actualmente en Colombia el método más usado en cimentaciones profundas para proyectos inmobiliarios, son los pilotes preexcavados. La demanda de trabajo para este tipo de mercado es muy alta. En muchos casos la viabilidad de un proyecto depende de la disponibilidad de maquinaria necesaria para ejecutar estas cimentaciones, más no depende del elevado precio que se tiene que pagar por dicho trabajo. Los pilotes preexcavados causan deterioros al medio ambiente, por el uso de lodos bentónicos para la estabilización del terreno, producción del concreto, el lavado de las tuberías de concreto. Además de las implicaciones ambientales antes mencionadas, se presenta contaminación en los trabajadores que inhalan el humo de las soldaduras en el proceso de fabricación de las parrillas metálicas.
Hoy en día, existe una alternativa desarrollada en Estados Unidos por la empresa Geopier Fundation Company, llamado pilas de agregado compactado, en el que por medio de un martillo neumático se compactan pilas de grava, para lograr un mejoramiento de terreno, en el que se construye la losa de cimentación del proyecto.
Teniendo en cuenta que es un sistema innovador en Colombia y que los dueños de proyecto pueden ser reticentes a nuevas tecnologías, que aún no han sido probadas en Colombia se quiere mostrar un análisis de ésta tecnología, por medio de pruebas de laboratorio y el desarrollo de una simulación validada, en donde el cliente pueda ver rápidamente los costos y tiempos de un proyecto, que lo puedan llevar a tener una mejor planeación del mismo.
Las pruebas de laboratorio se realizarán en el laboratorio de Geotecnia de la Universidad de los Andes. Se pretende determinar las deformaciones verticales que se tienen al aplicar carga tanto para los pilotes de agregado compactado y comparar las mismas con deformaciones teóricas. Dentro de las limitaciones que se tienen, es que los resultados obtenidos de las deformaciones no sean las
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esperadas, teniendo en cuenta que la compactación de la grava en el laboratorio, no tiene el mismo proceso que se tienen en la realidad, por no tener un martillo de compactación a escala reducida.
La simulación de procesos constructivos, no ha sido una herramienta comúnmente usada en las empresas, dada la falta de experiencia y conocimiento en sus aplicaciones (Schramm, Silveira. 2008). Hoy en dia se siguen utilizando para el análisis de la eficiencia y productividad de los procesos, hojas de cálculo, teoría de colas (Alkass, 2003.). Por las razones antes mencionadas, se busca implementar una simulación para el proceso constructivo de las pilas de agregado compactado, que apoye la planificación de proyectos futuros y se tenga una mejor productividad.
La simulación se realizará con ayuda del asistente graduado Daniel Sierra y ésta será validada en el proyecto de construcción LECERNA de vivienda VIS ubicado en la ciudad de Bogotá.
1.3 Objetivo General
El objetivo general del presente trabajo de grado es desarrollar un modelo de simulación sobre el sistema constructivo de pilas de agregado compactado, en donde puedan mostrarse diferentes escenarios, variando los recursos y tiempos empleados, incluyendo además un comparativo de los asentamientos encontrados por medio del uso de la centrifuga en el laboratorio para finalizar con un análisis comparativo de tiempos, costos y recursos con el sistema de pilotes preexcavados.
1.3.1 Objetivos específicos
- Realizar una revisión bibliográfica de los sistemas existentes de cimentaciones.
- Contactar una empresa colombiana que tuviera interés en el desarrollo de una simulación y que suministrara la información necesaria para el proceso constructivo de las pilas de agregado compactado.
- Por medio del uso de la centrifuga en el laboratorio, realizar una comparación de los asentamientos que se tienen en el suelo, con tres tipos de cimentaciones, cimentación directa, pilotes de madera, pilas de agregado compactado
- Realizar un análisis comparativo entre tiempos, costos y recursos entre los pilotes preexcavados y las pilas de agregado compactado.
- Simular los tiempos, movimientos y costos de construcción de la cimentación por medio de pilas de agregado compactado, de un
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proyecto específico, para luego aplicar dicha simulación en los proyectos futuros con este tipo de cimentaciones profundas.
- Generar el documento del proceso de investigación de pilas de agregado compactado
a. Hipótesis de Investigación
- Las pilas de agregado compactado reducen entre un 20% a 30%, el costo de las cimentaciones, en comparación a los pilotes prexcavados.
- Las pilas de agregado compactado generan un menor impacto ambiental, en comparación a los pilotes prexcavados.
- La relación de un pilote con 3 pilas de agregado compactado generan asentamientos similares en el terreno
- La correcta planeación en la cadena de suplemento de materiales, elimina los tiempos perdidos de otras actividades.
- La modelación del proceso constructivo, ayuda a tener una mejor planeación del proyecto.
1.5Metodología de Investigación
Para el desarrollo del presente trabajo de grado se tiene la siguiente metodología:
- Análisis del sector de la construcción en Colombia - Análisis de los costos e incidencia de los ítems representativos en un
proyecto de construcción - Revisión bibliográfica de los métodos más comunes de cimentación - Realizar las pruebas de laboratorio - Realizar el análisis comparativo de los procesos constructivos de
cimentaciones profundas (Pilotes preexcavados y pilas de agregado compactado)
- Consecución de una empresa que implemente el método de construcción de cimentaciones antes mencionado, la cual esté dispuesta a ofrecer la información y recursos necesarios para la realización del presente trabajo.
- Identificación de un proyecto con este tipo de cimentación - Desarrollo de la simulación con apoyo del asistente graduado Daniel
Sierra de la Universidad de los Andes
Para la revisión bibliografía del presente trabajo, se buscó bibliografía referente a los métodos de cimentación más comunes, investigando sus métodos de diseño y procesos constructivos. La información fue recopilada de textos académicos, publicaciones en revistas, informes técnicos y además por medio de consulta directa con ingenieros especialistas en el tema.
Las pruebas de laboratorio a la muestra de suelo en la centrifuga están basadas en las prácticas de la clase de estructuras geotécnicas del pensum de Ingeniería Civil de la Universidad de los Andes. Se realizaron 3 vuelos. El primero
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simulando una cimentación directa, el segundo un cimentación profunda con pilotes y el tercero una cimentación profunda con pilas de agregado compactado. En el capítulo de la prueba de laboratorio se explicar en detalle el procedimiento que se llevó a cabo. Por medio de los resultados se compran los asentamientos obtenidos y la capacidad portante para cada caso.
Para el análisis comparativo de costos, recursos necesarios e impactos ambientales de cada método, se contactó a la ingeniera María Samper de la empresa Equipos y Cimentaciones, la cual suministro toda la información necesaria, tal como análisis de precios unitarios, videos, fotos, descripciones de procesos constructivos. Adicionalmente se entrevistó al ingeniero Cesar Camacho y Felipe Arias, ambos empleados de una empresa constructora de cimentaciones para obtener opiniones de los dos métodos constructivos.
Para poder llevar a cabo la simulación, la obtención de datos y recolectar la información necesaria, fue necesario contactar una empresa en la ciudad de Bogotá. Esta empresa debía estar interesada en el desarrollo de la presente investigación y además que en la actualidad estuviera desarrollando por lo menos un proyecto con el proceso de pilas de agregado compactado.
Se trabajó con la empresa Equipos y Cimentaciones con sede en Bogotá, la cual posee la licencia por parte de Geopier Fundation Company para desarrollar las pilas de agregado compactado y que en su momento tenía en desarrollo un proyecto de construcción de cimentaciones con esta tecnología.
Para el desarrollo del modelo de simulación se contactó al Ingeniero Industrial Daniel Sierra, el cual es un experto en temas de simulación y además mostro gran interés en la simulación de procesos constructivos en el área de Ingeniería Civil.
Se realizaron varias visitas al proyecto LUCERNA de construcción de vivienda VIS, el cual se encontraba en la etapa inicial de construcción y permitía realizar todo el seguimiento, al proceso constructivo de la cimentación.
Por medio dereuniones con el ingeniero residente, operarios y trabajadores. Se informó sobre el trabajo de simulación que se llevaría a cabo y además se comentó que información requeriríamos por parte de ellos.
En las siguientes visitas se realizó un reconocimiento de las tareas que se llevaban a cabo en el proceso constructivo, por medio de reunión con el personal, videos y registro fotográfico
Una vez se conoció en detalle el proceso constructivo se procedió a la toma de tiempos productivos y no productivos de cada una de las tareas con el formato que se muestra a continuación.
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Tabla 3Formato para la toma de tiempos construcción de las pilas
Una vez se tenían identificadas las tareas y se habían tomado los tiempos de cada una se procedió a realizar el modelo de simulación., el cual se explicará en detalle más adelante.
La validación de modelo, se realizó por medio de una comparación entre la duración real de construcción de las pilas de agregado compactado con el tiempo arrojado por la simulación. El modelo se expuso a los ingenieros y operarios para que ellos con su conocimiento realizaran cambios a las variables del mismo y validaran los resultados obtenidos.
Por medio de aspectos de la filosofía de “Lean Construction ” y la información obtenida del proyecto, se plantearon posibles mejoras para futuras construcciones.
2. Revisión bibliográfica
Las cimentaciones son la base de sustentación de las estructuras, éstas se calculan y diseñan teniendo en cuenta factores como la composición y resistencia del suelo, las cargas de la estructura, factores de sismo y empujes de tierra que se presentan. Todas las cargas de las estructuras se transmiten y se distribuyen en el terreno por medio de las cimentaciones.
Los métodos de diseño se basan en el comportamiento del suelo como un medio elástico – lineal, aunque en la mayoría de los casos las deformaciones que se presentan son más amplias y no se cumple el comportamiento teórico. Esto se debe a que el suelo se comporta como un material elástico que además tiene fenómenos de Creep y relajación.
