Libro del conocimiento vol7. GMI SA by Calambur Comunicación y Diseño

Libro del

conocimiento Vol. 7

Vol. 7

© Libro del Conocimiento. Vol. 7. © De los autores: Carlos Tupayachi Marmanillo, Marco Zeña Vela, Max Correa Vigo, Jimy Quintana Zavaleta, Ángel Aquije Carhuas, George Tena Naucapoma, Augusto Aliaga Silva, Jesús Hilario Cercado, Robinson Ucañán Díaz, Iván Moreno Cuneo, Carlos Guevara Salnicov, Pedro Castañeda Vargas, Luis Guevara Sandoval, Carlos Inope Mantero, Marian Villarroel Klenner, Gabriel Pi Ríos, Santiago Gómez Echeandía, Adelmo Rodríguez Rodríguez, Wilfredo Cuibin Valladares, Aydee Chumacero Domador, Alexander Prado Paucar, Juan Watanabe Kanno, Edward Santa María Dávila y Jonathan Alberto Arotoma. © Derechos reservados de esta edición: GMI S.A. Ingenieros Consultores Av. Paseo de la República 4667, piso 7, Surquillo, Lima. Tlfs.: 446 3725 / 447 0497 www.gmisa.com.pe Se prohibe la reproducción total o parcial de este libro sin autorización expresa de GMI S.A. Ingenieros Consultores. Primera edición: marzo de 2017 Tiraje: 500 ejemplares ISBN Nº XXXXX XXXXX Nº de proyecto: XXXXX XXXXX Hecho el Depósito Legal en la Biblioteca Nacional del Perú Nº XXXXX Impreso en Lima, Perú Printed in Peru Edición y Diagramación: Calambur S.A.C. Impreso por: COMUNICA 2 S.A.C. Dirección: Cal. Omicron Nro. 218 Urb. Parque Internacional de Industria y Comercio, Callao. Teléfono: 610-4242 www.comunica2sac.com Marzo de 2017

falta reemplazar

PRÓLOGO Nuestra estrategia en gestión del conocimiento siempre se ha basado en compartir lo que vamos aprendiendo en nuestros proyectos, pues creemos que esa es la manera que nos permite capitalizar la experiencia de la empresa. Así, por séptimo año consecutivo presentamos el Libro del Conocimiento de GMI. La principal novedad de esta edición es que ya no solo compartimos el conocimiento de GMI, sino que ahora otras empresas del Grupo Graña y Montero se han sumado a esta iniciativa. Por primera vez, más del 50 % de los artículos son externos a GMI. Contamos con material de construcción, minería, temas relacionados a operaciones petroleras, gestión de actividades ligadas a servicios y experiencias de diferentes tipos. Esto le da variedad y enriquece nuestro conocimiento. Queremos agradecer a los autores que nos compartieron sus estudios, aprendizajes y experiencias de manera desinteresada; las horas y el empeño que dedicaron para esto son invalorables. Estamos seguros de que este esfuerzo motivará a que más colaboradores se sumen y a que todas las empresas se vean reflejadas en la próxima edición. Los invitamos a leer el libro con detenimiento y a tenerlo como fuente de consulta durante nuestra gestión diaria. ¡Sigamos compartiendo el conocimiento!

Eduardo Villa Corta Lucchesi Gerente General GMI

INSTRUMENTACIÓN

Índice 17

CIVIL Buenas prácticas constructivas: supervisión de pavimentos de concreto Carlos Tupayachi Marmanillo

Comportamiento térmico del concreto masivo Marco Zeña Vela

Comportamiento hidráulico del sistema de traviesas en el río Rímac - Modelo físico hidraúlico a escala reducida Max Correa Vigo / Jimy Quintana Zavaleta

ELECTRICIDAD Reglamentación para establecimientos de salud Ángel Aquije Carhuas

ENERGÍA Puesta en marcha de centrales hidroeléctricas George Tena Naucapoma

ESTRUCTURAS 89 103

127

Cálculo de deflexiones a largo plazo para elementos de concreto pre-esforzado Augusto Aliaga Silva / Jesús Hilario Cercado Norma Sísmica E-030 - 2016: comparativo con otras Normas Robinson Ucañán Díaz

GEOLOGÍA Y GEOTECNIA El factor geológico, en proyectos de obras subterráneas Iván Moreno Cuneo

INSTRUMENTACIÓN 139

Introducción a la seguridad funcional Carlos Guevara Salnicov

INTRODUCCIÓN A LA SEGURIDAD FUNCIONAL

151

GESTIÓN Modelo de productividad basado en componentes para la fábrica de software Pedro Castañeda Vargas / Luis Guevara Sandoval

161

Reducción de la subjetividad en los reclamos por pérdida de productividad en el negocio de la construcción Carlos Inope Mantero

171

Sistema de gestión MRP, aplicación en CAM Chile Marian Villarroel Klenner

183

Acarreo 2.0 - Rompiendo el paradigma de los precios fijos Gabriel Pi Ríos / Santiago Gómez Echeandía

MECÁNICA 195

Tolerancias y ajustes Adelmo Rodríguez Rodríguez

205

Criterios de diseño para la estación disipadora de presión de la línea de relaves del proyecto Inmaculada Wilfredo Cuibin Valladares

PETRÓLEO Y GAS 215

Discordancia post - Salina Mogollón y su implicancia con la acumulación de hidrocarburos al sur del lote III Aydee Chumacero Domador / Alexander Prado Paucar

225

Operaciones simultáneas de inyección de cortes de perforación y agua de producción: solución de cero descarga al medio ambiente para la fase de desarrollo en el lote 67 en la Amazonía peruana Juan Watanabe Kanno

TRANSPORTE 241

Accidentalidad en la remodelación de un eje urbano Edward Santa María Dávila / Jhonathan Alberto Arotoma

INTRODUCCIÓN A LA SEGURIDAD FUNCIONAL

CIVIL

 Buenas prácticas constructivas: supervisión de pavimentos de concreto  Comportamiento térmico del concreto masivo  Comportamiento hidráulico del sistema de traviesas en el río Rímac - Modelo físico hidráulico a escala reducida

INSTRUMENTACIÓN

Carlos Tupayachi Marmanillo GMI Ingeniero civil egresado de la Universidad Nacional San Antonio Abad de Cusco (Unsaac); becado por la Agencia Española de Cooperación Internacional (AECI) para seguir el curso máster en el Cedex, España, en la especialidad de Mecánica de Suelos y Cimentaciones; magíster en Ingeniería con mención en Geotecnia de la Unsaac; diplomado en Gestión de Proyectos de la Universidad de Piura; asimismo, cuenta con certificación internacional como Project Management Professional PMP. Miembro de organizaciones profesionales como la American Society of Civil Engineers (ASCE), la International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering (ISSMGE), el American Concrete Institute Perú (ACI-Perú) y el Project Management Institute (PMI). Durante sus 25 años de desarrollo profesional ha desempeñado funciones varias, como la de diseñador, supervisor de obra, jefe de obra, docente universitario en la Escuela de Posgrado de la PUCP y profesor en Capeco. Actualmente se desempeña como jefe de supervisión en GMI Ingenieros Consultores.

BUENAS PRÁCTICAS CONSTRUCTIVAS: SUPERVISIÓN DE PAVIMENTOS DE CONCRETO CIVIL

Buenas prácticas constructivas: supervisión de pavimentos de concreto

Resumen Buenas prácticas constructivas son notas técnicas de referencia rápida sobre tópicos de pavimentos de concreto, necesarios en una supervisión de obra, las mismas que se complementan con la documentación que pudiera contener el expediente técnico del proyecto, que puede ser útil para definir parámetros de control, verificar

valores característicos o proporcionar información que permita dar instrucciones o recomendaciones de obra; las que se apoyan en publicaciones especializadas como el American Concrete Institute (ACI), la American Concrete Pavement Association (ACPA), la Sección de Suelos y Pavimentos del MTC, entre otras.

Introducción El presente artículo técnico es el resultado de constatar en obra la necesidad de disponer de notas técnicas de referencia rápida que cuenten con el respaldo de publicaciones académicas especializadas como son el American Concrete Institute (ACI), la American Concrete Pavement Association (ACPA), la Sección de Suelos y Pavimentos del MTC, entre otras, que sirvan de soporte para determinar los criterios técnicos que un supervisor de obra

requiere para la aceptación, el rechazo, la modificación o la instrucción de determinada actividad o proceso, que no necesariamente se encuentran en las especificaciones técnicas del proyecto o en los planos de construcción. Este artículo no es un documento de diseño, pero sin embargo presenta algunos resultados orientativos para tener orden de magnitud o valores normativos que

CIVIL

deben cumplirse durante la ejecución; la información presentada puede también servir para labores de control de calidad y formulación del planes de puntos de inspección (PPI), check lists y protocolos de liberación.

Se encuentran fuera del alcance de la presente publicación aspectos referentes al control o la verificación de la estructura de soporte del pavimento, como son las subbases y las bases granulares.

Tipo de losas en pavimentos de concreto (ACI 360R) En labores de supervisión de obra es importante identificar los aspectos de diseño que conllevan un tipo de solución; cada tipo de losa tiene sus propias restricciones.

LOSA DE CONCRETO SIMPLE Las losas de este tipo no cuentan con ningún tipo de refuerzo, salvo los dowels para transferencias de carga. Los espesores característicos de diseño se encuentran en función a las cargas de tránsito, siempre que la estructura de soporte (terreno de fundación) cumpla con las exigencias de diseño.

Ventajas: simples de construir, generalmente es más económica que otros tipos.

Desventajas: requiere juntas de contracción aserradas con relativamente menos espaciamiento, tienen mayores probabilidades de alabeo y de deterioro de juntas, implican mantener un mayor número de juntas.

LOSA DE CONCRETO REFORZADA POR CONTRACCIÓN Y TEMPERATURA Los espesores son similares a los de la losa de concreto simple, pero el agrietamiento por contracción y temperatura es controlado por la cantidad nominal de refuerzo, distribuido como malla superior o malla electrosoldada. El refuerzo por contracción y temperatura en este tipo de losas no eleva la capacidad del pavimento de soportar mayores cargas de servicio.

Ventaja: limita el ancho de la fisura. Desventajas: es más cara que la losa sin reforzar y el reforzamiento puede incrementar el número de fisuras

aleatorias, particularmente en el espaciamiento de las juntas más anchas.

LOSA DE CONCRETO REFORZADA PARA ACCIÓN ESTRUCTURAL Pueden usarse una o dos capas de refuerzo de acero, distribuidas como capa superior y capa inferior; teóricamente el espaciamiento entre juntas no es crítico, pero deben ser instaladas por proceso constructivo. El Comité del ACI 360 considera que la mejor forma de incrementar la capacidad estructural de la losa (resistencia a la flexión) es incrementando su inercia, es decir, su espesor. Para incrementar la vida útil del pavimento es recomendable priorizar el mejoramiento de la capacidad de carga de la subrasante y base de soporte, en reemplazo del planteamiento del diseño de losas armadas de pequeño peralte; una mala fundación no garantiza el buen desempeño del pavimento, por mucho que reforcemos la losa de rodadura.

Ventaja: reduce o elimina las juntas aserradas de contracción. Desventaja: puede tener numerosas fisuras, muy finas, siempre que los esfuerzos por reforzamiento sean suficientemente bajos.

LOSA DE CONCRETO REFORZADA CON FIBRA Este tipo de losas se usan generalmente para fines industriales o con requerimientos de control de fisuramiento.

Ventajas: proporcionan incremento de resistencia a cargas de impacto y fatiga si se comparan con las losas reforzadas con barras o malla, son simples de construir.

BUENAS PRÁCTICAS CONSTRUCTIVAS: SUPERVISIÓN DE PAVIMENTOS DE CONCRETO

Desventaja: las fibras pueden estar expuestas en su superficie, puede requerir ajustes en los procedimientos de mezclado y acabado. Para este tipo de losas es

importante identificar el tipo de fibra a utilizar; en el mercado las hay de acero, sintéticas, de polipropileno y de vidrio y se detallan en la tabla 1.

MATERIAL

Longitud (mm)

Diámetro (mm)

Gravedad especifica

Dosificación por volumen (%)

Dosificación por peso (kg/m3)

Acero

6 – 64

0.50 – 1.0

7.85

0.20 – 1.0

15 - 78

Sintética microfibra

< a 0.30

1.14

0.05 - 0.20

0.44 -1.80

Sintética macrofibra

38*

> a 030

1.14

0.20 – 1.0

1.8 – 9.0

Polipropileno microfibra

< a 0.30

0.91

Polipropileno macrofibra

54*

> a 030

0.91

4.0 – 9.0*

Vidrio microfibra

13 – 38

0.01 – 0.03

0.29 – 0.88

Vidrio macrofibra

13 – 38

0.09 – 0.17

2.35 – 4.70

Referencia: ACI 544.3R-08; (*) Productos BASF

Tabla 1: fibras de refuerzo por tipo de material

Consideraciones geométricas Los planos de ejecución de un proyecto de pavimento de concreto consignan el tipo de modulación o la geometría del mismo, sin embargo, durante el replanteo de obra puede surgir una cantidad importante de «interferencias», como son elementos de geometría y rigidez diferentes, por ejemplo buzones de alcantarillado, comunicaciones, electricidad, veredas, bermas preexistentes o cualquier estructura urbana que requiera ser empatada e integrada. Es entonces importante identificar el tipo de encuentro y modulación que puede solucionar la interferencia.

MODULACIÓN Los pavimentos de concreto, dependiendo del procedimiento constructivo, pueden ser continuos o discontinuos; en ambos casos se debe efectuar la modulación que corresponda y la identificación del eje de vía coincidente con el eje de bombeo sobre los anchos, el encuentro entre calzada y berma y la ubicación de obras de drenaje y complementarias. La modulación de losas de pavimento toma mayor importancia cuando el procedimiento constructivo es

mediante losas discontinuas, debiendo básicamente cuidar sus proporciones geométricas. La «Guía de diseño para juntas del ACI» (325.12R-02) realiza una representación gráfica para proponer diferentes soluciones a tipos de encuentro y la modulación a tomar en cuenta en el replanteo de obra (gráfico 1).

PROPORCIONES GEOMÉTRICAS Los pavimentos con losas de concreto presentan geométricamente forma de paralelepípedo, con una gran superficie expuesta y un peralte pequeño, por lo que se debe tener cuidado en mantener algunas relaciones de espesor, ancho y longitud.

ESPESOR DE LOSAS El espesor de las losas de concreto se diseña de acuerdo a las cargas y el tipo de fundación, sin embargo, de acuerdo a estadísticas de diseño, se puede tener «orden de magnitud» de los diferentes espesores de pavimentos de concreto simple como parámetros de referencia; ver la tabla 2.

CIVIL

B or C

A B C D E F

25’

Final del trabajo

Colocar el relleno de juntas de expansión 1/2 en la parte superior de la acera sólo en todos los puntos de radio

Juntas de aislamiento Juntas longitudinales de construcción Juntas longitudinales de contracción Junta transversal de contracción Junta de construcción, transversal planeada Junta de construcción, transversal de emergencia

D D A

C D B or

B, C or D

8’ ’-4 26

15ºR

D 1 1/2”

Primer carril pavimentado

F B or C

16’-20’

25’ A

D Como requiera E

B or C B

B or C D B or C

26’-48’

B or C

Dirección de pavimentación media anchura

25’ Trazo 9 Espaciamiento Espaciamiento Normal Normal 26’-48’

Referencia: ACI 325.12R-02 y ACPA IS061.01P

Gráfico 1: modulación geométrica de losas

TRÁNSITO

ESPESOR (METROS)

Liviano (Vía Residencial)

0.15

Medio (Vía Local)

De 0.20 a 0.25

Pesado (Vía Interestatal)

De 0.30 a 0.35

Pesado (Vía Interestatal)

REFERENCIA http://www.imcyc.com/ct2008/sept08/mejor.htm Autor: Shiraz Tayabji

0.305 (12”)

Departamento de Transporte del Estado de Washington (WSDOT). Vida útil: 50 años

0.35 (14”)

Departamento de Transporte del Estado de Illinois (IDOT). Vida útil: 30 a 40 años

Aeropuertos Comerciales Internacional

De 0.40 a 0.50

Aeropuertos de Aviación general

De 0.125 a 0.30

Innovative Pavement Research Foundation (IPRF) - FAA

Tabla 2: espesores característicos de los pavimentos de concreto simple

BUENAS PRÁCTICAS CONSTRUCTIVAS: SUPERVISIÓN DE PAVIMENTOS DE CONCRETO

RELACIÓN ANCHO-LARGO De acuerdo al ACI 360R, en las losas de concreto (por su geometría plana y peralte pequeño) el fenómeno de contracción o acortamiento puede ocurrir en una edad temprana, ocasionando un esfuerzo en el concreto que excede su resistencia tensional inicial, lo que genera el fisuramiento prematuro, por lo que toman importancia la proporción ancho-largo y las juntas transversales. Investigaciones de la FHWA (1977) realizadas en base a monitoreos de diez años en Minnesota y quince en Michigan concluyen en que cuanto mayor sea la longitud de la losa de concreto mayores serán los índices de fisuramiento transversal acumulado (gráfico 2). Es importante, entonces, verificar y ajustar (de ser posible) la longitud de losa a ser ejecutada. De acuerdo al ACI 302.1R, la relación de aspecto en los paneles de losas sin acero de temperatura o losas no reforzadas de concreto expansivo deberán tener una proporcionalidad largo-ancho de 1.5:1.0; sin embargo, es preferible la relación 1:1. Se deben evitar, asimismo, los paneles con forma de L o T.

Según la normativa peruana (RD n.° 10-2014-MTC/14, Sección Suelos y Pavimentos), la longitud de la losa debe mantener una proporción largo-ancho de 1.25:1.0, pero en ningún caso una longitud mayor a 4.5 m. Para climas fríos (a alturas mayores a 3000 m s. n. m.) se recomiendan las losas cuadradas.

Transverse Cracking, ft/mile

500 400

Minnesota Study - 10 year

300 200 100

Michigan Study - 15 year

0 0

Slab Length, ft Referencia: ACPA IS061.01P, Design and Construction of Joints for Concrete Streets

Gráfico 2: sensibilidad de fisuramiento transversal con respecto a la longitud de losa

Tipo de juntas Las juntas en las losas de concreto se designan por su ubicación o función. Es importante que la supervisión de obra identifique y reconozca su función. De acuerdo al ACI 325.9R-91, se tiene la siguiente clasificación:

JUNTAS LONGITUDINALES Junta entre dos losas que tiene como función permitir la deformación de la losa; las juntas pueden ser machihembradas o aserradas, asegurando que la profundidad de la separación sea suficiente para prevenir el fisuramiento aleatorio. La profundidad de la junta usualmente es de 1/3 del espesor cuando se trata de bases estabilizadas y de ¼ del espesor cuando es de bases granulares. Respecto a las juntas machihembradas la normativa peruana (MTC 2014, Suelos y Pavimentos) recomienda restringir el uso de losas menores a 0.25 m, pues no garantizarían la transferencia de carga.