La revisión bibliografía se realizara para métodos de cimentaciones superficiales y cimentaciones profundas
2.1. Cimentaciones Superficiales
Se considera una cimentación superficial, la cual tiene entre 0,5 y 4 m de profundidad, en las que se puede apoyar directamente la estructura sobre el terreno, sin tener deformaciones o excesivas en el terreno, que puedan afectar la funcionalidad de la estructura.
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En muchas ocasiones para poder realizar cimentaciones superficiales se debe realizar primero un mejoramiento del terreno. Este consiste en realizar una excavación para luego rellenar la misma por medio de capas de material compactado, que resista los esfuerzos efectuados por la estructura.
A continuación se muestra de manera gráfica el mejoramiento de terreno:
Figura 1. Secuencia para el mejoramiento del terreno
A continuación se muestran diferentes figuras de cimentaciones superficiales:
Figura 2Cimentación superficial por medio de zapata
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Figura 3Cimentación superficial por medio de losa
Metodología de diseño
El diseño de las cimentaciones superficiales parte del estimativo de cargas que aplican sobre la misma, tal como se muestra a continuación:
Figura 4Cargas actuantes en la zapata de cimentación
Ecuación (1)
Q: carga aplicada
:Peso del terreno
:Peso de la zapata
Una vez establecida esta carga (q) se procede a establecer un esfuerzo admisible por medio de la siguiente ecuación:
Ecuación (2)
:Pesoespecífico del suelo
B: ancho de la zapata
D: profundidad de la zapata
C: cohesión del suelo
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FS: Factor de seguridad
El factor de seguridad es seleccionado por el diseñador pero se puede establecer que este valor esta entre 1.5 y 3.
Finalmente se establece que q <
2.2 Cimentaciones Profundas
Las cimentaciones profundas se utilizan cuando los esfuerzos trasmitidos por la estructura, no pueden ser distribuidos, a través de una cimentación superficial, por sobrepasar la capacidad portante del terreno o cuando se tiene una solicitud de carga que genere tracción, la cual puede ser generada por cargas de viento, sismo o empuje de tierras. Además en los casos en los que se quiere construir sobre terrenos que tiendan a sufrir variaciones estacionales como hinchamiento o retracción (arcillas expansivas), se debe contar con este tipo de cimentaciones, buscando un mejor estrato portante.
2.2.1 Pilotes preexcavados
Los pilotes preexacavdos son el tipo de cimentación más común usada en el ámbito de la construcción.
Este sistema consiste en realizar una excavación ya sea manual o por medio de una maquina piloteadorea, de diámetro y profundidad establecida por el diseñador estructural.
Para los pilotes con excavación por medio de maquinaria y con suelos granulares o cuando se tiene un nivel freático bajo, se hace necesario realizar la estabilización del terreno. Esto se puede lograr por medio de aplicación de lodos bentónicos o la utilización de una camisa metálica en los estratos de suelo con riesgo de deslizamiento. Una vez se tiene realizada la excavación y esta se encuentra estabilizada se procede a insertar la canasta metálica (acero de refuerzo), para luego fundir el concreto por medio de la tubería Tremie. El funcionamiento de esta tubería de 20 0 30 cm de diámetro consiste en colocar un tubo que baja hasta la parte inferior de la excavación, para luego empezar el bombeo del concreto desde la superficie. Es importante mencionar que el extremo de la tubería queda fija en el fondo de la excavación, por lo que el concreto fluye de abajo hacia arriba. Por la razón antes mencionada, es necesario realizar el descabece del pilote una vez es terminado de fundir, teniendo en cuenta que el concreto está contaminado con el material de la perforación.
Los diámetros de éste tipo de pilotes puede variar desde 0,3 m hasta 2 m.
A continuación se presenta la secuencia de construcción:
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Figura 5Secuencia de construcción de pilotes preexcavados
Metodología de diseño
El método convencional para el cálculo de la capacidad de carga en pilotes, es el Método Elástico, que se basa en la mecánica de suelos, la cual determina las propiedades del suelo.
En la figura6 se muestran las condiciones de esfuerzo desarrolladas en un grupo de pilotes unidos a una placa de cimentación. Los esfuerzos τi y τj,representan el corte en el fuste del pilote con un profundidad Zi y Zjrespectivamente. representan los esfuerzos normales de punta
generados en el pilote. Para los esfuerzos por fricción y punta se presentan por las cargas Pti y Ptj.
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Figura 6Esfuerzos actuantes para un grupo de pilotes
La ecuación general conocida para la capacidad de carga de un pilote es
Ecuación (3)
Dónde:
= Resistencia ultima en el fuste
= Resistencia ultima en la punta
= peso del pilote
Puede ser evaluada de la integración de la resistencia a corte de τa en el área de la superficie del fuste:
Ecuación (4)
Dónde:
C: perímetro del pilote
L: longitud del pilote
: Ángulo de fricción entre el pilote y el suelo
: Adherencia
Esfuerzo vertical
La resistencia por punta se obtiene a partir de la siguiente expresión:
Ecuación (5)
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Dónde:
: Área en la punta del pilote
c: cohesión del suelo
: Esfuerzo vertical en el suelo a nivel de la punta del pilote
Peso unitario del suelo
d: diámetro del pilotes
: Factores de capacidad de carga, la cual están en función del Angulo de
fricción interna del suelo, su densidad relativa y la geometría del pilote.
2.2.2 Micropilotes
Los micropilotes son pilotes pre-excavados con diámetros pequeños que oscilan entre 0,15 a 0,30 m. Dado éste diámetro, los equipos mecánicos utilizados para su construcción, son de pequeño porte, haciendo muy versátil este tipo de cimentación cuando se tiene problemas de espacio o de movilización de grandes equipos.
Los micropilotes pueden soportar cargas del orden de 100 tn, teniendo en cuenta el hecho básico de Geotecnia, que consiste en que, si a un suelo se le somete a una precarga, mejora su capacidad friccional.
En este tipo de cimentaciones se tiene en cuenta el fuste del pilote más no la capacidad por punta debido a su poca área transversal.
Procedimiento Constructivo:
Para la construcción de los micropilotes se den realzar una perforación del diámetro proyectado para el elemento, por lo general se ejecuta con una maquina rotativa de cabezal basculante (figura 7).Cuando se trabaja en lugares cerrados, la misma podría estar equipada con motor eléctrico, para evitar la generación de ruidos molestos y gases contaminantes.
Figura 7Maquina rotativa de micropilotes
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La perforación se realiza de forma rotativa y con recirculación de agua o lodos bentónicos según sea necesario, hasta alcanzar la profundidad establecida. La recirculación de lodos se hace mediante una tubería de con una terminación en ‘’T’’ en el extremos superior, que permite verter dichos lodos en un área designada.
Una vez se tiene la perforación, se introduce una tubería entre 1’’ y 1 ¾’’ de diámetro hasta el fondo, por la que se bombea una lechada primaria de cemento y agua hasta llenar el volumen excavado, desplazando los lodos, hacia la superficie.
Por lo general la relación de mezcla de la lechada tiene es la siguiente:
En posible adicionar arena a la lechada con el fin de disminuir costos, ya que se logra el mismo volumen con menor cantidad de cemento. La relación arena/cemento no puede superar 1.5.
A continuación se muestra un el proceso constructivo:
Figura 8Proceso constructivo de un micropilote
Micropilotes construidos con Inyección Repetitiva y Selectiva (IRS)
Luego de colocada la inyección primaria, se procede a realizar una segunda inyección a presiones elevadas y a lo largo del micropilote, que se pueden repetir en el tiempo y que se pueden realizar en diferentes puntos de la longitud. Esta nueva inyección se denomina Inyección Secundaria.
Una vez terminada la inyección primaria, se introduce se introduce un tubo de inyección coaxial, denominado ‘’ Tubo de Manguitos”. Este consiste en un tubo de PVC de 40 o 50 mm de diámetro, previsto de perforaciones radiales a intervalos de 0,5 a 1 m y que se recubren en forma eterna con un tubo de goma de 0,15 a 0,2 m de largo, haciendo las veces de válvulas de retención de la lechada durante el proceso de inyección, tal como se muestra a continuación:
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Figura 9Tuvo con Manguitos
La segunda inyección se realiza normalmente a partir de 2 m desde la superficie del terreno natural y se prolonga hasta el extremo inferior. Estos 2 m se deben a que las inyecciones se realizan con presiones elevadas y el terreno debe ser capaz de contener las mismas.
En algunos casos se podrá utilizar en lugar de tubos con maguitos de PVC, tubería en acero, que hace la vez de parrilla de refuerzo del micropilote.
Una vez se tiene instalado el tubo con manguitos junto con la parrilla, dentro de la primera lechada, se dejara fraguar por lo menos 24 horas.
La segunda lechada, se inyecta a través de los manguitos, para lo cual es necesario utilizar una bomba que garantice una presión de inyección de por los menos 80 kg/cm2, con un obturar doble. Tal como se muestra en la siguiente figura
Figura 10Secuencia de colocación e inyección de la lechada secundaria
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Para la inyección, se introduce desde la superficie, el obturar doble de la figura 10 en el tubo con manguitos hasta que la boquilla de inyección, que se encuentra ubicada entre los dos obturadores inflables, coincida con el manguito que se quiere inyectar. Este procedimiento se muestra en la siguiente figura11
Figura 11Esquema constructivo de micropilotes inyectados y utilización de manguitos
Posteriormente se inflan los obturadores con agua a presión, de manera que queda bloqueada la salida de la lechada a presión a la parte superior o inferior del tubo con manguitos.
El material inyectado, fluye a través de los orificios, sobre la parte interna de los maguitos de goma, produciendo una expansión, que rompe la lechada primaria que tiene 24 horas de colocada y posteriormente fluye a presión del terreno natural como se puede ver en la siguiente figura.
Metodología de Diseño
El método de diseño consiste básicamente en determinar la capacidad de carga de los micropilotes. A nivel mundial se conoce una metodología brasilera desarrollada por Da Costa Nunes.
En esta se utiliza la ecuación de resistencia al corte de Coulumb para analizar las tensiones de fuste.
La ecuación de capacidad ultima está determinada por
Qu= π D* L * [c + ( (ϒ *h/2)*Ko+∧P) * tan ϕ] Ecuación (6)
Dónde:
D: diámetro de la perforación
L: Longitud del micropilote
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c: cohesión del suelo
ϒ: peso unitario del suelo
h: profundidad del bulbo de presión
∧P: incremento de presión debido a la presión de inyección
ϕ: ángulo de fricción interna del suelo
Lechas de inyección
Para el cálculo de la lechada es necesario tener en cuenta la relación agua y bolsas de cemento a utilizar. A continuación se muestra el cálculo respectivo.
Ecuación (7)
Dónde:
: Volumen de agua
: Volumen total de la lechada (volumen de perforación)
X: Relación agua/cemento=0,6
: Pesoespecífico del cemento=3,15 ton/cm 3
y se obtiene
: peso de cemento= /X
2.2.3Pilas de agregado compactado (P.A.C)
El sistema de pilas de agregado compactado es una alternativa para las cimentaciones profundas. Consiste en reforzar suelos como las arcillas blandas o duras, limos, arenas sueltas o densas. Dicho reforzamiento se produce por medio de compactación vertical de capas de aproximadamente 30 cm de agregado, por medio de una alta energía de compactación con una gran frecuencia. Esta compactación genera el aumento de rigidez y resistencia de la matriz del suelo.
El sistema Geopier fue desarrollado por la empresa Geopier Fundatio Company, en el año 1989, buscando una alternativa para las cimentaciones profundas tradicionales como los pilotes hincados o pilotes pre-excavados. Análisis realizados muestran que éste método puede generar un disminución entre un 20 % a un 30 %, el costo de la cimentación de un proyecto.
El sistema de pilas de agregado compactado aumenta la capacidad portante y la estabilidad global del terreno, dado que se logra un ángulo de fricción entre 49 y 52 grados.
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Dentro de las aplicaciones de este sistema, se encuentran:
Figura 12. Estabilización de Taludes por medio de P.A.C
Figura 13Estabilización de Losas de Cimentación por medio de P.A.C
Figura 14Soporte de Tanques por medio de P.A.C
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Figura 15Control de Asentamientos por medio de P.A.C
Proceso Constructivo
La construcción de pilas de grava compactada tipo Geopier, consiste en realizar una perforación con diámetro variable entre 0,61 m y 0,91 m y una profundidad entre los 3 m y 9 m, estas variables depende de las necesidades de cada proyecto. Una vez se tiene la perforación se deposita la primera capa de agregado y se apisona con el martillo hasta formar un bulbo que será la base de la pila. Las capas siguientes se colocan en la interior de la perforación con un espesor de aproximadamente 30 cm. A estas capas se les aplica una energía de compactación por medio de un pisto biselado (martillo) de 3000 libras/pie.
La compactación de cada no solo genera el desplazamiento vertical, sino también lateral contra las paredes de la perforación, generando esfuerzos laterales en la masa del suelo alrededor de las pilas de grava, produciendo un aumento en la rigidez y resistencia al esfuerzo cortante del suelo adyacente. El instalar pilas de agregado en suelos compresibles, provee un mejor control de los asentamientos en las zapatas, losas de piso y en general cargas aplicadas. Para suelos como arenas sueltases necesario utilizar camisa metálicas temporales para evitar el colapso de las paredes durante la perforación.
Pruebas de módulo
Una vez se tiene finalizada la pila de agregado, se realiza una prueba de módulo de carga, el cual busca verificar el valor del módulo de rigidez, asumido en el diseño. Esta prueba puede realizarse en una pila de prueba que se construye cercana al sitio de las pilas definitivas o directamente en las pilas que resistirán las cargas. Esta se realiza instalando un testigo encima de la primera capa del bulbo de fondo, con el fin de monitorear las deformaciones en la parte inferior del elemento. En la parte superior se coloca una placa de acero. Los desplazamientos verticales se miden mediante micrómetros colocados sobre la cabeza de la pila y otros en el tope de los testigos para medir la deformación en el fondo del elemento. La prueba de modulo se debe realizar de manera similar al método de carga estándar de la norma ASTM D 1143, que establece que la carga debe incrementarse gradualmente entre diez y quince incrementos de 10
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al 15 % del esfuerzo de diseño calculado en el tope de las pilas. Los incrementos de carga se aplican una vez la velocidad de desplazamiento resulte menor a 0.25 mm/hr y sin que la duración de cada incremento sea mayor a 2 horas. Esta caga se aplica utilizando un gato hidráulico. Normalmente la prueba se realiza hasta alcanzar un esfuerzo de 150 % el esfuerzo de diseño. Se evalúan las curvas esfuerzo-deformación en el tope y punta del elemento y este se compara con las deformaciones teóricas. A continuación se muestra el montaje de la prueba de modulo:
Figura 16. Montaje para prueba de carga
A continuación se muestran el proceso constructivo por medio de esquemas:
Figura 17Procedimiento Constructivo de las pilas de agregado compactado
Metodología de diseño Geopier
Las pilas de agregadocompactado se diseñan para controlar los asentamiento requeridos por el cliente. Los asentamientos totales de la cimentación se estiman sumando el asentamiento de la zona del suelo reforzado con Geopier y el asentamiento de la zona por debajo de las pilas. A continuación se muestra un esquema de las zonas antes mencionadas.
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Figura 18Zonas de diseño de pilas de agregado compactado
Zona Superior
Para la zona superior los elementos actúan como resortes rígidos, mientras que la matriz del suelo entre los elementos actúa como resortes blandos, tal como se muestra en el siguiente esquema para una sola pila.
Figura 19Analogía de resortes de diseño
Los esfuerzos aplicados a los suelos reforzados se distribuyen de acuerdo a la rigidez relativa entre la pila y el suelo (Rs) y la razón de área de reemplazo (Ra). Una fuerza Q se aplica a la cimentación, la cual se expresa como el producto entre el esfuerzo de contacto promedio (q) y el área de la cimentación (A), Esta cimentación es soportada por las pilas (Qg) y por la matriz del suelo (Qm), tal como se muestra en la ecuación 1.
Ecuación (8)
Donde es el esfuerzo aplicado en la parte superior de la pila, es el área de
las pilas debajo de la cimentación y es el área de la matriz de suelo en contacto con el fondo de la cimentación.
Se tiene la hipótesis que la cimentación es rígida en relación con el suelo, de tal modo que el asentamiento de las pilas será igual al asentamiento de la matriz del suelo. El asentamiento de la cimentación (s) se puede expresar en términos de la rigidez de la pila ( ) y de la matriz del suelo ( ) como se muestra en la
ecuación 2.
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= Ecuación (9)
Ecuación 2
El esfuerzo aplicado en la parte superior de la pila ( , esta determinado por la
ecuación 3
Ecuación (10)
Donde se depende del esfuerzo de contacto promedio de la cimentación (q), la relación de rigidez entre la pila y la rigidez del suelo (Rs)y la relación entre el área seccional de las pilas el área de la zapata.
La relación de rigidez Rs, se define como la relación entre el módulo de rigidez de la pila ( ) y el modulo de rigidez del suelo ), en la ecuación 4.
Ecuación (11)
El módulo de rigidez ), es la relaciónentre el esfuerzo aplicado en la parte
superior de la pila y la deformación vertical resultante.
El asentamiento en la zona superior ), es la relación entre el esfuerzo aplicado en la parte superior de la pila y el módulo de rigidez de la pila, tal como se ve en la ecuación 5.
Ecuación (12)
Zona inferior
Los asentamientos sobre la zona inferior de la pila (esquema xx), se calcula utilizando las teorías de elasticidad de Terzaghi, con valores de módulo de elasticidad interpretados de pruebas de laboratorio con ensayos de consolidación.
El asentamiento total de las cimentaciones sobre pilas de agregado compactado es la suma de los asentamientos, de la parte superior e inferior
Ecuación (13)
Pilas de agregado compactado para suelos granulares con nivel freático alto susceptible a derrumbes
Geopier Fundation Company ha desarrollado el sistema de pilas de agregado compactado para suelos granulares, en los que comúnmente se utiliza una camisa metálica para poder contener el terreno y evitar derrumbamientos en las perforaciones.
Este método consiste en introducir por energía de impacto vertical un mandril en el terreno con apisonador biselado en la punta. El diámetro de los
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apisonadores varía de 0,3 a 0,4 metros y las profundidades varían de 3 a 14 metros. Una vez se tiene introducido el mandril a la profundidad de diseño, éste funciona como conducto para la introducción de grava. El mandril se levanta aproximadamente 0.3 m y deposita la grava para luego descender nuevamente compactando el material de relleno. Esta compactación se logra por medio de fuerza estática y energía de impacto dinámica del martillo colocado en la parte inferior del mandril. El martillo desplazo
3. Análisis comparativo de los métodos de pilotes preexcavados y pilas de agregado compactado
Para el presente trabajo se realiza la comparación de los métodos constructivos de pilotes preexcavados y la pilas de agregado compactado, teniendo en cuenta la relación que existe entre los dos métodos. Hasta el momento los proyectos realizados por medio de las pilas de agregado, en Colombia, habían sido diseñados en un principio por pilotes preexcavdos y luego fueron rediseñados.