JUNTAS TRANSVERSALES DE CONTRACCIÓN Regulan la ubicación aleatoria del agrietamiento causado por los cambios dimensionales en la losa, siendo la junta más común en pavimentos de concreto. Las ranuras transversales o planos débiles que inducen al fisuramiento pueden ser construidos de forma similar a las juntas longitudinales, excepto que deben garantizar la transferencia de las cargas esperadas según el volumen de tráfico. Se recomienda el uso de dowels para la transferencia de carga.

JUNTAS DE CONSTRUCCIÓN Son juntas entre losas que resultan convenientes cuando el concreto es colocado en tiempos diferentes. Las juntas de construcción deben ser evitadas y de producirse se recomienda colocar barras de empalme.

CIVIL

JUNTAS DE EXPANSIÓN Son juntas que se colocan en una ubicación específica que permite al pavimento dilatarse sin dañar estructuras adyacentes o el mismo pavimento. Deben ser ubicadas entre todas las estructuras ajenas al pavimento, como son los sumideros, los buzones, los muros, las veredas, y con un espesor no menor a 6 mm; además, el sellado de juntas de expansión debe garantizar su permanencia, no pudiendo ingresar concreto. Estas juntas requieren ser colocadas cada 18 m de losa continua.

JUNTAS DE EXPANSIÓN EN ENCUENTROS CON PUENTES Estas juntas deben ser protegidas y ha de evitarse que se colmaten con material rígido. Por la excesiva

presión que genera la dilatación del pavimento, se deben evitar los esfuerzos de compresión por contacto; no es suficiente con la ejecución de losas ancladas.

JUNTAS DE EXPANSIÓN DONDE SE USA DOWELS Estas juntas se ejecutan para asegurar una adecuada transferencia de cargas, tomando en consideración que un extremo es empotrado y el otro lleva un dispositivo que permita el libre movimiento (por ejemplo un encamisetado con tubo PVC). Además, el llenado de junta debe garantizar su flexibilidad. En la tabla 3 se presentan las recomendaciones del ACI y la PCA para el espaciamiento de juntas en función del espesor de la losa.

1’’ 8

8’’

Barra de pasador lisa

1’’R 1 ’’R 4

lubricada

1d 4 (a)

(b)

Dirección de vertido 3 -1’’ 4 1’’

1 ’’R 4

Barra de pasador losa lubricada

h/2

(d)

1 3’’ 4 -8

1 1’’ 8 4 1’’

1’’

Losa Lubricada

Fijo (d)

1 4 ’’R

2’’

1 ’’R 4

h/2

1 3’’ 8 -8

Barra de sujeción deformada o enganchada

Relleno

0.2 h 0.1 h

(e)

(f)

3 in 8

3 ’’ 4 h/6-h/4

1 ’’R 4

Barra de sujeción deformada

1 ’’R 4

1’’

Sección engrosada (g)

Gráfico 3: juntas en estructuras de concreto

(h)

0.2 h

BUENAS PRÁCTICAS CONSTRUCTIVAS: SUPERVISIÓN DE PAVIMENTOS DE CONCRETO

ESPESOR DE LOSA (PULGADAS)

RANGO DE ESPACIAMIENTO Desde (m)

Hasta (m)

6”

3.6

5.4

8”

4.8

7.2

10”

12”

7.2

10.8

REFERENCIAS

PCA, recomienda espaciamientos de losas de 2 a 3 pies por pulgada de espesor

ACI 302.1R, recomienda espaciamiento de juntas de 24 a 36 veces el espesor de losa. Los valores parciales son coincidentes con los de PCA, pero recomienda que no sean mayor a 5.5 m

Tabla 3: espaciamiento de juntas en función al espesor de la losa

Aserrado de juntas

VENTANA DE ASERRADO (ACI 325.11R-01) Es un corto periodo de tiempo, después de la colocación del concreto fresco, cuando este puede ser aserrado satisfactoriamente, antes del inicio de fisuras. La ventana se dice «abierta» cuando la resistencia del concreto es aceptable para el corte de juntas sin que estas se astillen a lo largo del corte, y se «cierra»” cuando ocurre la contracción, que induce al fisuramiento descontrolado a menos que el aserrado haya sido a tiempo. Asimismo, independientemente del método de aserrado (húmedo o seco), se debe atrasar esta actividad lo suficiente como para evitar el astillamiento del concreto. El tiempo de aserrado, en definitiva, debe ser lo suficientemente tardío como para evitar astillamientos en el concreto que recién endurece y además suficientemente prematuro como para evitar el fisuramiento por contracción.

Too Early: Too Late: Raveling Sawing window Cracking

Concrete Strength

Se denomina aserrado de juntas al procedimiento de cortar mecánicamente las losas de concreto en los lugares diseñados. Es una de las actividades en las que la supervisión de obra requiere exigencia estricta en el cumplimiento del tiempo disponible de las «ventanas de aserrado», porque todo incumplimiento de tiempo se reflejará en el fisuramiento o el astillamiento de la losa de concreto.

Restraint stress equals concrete strength Minimum strength to avert excessive saw cut raveling

Time Referencia: ACPA TB016.01P

Gráfico 4: ventana de aserrado

ASERRADO INICIAL Los aspectos a considerar para el aserrado inicial, de acuerdo a las recomendaciones del ACPA (American Concrete Pavement Association), son: a. El primer aserrado (aserrado temprano) se hace con una hoja angosta, de aproximadamente 3 mm (1/8”). b. Los aserrados tempranos realizados durante el aumento de las temperaturas del concreto deben llevarse a cabo en una sola pasada y en toda la profundidad de corte del diseño. c. Los aserrados tempranos realizados durante el

CIVIL

descenso de las temperaturas requieren de atención especial, ya que se producirá retracción del concreto debido al diferencial de temperaturas. d. Los cortes de hasta la profundidad de diseño durante el descenso de las temperaturas pueden causar fisuración aleatoria (agrietamiento de alvéolos superficiales) delante de la sierra.  Este problema puede evitarse con dos cortes: el primero hasta la mitad de la profundidad

de diseño y una segunda pasada hasta la profundidad proyectada.  Se interrumpirá el aserrado en cualquier junta en la que aparezca una fisura delante de la sierra. e. Las juntas transversales deben ser aserradas consecutivamente en el mismo orden en el que se colocó el pavimento. Ejemplos visuales:

Aserrado de losa de concreto ejecutado de forma prematura (ACPA TB016.01P)

Aserrado de losa de concreto ejecutado antes de la ventana de aserrado (ACPA TB016.01P)

Aserrado ejecutado con la suficiente dureza del concreto, dentro de la ventana de aserrado (ACPA TB016.01P)

REQUERIMIENTO TÉCNICO PARA EL ASERRADO DE JUNTAS Para evitar astillamientos del concreto durante el aserrado de juntas, este debe tener una resistencia mínima (detallada en la tabla 4); cortes muy prematuros generan astillamientos severos de aspecto visual desagradable.

BUENAS PRÁCTICAS CONSTRUCTIVAS: SUPERVISIÓN DE PAVIMENTOS DE CONCRETO

AGREGADO GRUESO Forma

Piedra chancada

Canto rodado

Dureza

Suave

Duro

Suave

Duro

ASERRAMIENTO, RESISTENCIA EN MPA (kg/cm2)

CEMENTO Bolsas/m3

kg/m3

Algún astillamiento

Casi sin astillamiento

7.1

300

2.5 (25)

3.9 (39)

9.1

385

2.2 (22)

3.7 (37)

11.2

475

1.9 (19)

3.4 (34)

7.1

300

4.9 (49)

7.0 (70)

9.1

385

4.8 (48)

6.8 (68)

11.2

475

4.7 (47)

6.6 (66)

7.1

300

1.4 (14)

2.5 (25)

9.1

385

1.0 (10)

2.1 (21)

11.2

475

1.0 (10)

1.8 (18)

7.1

300

3.3 (33)

4.9 (49)

9.1

385

3.1 (31)

4.8 (48)

11.2

475

2.9 (29)

4.6 (46)

Tabla 4: requerimiento de esfuerzos a la compresión en briquetas para el inicio del aserrado con equipo convencional

ASERRADO HÚMEDO Y SECO El procedimiento de aserrado húmedo se ejecuta con cortadoras provistas de disco de diamante y dispositivo de riego de agua para evitar polvo. Es conveniente su uso en pavimentos urbanos para

Disco abrasivo de carburo de silicio para aserrado en seco

evitar la gran cantidad de polvo que se genera durante el corte. El aserrado seco, por su parte, se realiza con discos de carburo de silicio y permite un trabajo más rápido.

Disco diamantado para aserrado en húmedo

Colocación de dowels El dowel es el conjunto de barras para pavimentos de concreto que tienen como función la transferencia de las cargas entre las losas. El diámetro y espaciamiento se

encuentran en función del espesor de la losa; en la tabla 5 se presentan recomendaciones de ACI, PCI, ACPA y MTC, según sea el caso.

CIVIL

TIPO DE PAVIMENTO

ESPESOR DE LOSA

LONGITUD TOTAL DEL PASADOR

ESPACIAMIENTO ENTRE PASADORES

Pulgadas

125

5/8

15.6

300

150

3/4

18.8

350

300

Estacionamientos (ACI 330R)

Vías urbanas (PCA 992)

DIÁMETRO DEL PASADOR

175

3/4

18.8

350

300

200

350

300

225

1.25

31.3

400

300

150

3/4

18.8

350

300

6.5

165

3/4

18.8

350

300

175

400

300

7.5

190

1.25

31.3

400

300

200

1.25

31.3

425

300

Autovías (ACPA 1991) Autovías (MTC 2014) Referencia: ACI 224.3R.95

<10”

1.25

31.3

450

300

≥ 10”

1.25

31.3

500

300

150 – 200 mm

410 mm

300 mm

200 – 300 mm

1.25

460 mm

300 mm

300 – 430 mm

1.5

510 mm

380 mm

Nota: colocar dowels para pavimentos con espesores de 5” hasta 7” puede resultar impráctico

Tabla 5: pasadores o dowels para pavimentos de concreto

Durante las actividades de encofrado y vaciado de concreto es importante tener especial cuidado en la instalación de los dowels para que mantengan un correcto espaciamiento y evitar que pierdan alineamiento. El ACI (224.3R-95) recomienda un tipo de canastilla para la sujeción y el alineamiento de los dowels con el fin de evitar desalineamientos en el proceso constructivo.

12 in.

Half slab thickness

Shading on dowels indicates bond breaker

Curado y protección de superficies de concreto El curado del concreto y la protección de la superficie expuesta del pavimento son aspectos fundamentales durante los primeros días del fraguado del concreto:

de aproximadamente 35 kg/cm2 para superar los esfuerzos críticos a la tensión y pueda evaluarse para el aserrado de juntas.

i) Para contrarrestar los efectos por contracción plástica.

iii) Para el curado inicial es conveniente ejecutar una niebla de agua por encima de la superficie. Se deben evitar ciclos de secado y humedecimiento y ha de mantenerse la superfi cie del concreto húmeda.

ii) Para que el concreto desarrolle lo más pronto posible una resistencia inicial (a la compresión)

BUENAS PRÁCTICAS CONSTRUCTIVAS: SUPERVISIÓN DE PAVIMENTOS DE CONCRETO

El curado y la protección del concreto (ACI 329.9R-91) se ejecutan inmediatamente después de completadas las operaciones de acabado y una vez que la película de agua se haya evaporado o tan pronto como el concreto tome forma. Estas recomendaciones requieren siete días de curado a temperaturas superiores a los 4 °C, periodo que se puede acortar si se ha logrado un 70 % o más de resistencia a la compresión o flexión. iv) Para el curado final, mantener la superficie del concreto húmeda y evitar ciclos de secado y humedecimiento.

MÉTODOS DE CURADO  Selladores tipo membrana, que deben ser aplicados inmediatamente después de desaparecida la película de agua superficial con una dosificación no menor a 1 litro/3 m2 o lo recomendado por el fabricante.  Charca de agua.  Niebla de agua.  Tipo aspersión.  Materiales absorbentes húmedos (arpillera, mantas, arena, paja).

CURADO EN CLIMAS FRÍOS En climas fríos la supervisión debe dar al constructor las instrucciones para evitar que el concreto pierda calor de hidratación, que «se enfríe», a una tasa mayor a ≥ 3 °C durante las primeras 24 horas. Cuando los registros diarios máximos de temperatura del medio ambiente son menores a 15 °C se recomienda el uso de láminas de plástico color negro para el curado (polietileno de espesor 0.1 mm o arpillera).

CURADO EN CLIMAS CÁLIDOS En estas condiciones para el curado inicial han de disponerse acciones que permitan controlar la tasa de evaporación del concreto fresco, pudiendo usar reductores de evaporación, niebla de agua (fogging) o sombra. La temperatura del agua para el curado no puede ser diez grados más fría que la superficie de contacto del concreto. Se debe humedecer la superficie de apoyo (subbase), el encofrado y el acero de refuerzo antes del colocado del concreto fresco.

Tolerancias admisibles DESVIACIONES HORIZONTALES (ACI 117-06)  Colocación de dowels = ± 32 mm  Alineamiento de dowels con respecto al eje de vía = ± 6 mm

DESVIACIONES VERTICALES DE LA SUPERFICIE (ACI 117-06)  Diferencia máxima de desnivel en alineamiento longitudinal: (∆) = 3 mm  Diferencia máxima de desnivel en alineamiento transversal:  Diferencia máxima de desnivel (∆) = 6 mm

NIVELACIÓN TOPOGRÁFICA

ELEMENTO

TOLERANCIAS (mm)

REFERENCIA

Por encima

Por debajo

Cota subrasante

0.00

- 38.0

ACI 302.1R, Cap.4

Cota base

0.00

- 25.0

ACI 302.1R, Cap.4

Tabla 6: tolerancias en nivelación topográfica

CIVIL

Requisitos técnicos mínimos para losas de concreto DESCRIPCIÓN

OBSERVACIÓN

Resistencia mínima a la compresión (28 días)

≥ 28 MPa

Medido en las briquetas de laboratorio, curadas en pozas de agua a 21 °C

Resistencia mínima a la flexión (28 días)

≥ 4.5 MPa

Medido en las briquetas de laboratorio, curadas en pozas de agua a 21 °C

Tiempo de desencofrado de formas

≥ 8 horas

Si la temperatura del aire es menor a los 10°C es recomendable retardar el desencofrado

Temperatura mínima del concreto fresco

≥ 16 °C

Para losas de pavimento de hasta 12” para temperaturas ambiente de 5 ºC a -1 ºC

Temperatura mínima del concreto durante el proceso de fraguado inicial

≥ 10 °C

Cuando la temperatura ambiente es menor a 5 ºC la temperatura del concreto ya colocado debe mantenerse mayor o igual a 10 ºC

Temperatura máxima del concreto fresco

≤ 32 °C

Tabla 7: requisitos técnicos mínimos

Anexos CHECK LIST (ACI 306.1-90) Controles por parte de la supervisión para concretos en climas fríos CONTROLES Preparación previa a trabajos Salvaguarda en temperatura Salvaguarda estructural

Procedimientos de trabajo

Cumple ( ) No Cumple ( )

Identificar elementos potenciales expuestos a hielo y deshielo

Cumple ( ) No Cumple ( )

Identificar potencial de congelamiento de la subbase

Cumple ( ) No Cumple ( )

Establecer un procedimiento de deshielo de subbase y profundidad

Cumple ( ) No Cumple ( )

Frecuencia de registro de temperatura (máxima y mínima); no menos de dos registros

Cumple ( ) No Cumple ( )

Especificar la temperatura mínima de protección

Cumple ( ) No Cumple ( )

Resistencia a la compresión según diseño

Cumple ( ) No Cumple ( )

Resistencia a la flexión según diseño

Cumple ( ) No Cumple ( )

Protección contra hielo y lluvia de subbase

Cumple ( ) No Cumple ( )

Protección contra efectos de temperatura durante la colocación

Cumple ( ) No Cumple ( )

Tipo de cubierta, aislamiento o calentamiento a ser usado

Cumple ( ) No Cumple ( )

Método de curado a ser usado durante y luego del periodo de protección

Cumple ( ) No Cumple ( )

Control del uso de tipo de aditivos

Cumple ( ) No Cumple ( )

Método para verificar la resistencia del C° in situ

Cumple ( ) No Cumple ( )

Procedimiento de medición y registro de temperaturas del concreto

Cumple ( ) No Cumple ( )

Procedimiento para evitar la evaporación de agua prematura y condiciones del viento

BUENAS PRÁCTICAS CONSTRUCTIVAS: SUPERVISIÓN DE PAVIMENTOS DE CONCRETO

Referencias bibliográficas ACI 201.2R-08 Guide to durable Concrete.

ACI 360.R-10 Guide to Design of Slabs on Ground

ACI 214.R-11 Guide to Evaluation of Strength Test Results of Concrete.

ACI 544.3R-08 Guide for specifying, Proportioning, and Production of Fiber Reinforced Concrete

ACI 224.3R-95 Join in Concrete Construction.

ACI 117-10 Specifications for Tolerances for Concrete Construction and Materials (Section 12-Pavements and Sidewalks)

ACI 302.1R-04 Guide for Concrete Floor and Slab Construction.

ACI 305.1-06 Specification for Hot Weather Concreting. ACI 305.R-10 Guide to Hot Weathering Concrete. ACI 306.R-10 Guide to Cold Weather Concreting.

ACI 306.1-90 Standar Specification for Cold Weather Concreting.

ACI 308.R-01 Guide to Curing Concrete (reapproved 2008).

ACI 308.1-11 Specification for Curing Concrete.

ACI 311.1R-07 ACI Manual of Concrete Inspection.

ACI 330.1-03 Specification for Unreinforced Concrete Parking Lots.

ACI 331.4R-05 Guide for Concrete Inspection. ACI CT-13 ACI Concrete Terminology. ACI 325.6R-88 Texturing Concrete Pavements (Reapproved 1997) ACI 325.9R-91 Guide for construction of Concrete Pavements and Concrete Bases (Reapproved 1997). ACI 325.12R-02 Guide for Design of Jointed Concrete Pavements for Streets and local roads

ACPA IS06.01P, Design and Construction of Joints for Concrete Streets. ACPA TB016.01P. Early Cracking of Concrete Pavement – Causes and Repairs. Manual de Carreteras del MTC. Sección Suelos y Pavimentos; RD N° 10-2014-MTC/14

ACI 360.R-92 Design of Slabs on Grade.

Consultas en la WEB http://www.imcyc.com/ct2008/sept08/mejor.htm http://www.iprf.org/products/Best%20Practices%20Manual-SPANISH.pdf http://www.fhwa.dot.gov/pavement/concrete/pubs/07030/ http://www.fcpa.org/uploads/properuseofisolationexpansionjointsinconcretepavements.pdf

CIVIL

Marco Zeña Vela GyM Egresado de la Facultad de Ingeniería Civil de la Pontificia Universidad Católica del Perú con el título de Ingeniero Civil, registrado en el Colegio de Ingenieros del Perú en el capítulo de ingenieros civiles. Con estudios en la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp, Brasil), entre los que destacan cursos acerca de la filosofía Lean Construction, aeropuertos y construcción sostenible. Cuenta con cuatro años de experiencia profesional, los cuales se basan en licitaciones de proyectos privados y públicos, optimizaciones de ingeniería y soluciones técnicas en proyectos de distintos sectores, tales como minería, edificaciones y viales.

COMPORTAMIENTO TÉRMICO DEL CONCRETO MASIVO CIVIL

Comportamiento térmico del concreto masivo

Resumen Cuando se trata de concreto masivo, la principal diferencia que presenta frente a un elemento de concreto convencional es su comportamiento térmico. Esto se debe a que la baja conductibilidad térmica del concreto no permite que el calor generado en su interior se disipe rápidamente, causando diferenciales altos de temperatura entre la cara

expuesta del elemento y el interior. En el presente artículo se exponen las principales características del concreto masivo, para luego presentar dos casos de proyectos ubicados en la sierra del Perú con el objetivo de ilustrar la curva de temperatura y los esfuerzos térmicos que se generan en el interior y exterior del concreto masivo.

Introducción Los elementos estructurales de concreto masivo tales como presas, grandes fundaciones de maquinarias pesadas, pilares de puentes, entre otros, suelen presentar problemas de fisuración a edad temprana debido a una contracción térmica generada por el calor de hidratación del cemento y la diferencia de temperatura que puede producirse durante el día. El concreto masivo se define como cualquier elemento de grandes dimensiones que implique que se tomen medidas preventivas para contrarrestar la generación de calor interior debido a la hidratación del cemento, causando cambios volumétricos y, con esto, fisuras o grietas (ACI 207.1, 2005). Actualmente en la sierra del Perú se presentan continuamente numerosos proyectos de gran infraestructura en los que probablemente se coloquen grandes volúmenes de concreto.

Cuando no se realiza una protección adecuada al elemento de la temperatura de la atmósfera circundante existe un gradiente térmico entre el interior del concreto y la superficie expuesta que puede generar el agrietamiento de la masa total. El diferencial tolerable entre la temperatura máxima y la más crítica del ambiente debe limitarse, teóricamente, a 20 °C para concretos de agregados convencionales (Fitzgibbon, 1977). A continuación se comentarán las principales características del concreto masivo y se presentará la evolución de la temperatura interior y exterior, así como los esfuerzos térmicos del concreto masivo en dos proyectos ubicados en la sierra del Perú, analizando cada uno de los casos según las diferentes condiciones que presentan.

CIVIL

Estudio teórico DEFINICIÓN Existen distintas definiciones de concreto masivo además de la señalada líneas arriba por el ACI 207.1. Otras normas mencionan que cuando la dimensión mínima transversal de un elemento excede los 0,9 m o cuando el contenido de cemento supera los 350 kg/m3 de concreto se pueden generar problemas por concreto masivo (Gajda, 2002). Su comportamiento térmico puede generar fisuras debido a los esfuerzos térmicos que se producen por la diferencia de temperaturas entre la superficie externa y su interior. En consecuencia, es necesario tomar medidas preventivas para evitar el agrietamiento por esfuerzos térmicos que pueda causar la pérdida de la integridad estructural del elemento, excesivas infiltraciones y el acortamiento de la vida de uso de la estructura. Es por esto que en una mezcla de concreto masivo se debe tener una adecuada consideración con la elección y proporción de materiales a usar para poder lograr los requerimientos estructurales solicitados y, a su vez, evitar una alta generación de calor. El cemento es el principal responsable del aumento de temperatura en una mezcla de concreto, por lo que es necesaria una buena elección del tipo de cemento que va a ser utilizado. En la actualidad los siguientes cementos son los más comercializados en nuestro país y los más recomendados para concreto masivo:  Tipo IP: es un cemento al que se le ha añadido puzolana en un porcentaje que oscila entre el 15 % y el 40 % del peso total.  Tipo I (PM): cemento al que se le ha añadido puzolana en un porcentaje de hasta el 15 % del peso total.  Tipo V: posee una alta resistencia a los sulfatos y un bajo calor de hidratación. Acompañados del cemento, los agregados son los materiales inertes que se deben tener en cuenta para la temperatura final del concreto. Variables como el tamaño máximo del agregado también afectan a la trabajabilidad, pero además influyen en la economía y el control de calor en el concreto. Cuando se usan agregados de tamaño pequeño se requiere una mayor cantidad de agua y cemento, por lo que para volúmenes

grandes se recomienda usar agregados de mayor tamaño. La temperatura de los agregados aporta a la temperatura inicial de la mezcla, ya que ocupan alrededor del 75 % del volumen total de la mezcla. Los aditivos químicos son ingredientes orgánicos o inorgánicos que se adicionan a la mezcla para optimizar su comportamiento. Para el concreto masivo se suelen usar aditivos plastificantes, incorporadores de aire o retardadores de fragua.

CALOR DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO PORTLAND Cuando el cemento es mezclado con agua, inmediatamente se producen reacciones exotérmicas entre ellos. El calor generado por esta reacción es conocido como calor de hidratación y es la razón del incremento de temperatura de los materiales en la mezcla de concreto. La cantidad de calor generado es influenciada por varios factores, entre ellos:    

El tipo de cemento. La cantidad de cemento usada. La fineza del cemento. La temperatura inicial de vaciado.

Estos factores deben ser tenidos en cuenta por el contratista para no exceder la temperatura permitida al interior de la masa.

FISURACIÓN GENERADA POR CAMBIOS TÉRMICOS La restricción interna se produce cuando existen gradientes de temperatura y el volumen interno se expande. Estas diferencias de temperatura entre el núcleo del concreto y la superficie inducen a que se generen esfuerzos térmicos. Comúnmente las grietas ocasionadas por este tipo de restricción son de poca profundidad. En los elementos de concreto masivo que se encuentran expuestos a bajas temperaturas se producen altos

COMPORTAMIENTO TÉRMICO DEL CONCRETO MASIVO

gradientes térmicos debido a que, por sus grandes dimensiones, se disipa lentamente la temperatura interior generada por el calor de hidratación del cemento, en tanto que la superficie posee una temperatura inferior. Esta diferencia de temperatura provoca que el interior del concreto, que está más

caliente y dilatado, se oponga a la contracción de la parte exterior, más fría. Como el concreto aún está en edad temprana no se ha desarrollado por completo su resistencia a la tracción, por lo que si los esfuerzos generados superan esa resistencia es muy probable que la estructura se fisure.

Casos estudiados Se realizaron mediciones de temperatura con ayuda de termómetros y termocuplas instaladas en las cimentaciones de molinos de bolas ubicados en dos proyectos diferentes de la sierra de nuestro país.

CASO UNO: PROYECTO INMACULADA El análisis se realizó a un elemento prismático rectangular en el que, debido a sus grandes dimensiones (21,4x13x2,4 m), el problema de agrietamiento térmico es muy probable. Este primer elemento se denominará Fundación Molino Bolas 1. El proyecto se encuentra localizado en la Sierra Sur del Perú, en el departamento de Ayacucho, a una altitud aproximada de 4800 m. s. n. m.

Para este vaciado se utilizaron carpas y calentadores (calefactores) para generar un microclima en los vaciados, ya que la temperatura promedio en el exterior es de 5 °C. El elemento posee una resistencia a la compresión f’c = 315 kg/cm2 a los 28 días de vaciado y contiene 450 kg/m3 de cemento tipo IP. Se instalaron termocuplas en el interior y a 0,05 m de la superficie en el centro y a los lados del elemento estructural con el fin de registrar las temperaturas del concreto. En total se instalaron seis termocuplas. Además, se colocó un termómetro para medir la temperatura del ambiente dentro del microclima. Los resultados de las mediciones en el centro son las que se muestran en la figura 1:

Termocupla 1 - Centro T (ºC) 70

59.9ºC

60 50 40 30 20 10 0

0 Medianoche 13/05 12:30

1 14/05 12:50

Medianoche

Termocupla centro

2 Medianoche 3 15/05 16/05 14:00 11:30

Medianoche

4 17/05 11:52

Medianoche

Termocupla superficie

5 18/05 11:21

Medianoche

6 Tiempo 19/05 (hr) 08:23

Temperatura ambiente

Figura 1: datos térmicos registrados en la cimentación, muestreo en la zona del centro

CIVIL

T (ºC)

73.5ºC

80 70 60 50 40 30 20 10 0

0 06/01 15:11

07/01 03:11

1 07/01 15:11

08/01 03:11

2 08/01 15:11

Termocupla centro

09/01 03:11

3 09/01 15:11

10/01 03:11

4 10/01 15:11

Termocupla superior

11/01 03:11

5 11/01 15:11

12/01 03:11

6 12/01 15:11

13/01 03:11

Tiempo

7 (hr) 13/01 15:11

Temperatura ambiente

Figura 2: datos térmicos registrados en la cimentación, muestreo en la zona del centro

La temperatura alcanzó un máximo de 59.9 °C en el centro alrededor de tres días y medio después de iniciado el vaciado del concreto. Se observa que la temperatura del centro no decrece luego del sexto día de vaciado. A su vez, la máxima temperatura alcanzada en la superficie del elemento fue de 49.9 °C. Se aprecia que luego del cuarto día la temperatura de la superficie decrece ligeramente hasta alcanzar un promedio de 33.5 °C antes del sexto día. Se observa, además, que el concreto es vaciado a una temperatura promedio de 13 °C, la cual empieza a elevarse bruscamente en el centro para después elevarse también en la superficie de la losa. Se presentaron distintos deltas de temperatura a lo largo del elemento. En el centro el más alto diferencial de temperatura en el núcleo y la superficie de la losa fue de alrededor de 27.4 °C y se alcanzó luego de cuatro días y medio de vaciado.

CASO DOS: PROYECTO CERRO VERDE Este segundo escenario, también de grandes dimensiones (29,03x19,56x1,75 m), se denominará Fundación Molino Bolas 2. El proyecto se encuentra localizado en la sierra sur del Perú, en el departamento de Arequipa, a una altitud aproximada de 2600 m. s. n. m.

El vaciado fue realizado durante el mes de enero y se registraron temperaturas promedio de 20 °C durante el día y de 13 °C por la noche. El elemento posee una resistencia a la compresión f’c = 280 kg/cm2 a los 28 días de vaciado y contiene 365 kg/m3 de cemento tipo HE (tipo III). Se instalaron termocuplas en el interior y a 0,05 m de la superficie en el centro y a los lados del elemento estructural, de manera similar al caso 1. Además, se colocó un termómetro para medir la temperatura ambiente Los resultados de las mediciones en el centro son las que se muestran en la figura 2. La temperatura alcanzó un máximo de 73.5 °C en el centro un día y medio después de iniciado el vaciado del concreto. Se observa que la temperatura del centro alcanza su pico dentro de los dos primeros días de vaciado para luego decrecer hasta permanecer constante. A su vez, la máxima temperatura alcanzada en la superficie del elemento fue de 45 °C. Se aprecia que en todo momento la temperatura de la superficie sigue de manera casi paralela a las variaciones térmicas ambientales entre la madrugada y el día. Se observa también que el concreto es vaciado a una temperatura promedio de 28 °C, la cual empieza a elevarse bruscamente en el centro primero y en la superficie de la losa después. El más alto diferencial de temperatura en el núcleo y la superficie de la losa fue de alrededor de 36.5 °C y se alcanzó luego del primer día de vaciado.

COMPORTAMIENTO TÉRMICO DEL CONCRETO MASIVO

Evolución de esfuerzos A partir de los gráficos de temperatura del centro y la superficie podemos obtener los esfuerzos térmicos del elemento. Para evaluar el esfuerzo que se genera debemos considerar los efectos del tamaño del bloque de concreto, para lo que se procede a usar la ecuación modificada para esfuerzos térmicos para largos bloques de concreto dada por el U.S. Bureau of Reclamation que incluye un factor de restricción en función del largo y la altura del elemento:

σ=R×Eef×α×(T2-T1)

Donde: σ: esfuerzo térmico (kg/cm2) R: factor de restricción Eef: módulo de elasticidad efectivo (kg/cm2) α: coeficiente de expansión térmica (1/°C) T: temperatura (°C)

El módulo de elasticidad efectivo se obtiene a partir de la siguiente ecuación:

Eef=

1 1+0.4

Ec Er

×Ec

Donde: Ec: módulo de elasticidad del concreto (kg/cm2) Er: módulo de elasticidad de la base rocosa (kg/cm2)

CASO UNO: PROYECTO INMACULADA Para el caso uno se asumirán los siguientes valores de acuerdo a los ensayos realizados en el proyecto: coeficiente de expansión térmica de 9.5 x 10-6 1/C° y módulo de elasticidad efectiva de 1,8 x 105 kg/cm2 (70 % de la resistencia en los primeros días). El factor de restricción es de 70 % debido a la relación longitud/ altura de 8.9 (gráfico de manual U.S. Bureau of Reclamation). A partir de este valor se puede obtener una gráfica de esfuerzos térmicos en los primeros días (Ver figura 3). En los primeros días el concreto desarrolló un 70% de su resistencia a la compresión; para efectos prácticos se suele considerar la resistencia a la tracción del concreto entre un 10 y 12 % de f’c, por lo que la resistencia a la tracción del concreto será de 26,5 kg/ cm2. Se puede apreciar que los esfuerzos superan la resistencia desde el cuarto día, sin embargo, la malla de refuerzo existente absorbe un porcentaje de los esfuerzos generados, evitando la fisuración temprana.

Esfuerzo Térmico

σ (kg/cm2)

35.00 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0

6 Tiempo (días)

Figura 3: esfuerzos térmicos generados por los gradientes de temperatura en el centro

CIVIL

CASO DOS: PROYECTO CERRO VERDE Para el caso dos se asumirán los siguientes valores según los ensayos realizados en el proyecto: coeficiente de expansión térmica de 9.5 x 10-6 1/C° y módulo de elasticidad efectiva de 1,62 x 105 kg/cm2 (70 % de la resistencia en los primeros días). El factor de restricción es de 82 % debido a la relación longitud/altura de 16.6.

A partir de este valor se puede obtener una gráfica de esfuerzos térmicos en los primeros días (Ver figura 4). Se consideran los mismos criterios que en el caso anterior, por lo que la resistencia a la tracción del concreto será de 23,5 kg/cm 2.

Esfuerzos Térmicos σ (kg/cm ) 2

50.00 45.00 40.00 35.00 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0

7 Tiempo (días)

Figura 4: esfuerzos térmicos generados por los gradientes de temperatura en el centro

Conclusiones Del análisis a ambos casos experimentales en diferentes climas de la sierra peruana se han podido extraer algunas conclusiones:

 Debido a los elevados gradientes térmicos máximos (27.4 °C y 36.5 °C) se podría pensar que el concreto se habría fisurado por sobrepasar el límite de 20 °C.

 Se aprecia que, en el primer caso, gracias al microclima generado por los calentadores y las carpas, existen deltas térmicos casi constantes dentro de los primeros siete días de vaciado. Sin embargo en el segundo caso, que no utiliza microclimas, vemos que el gradiente térmico se va reduciendo conforme van pasando los días luego del vaciado.

 Adicionalmente, en ambos casos se aprecia que los esfuerzos de tracción superan la resistencia de la tracción a edad temprana del concreto, por lo que podría fisurarse. No obstante, se debe recordar que este límite es para concreto simple. Estudios anteriores (Gajda, 2002) indican que el concreto reforzado puede resistir hasta un gradiente de 37 °C para una resistencia a la compresión de 280 kg/cm2 (figura 5).

Max, Allowable Temp. Difference, ºF

COMPORTAMIENTO TÉRMICO DEL CONCRETO MASIVO

Calculated

80 70

32 ºC

37 ºC

41 ºC

50 40 30

Typical Project Specification (Not Recommended by Authors)

20 10 0

1000

2000

210

280

350

3000

4000

5000

6000

Concrete Compressive Strength, psi

Figura 5: gráfico referencial que representa cuánto es el gradiente que resiste el concreto reforzado

 Cuando se usa un microclima, utilizando adecuadamente los calefactores se puede controlar la temperatura del interior del concreto para mantenerla estable y no exceder lo recomendado, tal como se aprecia en el caso uno.  Se aprecia que en el caso dos se utilizó el cemento tipo HE, que es similar al tipo III y uno de los que generan mayor calor de hidratación. A ello se debe que se hayan alcanzado temperaturas mayores a los 70 °C permitidos; debió realizarse un reemplazo del cemento en el diseño de la mezcla.  Se puede reducir la temperatura inicial de los componentes del concreto por medio de métodos físicos o químicos. Esto se realiza antes de realizar la mezcla, por ejemplo almacenando sus elementos en lugares frescos. Esto se aprecia en el caso dos.

 El uso del microclima permite controlar el gradiente de temperatura con mayor facilidad, ya que se puede ir manejando la temperatura con el uso de los calentadores. También es posible utilizar mantas térmicas para evitar la pérdida de calor o reducir la temperatura de la mezcla inicial en caso de no usar microclimas.  El diseño de mezcla es un parámetro importante para la proyección de la temperatura máxima en el interior del concreto, por lo que se deben seguir las indicaciones que indica el ACI 207.1.  El procedimiento constructivo también es un método efectivo para reducir la temperatura inicial. El vaciado en celdas diagonales ayuda a disipar el calor de una forma más rápida.  Es importante que los elementos de concreto masivo tengan por lo menos cuatro termocuplas que midan las temperaturas del centro y de una capa cercana a la superficie en contacto con el exterior.  Existen métodos para proyectar la temperatura máxima del concreto masivo basados en las condiciones climáticas, las dimensiones del elemento y el diseño de mezcla (ACI 207.2, 2007). Estos permiten proponer un escenario teórico que permita reducir la temperatura máxima y el gradiente térmico del elemento estructural antes de su ejecución, previniendo así cualquier daño a la estructura.

Referencias bibliográficas American Concrete Institute (2005). ACI 207.1R-05. Guide to mass concrete. USA: ACI Committee 207.

Gajda, John y Vangeem, Martha (2002). Controlling temperatures in mass concrete. Concrete International

American Concrete Institute (2007). ACI 207.2R-07. Report on thermal and volume change effects on cracking of mass concrete. USA: ACI Committee 207.

Kosmatka, Steven et al. (2004). Diseño y control de mezclas de concreto. Illinois: Portland Cement Association.

American Concrete Institute (1993). ACI 207.4R-93. Cooling and insulating systems for mass concrete. USA: ACI Committee 207.

Neville, Adam y Brooks, J.J. (1998). Concrete Technology. Londres.

Fitzgibbon, Michael E. (1977). Large Pours for Reinforced Concrete Structures. Slough, England: Cement and Concrete Association.

U.S. Department of the Interior Bureau of Reclamation (1981). Control of cracking in mass concrete structures. Monografía. Denver: U. S. Government Printing Office.

CIVIL

Max Correa Vigo

Jimy Quintana Zavaleta

GMI

Consultor externo

Ingeniero Civil de la Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo, registrado en el Colegio de Ingenieros del Perú en el capítulo de ingenieros civiles. Con estudios de posgrado en Ingeniería Vial por la Universidad Politécnica de Madrid. Cuenta con más de quince años de experiencia profesional en ingeniería, construcción y gestión de proyectos de infraestructura, vías y transporte, como por ejemplo en la Vía Expresa Sur, Javier Prado, Tren Eléctrico Tramo 2, entre otros. Actualmente se desempeña como Gerente de Proyectos Especiales en GMI SA Ingenieros Consultores.