Entre las variables que analizaron los dueños de los proyectos para utilizar el método de las pilas, estaban los costos, el impacto ambiental, el tiempo de ejecución, la calidad, el comportamiento estructural y la experiencia en proyectos similares.
En el análisis a realizar se evaluarán las variables antes mencionadas
3.1 Matriz DOFA Geopíer
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3.2 Análisis comparativo de costos.
Para realizar un análisis de costos se tomaron los análisis de precios unitarios por m3 de cada uno de los métodos. A continuación se muestra una tabla de resumen de cada uno de estos:
FORTALEZAS
- Reducción en costos de construcción
- Reducción en tiempos de construcción
- Control de asentamientos - No requiere de camisas
metálicas - Mitigación de licuefacción - Capacidad de carga hasta
479 kPa
OPORTUNIDADES
- Alta Oferta de trabajo - Baja oferta de piloteadoras
(pilotes preexcavados) - Proceso constructivo no
contaminante
DEBILIDADES
- No se puede usar en puentes que cruzan ríos
(socavación) - Limitaciones de profundidad - Operarios especializados - No es factible realizar
proyectos en suelos con bolos(piedras) de grandes diámetros
AMENAZAS
- Producto Innovador en Colombia
- Bajo número de proyectos realizados en Colombia
- 2 Maquinas en Colombia - Alto costo de las maquinas - Producto Patentado
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Tabla 4Costos por m3 de pilotes preexcavados y pilas de agregado compactado
Podemos observar que el método de pilotes prexcavados requiere de más insumos por lo que cuesta en promedio 3 veces más que las pilas de agregado compactado. Teniendo en cuenta la relación aproximada que se tiene, que por un pilote preexcavado se deben construir de 3 pilas de agregado, se tendría un costo muy similar de los dos métodos.
Para poder encontrar la reducción de costos en el sistema de pilas, del que habla la teoría, se debe mirar es el costo que se tiene en las placas de cimentación.
El espesor de una placa de cimentación soportada por pilotes, depende de varios factores, entre ellos las reacciones que se tienen de las cargas de la estructura y del punzonamiento que le generan los pilotes, ya que estos deben quedar embebidos en la placa.
Debido a que el diseño de losas de cimentación no entra en el alcance de este trabajo, se tomara como ejemplo el proyecto de vivienda Lucerna, el mismo en el que se trabajó la simulación de pilas de agregado compactado, teniendo en cuenta que en éste se tienen los diseños para los dos tipos de cimentaciones.
A continuación se muestran el esquema de sección trasversal de la losa para cada tipo de cimentación:
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Figura 20Sección transversal de pilotes
Figura 21Sección transversal de pilas de agregado compactado
Como se puede apreciar la losa de cimentación diseñada con pilotes preexcavados tiene un espesor de 1 m mientras que con el diseño de pilas de agregado compactado se tiene un espesor de 70 cm, esto se logra en parte por ser una especie de cimentación superficial por medio de mejoramiento del terreno y que además no se tiene el punzonamiento de los pilotes sobre la placa.
Losa de cimentación
Losa de cimentación
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A continuación se muestra la tabla con el ahorro de concreto y acero de refuerzo que se tiene la reducir el espesor de la placa:
Tabla 5Volumen y costo de concreto para placa de cimentación de 70 cm y 1 m de espesor
Área de la placa (m2) 643
Espesor de la placa (m)
Volumen de concreto (m3) con placa
aligerada
Acero de refuerzo
(kg)
Costo total de la losa de
cimentación 1 386 50.180 $ 407.230.000 0,7 271 40.650 $ 304.875.000
Diferencia $ 102.355.000 25%
Costo14 Torres $ 1.432.970.000
Como se puede observar el ahorro en todo el proyecto que equivale a 14 torres, ascienda a un 25 % en este ítem o $ 1.432.970.000
Nota: el valor del concreto fue tomado de los precios unitarios entregados por el contratista. Concreto de 4000 psi = $ 600.000 /m3 y acero de refuerzo Fy=420 Mpa = $ 3500 /kg
3.3 QFD para pilas de agregado compactado
Es importante realizar una cuantificación de las características de cada uno de los métodos. Para esto se realiza una QFD en la que los valores que se obtienen a partir de conversaciones con diferentes constructores de Vivienda.
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Figura 22QFD para pilas de agregado compactado
Una vez realizada la QFD se analiza que los requerimientos técnicos de mantenimiento, empresas con la patente del método la experiencia y la maquinaria a utilizar en el proyecto, son los más relevantes para el cliente, según sus requerimientos.
Como se puede ver en la evaluación de los dos métodos, se tienen dos picos con calificación de “pésimo”. Para los pilotes es la contaminación ambiental que se genera y para las pilas es la disponibilidad de maquinaria en Colombia.
3.4 Insumos requeridos por cada método constructivo
En la siguiente tabla se identifican los diferentes insumos que requiere cada método.
Tabla 6Insumos requeridos por método constructivo
Insumos requeridos por método constructivo
Pilotes preexcavados Pilas de agregado compactado
Bentonita Grava de 2"
Acero de refuerzo Barras metálicas tensoras para las pilas ubicadas en la periferia del proyecto
Concreto Retrocargador
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Bomba para concreto
Tubería Tremie
Camisa metálica ( suelos granulares)
Martillo para descabece de pilote
Equipo de soldadura
Tanque de agua
En la tabla se muestra que los pilotes preexcavados requieren de un mayor número de insumos. Para algunos de estos es necesario contratar un proveedor como en el caso del concreto o el acero de refuerzo. Esto genera complicaciones en la logística dada la coordinación que se debe tener, para que cada insumo llegue en el momento que se requiera. La puntualidad en la llegada del concreto es de vital importancia, ya que no es conveniente dejar la perforación abierta. Se pueden producir derrumbes del suelo, haciendo necesario perforar nuevamente o causar un accidente por la caída de una persona o herramienta en la perforación.
b. Contaminación de cada uno de los métodos
En la siguiente tabla se tienen los ítems de contaminación que genera cada método constructivo.
El cuidado al medio ambiente y el uso de agentes contaminantes, está muy regulado por los entes gubernamentales, por lo que resulta de vital importancia generar la menor cantidad de contaminación, en los proyectos de construcción.
Tabla 7Contaminación producida por cada método
Contaminación producida por cada método
Pilotes Preexcavados Pilas de agregado compactado
Lodos bentónicos Emisiones de CO2
Colillas de electro de soldadura Contaminación auditiva
Derrame de Concreto
Emisiones de CO2
Gases producidos en la soldadura
Contaminación auditiva
La contaminación que se genera en el proceso constructivo de los pilotes preexcavados, resulta ser mayor. Hoy en día en muchos proyectos el uso de bentonita está prohibido por temas de impacto ambiental. La bentonita puede ser reemplazada por polímeros, pero se debe tener en cuenta que estos aumentan los costos del proyecto.
La contaminación del concreto se genera por el exceso que se debe verter en la perforación, para que salga el suelo ¨contaminado” de la zona inferior de la
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perforación. Se debe lavar la tubería y el “Mixer” con el concreto sobrante. Si el proyecto no tiene piscinas de lavado, este material caerá al suelo.
Las empresas certificadas bajo normas ambientales y de seguridad industrial, deben contratar empresas especializadas en recolección de basuras, que certifiquen la disposición final de las colillas de soldadura.
4. Laboratorio en la Centrifuga para pilas de agregado compactado
Por medio del uso de la centrifuga se realizan tres experimentos, en donde se busca realizar una comparación de deformaciones verticales, entre una cimentación superficial, una cimentación por medio de pilotes y otra de pilas de agregado compactado. Se utilizó la centrifuga del laboratorio de geotecnia de la Universidad de los Andes.
4.1 Modelación en Centrifuga para tres tipos de cimentaciones
Este laboratorio es aplicado al modelo de zapata con tres tipos de cimentaciones:
1. Cimentación superficial 2. Cimentación con pilotes 3. Cimentación con pilas de agregado compactado.
La elaboración de un modelo en centrifuga, permite evaluar de manera experimental, el comportamiento real del prototipo. Según R.N. Taylor (1995), para logar la similitud entre el modelo a escala y la realidad se sebe reproducir el comportamiento del suelo en términos de resistencia y rigidez. Es necesario tener en cuenta que el comportamiento de un suelo en la realidad, varia su estado de esfuerzo en función de la profundidad y las cargas a las que ha estado expuesto. Para logar esta similitud es necesario utilizar la centrifuga, la cual genera una aceleración inercial, generando un campo de aceleración gravitacional que es trasmitido al modelo.
Un aspecto importante que se debe tener en cuenta en la modelación por medio de la centrifuga son los efectos de escala. Estos son defectos o errores que se tiene en el modelo. Fuera de tener reducciones dimensionales en los elementos, tales como la zapata o diámetro de los pilotes y pilas, se tiene el tamaño de las partículas del suelo del modelo. La teoría dice que la relación modelo/prototipo es de 1/N. Esto equivale a que si utilizamos una arcilla en el modelo con partículas de Dm=0,002 mm y lo volamos a 100 G, se tendría en la realidad una partícula con Dp= 0,00002 mm, lo que corresponde a un suelo diferente a la arcilla utilizada. Estas variaciones pueden presentar distorsiones en los resultados con respecto a la teoría. Dado que en este caso, utilizaremos la misma arcilla en los experimentos y que solo mediremos deformaciones verticales, podemos despreciar el efecto de escala.
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4.2 Objetivos
- Verificar que se tienen deformaciones similares entre los pilotes de madera y las pilas de agregado compactado con la relación de un pilote por 3 pilas de agregado.