Ingeniero civil egresado de la Universidad Nacionalde Ingeniería. En sus ocho años de experiencia profesional se ha desempeñado como calculista estructural, gestor de ingeniería en el Proyecto del Metro de Lima Tramos I y II, miembro del equipo de licitación para el proyecto de la Línea 2 del Metro de Lima y actualmente jefe de Ingeniería de la concesión vial Rutas de Lima del proyecto Vías Nuevas de Lima. En el ámbito internacional ha sido parte del equipo de GyM Operaciones Internacionales, como responsable de Ingeniería de obras civiles en el Proyecto Aurora Gold Mine en el país de Guyana y fue parte del equipo de Vial y Vives como responsable de Ingeniería en el Proyecto Hidroñuble en el país de Chile hasta el año 2015.

COMPORTAMIENTO HIDRÁULICO DEL SISTEMA DE TRAVIESAS EN EL RÍO RÍMAC - MODELO FÍSICO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA CIVIL

Comportamiento hidráulico del sistema de traviesas en el río Rímac - Modelo físico hidráulico a escala reducida

Resumen La presente investigación se enfoca en el estudio del comportamiento hidráulico de escolleras dispuestas de manera transversal al cauce del río Rímac, llamado «sistema de traviesas», mediante la aplicación de un modelo físico hidráulico a escala reducida. Este análisis experimental nace a raíz del emplazamiento de estructuras importantes en el lecho del río Rímac, siendo estas el viaducto del metro de Lima, el puente existente sobre la vía de Evitamiento y los puentes del proyecto Vía Parque Rímac, en donde la cercanía y posición dentro del cauce generan una variación negativa en el comportamiento natural del río. Ante esto se optó por la implementación del sistema de traviesas dentro del cauce, con el cual analíticamente se obtuvo una disminución de la socavación general, de la velocidad del flujo y del diámetro medio del enrocado. Con el fin

de verificar los datos teóricos obtenidos se realizó el estudio hidráulico del sistema de traviesas a través de un modelo físico hidráulico a escala reducida, en donde el primer paso consistió en la calibración de la rugosidad del cauce, obteniendo un valor de 0.022, el cual es muy cercano al valor de 0.0216 que equivale a 0.040, valor considerado en los cálculos matemáticos; el segundo paso fue la construcción del modelo (escala 1/40), donde se representaron las estructuras mencionadas anteriormente dentro del lecho del río y como paso final se realizaron los ensayos a diferentes niveles de caudales de acuerdo a las consideraciones de diseño, obteniéndose el buen desempeño hidráulico del sistema de traviesas y logrando controlar la erosión general, es decir la no degradación excesiva que pueda comprometer la cimentación de las estructuras que se desea proteger.

Introducción La presente investigación nace debido a la necesidad de verificar la interacción hidráulica entre una estructura diseñada por el hombre, en este caso el viaducto del

metro de Lima, y un ente natural, que viene a ser el río Rímac, en donde por razones de trazo geométrico, interferencias y expropiaciones propias del proyecto en

CIVIL

mención se decidió que parte del viaducto elevado se emplace sobre el lecho del río Rímac, en una extensión de 750 m, tal como se muestra en la figura 1, en la que además se puede apreciar que en dicha zona también se encuentra el puente existente sobre la vía de Evitamiento, llamado puente Huáscar, y dos de los futuros puentes del proyecto Vía Parque Rímac (viaductos 9 y 10).

Figura 1: vista de la confluencia del metro de Lima, el puente Huáscar y puentes del proyecto Vía Parque Rímac en el lecho del río

Debido a la confluencia de estructuras muy importantes en una misma zona del río Rímac, y considerando que de estas la más vulnerable es el puente sobre la vía de Evitamiento, se barajaron varias alternativas para el sistema de reforzamiento hidráulico, verificándose mediante

métodos matemáticos que el uso de enrocados convencionales provocaría una excesiva socavación alrededor de los pilares de las estructuras mencionadas, por lo cual se optó por la implementación de una solución innovadora en nuestro país que consiste en la colocación de escolleras dispuestas de manera transversal al cauce del río Rímac, algo llamado en el lenguaje de la ingeniería hidráulica «sistema de traviesas». Esta solución fue verificada matemáticamente a través del software Hec-Ras, obteniéndose una reducción considerable de la velocidad del flujo y, por ende, una disminución de la socavación alrededor de las estructuras mencionadas; además, cabe mencionar que se optó por esta solución dado que se tiene como antecedentes a ríos ubicados en la ciudad de Cataluña (España), con características similares al Rímac, donde se ha demostrado el buen desempeño de esta solución. Dado que no se cuenta con registros reales del desempeño hidráulico de esta solución, en el río Rímac se optó por la verificación experimental a través de la construcción de un modelo físico hidráulico a escala reducida, con el cual se intenta verificar los resultados matemáticos y viabilizar esta solución. El presente paper redacta la metodología para la construcción, ensayos y resultados del modelamiento hidráulico a escala reducida, el mismo que fue desarrollado en el Laboratorio Nacional de Hidráulica.

Objetivos El objetivo de la presente investigación es el estudio del comportamiento hidráulico del sistema de escolleras denominado «sistema de traviesas» y su interacción con estructuras como

el viaducto del metro de Lima, el puente sobre la vía de Evitamiento y los futuros puentes del proyecto Vía Parque Rímac a través del modelamiento físico a escala reducida.

Desarrollo de la investigación ANTECEDENTES Y ANÁLISIS TEÓRICO RÍO RÍMAC El río Rímac es uno de los más importantes del país, no por el volumen de su caudal sino porque abastece

de agua y electricidad a Lima Metropolitana, la ciudad donde se concentra más del 30 % de la población del país. Según sus características geográficas este río nace a una altitud aproximada de 5500 m s. n. m.; dentro de su recorrido, a los 130 km se une con el río Santa Eulalia, y ya en la costa este forma un gran valle en forma de abanico o delta donde se emplaza la ciudad de Lima

COMPORTAMIENTO HIDRÁULICO DEL SISTEMA DE TRAVIESAS EN EL RÍO RÍMAC - MODELO FÍSICO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA

Metropolitana, para luego desembocar en el océano Pacífico. El crecimiento tanto demográfico como de infraestructura de la ciudad de Lima ha ocasionado efectos negativos en el río Rímac, en el que el afán de ocupar más espacios y colocar estructuras dentro del cauce ha generado hoy en día zonas vulnerables a inundaciones y deslizamientos, esto debido al poco análisis que se brinda a la interacción entre el río y las estructuras a emplazar. En las figuras 2 y 3 se muestra el ancho del cauce que tenía el río Rímac en la época de la colonia y actualmente, donde se puede notar la invasión del cauce debido a la construcción de una vía paralela al Rímac que hoy en día se conoce como vía de Evitamiento.

este un ancho estable, pero, por lo expuesto en el párrafo anterior, este ancho ha sido invadido y reducido, generándose zonas vulnerables a posibles desbordes que ocasionan inseguridad tanto para los pobladores aledaños como para el personal que participa de los diferentes proyectos desarrollados en el cauce del río Rímac; tal es así que la madrugada del 28 de diciembre de 2012 el Rímac sorprendió con un caudal de 115 m3/s, hecho inusual que ocasionó la paralización de una obra en ejecución debido a la ruptura de una estructura de concreto que no soportó la fuerza que transportaba el río. Este hecho no trajo consigo ninguna muerte humana, pero sí tuvo un alto costo social y político a las autoridades y empresas involucradas (ver figura 4).

Figura 4: vista de la destrucción de uno de los muros de contención por el caudal del río Rímac en diciembre de 2012 Figura 2: vista del ancho del río Rímac en la época de la colonia, donde se aprecia que los seis vanos del puente Trujillo son usados por el río Rímac

SISTEMA DE TRAVIESAS El sistema de traviesas es un conjunto de enrocados dispuesto de manera transversal a la dirección del cauce, considerándose puntos fijos y en los cuales se logra una erosión general aproximadamente nula.

Figura 3: vista del ancho del río Rímac en la época actual, donde se aprecia que solo cuatro vanos del puente Trujillo son usados por el río Rímac

De acuerdo a lo registrado por investigadores en los ríos de Cataluña (España) y vías experimentales, la pendiente final del lecho en los tramos comprendidos entre las traviesas es menor a la que tiene el río sin la presencia de estas estructuras. Por tanto, la inclusión de las traviesas en el cauce supone suavizar la pendiente del río. profilo di compensazione

De la hidrología del Rímac se resalta que durante el período que va de enero a marzo el río presenta un incremento considerable de caudal, llegando a un registro histórico de hasta 220 m3/s de acuerdo a datos del Senamhi. Este caudal es fácilmente transportable por el río en sus condiciones primitivas, es decir teniendo

profilo primitivo

profilo di compensazione

Figura 5: pendiente de equilibrio en el lecho de un cauce entre traviesas (fuente: Forneris-Pascale)

CIVIL

La pendiente media actual del lecho del río Rímac en el tramo proyectado es de 1.30 %. La pendiente de equilibrio entre traviesas podrá variar, según las fuentes bibliográficas, entre un 30 % y un 60 % de la anterior. Se asume que, como mínimo, se tendrá una pendiente de 0.30 % entre traviesas. Sin embargo dicha inclusión provoca un efecto desfavorable aguas abajo, dado que se desarrolla una socavación del fondo del cauce al pie de la traviesa debido a que el agua vierte por encima de la traviesa salvando una diferencia de cotas, con lo cual el chorro de agua incide oblicuamente sobre el fondo y provoca la formación de un foso de erosión.

el número de traviesas necesario y a la vez garantizar su estabilidad. Es importante implantar suficientes traviesas de cara a minimizar el salto vertical máximo del lecho en las mismas. La profundidad del foso se incrementa de manera importante al incrementarse el salto máximo del lecho en las traviesas. Para un salto máximo de 0.90 m las distintas formulaciones estiman profundidades del foso «ys» entre 2.00 m y 3.50 m.

ΔH

v12/2g

v22/2g

y1 Δz

ys z1

Figura 7: foso de erosión aguas abajo de una traviesa. Profundidad del foso «ys» (fuente: Martín Vide-Andreatta, 2006)

Figura 6: erosión local a los pies de una traviesa

En dicho foso se disipa energía de manera importante; es por ello que las velocidades obtenidas en el modelo HEC-RAS, en el que se asumió que no habría erosión (basculación del lecho), son conservadoras de cara al diseño de la escollera de los márgenes. La disipación de energía en el foso, así como la menor pendiente en los tramos de lecho entre traviesas, conllevan una reducción de las velocidades en relación al escenario previo sin basculación. Conviene limitar el salto máximo del lecho tras las traviesas. En el proyecto se ha limitado a unos 0.90 m para la pendiente mínima de equilibrio esperable (0.30 %). El criterio adoptado para la ubicación de traviesas ha sido colocarlas cada 1.20 m en elevación (desnivel entre sucesivos niveles de coronación). Por otro lado, se ha evitado que las zonas de los fosos coincidan con las pilas del viaducto en vistas a evitar importantes erosiones locales en las mismas. La magnitud del foso de erosión local está condicionada por el descenso del fondo entre traviesas (escalonamiento o pendiente), lo que a su vez depende de la distancia entre traviesas. Si la distancia es muy grande las traviesas podrían llegar a descalzarse y, consecuentemente, quedarían inutilizadas; de ahí la necesidad de conocer la distancia óptima entre traviesas que permita economizar

La formulación que da resultados mayores para «ys» es la presentada por A. Andreatta, ingeniero de SENER, en su tesis doctoral y en base a ensayos experimentales en modelo reducido y observaciones in situ en ríos de gravas en Cataluña. Esta estima «ys» en 3.93 veces el salto. Ello implicaría un foso máximo de 3.5 m de profundidad. Los resultados experimentales mostraron que la longitud total de los fosos en gravas varía entre 5 y 7 veces la profundidad «ys» del foso, es decir aproximadamente 25 m. Tomando esta consideración se ha planteado que la profundidad de cimentación (cota de base) de la escollera de protección de los márgenes del tramo encauzado sea de 2 m, mientras que en los tramos del foso esta profundidad será de 3.5 m. Con ello se protegen los muros o los revestimientos laterales frente al riesgo de socavación. bed sill or check-dam

Flow z

bed sill or check-dam

ys lmax ls

Figura 8: foso de erosión aguas abajo de una traviesa. Fuente: Lenzi, 2003

COMPORTAMIENTO HIDRÁULICO DEL SISTEMA DE TRAVIESAS EN EL RÍO RÍMAC - MODELO FÍSICO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA

En la figura 9 se presenta una vista en planta de la zona en análisis que muestra la distribución de las traviesas; esta disposición se encuentra de acuerdo a la teoría mencionada anteriormente. En la figura 10 se muestra la sección transversal de la traviesa donde se puede apreciar que esta consta de un conjunto de rocas unidas por una mezcla de concreto; para el caso particular del proyecto metro de Lima se proyectó que el diámetro medio sea de 1.2 m.

Figura 9: vista en planta de la distribución de las traviesas en la zona de análisis del río Rímac

dirección de flujo 1.36

1.00

4.00

filtro geotextil de polipropileno 400 g/m2

relleno con material del lecho en zona cauce N

2.16

3.94 1

talud de excavación

implica que estos deben ser semejantes al prototipo (estructura hidráulica que se va a estudiar), para lo cual debe satisfacer las siguientes leyes de similitud:  Similitud geométrica  Similitud cinemática  Similitud dinámica La similitud geométrica implica una relación constante entre cualquier longitud del prototipo y su correspondiente longitud en el modelo. La similitud cinemática refiere a la comparación entre el prototipo y el modelo con respecto a un movimiento; estas se cumplen cuando las formas de los patrones de flujos homólogos son iguales en cualquier tiempo, es decir cuando hay similitud en el movimiento tanto en el prototipo como en el modelo. Para que el movimiento de un fluido en el modelo y el prototipo sean similares en forma completa no es suficiente con que se cumplan las similitudes geométricas y cinemáticas; también es necesario tomar en consideración la acción de fuerzas que actúan sobre las partículas del flujo en movimiento, tales como fricción, tensión superficial, gravedad o peso, fuerzas de inercia, etcétera. Lo anterior implica que la relación de fuerzas homólogas también debe ser constante, estableciendo así la similitud dinámica de fuerzas.

2.25

escollera D50=1.20

escollera hormigonada en márgenes talud 2.25H:1.00V

Figura 10: vista de la sección transversal de la traviesa

MODELO FÍSICO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA Una gran variedad de fenómenos que ocurren en la naturaleza, sobre todo dentro del campo de la hidráulica, son tan complejos que no es suficiente con tratarlos únicamente con métodos matemáticos, por lo que es conveniente recurrir a técnicas experimentales. Los modelos matemáticos plantean soluciones con modelos idealizados, lo que permite simplificaciones importantes que a su vez causan efectos que deben ser valorados mediante ensayos experimentales. El empleo simultáneo de ambas técnicas permite obtener mejores resultados ya que el modelo matemático toma valores del modelo físico y viceversa, de modo que la interacción nos lleva a acercarnos al comportamiento real del fenómeno analizado. El uso de modelos físicos a escala reducida, llamados simplemente modelos hidráulicos,

De acuerdo a las características del flujo en estudio, en el cual se observa la predominancia de la fuerzas de gravedad, se debe cumplir la igualdad en el modelo y el prototipo de parámetro adimensional de Froude para que se cumpla con la similitud dinámica. Para la presente investigación ese ha considerado una escala de 1/40, la cual permite obtener los patrones de flujo en las inmediaciones de las estructuras derivando a partir de esta escala las relaciones siguientes: MAGNITUD

SÍMBOLO

VALOR NUMÉRICO

Longitud

Lp/Lm=L1.0

Velocidad

Vp/Vm=L

6.33

Tiempo

Tp/Tm=L05

6.33

Caudales

Qp/Qm=L

5/2

10119.29

Donde: Lp, Lm= longitudes en prototipo y modelo Vp, Vm= velocidades en prototipo y modelo Tp, Tm= tiempo en prototipo y modelo Qp, Qm= caudales en prototipo y modelo

CIVIL

ESTUDIO EXPERIMETAL El estudio experimental consistió de dos etapas, la primera para calibrar el material del lecho del modelo y la segunda para la construcción y el ensayo del modelo hidráulico.

CALIBRACIÓN DEL LECHO DEL MODELO La primera etapa del modelo hidráulico es la calibración del material del lecho, la cual se obtiene realizando un muestreo en diferentes puntos del río para obtener la granulometría global del material del prototipo; en base a esta y con la similitud geométrica se obtiene una granulometría para el material del lecho del modelo, esto con el fin de obtener una similitud en la rugosidad similar a la del prototipo.

Figura 13: representación topográfica del modelo en el Laboratorio Nacional de Hidráulica Comparacióm coeficientes de rugosidad de Manning 0.0300 0.0250 0.0200 0.0150 0.0100 0.0050 0.0

15 n f(So)

20 n f(Sf)

25 F. Empírica

35 n f(Sw)

Figura 14: representación gráfica de los tres ensayos de calibración que se realizaron en el modelo hidráulico

CONSTRUCCIÓN Y ENSAYO DEL MODELO HIDRÁULICO Figura 11: vista del huso granulométrico (curvas rojas) obtenido del prototipo y el material a usar en el modelo (curvas celestes)

El parámetro usado para este comparativo es el número de Manning, de donde se tiene un valor de 0.04 para el prototipo y de 0.021 para el modelo. El ensayo de calibración consiste en la representación a escala 1/40 de la parte del río Rímac en estado nativo, es decir antes de la implantación de cualquier tipo de estructura en su lecho. Las características topográficas usadas son las que se encontraron antes de iniciarse el proyecto.

Figura 12: vista aérea de la topografía del área en estudio antes del inicio del proyecto

Una vez calibrado el material del lecho se prosigue con la construcción de todas las estructuras que se emplazarán en el lecho del río, tanto nuevas como existentes. Para este caso se tiene como estructuras nuevas al viaducto elevado del metro de Lima, los viaductos 9 y 10 del proyecto Vía Parque Rímac y el sistema de enrocados y traviesas propuesto en el estudio, y como estructura existente está el puente sobre la vía de Evitamiento (puente Huáscar).

Figura 15: vista de las estructuras nuevas y existentes en la zona de análisis

COMPORTAMIENTO HIDRÁULICO DEL SISTEMA DE TRAVIESAS EN EL RÍO RÍMAC - MODELO FÍSICO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA

Figura 16: vista de la construcción del modelo hidráulico luego de colocar el sistema de enrocados y las estructuras nuevas y existentes

Figura 17: vista de la representación de traviesa aguas abajo del modelo

Luego de representadas a escala 1/40 todas las estructuras, se somete al modelo hidráulico a diferentes niveles de caudales, los mismos que se muestran en la tabla 1. PRUEBA

CAUDAL EN PROTOTIPO (m3/s)

CAUDAL EN MODELO (l/s)

HORA

FECHA

DURACIÓN (min)

P-1

2.96

12:00 p.m.

25/07/2013

P-2

100

9.88

03:30 p.m.

25/07/2013

P-3

200

19.76

10:30 a.m.

26/07/2013

P-4

300

29.65

02:30 p.m.

26/07/2013

P-5

400

39.53

03:30 p.m.

26/07/2013

P-6

500

49.41

11:00 a.m.

31/07/2013

P-7

584

57.71

04:00 p.m.

31/07/2013

Tabla 1: niveles de caudales a los cuales será sometido el modelo hidráulico

Se ha considerado que durante el ensayo se simule el transporte de sólidos del río Rímac, en donde la cantidad de sólidos está en función del caudal y su aplicación da una mejor representación de las condiciones reales del flujo.

A continuación, se presenta una vista fotográfica para los diferentes caudales a los que fue sometido el modelo hidráulico.  Caudal Q=30 m3/s

Durante el ensayo se procedió a registrar los caudales en el tiempo, la velocidad en puntos estratégicos, el patrón de flujo y el registro de los puntos de socavación más resaltantes.

Figura 18: vista del modelo hidráulico en compañía del Dr. Juan José de la Torre (SENNER, ESPAÑA)

Figura 19: vista de la cabecera del modelo para un caudal de 30 m3/s

CIVIL

 Caudal Q=100 m3/s

Figura 20: vista del puente sobre la vía de Evitamiento en el modelo para un caudal de 100 m3/s

 Caudal Q=400 m3/s

Figura 23: vista de la socavación del modelo para un caudal de 400 m3/s

 Caudal Q=500 m3/s  Caudal Q=200 m /s 3

Figura 21: visualización de la corriente de flujo para un caudal de 200 m3/s

Figura 24: vista de la socavación de las traviesas del modelo para un caudal de 500 m3/s

 Caudal Q=300 m3/s  Caudal Q=584 m3/s

Figura 22: vista de la socavación del modelo para un caudal de 300 m3/s Figura 25: vista de la socavación de las traviesas del modelo para un caudal de 584 m3/s

COMPORTAMIENTO HIDRÁULICO DEL SISTEMA DE TRAVIESAS EN EL RÍO RÍMAC - MODELO FÍSICO HIDRÁULICO A ESCALA REDUCIDA

Conclusiones  De las pruebas de calibración se obtuvo un coeficiente de Manning de 0.022, el cual es muy cercano al valor de 0.0216, que equivale a 0.04, valor considerado en los cálculos matemáticos mediante el software Hec-Ras.  El empleo de traviesas para controlar la erosión general es una medida que ha producido los resultados esperados a nivel del modelo hidráulico, es decir que no se produzca la degradación excesiva en el cauce como producto de la erosión general y que pueda comprometer la cimentación de las estructuras que se desea proteger: los pilares de la línea 1 del metro de Lima, el puente Huáscar existente y los pilares del puente de la vía parque

Rímac. Se espera que si las condiciones son similares cuando ocurran los eventos extremos programados, el funcionamiento se replique en el prototipo.  No se presentaron movimientos importantes en el enrocado, salvo algunos casos localizados para caudales máximos de diseño, con lo cual se recomienda al cliente del proyecto considerar costos de mantenimiento en el presupuesto.  Se han producido erosiones localizadas en algunas traviesas para caudales máximos, recomendando la colocación de una enrocado adicional aguas abajo de la traviesa.

Recomendaciones  En líneas generales, la investigación resumida en el presente paper puede ser una alternativa técnica viable a tener en cuenta en el caso de que se intente emplazar una estructura dentro del área de acción de un rio.  Con los resultados del modelo hidráulico se recomienda a la Autoridad Nacional del Agua

(ANA) y la Autoridad Local del Agua (ALA) que se establezcan políticas de protección del cauce aguas abajo de la zona en análisis y que se considere el sistema de traviesas como una buena solución para los problemas de erosión presentados en el río Rímac en diferentes puntos que atraviesan Lima Metropolitana.

Glosario de términos Traviesas: elementos conformados de enrocado y mezcla de concreto dispuesto de manera transversal a la dirección del cauce.

Escolleras: agrupación de rocas con una granulometría definida que sirve para la protección de obras hidráulicas.

CIVIL

Referencias bibliográficas Jimenez Puig P., Bateman Pinzon A. (2006). «Estudio sobre estabilidad de traviesas y lechos de escollera con transporte de sólidos». Universidad Politécnica de Cataluña, Barcelona, España.

Consorcio Metro de Lima (2012). «Informe del estudio de hidrología e hidráulico de variante de trazo tramo o puente sobre vía de Evitamiento y puente sobre río Rímac». Lima, Perú.

Martín Vide J. P., Andreatta A. (2006). «Disturbance Caused by Bed Sills on the Slopes of Steep Streams». Journal of Hydraulic Engineering © Asce.

Consorcio Metro de Lima (2012). «Planos de estructuras de las obras complementarias sobre el río Rímac». Lima, Perú.

Army Corps of Engineers (1992). «Design and Construction of Grouted Rip Rap». Department of the Army, US Washington.

Agradecemos al Consorcio Metro de Lima por gestionar la realización de la presente investigación, a los investigadores del Laboratorio Nacional de Hidráulica, al Dr. Julio Kuroiwa Zevallos por el apoyo técnico como director del modelo; de igual manera, al Dr. Juan José de la Torre Sune por el apoyo técnico representando a la empresa SENNER España.

INTRODUCCIÓN A LA SEGURIDAD FUNCIONAL

ELECTRICIDAD

FALTA FOTO

 Reglamentación para establecimientos de salud

ELECTRICIDAD

Ángel Aquije Carhuas GMI Egresado de la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Nacional del Callao con el título de Ingeniero Electricista, registrado en el Colegio de Ingenieros del Perú en el capítulo de ingenieros electricistas. Cuenta con un diplomado en Gerencia de Proyectos bajo el enfoque del PMI en la Universidad de Piura. Tiene diez años de experiencia profesional, siete de los cuales se basan en la ejecución de proyectos en cálculo y diseño eléctrico. Además, en los últimos tres años ha trabajado en gestión de proyectos en distintos sectores, tales como minería, industria e infraestructura. En su vida profesional ha desarrollado labores de ingeniería de diseño, además de haber sido jefe de disciplina en las especialidades de electricidad y jefatura de proyectos y haber participado en labores comerciales.

REGLAMENTACIÓN PARA ESTABLECIMEINTOS DE SALUD CIVIL

Reglamentación para establecimientos de salud

Resumen El presente artículo presenta un análisis comparativo de las reglamentaciones de instalaciones eléctricas para establecimientos de salud, para lo cual se ha tomado la norma NFPA (americana) y la norma IEC (europea). Asimismo, estas normativas se han contrastado con las normativas nacionales.

Introducción A nivel mundial existen dos grandes normativas de instalaciones eléctricas: la elaborada por la International Electrotechnical Comision (IEC) y la elaborada por la National Fire Protection Association (NFPA). La IEC prepara y publica estándares internacionales para tecnologías eléctricas, electrónicas y afines. Estos estándares son comunes a todos los países de la EEA (The European Economic Area) y producidos por las organizaciones de estandarización europeas.

La IEC ha desarrollado varias normativas para instalaciones eléctricas. La normativa específica para las instalaciones eléctricas de baja tensión es la IEC 60364, «Low-voltage electrical installations», y la puntual para establecimientos de salud es la IEC-60364-7-710, «Lowvoltage electrical installations Part 7-710: Requirements for special installations or locations - Medical locations». La NFPA es una asociación estadounidense que cuenta con algunos miembros internacionales y que tiene como

ELECTRICIDAD

misión reducir el efecto de los incendios en la calidad de vida promoviendo códigos y estándares con base científica, así como investigando y educando sobre incendios y aspectos relacionados a la seguridad.

las reglas preventivas para salvaguardar las condiciones de seguridad de personas, animales, vegetales y propiedades frente a los peligros derivados del uso de la electricidad.

Entre sus códigos más importantes se tiene el NFPA 70, conocido como «National Electrical Code» (NEC), el cual es el punto de referencia para el diseño de seguridad eléctrica. La norma específica para recintos médicos es la NFPA 99, «Health Care Facilities Code».

En la sección 140 del CNE se brindan los detalles de las instalaciones eléctricas para centros de salud en áreas dedicadas a cuidados de pacientes y áreas esenciales.

En nuestro país el Ministerio de Energía y Minas, mediante la resolución ministerial 037-2006 MEM/DM, puso en vigencia el Código Nacional de Electricidad Utilización (CNE), el cual tiene como objetivo establecer

Asimismo, también se cuenta con normas técnicas del Ministerio de Salud y EsSalud, las cuales establecen criterios técnicos de diseño de infraestructura y equipamientos de los establecimientos de salud en nuestro país.

Análisis de la norma IEC 60364-7-710 CLASIFICACIÓN DE AMBIENTES MÉDICOS La norma IEC 60364-7-710 clasifica las habitaciones médicas en tres grupos basados principalmente en el uso de las partes aplicadas (parte de un equipo eléctrico que se pone intencionalmente en contacto con el paciente)

1. GRUPO 0 Recinto médico donde no está previsto el uso de partes aplicadas.

2. GRUPO 1 Recinto médico donde está previsto usar partes aplicadas externamente o invasivamente a cualquier parte del cuerpo menos al corazón, excepto donde se aplica el grupo 2.  Protección contra contacto directo a través de un aislamiento apropiado.  Sistema de puesta a tierra TN-S.  En caso de una interrupción de energía, los servicios críticos serán energizados desde una fuente de suministro segura.

3. GRUPO 2 Recinto médico donde está previsto usar partes aplicadas en aspectos tales como procedimientos intracardiacos (cateterización cardiaca) y todas las habitaciones informes@remax-pro.pe relacionadas con operaciones que implican anestesia general: salas de preoperación, de cirugía, de recuperación posoperatoria (cuidados intensivos informes@remax-pro.pe e intermedios), de neonatología prematura y de análisis angiográficos, donde el corte de energía puede causar peligro a la vida.  Protección contra contacto directo a través de un aislamiento apropiado.  Sistema de puesta a tierra IT.  No se permite la interrupción del suministro de energía para equipos médicos y servicios de soporte. En la figura 1 se muestra un diagrama de flujo para clasificar los ambientes médicos:

REGLAMENTACIÓN PARA ESTABLECIMEINTOS DE SALUD

¿Es un ambiente médico? Sí No ¿Hay un equipo eléctrico? Sí No

CUARTO NORMAL

1. CLASE ≤ 0.5 Fuente de suministro de energía con un periodo de reposición menor o igual a 0.5 s.

¿Hay algún riesgo de microdescargas o están los pacientes sometidos a tratamientos vitales o anestesia general? Sí No

GRUPO 0

GRUPO 1

GRUPO 2

Figura 1: clasificación de ambientes médicos

SUMINISTRO DE ENERGÍA En establecimientos de salud el sistema de distribución debe estar diseñado e instalado para facilitar el cambio automático de la red de suministro normal a la fuente de alimentación de las cargas esenciales. Para un establecimiento de salud la norma IEC 603645-56 define los tiempos de reposición automática en las siguientes clases: AMBIENTES MÉDICOS

2. CLASE 15 Fuente de suministro de energía con un periodo de reposición menor o igual a 15 s.

3. CLASE > 15 Fuente de suministro de energía con un periodo de reposición mayor a 15 s. En la tabla 1 se muestra un resumen al respecto: CLASE ≤0.5

Corte breve

Alimentación automática disponible en 0.5 s como máximo

CLASE 15

Corte medio

Disponible en 15 s como máximo

CLASE > 15

Corte largo

Disponible en más de 15 s

Tabla 1

En la tabla 2 se muestran ejemplos de asignación de número de grupos de locales de uso médico: GRUPO CLASE 0 1 2 ≤0.5 15 >15 X X X

Sala de masajes Vigilancia general (habitaciones): informes@remax-pro.pe médicamente son salas o grupos de salas para X acomodar a los pacientes durante su estancia en el establecimiento de salud Sala de lavado: sala donde el personal médico que interviene de una operación o tratamiento puede lavarse para desinfectarse X Sala de esterilización X Sala de preparación de partos X Sala de partos X X (1) Sala de bebes prematuros X X (1) Sala de electrocardiografía (ECG), sala de electrocefalografías (EEG) y sala de histerografía (EHG) X Sala de endoscopía: sala provista para la utilización de métodos endoscópicos, es decir, para exámenes de órganos a través de orificios naturales o artificiales (por ejemplo broncoscopias, laringoscopias, citoscopias, gastroscopias y X métodos similares si se realizan bajo anestesia) Sala de reconocimiento y tratamientos X Sala de urología X Sala de diagnóstico radiológico y de terapia X Sala de hidroterapia X Sala de fisioterapia X Sala de anestesia X X (1) Sala de preparación de quirófano X X X (1) Quirófano X X (1) Sala de recuperación de cirugía X X X (1) Sala de enyesados X X X (1) Sala de catéteres cardiacos X X (1) Sala de cuidados intensivos X X (1) Sala de exámenes angiográficos X X (1) Sala de hemodiálisis X Resonancia magnética (MRI) X Medicina nuclear X

X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X

(1) Luminarias y equipamiento médico esencial para el soporte de vida

Tabla 2

ELECTRICIDAD

SISTEMA IT DE ACUERDO A LA NORMA IEC De acuerdo a la norma IEC el sistema IT debe ser utilizado para recintos médicos grupos 2 y para los circuitos que suministran energía a equipos electromédicos y sistemas destinados al soporte de vida, aplicaciones quirúrgicas y otros equipos eléctricos ubicados en el entorno del paciente a excepción de los circuitos para unidades de rayos X, circuitos de gran tamaño con una potencia nominal mayor a 5 kVA y circuitos no destinados al soporte de vida. El sistema IT deberá estar equipado con un dispositivo de control de aislamiento de conformidad con la norma IEC 61557-8 con los siguientes requisitos:  La impedancia interna AC será menor de 100 kΩ.

 La tensión de prueba no podrá ser superior a 25 VCC.  La corriente inyectada, incluso bajo condiciones de falla, no podrá ser superior a 1 mA pico.  La indicación tendrá lugar a más tardar cuando la resistencia de aislamiento se ha reducido a 50 kΩ. Los transformadores para el sistema IT deben estar en conformidad con la norma IEC 612558-2-15 con los siguientes requisitos:  La corriente de fuga a tierra del devanado secundario y la de fuga del armazón deberán ser menores a 0.5 mA.  Se emplearán transformadores monofásicos y la potencia no deberá ser inferior a 0.5 kVA ni mayor a 10 kVA.  Si se requiere un suministro para cargas trifásicas, se deberá considerar un transformador independiente.

Análisis de la norma NFPA 99 CATEGORÍAS DE RIESGO DE LOS ESTABLECIMIENTOS DE SALUD La norma NFPA 99 indica que las actividades, los sistemas o los equipos deben estar diseñados para cumplir con requisitos de acuerdo con su categoría de riesgo, los cuales están basados en los riesgos para los pacientes y para el personal médico en las instalaciones. Las categorías son las que se detallan a continuación:

CATEGORÍA 1 Actividades, sistemas o equipos cuyo fallo es probable que cause lesión grave o la muerte de los pacientes, el personal o los visitantes. Se espera que los sistemas estén disponibles en todo momento debido a que son críticos para el soporte de la vida.

(tiempo limitado) pueden ser toleradas sin impacto significativo en la atención al paciente (no son críticas para el soporte de la vida).

CATEGORÍA 3 Actividades, sistemas o equipos cuyo fracaso no es probable que cause daño a los pacientes, el personal o los visitantes, pero sí molestias. Se espera fiabilidad del sistema del edificio no clínico. Tales sistemas soportan las necesidades del paciente, pero el fracaso no afectaría de inmediato la atención al paciente (no son críticos para el soporte de la vida).

CATEGORÍA 4 CATEGORÍA 2 Actividades, sistemas o equipos cuyo fallo es probable que cause lesiones leves a los pacientes, el personal o los visitantes sin poner en riesgo sus vidas.

Actividades, sistemas o equipos cuyo fallo no tendría ningún impacto en la atención al paciente y no sería perceptible para los pacientes en caso de fallo.

Se espera que los sistemas proporcionen un alto nivel de fiabilidad; sin embargo, las interrupciones cortas

En la figura 2 se muestra un diagrama de flujo para determinar las categorías de riesgo:

REGLAMENTACIÓN PARA ESTABLECIMEINTOS DE SALUD

No No

Categoría 4

Sí

Categoría 3

Sí

Categoría 2

Sí

Pérdida de energía eléctrica

Categoría 1

El paciente pierde la vida

El paciente tiene una lesión

El paciente tiene una molestia

No impacta en el paciente

Figura 2: diagrama de categorías de riesgo

SISTEMAS ELÉCTRICOS ESENCIALES

REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA ELÉCTRICO ESENCIAL TIPO 1

Para la norma NFPA 99 el número de categoría se correlaciona con el número de tipo del sistema eléctrico esencial. Por ejemplo, una zona de categoría 1 requiere un tipo 1. Un área de la categoría 2 requiere un tipo 2, pero también puede ser alimentado desde un tipo 1 dado que esas son las únicas categorías que requiere un sistema eléctrico esencial.

SUMINISTROS DE ENERGÍA

ESPACIOS DE CATEGORÍA 1

Un sistema eléctrico esencial tipo 1 deberá tener múltiples suministros de energía. Normalmente se cuenta con un suministro de energía normal que proviene de una red pública (concesionario de energía) y una fuente alternativa proveniente de un sistema de generación en el sitio.

1. SUMINISTRO PROVENIENTE DE LA CONSESIONARIA

Los espacios de categoría 1 serán atendidos únicamente por un sistema eléctrico esencial tipo 1.

ESPACIOS DE CATEGORÍA 2

Se recomienda un doble suministro normal para una mayor garantía de continuidad del servicio eléctrico.

Los espacios de categoría 2 serán atendidos por un sistema eléctrico esencial tipo 1 o 2.

Los suministros deben provenir de dos fuentes, cada una independiente de la otra.

ESPACIOS DE CATEGORÍA 3 Y 4

Si se instala más de un suministro normal, estos deben conectarse de tal manera que uno recoja la carga de forma automática en caso de pérdida de la otra, y deben estar dispuestos de manera que las cargas de los sistemas de emergencia se transfieran a la fuente alterna solo cuando ambos suministros estén libres de tensión.