4.3 Materiales Utilizados
Este experimento se trabajará con una muestra de suelo tipo arcilla caolín y para efectos prácticos se asumirá que el mismo es homogéneo e isotrópico. Para simular la grava se utilizara arena gruesa y los pilotes serán palos de madera.
La zapata será de acrílico con dimensiones de 6 x 7 x 0,5 cm.
4.4 Procedimiento
A continuación se muestra en un diagrama de flujo el procedimiento que se lleva a cabo para el uso de la centrifuga, con los tres tipos de cimentaciones:
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Inicio
Se preparan 2,4 kg de muestra de suelo (caolín + agua)
En 3 cajas de acrílico, previamente preparadas con piedra porosa y arena en el fondo de la misma, se reparte el material preparado (Figura xxx)
Cimentación superficial Pilotes de madera
Se coloca una placa de acrílico sobre la muestra de suelo
(Figura26)
Se cortan los palos de madera a una longitud de 4 cm
Por medio de un taladro se realizan 4 perforaciones
(Figura 27)
Se introducen los pilotes de madera en las perforaciones
Se coloca una placa de acrílico sobre los pilotes
Por medio de un taladro se realizan 12
perforaciones (Figura 27)
Se introducen capas de 5mm de longitud con arena. Cada capa
es compactada manualmente con
ayuda de un cilindro metálico
Se coloca una placa de acrílico sobre los pilotes
Se retira una cara de las cajas de acrílico
Por medio de mineral, agua e hilo se marca una cuadricula sobre el suelo (Figura xxx)
Se coloca cada caja en la centrifuga y se instrumenta con un actuador en el centro de la zapata de acrílico (Figura 28)
Se instrumenta la centrifuga con un deformimetro electrónico (Figura 28)
Se vuela cada modelo a 70 g y se incremente la carga en 10 G cada 10 min hasta completar 1 hora
Se toman los datos del computador y se analizan
Fin
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Figura 23Cajas de acrílico con muestra de suelo arcilloso
Figura 24Cuadricula sobre la muestra de suelo
Figura 25Placa de acrílico sobre muestra de suelo
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Figura 26Perforación para pilotes por medio de broca
Figura 27. 12 pilas de arena compactada
Figura 28Instrumentación en la centrifuga con actuador y deformimetro
4.5 Cálculos y tablas
- Cimentación Superficial
Para condiciones no drenadas, el cálculo de la capacidad portante del suelo se realiza con la siguiente ecuación:
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Ecuación (14)
Con
Ecuación (15)
Y que
Ecuación (16)
Se tiene que:
Ecuación (17)
Por lo que obtenemos un σ0 igual a 0,092 kPa con un peso unitario del suelo de 18,3 kN/m3 y una profundidad de 0,05 m de la placa.
La cohesión no drenada tiene un valor de 30 kPa (obtenido de la veleta), y la zapata tiene unas dimensiones de 6 x 7 cm.
Obtenemos entonces la siguiente capacidad portante del suelo:
- Cimentación con Pilas de agregado y Pilotes
Para calcular la capacidad portante del suelo con pilotes y las pilas de agregado, hacen falta datos de caracterización del suelo, pero por las deformaciones verticales que se obtuvieron de los experimentos, se puede intuir que dicha capacidad aumenta con los elementos antes mencionados.
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Gráfica 3Desplazamiento vs. Carga Aplicada
4.6 Análisis de resultados
En la gráfica 3 se pueden observar los desplazamientos ocurridos por la aplicación de ciertas presiones en la placa. Se puede ver que el comportamiento es lineal hasta aproximadamente 90 N de carga aplicada. Sin embargo el comportamiento cambia a partir de esta presión y se obtienen mayores desplazamientos con la misma diferencia de carga aplicada.
El desplazamiento para las cimentaciones ya sea con pilotes de madera o con las pilas de agregado compactado son menores que el desplazamiento para la cimentación superficial. Este es un resultado acorde con la teoría ya que los elementos interactúan con el suelo, produciendo una fricción con la muestra de suelo y aumentando la capacidad portante.
Los desplazamientos que se tienen entre los pilotes y las pilas de agregado compactado son muy similares aunque para este último método se construyó de manera muy “artesanal”, tal como se puede ver en la tabla 9. Es muy importante tener en cuenta que para este experimento se utilizó una relación de 3 pilas de agregado por un pilote.
Tabla 8Asentamientos de pilotes y pilas de agregado
Asentamiento (mm)
Pilotes madera (4 pilotes de madera)
Pilas agregado (12 pilas de agregado
compactado)
0 0
0,936933 0,896573
1,886883 1,856738
0
1
2
3
4
5
6
7
0 50 100 150D
ezp
laza
mie
nto
(m
m)
Carga aplicada ( N )
Pilotes de madera
Pilas de agregado compactado
Cimentacion superficial
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46
2,966648 2,93564
4,112711 4,0213
4.7 Conclusiones del laboratorio
De acuerdo a la gráfica de deformaciones verticales se puede decir que las pilas de agregado compactado, aunque construidas de una manera “artesanal”, se comportan de la misma manera que los pilotes.
Con los asentamientos encontrados se puede decir que la relación de 3 pilas de grava por un pilote de madera, es correcta.
5. Simulación del proceso constructivo de pilas de agregado compactado
La simulación consiste en la utilización de un software especializado para recreación virtual de cualquier tipo de sistema productivo, en el que se crea un modelo que imita las condiciones, variables y tiempos reales de un proyecto,
Tomando la definición de simulación de Banks (2000)“La simulación es la imitación de la operación de un proceso real o sistema a través del tiempo. Se pueden modificar variables como tiempos, costos, mano de obra, jornadas de trabajo, tipo y cantidad de maquinaria, sin afectar los rendimientos reales, teniendo en cuenta que no se debe parar la producción o construcción para variar y analizar las variables antes mencionadas, lo que además resultaría muy costo.
Hasta el momento, el sector de la construcción en Colombia, no ha tenido muy en cuenta este tipo de herramientas, que pueden ayudar a mejorar el desarrollo de las empresas constructoras.
En la Universidad de los Andes se han adelantado proyectos de simulación en el sector de la construcción como es la tesis del profesor Harrison Mesa “SIMULACION APLICADA EN PROCESOS COSNTRUCTIVOS” y las aplicaciones desarrolladas por el asistente graduado Daniel Sierra. Estas investigaciones y aplicaciones tienen resultados favorables para el sector de la construcción, por lo que se ve la necesidad de continuar realizando aplicaciones que puedan ayudar a mejorar los sistemas constructivos que hoy se tienen en Colombia.
En el presente trabajo de grado se muestra la simulación para el proceso constructivo de pilas de agregado compactado, de un proyecto de vivienda VIS ubicado en la ciudad de Bogotá, el cual consta de 7 torres de 6 pisos, con 4 apartamentos por piso.
Dicha simulación se realizará basada en la teoría LEAN CONSTRUCCION, que basado en la definición de KOSKELA (1992) es un “flujo de material o información desde la materia prima hasta el producto final. En este flujo el material es procesado, inspeccionado, esperado o transportado. Estas actividades son intrínsecamente diferentes. El proceso representa el aspecto de
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conversión de la producción. La inspección, el transporte y la espera, representan el flujo de la producción”
Se toma además el concepto del señor Shingo, la cual habla del tiempo como un recurso de producción. El tiempo se toma como dos tipos de actividades, la de transformación de actividades y la de no transformación de actividades, esta última categorizada por Gilbreths (1922), como actividades de transferencia, retrasos o inspecciones.
En ingeniería industrial, todo lo innecesario es llamado desperdicio o algo que no agrega valor y todo lo que es necesario para generar un producto perfecto es identificado como que agrega valor. A continuación se muestra el esquema de producción en el que se identifican con sombra las actividades que no generan valor al producto y las que si lo hacen, se muestran como recuadros en blanco:
Figura 29Diagrama de flujo del proceso de producción, Gilbreths (1922)
Para mostrar diferentes escenarios en el modelo de simulación, se debe tener en cuenta el principio de sistema de producción, en el que se tiene la siguiente fuente de mejoramiento:
- ” Reducción de las actividades que no generan valor (desperdicio)” - “ Reducción del tiempo de entrega “ - “Reducción de la variabilidad ” - “ Reducción en el número de pasos y enlaces”
Es importante tener en cuenta los desperdicios identificados por Ohno (1988), para poder plantear mejoras en el sistema de producción:
- “ desperdicio de corrección” - “ desperdicio de movimientos de material” - “ desperdicio de inventario” - “ desperdicio de movimientos”
La simulación se realiza en un sistema por medio de Entidades, Atributos, Recursos, Evento, Variables y Colas. (Kelton 2004). A continuación se dan definiciones para el uso de la simulación.
- Sistema: Conjunto de componentes interrelacionados, que en una forma organizada, recibe elementos de entrada, los procesa y emite salidas para obtener una meta en común ( Fabregas, 2003)
- Entidades: es un objeto o persona que se mueve a través del sistema y que causa cambios en las variables. Para el sistema a modelar, las entidades son las pilas de agregado compactado, que tiene en su proceso, la perforación y compactación de grava.
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- Atributo: es la característica de cada propiedad, para este caso la longitud de perforación, el diámetro la coordena en X y Y.
- Recurso: es un elemento estacionario que puede ser ocupado por una entidad. Los recursos atienden una entidad cuando llega una actividad. Para el modelo, los recursos se definen comola maquinaria a utilizar.
- Evento: es una ocurrencia en un estado de tiempo de cambia el estado del sistema
- Variable: representan características del sistema. - Cola: cuando una entidad no puede continuar, porque necesita
aprovechar una unidad de un recurso, que esta inmovilizado por otra entidad, se requiere un lugar para esperar y se tiene una cola.
6. Principios aplicables de “Lean Construction” y planificación de proyectos
Lean Construction tiene el concepto de la gestión de la producción, basada en la entrega del proyecto (Lean Construction Institute, 2011), buscando la optimización de recursos y mejorando la productividad
Para el presente trabajo se tendrán en cuenta aspectos bajo los que se rige la filosofía de Lean Construction, esto con el fin de poder dar recomendaciones de mejora. Principalmente se busca la optimización de los recursos que repercute en la mejora de la productividad de los procesos:
a) Eliminación y/o reducción de tareas que no generan valor al producto final Existen varias tareas que no generan valor al producto pero que tienen una gran influencia en el proceso constructivo. En muchas ocasiones estas tareas no son tenidas en cuenta en el mejoramiento de los procesos. Es necesario identificar estas tareas para proceder a calificarlas de necesarias o incensarías para luego tomar la decisión de eliminarlas o reducirlas al máximo. Este aspecto es de gran importancia ya que se tienen procesos de construcción, en los que se afecta negativamente la productividad como son errores de programación, flujos de materiales, mantenimiento correctivo, entre otros.
b) Reducción en el tiempo de ciclo Por definición el tiempo de ciclo se puede ver como: Tiempo de ciclo= t. proceso + t. de inspección+ t. de espera + t. movimientos Cada proyecto se constituye como la suma de actividades y subactividades. Se realiza un programación para cada una, lo que genera un una ruta crítica del proyecto en general. Es importante identificar las
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relaciones de las actividades, para establecer cuales representan un mayor costo en tiempo y recursos dentro del proyecto. El resultado de este análisis es poder reducir finalmente el tiempo de ciclo total.
c) Reducción de la variabilidad Aunque la variabilidad en los procesos constructivo no se puede eliminar totalmente, es indispensable reducirla. Existen principalmente dos razones para esto: - Desde el punto de vista del cliente, la uniformidad en los procesos
tiene una mejor perspectiva. Taguchi establece que las desviaciones de un valor objetivo, genera una pérdida con relación cuadrática con la desviación.
- La variabilidad aumenta el volumen de las actividades que no generan valor al producto. Con la teoría de colas se demuestra que la variabilidad aumenta el tiempo de ciclo. (Krupka 1992, Hopp & al. 1990).
Para el control de la variabilidad se tienen herramientas estadísticas, que logran un control de procesos y dan como resultado la estandarización de los mismos.
d) Reducción por simplificación de las tareas
La complejidad de un proceso aumenta los costos más allá de la suma de los costos individuales de tareas. (Child & al. 1991).
La simplificación se puede realizar por medio de la eliminación de actividades que no generan valor al proceso y reconfigurando las actividades que si generan valor.
e) Aumento de la trasparencia del proceso
La falta de transparencia en el proceso aumenta la posibilidad de cometer errores y reduce la motivación de lograr una mejora continua. Como dice Saltk y Hout (1989) “el flujo de las operaciones debe ser visible de principio a fin para todos los empleados” Desde el punto de vista de la construcción de pilas de agregado compactado es importante capacitar a todos los integrantes en el proceso constructivo. El ingeniero residente debería tener total conocimiento del proceso para poder realizar aportes de mejora al proceso.
f) Control al proceso completo Es necesario tener un conocimiento total del proyecto que lleve a la buena toma de decisiones, que permita la disminución de pérdidas por mala programación o coordinación de actividades. Se debe realizar una medición tanto a la totalidad del proceso como a los subprocesos para tener una visión global de la situación.
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A continuación se muestra el control al proceso propuesto por Howell (2009), en el que se ve claramente la retroalimentación que se debe tener a los ejecutores del proyecto
Figura 30Esquema de control de procesos (Howell et al, 2009).
g) Mejoramiento continuo del proceso
El mejoramiento continuo es uno de los pilares tanto del sistema de calidad como de la filosofía “Lean Construction”. Es importante plantear objetivos de mejoramiento que pueden ser establecidas una vez se tengan las mediciones realizadas. La estandarización de los procesos es un factor clave de la mejora continua. En la mejora continua tienen que estar involucradas todas las personas que interactúan con el proceso. Para lograr la cultura de la mejora continua en el proceso, es necesario incentivar al trabajador ya que es éste el que mejor conoce los procesos y como mejorarlos.
h) Ciclo PHVA El ciclo PHVA (Deming 1950), es una herramienta que está enfocada a la mejora continua. Esta se basa en un ciclo de 4 pasos: Planificar (P), Hacer (H), Verificar (V), Actuar (A). Tal como se ve en la figura xxx, éste es un ciclo cerrado, el cual se repite durante la ejecución del proyecto.
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Figura 31Modelo PHVA. NTC – ISO – 9001 (Tercera actualización)
La implantación constante de este ciclo, repercute en el mejoramiento de la organización, teniendo en cuenta que requiere de una integración por parte de los miembros de la empresa.
Dentro de los conceptos básicos de LEAN COSNTRUCTION se tienen:
Trabajo productivo: tiempo empleado por el trabador o la maquinaria en la producción de una unidad de construcción.(Koskela 1992). Para el presente trabajo dicho tiempo es el que toma la perforación, llenado de grava y compactación de la misma.
Trabajo contributivo: tiempo empleado para realizar las labores de apoyo a las tareas productivas (Koskela 1992). Para este modelo, es el tiempo de transporte de grava al sitio de la perforación y el levantamiento de grava sobrante de la compactación.
Trabajo no contributivo: este se puede considerar como el tiempo de espera, inspección y movimientos. (Koskela 1992), que para nuestro proyecto hace referencia a los viajes del cargador que moviliza la grava o las pruebas de resistencia que se practican cada 10 elementos. Además se tiene el tiempo perdido de un ayudante mientras se realiza la perforación.
7. Descripción del sistema y modelo de simulación
7.1 Proyecto
El Proyecto de Lucerna está ubicado en la ciudad de Bogotá, en la Cll 52 c Bis Sur No 82-31. Este está conformado por 14 torres de 14 pisos cada una, con una distribución de 4 apartamentos por piso. El área de los apartamentos varía entre 39 y 52 m2.
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Figura 32Esquema del Proyecto Lucerna
Cada torre se encuentra apoyada sobre una cimentación construida a partir de 432 pilas de agregado compactado con una profundidad de 12 metros cada una y con una separación entre elementos de 1.2 m . Sobre ésta cimentación se tiene una losa de 70 cm de espesor. La carga que llega al suelo por cada torre asciende a las 14Ton/m2 Ton. En el perímetro del proyecto se tiene previsto colocar pilas de agregado compactado con varillas de acero. Esto se construye con el fin de mitigar la licuefacción y permitir las flexiones en caso de sismo.
7.2 Actividades de la simulación
- Actividad de posicionamiento de la maquina en el eje de la perforación: una vez se termina un elemento la maquina tiene que posicionarse en el eje del próximo elemento y asegurar que el martillo se encuentra nivelado para poder empezar el proceso.
Figura 33Posicionamiento de la Maquina
- Actividad de llenado de la grava en la tolva: esta actividad se realiza por medio de un retrocargador, el cual recoge grava desde el punto de acopio de la misma, para luego transportarlo y depositarlo en la tolva del martillo.
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Figura 34Llenado de la Tolva
- Actividad de izaje de la tolva, llenado del tubo del martillo y descenso de la tolva: una vez se encuentra la tolva llena, esta se iza hasta la parte superior del martillo y descargue la grava dentro del mismo, para luego descender hasta el suelo y comenzar el proceso de perforación y compactación
Figura 35Subida, descargue y bajada de la Tolva
- Actividad de Perforación y Compactación: se realiza por medio del martillo de impacto, el cual está montado sobre una retoexcavadora de tipo 330. El martillo abre la escotilla en la parte inferior del tubo,para dejar salir la grava con un espesor aproximado de 30 cm.
Figura 36Perforación y compactación de la grava
A continuación se muestra una secuencia de los esquemas para la realización de las pilas de agregado compactado.
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Figura 37Secuencia de construcción de pilas de agregado compactado
Posicionamiento de la maquina
1. Posicionamiento de la Tolva
1. llenado de la Tolva
1. Subida de la Tolva
1.Descargue de la Tolva
Bajada de la Tolva
2. Posicionamiento de la Tolva
1. Perforación 2. llenado de la Tolva
2. Subida de la Tolva
2.Bajada de la Tolva 2. Perforación
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7.3 Programa de simulación.
Para la presente simulación se utilizó el software Arena ®y Visual Basic, teniendo en cuenta que las últimas investigaciones realizadas en la Universidad de los Andes se utilizaron estos programas, donde se obtuvieron muy buenos resultados.
7.4 Modelo de Simulación
En la siguiente figura se muestra la secuencia, para la utilización del modelo de simulación. Cada uno de los pasos mostrados, se explicará en detalle más adelante.
Figura 38Flujo de datos y proceso hasta el reporte final
a) Modelo en Arena ®
Figura 39Modelo de Simulación en Arena ®
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Parte 1:
Figura 40Primera parte del modelo de Simulación
Parte 2:
Figura 41Segunda parte del modelo de Simulación
Parte 3
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Figura 42Tercera parte del modelo de Simulación
En este modelo de simulación, las entidades en este caso representan cada una de las perforaciones que se llevaran acabo en el proyecto de construcción de pilas de agregado compactado para la cimentacion de la estructura. Su modelación se lleva acabo con entidades ya que cada una tiene caracteristicas o atributos propias de si misma, que la hacen diferente a las demas.
b) Generación de caracteristicas
Las caracteristicas tales como localizaciones espaciales ( coordenadas en el eje X y Y), profundidades y secuencia en que se realizan, son atributos de dichas entidades o perforaciones. El modelo de simulación es genérico a cualquier cantidad de perforaciones y secuencias y dicha información se puede importar desde un archivo de texto plano que contenga cada una de las caracteristicas. Dicho archivo se puede generar desde excel o desde alguna aplicación diseñada para tal fin. Asi mismo, dicho archivo de texto contiene información sobre las diferentes localizaciones de los acopios de material escenciales para el funcionamiento del sistema. Presionando el boton “Cargar Perforaciones” se abre una ventana de tipo Browser desde donde el usuario carga su archivo de perforaciones respectivo.