Los espacios de categoría 3 y 4 no requieren ser atendidos por un sistema eléctrico esencial. En la figura 3 se muestra la relación entre categorías y sistemas eléctricos esenciales. Categoría 1

Categoría 2

Categoría 3

Categoría 4

SISTEMA ELÉCTRICO ESENCIAL TIPO 1

SISTEMA ELÉCTRICO ESENCIAL TIPO 1 o 2

NO REQUIERE SISTEMA ELÉCTRICO ESENCIAL

Figura 3: categorías de los sistemas eléctricos esenciales

2. GENERACIÓN EN SITIO Los grupos electrógenos instalados como fuente alternativa de energía para sistemas eléctricos esenciales deben estar diseñados para cumplir los requisitos de dicho servicio. Los sistemas eléctricos

ELECTRICIDAD

esenciales tipo 1 y tipo 2, de acuerdo a la norma NFPA 110, deben ser clasificados como: Tipo 10, lo cual significa que el tiempo para la restauración después de la pérdida de la fuente normal no debe ser de más de 10 segundos. Clase X, lo cual significa que el tiempo de ejecución no está definido en la NFPA 110 y este variará para cada instalación y dependerá de la capacidad de recibir combustible. Nivel 1, se refiere al hecho de que el sistema de emergencia protege espacios «donde el fracaso del equipo podría resultar en la pérdida de vidas humanas o lesiones graves». El sistema de emergencia, por lo tanto, debe cumplir con ciertos requisitos de instalación y mantenimiento definidos en la norma NFPA 110. Se considera que la utilización de un sistema de baterías es aceptable para proporcionar una fuente alternativa a un sistema eléctrico esencial tipo 1; sin embargo, el tiempo de batería debe ser equivalente a la clase del grupo electrógeno. Debido a la gran capacidad de un sistema eléctrico esencial tipo 1, el uso de un sistema de batería es generalmente poco práctico como fuente de alimentación alternativa, en tanto que sí es bueno para ser utilizado en un centro ambulatorio, donde la duración del procedimiento y de la estancia del paciente son limitadas.

 Tensiones anormales, conmutación o sobretensiones causadas por rayos o ambos, caídas de tensión, etcétera.  La capacidad de lograr la restauración más rápida posible de cualquier circuito (s) después de eliminar una falla.  Los efectos de los cambios futuros, tales como el aumento de la carga o la capacidad de oferta, o ambos.  La estabilidad durante y después de las condiciones anormales.  La secuencia de reconexión de las cargas para evitar elevadas corrientes que pudieran activar los equipos de protección de sobrecorriente o sobrecargar al generador.  Los efectos de las corrientes armónicas en los conductores neutros y equipos.

RAMALES Un sistema eléctrico esencial tipo 1 está compuesto por tres ramales:

Ramal de seguridad de vida: sirve a los requerimientos de seguridad y cargas similares a las descritas en la norma NFPA 101. Ramal crítico: sirve a cargas que son específicas de los centros de salud. Ramal de equipamiento: sirve cargas requeridas para el apoyo de actividades clínicas.

DISTRIBUCIÓN ELÉCTRICA DE UN SISTEMA ELÉCTRICO ESENCIAL TIPO 1 La distribución eléctrica de un sistema eléctrico esencial se basa en la segmentación del sistema de distribución en ramas específicas por tipo de carga y las propiedades de rendimiento del dispositivo interruptor de transferencia.

En la figura 4 se muestran los ramales del sistema eléctrico esencial tipo 1.

Suministro normal

Suministro alternativo

1. REQUERIMIENTOS GENERALES El sistema de distribución deberá ser diseñado para minimizar las interrupciones en los sistemas eléctricos. Los siguientes factores deben ser considerados en el diseño del sistema de distribución:

Sistema eléctrico esencial tipo 1

Circuito seguridad de vida

Figura 4

Circuito crítico

Circuito equipamiento

REGLAMENTACIÓN PARA ESTABLECIMEINTOS DE SALUD

La división del sistema eléctrico esencial tipo 1 se hará efectiva en los interruptores de transferencia. El número de interruptores de transferencia que se utilizarán se basará en consideraciones de fiabilidad, diseño y carga.  Cada ramal del sistema eléctrico esencial deberá tener uno o más interruptores de transferencia.  Se permitirá emplear un solo interruptor de transferencia si los ramales cuentan con una carga continua de 150 kVA (120 kW) o menos.

1. RAMAL DE SEGURIDAD DE VIDA La rama de seguridad de vida deberá suministrar energía a las siguientes cargas:  La iluminación de las vías de evacuación de acuerdo con la norma NFPA 101.  La iluminación de señalización (señales de salida y de dirección) de acuerdo con la norma NFPA 101.  Sistemas de comunicaciones del hospital utilizados para la emisión de la instrucción durante condiciones de emergencia.  La iluminación del cuarto de grupo electrógeno.  Algunos tomacorrientes del cuarto de grupo electrógeno.  La iluminación del cuarto donde se ubica el interruptor de transferencia.  Los sistemas de iluminación de la cabina del ascensor y los sistemas de control, comunicaciones y señales del ascensor.  Sistema de detección, alarmas contra incendio.  Los sistemas de alarma y de alerta del estado del paciente, temperatura del banco de tejidos, etcétera.  Sistemas auxiliares del grupo electrógeno y otros accesorios esenciales para el funcionamiento del grupo electrógeno.

2. RAMAL CRÍTICO El ramal crítico atiende a cargas que afectan de inmediato el bienestar de los pacientes o son esenciales para la funcionalidad clínica del propio centro de atención médica. Cuando sea deseable, la rama crítica puede ser dividida en múltiples ramas, cada una originaria de su propio interruptor de transferencia automático.

Los ramales críticos suministran energía a la iluminación de tareas, equipos fijos, tomacorrientes seleccionados en los espacios relacionados con el cuidado de los pacientes:  Espacios de cuidados críticos que utilizan los gases anestésicos, la iluminación de tarea, tomacorrientes seleccionados y equipamiento fijo.  Sistemas de energía aislados en ambientes especiales.  Iluminación de tareas y tomacorrientes seleccionados en los siguientes espacios: a. Espacios de atención al paciente (incluidas las guarderías infantiles), áreas de enfermería seleccionadas, áreas de psiquiatría (omitir tomacorrientes) y pabellones de tratamiento. b. Los espacios de preparación de medicamentos. c. Los espacios de dispensadoras de farmacias. d. La estación de enfermeras.  Tareas de iluminación y tomacorrientes en áreas de atención especializada cuando sea necesario.  Sistemas de llamada de enfermeras.  Bancos de sangre, huesos y tejidos.  Salas de comunicaciones.  Iluminación de tareas, tomacorrientes seleccionados y circuitos de potencia seleccionados para las siguientes áreas: a. Camas de cuidados generales: al menos un tomacorriente doble por dormitorio del paciente y la iluminación de tareas. b. Laboratorios de angiográficos. c. Laboratorios de cateterismo cardíaco. d. Unidades de cuidados coronarios. e. Salas de hemodiálisis. f. Áreas de tratamiento de emergencias. g. Laboratorios de fisiología humana. h. Unidades de cuidados intensivos. i. Salas de recuperación posoperatoria.

3. RAMAL DE EQUIPAMIENTO El ramal de equipamiento brinda energía a cargas requeridas para el apoyo de actividades clínicas. En general, las cargas asociadas con esta rama consisten predominantemente en dispositivos de múltiples fases (ventiladores, bombas o compresores). Estos tipos de cargas, por lo general, presentan altas corrientes de entrada durante el funcionamiento; debido a estas altas corrientes no se conectan al ramal

ELECTRICIDAD

crítico, a pesar de que las cargas son necesarias para la prestación eficaz de atención al paciente. Se permite que las cargas de equipamientos se conecten a la fuente alternativa solo después de que la seguridad de la vida y los sistemas críticos están conectados. Conexión retardada automática del ramal de equipamiento  Sistema central de aspiración que sirve funciones médicas y quirúrgicas, incluyendo los controles; sin embargo, se permite que estos sistemas se coloquen en la rama crítica.  Bombas de succión y el otro equipo necesario para el funcionamiento de aparatos principales, incluidos los sistemas de control asociados y alarmas.  Sistemas de aire comprimido que sirven funciones médicas y quirúrgicas, incluyendo los controles; sin embargo, se permite que estos sistemas se coloquen en la rama crítica.  Sistemas de ventilación para extracción de humos para los sótanos (monóxido) y presurización de escaleras.  Sistema de ventilación e inyección, retorno y extracción de los siguientes ambientes: a. Cuartos de aislados; b. Cuartos de protección del medio ambiente; c. Ventiladores de extracción en campanas de laboratorios; d. Áreas de medicina nuclear donde se utilice material radiactivo; e. Evacuación de óxido de etileno; f. Evacuación de gases anestésicos. Conexión retardada automática o manual del ramal de equipamiento  Equipos de calefacción.  Ascensores seleccionados para proporcionar servicio a los pacientes durante la interrupción de la energía normal.  Sistema de ventilación para las salas de cirugía, de parto, cuidados intensivos, cuidados coronarios, viveros y los espacios de tratamiento de emergencia.  Instalaciones para cámaras hiperbáricas.  Instalaciones para cámaras hipobáricas.  Equipos de esterilización (autoclave).  Otros equipos seleccionados, por ejemplo en cocinas, lavanderías, central de refrigeración, salas de radiología.

REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA ELÉCTRICO ESENCIAL TIPO 2 SUMINISTROS DE ENERGÍA Las fuentes de energía de un sistema eléctrico esencial tipo 2 deberán cumplir con los mismos requerimientos de un sistema eléctrico esencial tipo 1.

DISTRIBUCIÓN ELÉCTRICA DE UN SISTEMA ELÉCTRICO ESENCIAL TIPO 2 REQUERIMIENTOS GENERALES El sistema de distribución deberá cumplir con los mismos requerimientos de un sistema eléctrico esencial tipo 1.

RAMALES Un sistema eléctrico esencial tipo está compuesto por dos ramales:  Ramal de seguridad de vida.  Ramal de equipamiento. Los ramales de seguridad de vida y de equipamientos brindan energía a las mismas cargas del sistema eléctrico esencial tipo 1 correspondiente a los mismos ramales. En la figura 5 se muestran los ramales del sistema eléctrico esencial tipo 2.

Suministro normal

Suministro alternativo

Sistema eléctrico esencial tipo 2

Circuito seguridad de vida

Figura 5

Circuito equipamiento

REGLAMENTACIÓN PARA ESTABLECIMEINTOS DE SALUD

SISTEMA IT DE ACUERDO A LA NORMA NFPA De acuerdo a la norma NFPA el sistema IT se identifica como un «sistema de energía aislado» y debe ser utilizado para sistemas eléctricos esenciales tipo 1, categoría 1. Es un sistema que comprende un transformador de aislamiento o su equivalente, un monitor de aislamiento de línea, y sus conductores de circuito sin conexión a tierra. El devanado primario de los transformadores de aislamiento se conecta a una fuente de alimentación de modo que no se energiza con más de 600 V (nominal).  Si está presente, el neutro del devanado primario deberá estar a tierra de una manera aprobada.

 Si un blindaje electrostático está presente, deberá estar conectado a la toma de tierra de referencia. Todos los circuitos secundarios estarán sin conexión a tierra y deberán tener un dispositivo de sobrecorriente. Es deseable limitar el tamaño del transformador de aislamiento a 10 kVA o menos y utilizar aislamiento del conductor con baja fuga para satisfacer los requisitos de impedancia, asimismo, se debe reducir al mínimo la longitud de los conductores de circuito derivado. Cada sistema de energía aislado estará provisto de un monitor de aislamiento de operación continua que indica la corriente total de fuga (impedancia), la cual tiene como valor límite 5 mA.

Normativa nacional CÓDIGO NACIONAL DE ELECTRICIDAD. UTILIZACIÓN, SECCIÓN 140

controlador permanente de aislamiento (CPA) que ha de cumplir la norma IEC 61558-2-15. Asimismo, la sala de partos deberá contar con piso antiestático y un tablero de barra equipotencial.

La sección 140 del Código Nacional de Electricidad brinda las reglas para circuitos, enlaces a tierra, tomacorrientes y otros equipos de las siguientes áreas:

NTS N.° 110-MINSA/DGIEM V.01

 Área de cuidados básicos,  Área de cuidados intermedios,  Área de cuidados intensivos.

De la norma técnica de salud «Infraestructura y equipamiento de establecimientos de salud del segundo nivel de atención» se destaca lo siguiente:

Asimismo, regula los sistemas aislados (sistema IT) y los sistemas eléctricos esenciales, los cuales tienen un lineamiento similar al expuesto por las normas NFPA del año 2000.

La fuente alterna estará conformada por grupos electrógenos con encendido y transferencia automática para satisfacer el 100 % de los servicios críticos, como la UPSS emergencia, UPSS cuidados intensivos, salas de operaciones, salas de parto, atención al recién nacido, central de gases medicinales, data center y los sistemas de climatización para los ambientes anteriormente indicados.

NTS N.° 113-MINSA/DGIEM V.01 De la norma técnica de salud «Infraestructura y equipamiento de establecimientos de salud del primer nivel de atención» se destaca lo siguiente: Se requiere de un sistema IT para la sala de partos, el cual debe incluir un transformador de aislamiento y un

Adicionalmente a los grupos electrógenos, se deberá contar con un sistema de alimentación ininterrumpido (SAI) para tomacorrientes especiales para equipos biomédicos, así como también el sistema tecnología y comunicación deberá contar con SAI con una autonomía no menor a 30 minutos, redundante.

ELECTRICIDAD

Finalmente, se requiere de un sistema IT para la sala de operaciones y la sala de partos, el cual debe incluir un transformador de aislamiento menor de 10 kVA y un controlador permanente de aislamiento (CPA), el cual debe cumplir la norma IEC 61558-2-15. Asimismo, la sala de partos deberá contar con piso antiestático y un tablero de barra equipotencial.

NTS N.° 119-MINSA/DGIEM V.01 La norma técnica de salud «Infraestructura y equipamiento de establecimientos de salud del tercer nivel de atención» (2015) cuenta con requerimientos similares a los indicados en la NTS 110. La diferencia es con respecto a los equipamientos y materiales especificados, como celdas de media tensión, transformadores de distribución, tableros generales, tableros de distribución, tomacorrientes y luminarias.

Conclusiones Del análisis normativo se ha demostrado que existen diferencias entre la norma IEC y la norma NFPA, entre las que destacan:  La clasificación de los recintos médicos.  Los tiempos de reposición automática.  Que mientras la norma IEC monitorea la resistencia de aislación de los sistemas IT, la NFPA monitorea la corriente total de fuga (impedancia). Asimismo, en nuestro país también se pueden observar diferencias entre la normativa nacional,

como las que se encuentran entre el Código Nacional de Electricidad, el cual está orientado a las normas NFPA, y las normas técnicas de salud emitidas por el MINSA, las cuales están orientadas a las normas IEC. Es importante resaltar que las normas técnicas de salud del MINSA han sido publicadas en los últimos años y forman parte de los términos de referencia de los nuevos proyectos de infraestructura de establecimientos de salud pública; debido a esto, es recomendable emplear las normas IEC.

Referencias bibliográficas IEC 60364 «Low-voltage electrical installations» (2005). Electrical installations of buildings - Part 7 – 710: Requirements for special installations or locations Medical locations (2002, Edition 1.0). Electrical installations of buildings - Part 5 - 56: Selection and erection of electrical equipment – Safety services (2009, Edition 2.0).

Código Nacional de Electricidad – Utilización, Sección 140 (2006). NTS N.° 113-MINSA/DGIEM V.01 – Norma técnica de salud «Infraestructura y equipamiento de establecimientos de salud del primer nivel de atención» (2015). NTS N.° 110-MINSA/DGIEM V.01 – Norma técnica de salud «Infraestructura y equipamiento de establecimientos de salud del segundo nivel de atención» (2014).

NFPA 70 «National Electrical Code – NEC» (2014). NFPA 99 «Health Care Facilities Code» (2015).

NTS N.° 119-MINSA/DGIEM V.01 – Norma técnica de salud «Infraestructura y equipamiento de establecimientos de salud del tercer nivel de atención» (2015).

INTRODUCCIÓN A LA SEGURIDAD FUNCIONAL

ENERGÍA

 Puesta en marcha de centrales hidroeléctricas

ENERGÍA

George Tena Naucapoma GyM Ingeniero mecánico electricista graduado de la Universidad Nacional de Ingeniería, con estudios de maestría y doctorado en Energética en la Universidad Nacional de Ingeniería. Con experiencia en diseño, fabricación y pruebas de transformadores de distribución y en operación y mantenimiento de centrales térmicas. Como especialista de ingeniería en GyM ha participado en la etapa de ingeniería del Proyecto EPC Inmaculada, y en la etapa de pruebas de los proyectos EPC Central Hidroeléctrica Machupicchu Segunda Fase y la Central Hidroeléctrica Cerro del Águila. Ha participado también en los presupuestos del Aeropuerto de Barranquilla y en la línea 2 del metro de Panamá.

PUESTA EN MARCHA DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS ENERGÍA

Puesta en marcha de centrales hidroeléctricas

Resumen El presente artículo explica brevemente las principales consideraciones que se deben tener para presupuestar, planificar y desarrollar el comisionado de una central hidroeléctrica como parte de un proyecto EPC.

Reseña, asimismo, la secuencia de pruebas a efectuar en cada etapa.

Introducción Para entender en qué consiste el comisionado de una central hidroeléctrica es necesario primero ubicar sus actividades en las fases de un proyecto EPC, es decir, el completamiento mecánico, el precomisionado, el comisionado, las pruebas de performance y la transferencia al cliente. La imagen 1 nos ayuda en este propósito. Como vemos, el comisionado se inicia con el completamiento mecánico, término usado para designar la fase ubicada entre la instalación de los equipamientos

y el inicio del proceso de comisionado, en el cual los componentes de planta son probados para verificar que los elementos mecánicos se ajustan a los requerimientos del proceso. El precomisionado tiene como objetivo preparar la central para un proceso de comisionado apropiado; así, cuando se realice el llenado del sistema hidráulico y la energización del sistema eléctrico no se producirán fallas en etapas más críticas de la operación.

ENERGÍA

El proceso de comisionado se inicia al concluir las pruebas de precomisionado y una vez corregidas las fallas mediante el coordinador de comisionado; para esto la unidad de generación, incluyendo sus equipos principales y los sistemas auxiliares y comunes, es puesta en operación para alcanzar sus capacidades nominales. Normalmente se define el comisionado como las pruebas efectuadas a los equipos nuevos para verificar su conformidad con las especificaciones contractuales y la operación del equipo hasta ser aceptado por el cliente.

Diseño

Procura Construcción Fabricación

Las pruebas de performance son llevadas a cabo con la unidad de generación operando bajo sus condiciones nominales caracterizando principalmente estas condiciones en los equipos principales, que son la turbina hidráulica y el generador síncrono. Además, es usual definir la prueba de potencia garantizada como principal prueba de performance a cumplir, valor contractual que está asociado al caudal nominal de la turbina o de la central en el caso de dos o más unidades de generación. Otro aspecto importante, que no está incluido en la imagen 1 pero sí en la 5, es la etapa de operación experimental, que se inicia al finalizar el comisionado y normalmente está condicionada a un determinado número de horas de operación de la unidad y sujeta a condiciones que revisaremos más adelante. Finalmente, al concluir el comisionado y la operación experimental la unidad de generación es transferida al cliente. Cabe destacar que, dependiendo de las características del contrato, las pruebas de performance pueden efectuarse durante la etapa de operación comercial a cargo del cliente.

Montaje

Completamiento mecánico Precomisionado

Comisionado Pruebas de performance Transferencia al cliente Imagen 1

Sistemas principales Habiendo ya expuesto las actividades de comisionado de una central, corresponde revisar sus sistemas y equipos. Como es conocido, las centrales hidroeléctricas aprovechan la energía potencial de un recurso hídrico y, a través del conjunto turbina-generador, convierten esta energía potencial en eléctrica.