Figura 43Ventana para cargar archivos al modelo de simulación
En el momento en que se carga el archivo, un script de visual basic embebido en Arena no solo se encarga de elaborar la animación, considerando las caracteristicas espaciales de cada elemento especificadas en el archivo de texto, sino tambien de elaborar una matriz de distancias que el modelo de simulación
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utiliza para determinar los tiempos de traslado entre cada par de elementos para los recursos que se moveran a lo largo de ellos (Perforadora y Cargador).
c) Funciones de Probabilidad para las actividades
Por medio del Imput Analyzer de Arena ® ylos tiempos tomados de cada actividad, se estimaron las funciones de probabilidad más acertadas para utilizar en el modelo de simulación. A continuación se muestras dichas funciones para cada actividad.
Figura 45Función de probabilidad uniforme para Posicionamiento de Maquina
Figura 44Tabla de Posiciones generadas en archivo de texto, exportadas a Arena ®
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Figura 46Función de probabilidad Erlang para cargue de Tolva
Figura 47Función de Probabilidad Uniforme para subida de tolva
Figura 48Función de Probabilidad Erlang para descargue de Tolva
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Figura 49Función de Probabilidad Triangular para bajada de Tolva
Figura 50Función de Probabilidad Beta para Perforación
d) Corrida del modelo
Una vez el usuario carga el archivo correspondiente a la información del proyecto, el siguiente paso es correr el modelo quien se encargará de procesar todos los datos de entrada en función del tiempo que se calcula según las velocidades de los recursos, secuencia de perforaciones y localizaciones espaciales.
7.5 Validación del modelo
Según Kelton (2004), la validación es el proceso de asegurar que la modelación se comporta de la misma manera que el sistema real. Dentro de la validación se debe realizar un proceso de calibración que según Banks (2001), consiste en realizar iteraciones de comparación entre el modelo de simulación y el sistema real, haciendo ajustes o cambios la modelo. El modelo ajustado se compara con el sistema real y si es necesario se vuelven a realizar ajustes y se compara de nuevo. Las iteraciones se deben realizar hasta tener un modelo lo
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suficientemente exacto con la realidad. A continuación se muestra un esquema de las iteraciones antes mencionadas.
Figura 51Proceso Iterativo de Calibración del modelo. Banks (2001)
La validación se realizó con la comparación de la duración total de construcción de las pilas con la duración arrojada por el modelo de simulación.
La duración total del sistema real para la construcción de una pila es de 669 segundos con una desviación de 25.3. Estos valores se obtuvieron de los registros de días trabajados en el proyecto.
Una vez se tuvo el modelo de simulación lo más cercano a la realidad, se realizaron varias corridas para obtener un resultado confiable. El número de corridas se determinó por el Teorema del Limite Central, el cual explica que entre mayor número de corridas, más se acerca a la Distribución Normal y mejor es la aproximación.
Por medio de la ecuación (18), se calculó el número de corridas que arroje un nivel de confianza del 95%. Inicialmente con 20 corridas se tiene una desviación estándar de 18.3 segundos y con un valor de Z=1,96 para un intervalos de confianza de 95%, el mínimo número de corridas es 18.
Ecuación (18)
Para tener mayor precisión, el modelo se corrió 25 veces, con un tiempo de construcción promedio de 658 seg y una desviación de 12.3 A continuación se muestran los resultados de tiempos arrojados del modelo de simulación.
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Tabla 9Duración en segundos para la construcción de una pila
Corridas Duración por Pila (seg)
1 659
2 648
3 665
4 662
5 657
6 651
7 669
8 673
9 664
10 658
11 655
12 663
13 649
14 671
15 642
16 653
17 658
18 673
19 649
20 647
21 652
22 671
23 657
24 674
25 645
Promedio 658
La duración de construcción de una pila para el sistema real y el modelo de simulación, es bastante similar, por lo que se puede decir que la simulación se asemeja a la realidad, trabajando con un intervalo de confianza del 95%.
Se tiene una gran diferencia en las desviaciones estándares, ya que el modelo no contempla tiempos de espera del retrocargador, lo que se debe a una mala planificación, como tampoco las pequeñas paradas por fallas de la máquina perforadora.
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Tabla 10Duración y desviación estándar para el sistema real y modelo de simulación
Duración (seg)
Desviación Estándar
Sistema Real 669 25,3
Modelo de Simulación 658 12,3
8. Aplicación de principios de ¨Lean Construction¨ al el proceso constructivo
Para este punto se pretende medir los tiempos de cada actividad involucradas en el proceso constructivo para identificar cuales tienen mayor impacto en el mismo. Luego se analizaran los tiempos, productivos, No productivos y de ocio en las actividades antes identificadas. Con las actividades identificadas y los tiempos cuantificados se puede obtener los principales problemas de programación, pérdida de tiempo, pérdidas monetarias y todo aquello que no genera valor al producto final. Se plantarán oportunidades de mejora enfocadas a minimizar el tiempo No contributivo y ocio.
8.1 Tiempo de ciclo y análisis de cada actividad del proceso constructivo
A partir de los tiempos tomados en las visitas de obra, se generó la siguiente tabla y grafica donde se muestran los tiempos de las actividades que conforman el tiempo de ciclo para la construcción de una pila de agregado compactado.
Tabla 11Tiempo total (seg) de construcción de un elemento
Actividades Tiempo (s) Porcentaje
Posicionamiento de la maquina 45 7%
1 er Posicionamiento de la tolva 16 2%
1erCargue de la tolva 15 2%
1erSubida de la tolva 48 7%
1erDescargue de la tolva 12 2%
1erBajada de la tolva 33 5%
2 do Posicionamiento de la tolva 12 2%
2do Cargue de la tolva 13 2%
1er Perforación 145 23%
Tiempo de espera de pajarita para cargue de tolva 25 4%
3 er Cargue tolva 11 2%
2 da Subida de tolva 23 3%
2 do Descargue tolva 10 1%
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2 da Bajada tolva 15 2%
2 da Perforación 2 246 36%
Tiempo total 669
Gráfica 4Tiempo de ejecución de un elemento
Las actividades de mayor peso en el tiempo de ciclo son las perforaciones. Dado que el tiempo de este ítem depende de las características mecánicas de la máquina perforadora y la resistencia del suelo, no resulta posible lograr un mejoramiento en su tiempo.
El tiempo de posicionamiento representan un 7 %, dado el desperdicio de grava en el proceso de llenado de la tolva y perforación (Figura 48), se debe realizar una limpieza de material para poder ubicar la maquina en los ejes de la perforación, aumentando el tiempo de ciclo innecesariamente.
0
50
100
150
200
250
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Actividades
Tiempo de ejecucion de una pila
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Figura 52Desperdicio de material
El tiempo de espera que se genera para el llenado de la tolva, se debe a una mala programación y coordinación de los trabajos. En las visitas a obra se observó que el ingeniero residente no tiene la suficiente experiencia y capacitación para coordinar las labores. Aunque este tiempo solo representa el 2 % del tiempo total, si se suma a lo largo del proyecto, resulta un tiempo importante.
8.2 Variabilidad en el proceso
Se tomaron los datos históricos del número de elementos construidos por día a lo largo del proyecto y se tabularon los datos, tal como se muestra a continuación.
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Tal como se puede ver en la gráfica se tiene una variabilidad excesiva a los largo del proyecto. La principal causa de esta variabilidad, se debe al mantenimiento correctivo que se le dio a la maquina en el transcurso del proyecto. Normalmente la maquinaria de la empresa contratista entra a mantenimiento una vez sale de un proyecto y dejarla a punto para el próximo. Dado el afán que se tenía de empezar esta construcción, este mantenimiento no dio. Aunque ésta situación la conocía el cliente ya se tomó la decisión por parte de la gerencia de la compañía de no volver a aceptar, empezar un proyecto hasta que la maquina no se encuentre a punto, teniendo en cuenta la mala imagen que se dejó y las dificultades que causa realizar ajuste durante el proceso constructivo.
Una variable adicional para la alta variabilidad que se muestra es que este proceso es nuevo por lo que no se tiene una estandarización implementada. Hay días que realizan el proceso con 2 llenadas de la tolva por perforación otros días con 3 o 4 o 5, buscando tener el mejor rendimiento, dependiendo de la velocidad de subida de la tolva cargada.Para ésta variable se ve claramente la falta de capacitación a todo el personal involucrado y la falta de motivación del mismo. Muchos días el operario de la máquina perforadora era quien decidía cuantas llenadas se deberían hacer, más no el ingeniero residente, quien debería tener el mando y control de esta variable.