Por esta razón una central hidroeléctrica tiene dos sistemas principales: el hidráulico y el eléctrico. Ambos transportan flujos, el primero de agua o caudal en m3/s y el segundo de potencia aparente en MVA. La imagen 2 muestra los sistemas y equipos de una central hidroeléctrica con embalse.

PUESTA EN MARCHA DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

SISTEMA HIDRÁULICO

EQUIPOS MECáNICOS

Sistema Eléctrico Nacional

Presa

Sistema de aire acondicionado, iluminación y tomacorrientes

Sistema de telecomunicaciones SECA

Sistema DC

Sistema de control SECA y líneas de transmisión

Subestación híbrida SECA

Ataguías en descarga superior presa

Línea 220k L-2141

Sistema eléctrico DC

Sistema de telecomunicaciones Casa de Máquinas

Compuertas radiales en descarga superior presa

Patio de Torres 220kV

Sistemas auxiliares ataguías de descarga

Sistema de control central local

Distribución principal 400 V Seca

Sistemas auxiliares Unidad 1

Cables 220kV

Reja desmontable en obra de toma

Subestación GIS

Sistemas auxiliares comunes planta

Ataguía en obra de toma

Transformadores elevadores 1,2 y 3

Sistemas de alumbrado y alimentación taller

Barra IPB 1

Sistema de aire acondicionado y ventilación

Válvula Mariposa 1

Interruptor del generador 1

Sistema de drenaje y vaciado

Turbina 1

Generador 1 Incluye sistema de excitación

Transformador de Prueba 600 kVA

Sistemas auxiliares caverna de transformadores

Draft Tube 1

Transformador U1 12 MVA

Distribución Principal 400 V + MCC’s y Tableros Casa de Máquinas

Sistemas auxiliares caverna de compuertas

Compuerta 1

Switchgear MV Casa de Máquinas + Transformadores 2500 kVA

Pique de presión

Switchgear MV Edificio de Control + Transformadores 400 kVA

Tunel de descarga

Ataguía tunel de descarga

Restitución

CONTROL Y TELECOMUNICACIONES

Compuertas deslizantes en descarga inferior presa

Compuertas clapetas en descarga superior presa

Tunel de conducción

SISTEMA ELÉCTRICO DE SISTEMA ELÉCTRICO DE SISTEMAS AUXILIARES ALTA Y MEDIA TENSIÓN BAJA TENSIÓN

Sistema de aire acondicionado y ventilación Distribución Principal 400 V + MCC’s y Tableros Edificio de Control

Línea 13.8 kV Presa - Casa de Máquinas Switchgear MV Presa+ Transformadores 400 kVA

Distribución Principal 400 V + MCC´s y Tableros Presa

Sistemas de iluminación, tomacorrientes y control

Sistema de telecomunicaciones Sala de control

Sistema eléctrico DC

Sistema de control central remoto

Sistemas auxiliares de obra de toma Sistemas auxiliares de compuertas en descarga superior presa

Río Mantaro

Sistemas auxiliares de compuertas en descarga inferior presa Aire acondicionado y ventilación presa

Sistema de telecomunicaciones presa

Sistema de iluminación, tomacorrientes y DC - presa

Sistema de control presa

Imagen 2

ENERGÍA

SISTEMA HIDRÁULICO

SISTEMA ELÉCTRICO

El sistema hidráulico de una central hidroeléctrica, por ejemplo de una con embalse, está compuesto generalmente por una presa, una obra de toma, un túnel de conducción, un pique o tubería forzada, un túnel de descarga y una obra de restitución.

El sistema eléctrico normalmente está compuesto por un generador síncrono, un interruptor del generador, un banco de transformadores elevadores, una subestación GIS, los cables de transmisión, un patio de llaves, una línea de transmisión, una nueva bahía de enlace, los transformadores de servicios auxiliares, las celdas de interruptores de media tensión, el transformador del sistema de excitación y los grupos diésel de respaldo.

Cada componente del sistema hidráulico tiene asociado equipos mecánicos que permiten la operación del sistema. En la imagen 3 se señalan los equipos mecánicos asociados a los componentes hidráulicos de una central hidroeléctrica de embalse .

PRESA

OBRA DE TOMA

Imagen 3

■ ■ ■ ■ ■

La imagen 4 muestra los componentes de un sistema eléctrico de una central hidroeléctrica con cuatro unidades de generación, una subestación GIS y dos líneas de transmisión.

Compuertas de descarga de fondo Compuertas radiales Compuertas clapetas Ataguías Grúa portico

■ Rejas desmontables ■ Ataguías ■ Puentes grúas

TÚNEL DE CONDUCCIÓN

■ Puerta estanca ■ Sistema de vaciado del túnel

PIQUE O TUBERÍA FORZADA

■ Sistema de llenado temporal

TÚNEL DE DESCARGA

■ Ataguías ■ Grúa monorriel ■ Sistema de vaciado del túnel

OBRA DE RESTITUCIÓN

■ Sistema temporal de llenado ■ Sistema de vaciado de la obra de restitución

PUESTA EN MARCHA DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

EXC

A TEx1

IG1

BTE1

ITE1

IL1

EXC TEx2

IL2 IG2

BTE2

ITE2

LT2

LT1

IAB EXC TEx3

IG3

BTE3

ITE3

G3 SEGIS TEU3

TEU1 CLCDM IL2 PC

SACDM

SACDM CLEC

SAEC

SAEC GD

IL1

SEAIS

CLPRESA SAPRESA

LTMT IG4

Imagen 4

TURBINA HIDRÁULICA Los equipos principales de una central hidroeléctrica son la turbina y el generador. Junto a la turbina, los componentes mecánicos en contacto con el sistema hidráulico son la válvula principal, que puede ser mariposa o esférica, y la compuerta a la descarga del difusor.

La norma IEC 60545 establece con particularidad las actividades relacionadas al comisionado y la operación de turbinas hidráulicas. En la imagen 5 se muestra las pruebas que componen la fase de comisionado de una turbina hidráulica y también la fase de operación.

ENERGÍA

MONTAJE

■ Completamiento mecánico

COMISIONADO

■ Pruebas previas antes de llenar el sistema hidráulico ■ Pruebas previas después de llenar el sistema hidráulico ■ Primer giro de la unidad ■ Pruebas en vacío ■ Pruebas con carga

OPERACIÓN

■ Operación experimental ■ Operación comercial dentro del período de garantía ■ Operación comercial después del período de garantía

Imagen 5

Revisando la etapa de comisionado, se puede notar que esta se efectúa de manera diferenciada en función de si el sistema hidráulico fue llenado o no; comúnmente la etapa de pruebas previas al llenado del sistema hidráulico se conoce como la etapa de comisionado en seco y la posterior al llenado como el comisionado en húmedo. Como fue indicado en la introducción, en un contrato llave en mano de una central hidroeléctrica muchas veces se requiere que el contratista opere los primeros días posteriores a la etapa de comisionado. Evidentemente el fabricante de los equipos electromecánicos principales, es decir de la turbina, el generador y sus servicios auxiliares,

supervisará esta operación; no obstante, se debe tener en cuenta el personal operativo que efectuará el monitoreo de la central durante este período. La imagen 6 muestra el organigrama requerido en esta etapa que permitiría la atención central en doble turno las 24 horas al día. Se debe prestar particular atención a las condiciones contractuales en esta etapa, en particular a las horas de interrupción permitidas durante este período; al momento de definir el programa de operación experimental se debe considerar períodos de inspección preventiva que no sean tomados como horas de interrupción.

Jefe de Operaciones y Mantenimiento

Supervisor de Operaciones y Mantenimiento

Supervisor de Mantenimiento Mecánico

Supervisor Fabricante Turbina Generador

Supervisor Fabricante Sistema Eléctrico y Control

Técnico de Operaciones y Mantenimiento (8)

Técnico de Mantenimiento Mecánico (4)

Especialistas Fabricantes (4)

Especialistas Fabricantes (2)

Imagen 6

PUESTA EN MARCHA DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

Comisionado en seco El comisionado en seco mencionado en el punto anterior está compuesto por las actividades de completamiento mecánico y precomisionado. Las imágenes 7 y 8 muestran actividades en el equipamiento eléctrico y mecánico de esta etapa . En una manera más detallada, a nivel de equipos eléctricos, en general, se realiza la inspección visual y la verificación del cableado como primer paso. Luego se continúa con la energización y con las pruebas funcionales y de señales. Es importante destacar que puede ser necesario utilizar un suministro temporal para la energización del sistema eléctrico de baja tensión de corriente continua y alterna; este puede ser obtenido del suministro de energía para la construcción, considerando que al inicio del comisionado las actividades de construcción y montaje están casi finalizadas. Luego de tener disponible el suministro eléctrico en baja tensión, y habiendo cargado las baterías y teniendo disponible y confiable el sistema eléctrico en corriente continua, se procede a poner en servicio los servidores del sistema de control, culminando esta etapa con la prueba de los buses de comunicación.

Tableros de baja tensión

Cargadores de baterías y baterías

Servidores del sistema de control

■ Inspección visual y verificación del cableado

■ Energización

■ Pruebas funcionales

■ Pruebas de señales

■ Pruebas del sistema de comunicaciones

■ Cargado de las baterías

Una vez disponible el suministro eléctrico y los buses de comunicación para los diversos sistemas auxiliares, se proceden a poner en servicio. Actividades como la verificación del sentido de giro y las pruebas de arranque y de parada de motores, tanto en modo local como remoto, habiendo antes integrado tanto las señales eléctricas como las de operación al sistema de control, son característicos de esta etapa. Para el sistema eléctrico de media tensión, al igual que en el de baja tensión al inicio del comisionado, puede ser necesario contar con un suministro temporal de energía. De esta manera, la energización de este sistema y sus pruebas se inician con la energización de las celdas de interruptores conectados a las barras de media tensión. Si tomamos como ejemplo el sistema mostrado en la imagen 4, se puede usar el cubículo correspondiente del transformador TEU3 en la barra ClCDM para conectar el suministro temporal, considerando que la unidad de generación 3 será la última en comisionarse. De vital importancia en la etapa de energización de los sistemas eléctricos es el ajuste y la puesta en servicio de los sistemas de protección eléctrica; antes de energizar los sistemas eléctricos se debe haber verificado e integrado al sistema de control el sistema de protecciones.

Sala de control ■ Instalación de la estación del operador ■ Pruebas funcionales de la estación del operador

Tableros de protecciones

Celdas de interruptores de media tensión

■ Inspección visual y verificación del cableado

■ Energización

■ Prueba de inyección primaria

■ Pruebas de los transformadores de corriente

■ Pruebas de inyección secundaria ■ Pruebas funcionales ■ Pruebas de señales de alarma y disparo

■ Pruebas de los transformadores de potencial ■ Pruebas funcionales ■ Pruebas de señales

Imagen 7

ENERGÍA

Luego de energizar las barras de media tensión en casa de máquinas, es posible energizar los transformadores auxiliares para probar su sistema de protección térmica e integrar sus señales al sistema de control. Las pruebas a efectuar en el sistema eléctrico de generación, conformado por las barras IPB, el interruptor del generador (IG), bancos de transformadores elevadores (BTE) y la subestación GIS (SEGIS), se dan según lo especificado por los fabricantes y atendiendo estándares especializados. La prueba determinante que garantiza la energización de estos equipos es la de alta tensión, que, dependiendo del equipo seleccionado, puede efectuarse con voltaje DC

Sistema de suministro de aceite del gobernador

o AC. En la imagen 9 se puede ver la conexión de los equipos de prueba de tensión aplicada efectuada en la subestación GIS. Particular atención se debe prestar a las pruebas a efectuarse al generador síncrono y al gobernador de la turbina durante el comisionado en seco. No estando al alcance de este artículo profundizar en estas pruebas, nos limitaremos a mencionar las normas de referencia:  Para el caso del generador se utilizan las normas IEC 60034-1, IEC 60034-4 e IEEE 115.  Para el caso del gobernador se utilizan las normas IEC 60308, IEC 61362 e IEC 60545 .

Sistema agua de enfriamiento

Sistema de agua de sello de la turbina

■ Inspección visual y verificación del cableado

■ Energización e inspección de señales internas

■ Energización

■ Verificación de la instrumentación

■ Revisión de las señales y funcionalidad en condición seca

■ Inspección del calentador de aceite ■ Verificación del sentido de giro de las bombas ■ Prueba de las bombas en modo manual ■ Verificación de ajustes ■ Prueba de las bombas en automático ■ Presurización del tanque ■ Verificación de la válvula de parada de emergencia ■ Pruebas de señales con el sistema de control

■ Prueba de las válvulas en operación manual ■ Revisión de las señales y funcionalidad en condición seca ■ Llenado con agua del sistema en circuito cerrado ■ Ajuste de pernos

■ Llenado con agua ■ Ajuste de pernos ■ Pruebas de funcionalidad ■ Verificación de señales al tablero local

■ Prueba de señales y funciones

■ Revisión de la medición de temperatura

■ Prueba de señales y funciones con el sistema de control

■ Verificación y ajuste de señales de nivel y flujo

■ Prueba de parada con medición de presión

■ Pruebas de señales y funcionalidad con el sistema de control

■ Ajuste de las señales de presión, nivel y temperatura

Imagen 8

No obstante lo mencionado en el párrafo anterior, es importante indicar las pruebas en seco a efectuarse en los equipos mecánicos que forman parte del sistema hidráulico.

Imagen 9

Para el caso de la válvula principal de la turbina es importante, luego de poner en servicio el sistema oleohidráulico que lo acciona, verificar los tiempos de

PUESTA EN MARCHA DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

apertura y cierre de la válvula y la aplicación correcta de los sellos de servicio y mantenimiento mostrados en las imágenes 10 y 11.

del tiempo de cierre o ley de cierre del distribuidor. En la imagen 12 se muestra a la izquierda los tiempos de cierre de diseño y a la derecha los tiempos de cierre de la prueba.

En el caso de la turbina, entre varias pruebas de sus sistemas una de las más importantes es la verificación

2.1 Prueba en seco de la válvula esférica principal Tipo: Precomisionado

Fecha de ejecución: 16/02/15 - 17/02/15 - 18/02/15

Tabla 2.2 Sello de mantenimiento

Tabla 2.1 Sello de servicio Aplicación del sello de servicio Liberación del sello de servicio

Presión de aplicada (MPa)

Tiempo de aplicación (s)

3.5

Presión de liberación (MPa)

Tiempo de liberación (s)

3.5

Carrera del anillo del sello (mm)

Parámetros verificados indicados en las tablas siguientes:

Aplicación del sello de mantenimiento

Presión de aplicada (MPa)

Tiempo de aplicación (s)

3.5

Liberación del sello de mantenimiento

Presión de liberación (MPa)

Tiempo de liberación (s)

3.5

Carrera del anillo del sello (mm)

11.6, 11.7, 11.7 y 11.7

Fuente: Protocolo HEC

11.7, 11.7, 11.8 y 11.7

Fuente: Protocolo HEC

Tabla 2.3 Carrera de bloqueo del sello de mantenimiento 1

11.6

11.5

11.6

11.7

11.6

11.5

11.6

Fuente: Protocolo HEC

Imagen 10

Tabla 2.5 Válvula bypass

Tabla 2.4 Bloqueo hidráulico Tiempo de aplicación (s)

Tiempo de liberación (s)

Bloqueo 1 Bloqueo 2

Tiempo de apertura (s)

Tiempo de cierre (s)

6.8

Fuente: Protocolo HEC

Tabla 2.6 Válvula esférica Máxima presión de apertura (MPa)

Tiempo de apertura (s)

Máxima presión de cierre (MPa)

Tiempo de cierre (s)

Distancia (mm)

Bloqueo 1

1325

Fuente: Protocolo HEC

Imagen 11

ENERGÍA

Wicket gate opening

100%

50%

Closing time (s)

Imagen 12

Por último, otro componente que debe haber sido probado e integrado es la compuerta del difusor de la turbina. Los tiempos de apertura y cierre son nuevamente los principales parámetros a verificar previo al llenado del

sistema hidráulico. Un buen diseño de esta compuerta debe comprender un sistema de baipás que permita el llenado de la turbina y la ecualización de las presiones aguas arriba y aguas bajo de la compuerta antes de abrirla.

Llenado del sistema hidráulico Una vez culminado el proceso de pruebas en seco de los componentes mecánicos del sistema hidráulico es posible iniciar el proceso de llenado. Tomando como referencia la turbina, el sistema hidráulico se puede dividir en dos partes: el sistema de alta presión y el de baja presión. Los puntos de división son la válvula principal de la turbina (para el caso del sistema de alta presión) y la compuerta del difusor (para el caso del de baja presión). La imagen 13 muestra un modelo simplificado del sistema hidráulico.

TRAMPA DE ROCAS OBRA DE TOMA

Nivel máximo 1556 msnm

Otro aspecto importante a la hora de planificar el llenado del sistema hidráulico es tener en cuenta si el proyecto es una ampliación o una segunda etapa de una central hidroeléctrica o si se trata de una nueva central. Para el primer caso, el llenado de los sistemas estará evidentemente sujeto sobre todo a minimizar el tiempo de parada de las unidades de generación de las etapas en operación de la central. En el segundo caso, como ha sido indicado, el llenado solamente dependerá de la terminación de la obras civiles y de la finalización de la pruebas en seco del equipamiento electromecánico asociado

TÚNEL DE EQUILIBRIO SUPERIOR

TUNEL DE CONDUCCIÓN PIQUE VERTICAL

VÁLVULAS

TURBINAS TÚNEL DE EQUILIBRIO INFERIOR

OBRA DE TÚNEL DE DESCARGA RESTITUCIÓN Nivel mínimo 1273.3 msnm

Imagen 13

PUESTA EN MARCHA DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

LLENADO DEL SISTEMA HIDRÁULICO DE ALTA PRESIÓN

Concluido el cierre del túnel de desvío es posible iniciar el proceso de llenado del embalse; en este punto es recomendable haber finalizado las pruebas en seco de las compuertas ubicadas en la corona de la presa, es decir las compuertas radiales y clapetas. Si se han concluido estos trabajos, es posible culminar el llenado completo del embalse. La imagen 14 muestra la evolución del llenado del embalse del Proyecto Cerro del Águila. Se puede observar que el tiempo de llenado del embalse estuvo programado en 27 días determinados por la tasa de aumento de cota en metros por día y los días de espera en las cotas a 1526 m. s. n. m. y 1540 m. s. n. m. para la evaluación del comportamiento de la presa a través de los datos tomados de la instrumentación geotécnica. En paralelo, se evalúan las filtraciones que se producen a través del cuerpo de la presa y en las zonas de contacto con la roca.

Si consideramos los componentes electromecánicos mostrados en la imagen 3, la secuencia de llenado del sistema de alta presión se reseña a continuación.

LLENADO DE LA PRESA Culminadas las obras civiles de presa y de toma por un lado, y habiéndose efectuado las pruebas en seco de las compuertas de descarga de fondo de la presa y las ataguías y rejas de la obra de toma, se procede a iniciar el primer llenado del embalse. Para esto se debe permitir el paso de agua a través del dique temporal utilizado para desviar el caudal del río por un túnel durante la construcción de la presa. En este proceso las compuertas de descarga de fondo deben permanecer abiertas para permitir el pase del agua por la presa y de esta manera poder iniciar los trabajos de cierre del túnel de desvío.