Teniendo en cuenta los días de parada de la máquina, se analizó el costo por día que genera la situación:
8.3 Costos por días perdidos en mantenimiento
Como se puede ver en el siguiente cuadro, los días perdidos por mantenimiento de la máquina, ascienden al 25 % del tiempo total del proyecto.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
15-sep 22-sep 29-sep 06-oct 13-oct 20-oct 27-oct 03-nov
22
26
912
273031
39
13
2121
15
3230
18
2
22
18
28
4
24
40 4040
20
40
11
30
20
13
42
36
19
30
41
5
Pil
as
de
ag
eg
ad
o c
om
pa
cta
do
Dias trabajados
Numero de Pilas de agragado compactado construido por dia
Gráfica 5Elementos construidos por días trabajados
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Tabla 12Días, trabajado y días parados
Días trabajados
Días parados por mantenimiento
correctivo
Total días del
proyecto
% días parados por
mantenimiento correctivo
36 12 48 25%
Teniendo en cuanta que el 25 % de días perdidos es muy alto se procede a realizar un análisis de cuanto le cuesta estos días a la empresa contratista.
Tabla 13Costo total por días de mantenimiento de la maquina
Item Descripción Valor por día
1 Operario Maquina piloteadora $ 65.000
2 Operario retrocargador $ 62.000
3 Ayudante $ 45.000
4 Ingeniero Residente $ 60.000
5 Ingeniero Auxiliar $ 55.000
6 Maquina piloteadora $ 1.200.000
7 Retrocargador $ 560.000
Total costo por día $ 2.047.000
Días Parados por mantenimiento 12
Costos total por días parados $ 24.564.000
Nota: los valores por día fueron tomados del análisis de precios unitarios entregados por la empresa contratista.
8.4 Distribución de tiempos
Dentro del proceso constructivo se observaron tiempos productivos, No productivos y de Ocio. Por este motivo se prosiguió a realizar el análisis de la distribución de los mismos, de acuerdo al siguiente formato,con el ánimo de conocer el impacto de cada uno de ellos y poder proponer algún tipo de mejora.
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Tabla 14Distribución de tiempos por operario
TiempoTotalde
construccióndeunelemento(s)
TP TC TNC TP TC TNC TP TC TNC TP TC TNC
710 85% 3% 12% 8% 5% 87% 3% 6% 91% 1% 0% 99%690 88% 5% 7% 10% 6,0% 84% 4% 7% 89% 0% 2% 98%695 92% 4% 4% 7% 6,0% 87% 2% 4% 94% 0% 0% 100%
740 85% 6% 9% 9% 8,0% 83% 4,3% 8% 88% 0% 4% 96%670 89% 3% 8% 11% 7,0% 82% 2% 6% 92% 0% 0% 100%702 90% 5% 5% 12% 9,0% 79% 4% 5% 91% 2% 0% 98%698 88% 6% 6% 10% 8,0% 82% 2% 6% 92% 2% 0% 98%730 92% 7% 1% 9% 6,5% 85% 3% 4% 93% 3% 0% 97%670 87% 5% 8% 8% 8,0% 84% 3,5% 6% 91% 0% 2% 98%707 89% 6% 5% 9% 6,0% 85% 3% 5% 92% 0% 0% 100%
Promedio 89% 5% 6% 9% 7% 84% 3% 6% 91% 1% 1% 98%
IngenieroResidente
Construccióndeunapiladeagregadocompactado
Relacióndetiemposdetrabajadoresporactividadrealizada
Operadordela
maquina
Operadordel
retrocargadorAyudante
Como se pude ver en la tabla, el tiempo No productivo de los trabajadores excepto el del operador de máquina, son muy altos.
En las visitas a obra se observó que el ayudante se queda sentado mientras se realizan las actividades de perforación, subida o bajada de la tolva y cargue de material. El tiempo de posicionamiento de la maquina representa un 7 %, ya que una vez se termina la perforación, el ayudante debe limpiar el sitio de la siguiente perforación generando un tiempo muerto, que podría ser utilizado mientras se llevan labores de perforación.
Dentro del tiempo de ciclo se tiene una espera de la llegada del retrogargador con material para cagar la tolva. Este es un tiempo muerto para el proceso de construcción y con el tiempo de ocio que tiene éste trabajador, se ve una clara muestra de la falta de planeación de las actividades.
8.5 Desperdicio de material
Como se vio en la figura 52, se tiene un desperdicio de material importante, debido a fallas de planeación, como la utilización de un retocargador con la pala más grande que la tolva. El material que cae al piso, debe ser recogido y lavado para poder ser utilizado nuevamente. Por el retraso que se tenía en la ejecución de la obra, la grava que cayó al piso no fue reutilizada y por lo tanto no se cuantifico. Haciendo una estimación en conjunto con el ingeniero residente se estableció que este valor podía ascender hasta un 5 % del material total utilizado. Si se tomaen cuenta que se necesitaron 2100 m3 para la totalidad del proyecto, el desperdicio suma 101 m3, lo hubiera podido alcanzar para construir 12 pilas.
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8.6 Horario de trabajo e impuntualidad
El horario de trabajo para el proyecto de Lucerna, estaba comprendido teóricamente entre las 8:30 am y las 5:00 pm, con 1 hora de almuerzo y dos refrigerios de 20 minutos cada uno. Durante todo el proyecto no fue posible que los trabajadores empezaran a trabajar a las 8:30, a esta hora llegaban y duraban alrededor de 10 a 15 minutos mientras empezaban a trabajar. Para los refrigerios se tomaban 15 o 20 minutos. Todo este tiempo perdido, se traduce en baja productividad para la empresa y finalmente en costos. Existe una falta de compromiso por parte de los trabajadores y un sistema de incentivo o castigo para los mismos.
8.7 Planificación del trabajo
Tal como se observó en el ciclo PHVA, la planificación hace parte del enfoque de una mejora continua. Como inicio de esta fase se presenta a continuación una WBS para la construcción de pilas de agregado compactado. Con la identificación de las tareas que conforman el proyecto, se tiene una visión general del proyecto, los actores, responsables y una mejor medición y control del mismo.
Planos Análisis de Laboratorio
Diseño
Informe Estudio de Suelos
Calculo Estructural
Memorias de Calculo
Perforaciones
NIVEL 1
NIVEL 2
NIVEL3
NIVEL 4
Pilas de agregado compactado
Diseño Planificación Trabajos Generales Construcción
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Figura 53WBS para la construcción de pilas de agregado compactado
Construcción
Ubicaciones de perforaciones
Posicionamiento de la maquina de perforación
Viajes de retrocargador
Cargue de la tolva
Subida, descargue y bajada de la tolva
Perforación
Prueba estructural de pila
NIVEL 5
NIVEL 6
NIVEL 7
NIVEL 8
NIVEL 4
NIVEL 1
NIVEL 2
NIVEL3
Trabajos Generales
Campamento Demarcación y Señalización
Limpieza del terreno
NIVEL 1
NIVEL 2
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9. Recomendaciones
- Teniendo en cuenta las falencias en programación y control del proyecto, se debería tener un profesional en encargado de este tema para reducir las pérdidas y retrasos en los proyectos.
- Generar un programa de incentivos al personal de obra. Esto se puedo plantear como una parte fija y la otra variable dependiendo de la productividad que se tenga. De esta manera puede aumentar el grado de compromiso de los trabajadores.
- Generar un programa de mantenimiento preventivo, con el ánimo de reducir los mantenimientos correctivos, que dejan una mala imagen ante el cliente y producen pérdidas significativas
- Es de vital importancia lograr una logística en conjunto con las demás actividades del proyecto de construcción de vivienda, para no generar inconvenientes de espacio, como por ejemplo los sitios de acopio de grava. La ubicación de estos sitios puede generar demoras, por tiempos de viaje del cargador.
- La empresa debe evaluar la compra de un cargador más pequeño como por ejemplo un “Bobcat”, y el cual tiene una pala más pequeña, que no generar el desperdicio de material.
- El ingeniero residente debería tener más experiencia en este tipo de proyectos, para que pueda ayudar a la planeación y control del mismo
- Aunque la empresa se encuentra certificada bajo estándares de calidad, seguridad industrial y ambiental, requiere de un sistema de producción eficiente, sin perdidas, mejorando la competitividad y rentabilidad para la empresa.
10. Conclusiones
Una vez terminado el presente trabajo, se logró compara por medio del ensayo en la centrifuga, que las deformación entre los pilotes y las pilas de agregado compactado son similares, además se realizó un modelo de simulación semejante a la realidad, terminando con implementaciones de algunos aspectos de la filosofía de “Lean Construction” para tratar de mejorar los rendimientos en el proceso.
Las pilas de agregado compactado son un método que genera reducción en los costos de cimentación, por las alturas de la losa. Para el proyecto de Lucerna, efectivamente se tiene una ahorro del 25 % en los costos de este ítem. Este método requiere de menos insumos, menor coordinación con diferentes proveedores y menor contaminación, lo que resulta muy interesante para el cliente.
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El modelo de simulación se puede implementar en otros proyectos de pilas de agregado compactado, ayudando con la planeación del mismo, de una manera ágil.
La base de datos que se generaron de los tiempos, rendimientos y desglose de actividades, serán de ayuda para futuras programaciones en este tipo de proyectos.
Los directivos y operarios de la empresa contratista, quedaron motivados con la simulación de procesos y la implementación de la filosofía de “Lean Construction” ya que pudieron ver en qué aspectos puede mejorar la productividad y rentabilidad de la empresa.
Cabe resaltar la utilidad que puede tener la simulación en la ingeniera civil ya que puede mostrar varios escenarios con diferentes rendimientos y costos sin tener que realizar ensayos en la vida real, que toman tiempo productivo y generan costos adicionales a la empresa.
Por los resultados obtenidos en ésta investigación, se puede decir que el proceso de pilas de agregado compactado, genera reducción de costos en las cimentaciones de estructuras.
La cultura colombiana en el tema de nuevos procesos constructivos, tiende a no cambiar o innovar, por lo que es de vital importancia trabajar en el tema de la publicidad, que muestre los resultados obtenido en proyectos ya realizados.
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