Una vez culminado el llenado del embalse se procede a efectuar las pruebas en húmedo de las compuertas y ataguías, que consisten en medir las fugas a través de los sellos y verificar los tiempos de apertura y cierre con agua.

Evolución Embalse Definitivo

COTA OPER. MAX 1556.00

1,554.00

Paro (5 días - 1540.00) de medición instrumentación

1,544.00

COTA OPER. MIN 1540.00

Paro (3 días - 1526.00) de medición instrumentación

COTA OBRA TOMA 1526.00

Cota Obra Toma 1526.00 Cota Oper. Min 1540.00

Cota Oper. Max 1556.00 Propuesta de llenado

40 30 20

18/04/2016

17/04/2016

16/04/2016

15/04/2016

14/04/2016

13/04/2016

07/04/2016

06/04/2016

05/04/2016

04/04/2016

03/04/2016

02/04/2016

01/04/2016

31/03/2016

30/03/2016

29/03/2016

28/03/2016

27/03/2016

26/03/2016

25/03/2016

24/03/2016

23/03/2016

22/03/2016

21/03/2016

19/03/2016

20/03/2016

1,504.00

12/04/2016

1,509.00

11/04/2016

4 m/día

1,514.00

10/04/2016

1,519.00

FIN DE LLENADO - NIVEL MAX OPER.

INICIO DE LLENADO - NIVEL MIN OPER.

1,524.00

09/04/2016

1,529.00

60 50

3 m/día

1,534.00

08/04/2016

Nivel m.s.n.m.

1,539.00

1,499.00

2.5 m/día

1,549.00

Área de descarga (m2)

1,559.00

Cota Embalse Área libre Descargas (m2)

Imagen 14

ENERGÍA

LLENADO DEL PIQUE VERTICAL

LLENADO DEL TÚNEL DE CONDUCCIÓN

Concluidas las pruebas en seco de la válvula principal de la turbina y efectuadas las de funcionamiento de todo el sistema de drenaje y vaciado de la central, se continua con el primer llenado del pique vertical. Normalmente es necesario instalar equipos de bombeo temporales para poder efectuar el llenado controlado del pique. Al igual que en la presa, el proyectista define valores máximos de ratio de llenado en metros por hora. Durante el llenado es necesario efectuar el monitoreo de las filtraciones en la obras civiles asociadas y de las fugas en las válvulas y tuberías sometidas a presión.

Finalizado el llenado del pique vertical, y no sin antes haber efectuado la inspección del túnel para verificar que no haya quedado algún objeto que pueda ser transportado por el agua hasta la turbina (lo que podría generar gravísimos daños a los componentes de la turbina y retrasar las pruebas considerablemente), se procede a efectuar el primer llenado del túnel de conducción. Una vez inspeccionado el túnel de conducción con la participación del fabricante, se procede a cerrar el acceso al túnel, el cual es generalmente una puerta estanca; antes se recomienda tener finalizado y probado el sistema de vaciado del túnel de conducción por cualquier contingencia.

La imagen 15 muestra la curva de llenado programada del pique de presión de la CH Cerro del Águila. Al finalizar el llenado se debe efectuar la verificación del cumplimiento de filtraciones máximas en función de los metros de altura que desciende el nivel luego de ser llenado.

El primer llenado del túnel de conducción se efectúa a través de válvulas baipás instaladas en las ataguías de la obra de toma. En la imagen 16 se muestra a la izquierda el caudal obtenido por dos válvulas baipás en función de la cota del embalse, en tanto que a la derecha se ilustra el tiempo de llenado esperado para el túnel considerando una cota de embalse de 1551 m. s. n. m.

Llenado del Pique de Presión msnm 1560 4 horas

1510

ETAPA 3

4 horas

1360

ETAPA 2

4 horas

1310

Cota (msnm)

Imagen 15

ETAPA 4

4 horas

1410

1260

ETAPA 5

4 horas

1460

95 100 105 110 115 120

horas

PUESTA EN MARCHA DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

Obra de toma - Ataguias Caudal descargado por los bypass (m3/s)

Tiempo de llenado desde la cota de embalse de presa de 1551 msnm

NivelNivel embalse [msnm] embalse [msnm]

Presión [bar]

27.50 27.30 27.10 26.90 26.70 26.50 26.30 26.10 25.90 25.70 25.50 25.30 25.10 24.90 24.70 24.50 24.30 24.10 23.90 23.70 23.50 23.30

80 90

70 80

60 70

50 60

40 50

30 40

20 30

10 20

1555 1556

1554 1555

1553 1554

1552 1553

1551 1552

1550 1551

1549 1550

1548 1549

1547 1548

1546 1547

1545 1546

1543 1544

1543

1.00 1.00

1544 1545

1.20 1.20

1.40 1.40

27.50 27.30 27.10 26.90 26.70 26.50 26.30 26.10 25.90 25.70 25.50 25.30 25.10 24.90 24.70 24.50 24.30 24.10 23.90 23.70 23.50 23.30

1551 1549 1547 1545 1543 1541 1539 1537 1535 1533 1531 1529 1527 1525 1523 1521 1519 1517 1515 1513 1511 1509 1507

0 10

Cota de llenado [msnm]

1.60 1.60

1556

1.80 1.80

Caudal [m3/s]

2.00 2.00

1551 1549 1547 1545 1543 1541 1539 1537 1535 1533 1531 1529 1527 1525 1523 1521 1519 1517 1515 1513 1511 1509 1507

Cota de llenado [msnm]

2.20 2.20

Tiempo de llenado [horas] Tiempo de llenado [horas]

Imagen 16

Al igual que durante el llenado del pique vertical, se debe mantener el monitoreo de las fugas y filtraciones tanto en la casa de máquinas como en el pique de cables y las ventanas de acceso.

restitución con el río, a través de un sistema de bombeo temporal se podrá captar agua y trasvasarla hacia la obra de restitución. Finalizado el llenado se pasa a verificar las fugas por los sellos de las ataguías.

LLENADO DEL TÚNEL DE DESCARGA

LLENADO DEL SISTEMA HIDRÁULICO DE BAJA PRESIÓN

El llenado del túnel de descarga se efectúa a través de los baipases instalados en las ataguías que las separan de la obra de restitución; antes se debe haber verificado la funcionalidad del sistema de vaciado del túnel.

El primer llenado del sistema hidráulico de baja presión debe ser iniciado con el llenado de la obra de restitución. A continuación se detalla este proceso.

En la imagen 17 se muestra a la izquierda el caudal obtenido por dos válvulas baipás en función de la cota del agua en la obra de restitución, en tanto que a la derecha se hace lo propio con el tiempo de llenado esperado para el túnel considerando una cota de 1273 m. s. n. m.

LLENADO DE LA OBRA DE RESTITUCIÓN Para el llenado de la obra de restitución se debe colocar las ataguías que separan el túnel de conducción de la obra de restitución. Debido a la cercanía de la obra de

Restitución - Ataguias Caudal descargado por los bypass (m3/s) 1.401.40

Caudal [m3/s] Caudal [m3/s]

1.201.20 1.001.00 0.800.80 0.600.60 0.400.40 0.200.20 0.000.00 12661266

12791279 12771277 12751275 12731273 12711271 12691269 12671267 12651265 12631263 12611261 12591259 0 010 10 20 20 30 30 40 40 50 50 60 60 70 70 80 80 90 90 100100 110 110 120120 130130 140140 150150 160160

Cota de llenado [msnm] Cota de llenado [msnm]

1.601.60

Tiempo de llenado del túnel de descarga

12681268

12701270

12721272

12741274

Nivel Nivel embalse embalse [msnm] [msnm]

12761276

12781278

Tiempo Tiempo de de llenado llenado [horas] [horas]

Imagen 17

ENERGÍA

Durante el llenado del túnel de descarga se debe monitorear las fugas por los sellos de las compuertas del difusor de la turbina. Al finalizar el llenado también hay que verificar que se cumplan los valores de filtración máximo. Ajustes finales pueden ser necesarios.

Una vez completado el llenado del sistema hidráulico de baja presión se tienen dadas las condiciones desde el punto de vista de suministro de agua para iniciar la inundación de la turbina, dando inicio así al comisionado en húmedo de la central.

Comisionado en húmedo El inicio del comisionado en húmedo de una unidad de generación se produce con la inundación de la turbina. Este proceso, que se efectúa a través de la apertura de la compuerta del difusor, debe ser realizado a solicitud del fabricante de la turbina luego de que este haya notificado que los sistemas auxiliares de la turbina y el generador han concluido sus pruebas funcionales y que aquellos sistemas necesarios para la inundación están en servicio.

Una vez alcanzado el último hito la unidad estará lista para ser transferida al cliente. A continuación se reseñan las principales pruebas que se efectúan durante el comisionado en húmedo.

Luego de inundada la turbina se efectúan una serie de pruebas y actividades cuya secuencia se muestra en la imagen 18 . Su objetivo es verificar que la unidad esté lista para efectuar el primer giro; en otras palabras, que todos los sistemas auxiliares estén preparados y en condiciones para que la unidad arranque.

El primer giro de la unidad es un hito muy importante en un proyecto de construcción de una central hidroeléctrica en tanto signifi ca al mismo tiempo que las obras civiles permiten tener las condiciones de caudal y presión que la unidad necesita para girar y que va a permitir verificar que ese arduo trabajo de montaje y alineamiento de los ejes de la turbina, el generador y todas aquellas holguras (en el orden de micras, µm) requeridas en el diseño y obtenidas durante el montaje, a veces con reprocesos en sitio, se complementan para permitir que el conjunto rotor del generador y rodete de la turbina puedan girar libremente.

Antes de pasar a exponer en detalle las principales pruebas, es importante indicar que estas tienen la finalidad de verificar que la unidad pueda ir alcanzando estos hitos: 1. Que la unidad pueda girar libremente. 2. Que la unidad pueda girar a velocidad nominal de manera estable mecánicamente. 3. Que la unidad pueda girar a velocidad nominal y tensión nominal de manera estable eléctricamente. 4. Que la unidad pueda sincronizar con la red y tomar carga. 5. Que la unidad pueda operar en las condiciones nominales de operación, es decir a plena carga, de manera continua y confiable, y pueda responder óptimamente ante cualquier perturbación de la red eléctrica para, en caso de que actúen sus protecciones eléctricas o mecánicas y se desconecte de la red, pueda estar disponible para arrancar al finalizar el proceso de parada.

PRIMER GIRO Y PRUEBAS MECÁNICAS

El primer giro en las turbinas Francis se logra teniendo todos los servicios auxiliares encendidos en modo manual, abriendo la válvula principal de la turbina, quitando el freno del generador y abriendo, si es necesario, el distribuidor, hasta que la unidad empiece a girar. El rango de velocidad recomendado para el primer giro es del 2 al 5 % de la velocidad nominal, sin superar el 10 %. El primer giro se considera satisfactorio si la unidad inicia el giro, gira libremente y se detiene sin ruidos anormales en el conjunto turbina-generador.

PUESTA EN MARCHA DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

Prueba funcional del sistema de agua de enfriamiento

Llenado del difusor de la turbina

Pruebas del sello del eje con agua

Llenado del caracol de la turbina

Pruebas funcionales del sistema de drenaje de la tapa de la turbina

Pruebas de la compuerta del difusor

Pruebas de la válvula principal de turbina con agua Verificación del caudal que pasa a través del distribuidor cerrado Inspección antes del primer giro Primer giro de la unidad

Imagen 18

BALANCEO Concluido el primer giro de la unidad se procederá a incrementar la velocidad de giro, en etapas, hasta alcanzar la velocidad nominal. Durante este proceso se verificarán todos los parámetros operativos, poniendo principal énfasis en las temperaturas de los cojinetes y en las vibraciones relativas o excentricidad. Durante el proceso de incremento de velocidad puede ser necesario efectuar el balanceo del eje,

colocando para esto en el rotor del generador placas de balanceo. El peso de las placas y su ubicación son aspectos a determinar por el personal especializado del fabricante. La imagen 19 muestra a la izquierda la ubicación y los pesos de las placas colocadas en el rotor del generador y a la derecha la gráfica y los valores de vibración relativa en el cojinete combinado superior del generador.

ENERGÍA

Remark: upper plane / lower plane Weights on upper plane: 8x2,4 kg at 180º, 2x2,4 kg at 135º and 225º Weights on upper plane: 4x2,4 kg at 45º, 6x2,4 kg at 90º Weights on lower plane: 7x2,4 kg at 45º and 5x2,4 kg at 90º

300µm

200µm

200µm 100µm

100µm

0µm

-100µm

-200µm

300µm 200µm 100µm 0µm -100µm -200µm -300µm

300µm

360º

200µm

270º

100µm

180º

0µm

90º

-100µm

0º

-200µm

-300µm

-200µm

-300µm

1Per. 2Per. 3Per. 4Per. 5Per. 6Per. 7Per. 8Per. 9Per. 10Per.

Imagen 19

PRUEBA DE CALENTAMIENTO DE COJINETES Finalizado el balanceo de la unidad y verificado que esta pueda girar de manera segura a la velocidad nominal, es necesario corroborar que pueda hacerlo de manera continua. Para esto se efectúa la prueba

de calentamiento de los cojinetes, cuyo objetivo es comprobar que en operación continua las temperaturas en los cojinetes se estabilicen por debajo de los valores de diseño establecidos contractualmente. La imagen 20 muestra las curvas de temperatura del metal de los cojinetes, del aceite y del agua de enfriamiento.

PUESTA EN MARCHA DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

Combined bearing 80,0 70,0

Temperature in ºC

60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 16:30 16:45 17:00 17:15 17:30 17:45 18:00 18:15 18:30 18:45 19:00 19:15 19:30 19:45 20:00 20:15 20:30 20:45 21:00 21:15 21:30 21:45 22:00 MKD20 CT001 MKD20 CT007 MKD20 CT013 MKD20 CT023 MKD20 CT031

MKD20 CT002 MKD20 CT008 MKD20 CT014 MKD20 CT024 MKV20 CT001

MKD20 CT003 MKD20 CT009 MKD20 CT015 MKD20 CT025 MKV20 CT002

MKD20 CT004 MKD20 CT010 MKD20 CT016 MKD20 CT026 PCB20 CT001

MKD20 CT005 MKD20 CT011 MKD20 CT021 MKD20 CT027 PCB20 CT002

MKD20 CT006 MKD20 CT012 MKD20 CT022 MKD20 CT028

Imagen 20

Como se puede apreciar, al inicio la mayor cantidad de temperaturas del metal no estabiliza y se tiene que verificar y ajustar los circuitos de refrigeración para lograr, en dos etapas, la estabilización.

PRUEBA DE DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN CONTRA SOBREVELOCIDAD La prueba de los dispositivos de protección contra sobrevelocidad es de extrema importancia para garantizar que la turbina no alcanzará velocidades críticas que pongan en riesgo la integridad de la unidad de generación y de la central misma.

Los dispositivos de protección son de dos tipos de actuación. El primero es un sensor electrónico que permite el monitoreo de la velocidad a través del sistema de control; mediante el ajuste del valor de disparo en la lógica de control, una vez superado un valor límite ordenará al distribuidor cerrar en los tiempos mostrados en la imagen 12. El segundo es un sensor mecánico de respaldo que, con un ajuste mayor al valor del sensor electrónico, actuará en caso de que falle el sensor electrónico. La imagen 21 presenta la gráfica de las curvas de velocidad de rotación y la posición de apertura del distribuidor durante la prueba del dispositivo mecánico.

Overspeed Test 158.2 115.0 71.8 28.6 -14.5 31.5.2016 20:15:39,999 absolute

31.5.2016 20:15:50,374

31.5.2016 20:16:00,749

31.5.2016 20:16:11,124

Time at cursor position: 31.05.2016 20:16:08,218

Variable IN;POS_DISTRIBUTORE VEL;_Fm

Instance Path

Selected 1 65,054632394... 138,82587554...

Selected 2

Last

Min

Max

Average

-0,138990238... 90,560020446...

65,180580139... 143,78352355...

8,3610260325... 108,52254390...

Imagen 21

ENERGÍA

PRUEBAS ELÉCTRICAS EN VACÍO Concluidas las pruebas mecánicas, finalizadas con la inspección del conjunto turbina-generador después de las pruebas de sobrevelocidad, se tienen las condiciones para iniciar las pruebas eléctricas de la unidad. Como su nombre lo indica, se verificará en esta etapa que la unidad pueda alcanzar los parámetros eléctricos nominales en vacío y la actuación de los relés de protección eléctrica. Para esto se revisa la correcta conexión de los transformadores de tensión y de corriente; el óptimo funcionamiento del control de velocidad a través del gobernador y el control de voltaje mediante el sistema de excitación son puestos a prueba para lograr la primera sincronización de la unidad.

la corriente nominal, se tienen las condiciones para efectuar las pruebas de cortocircuito trifásico sostenido y de falla a tierra en otros puntos del sistema eléctrico, tanto en media como en alta tensión, para probar las funciones de protección de los transformadores auxiliares, los transformadores elevadores, la subestación GIS y la línea de transmisión.

PRUEBAS DE CIRCUITO ABIERTO Las pruebas de circuito abierto se efectúan de igual manera que las de cortocircuito sostenido: en el generador, para obtener la curva característica de saturación y luego verificar las funciones de protección asociadas.

PRUEBAS DE CORTOCIRCUITO SOSTENIDO Las pruebas de cortocircuito se inician con aquella efectuada en el interruptor del generador para obtener la curva de cortocircuito sostenido del generador. La imagen 22 muestra la curva obtenida en esta prueba. Como se puede apreciar, aquí el objetivo es alcanzar el valor de 110 % de la corriente nominal del generador.

En paralelo se deben verificar las polaridades de los transformadores de tensión para luego corroborar las funciones de protección asociadas. Si el especialista lo considera necesario, se finalizará la prueba de circuito abierto en bornes del generador con la actuación de una de las funciones de protección asociadas.

I [%IN]

140 120 100 80 60 40 20 0

100

200

300

400

500

Fieldcurrent at In= 8423,9 A

600

700

800

IF [A]

900 1000

Ifsc= 782,83 A

Imagen 22

En paralelo, se verifican las polaridades de los transformadores de corriente, para luego corroborar las funciones de protección asociadas; si el especialista lo considera necesario se finalizará la prueba de cortocircuito trifásico sostenido en bornes del generador con la actuación de una de las funciones de protección. Una vez verificado esto y garantizando que pueda circular por el devanado del rotor hasta un 110 % de

La imagen 23 muestra en color lila la curva característica de saturación del generador. Se puede apreciar que el valor máximo de voltaje de prueba es del 130 % del voltaje nominal del generador. Las otras curvas mostradas son resultados de la aplicación de las normas IEC 60034-4 e IEEE 115 y son utilizadas para la determinación de los parámetros del generador.

Una vez verificadas las funciones de protección del generador, habiendo garantizado que puede alcanzarse en bornes del generador hasta un 130 % del voltaje nominal, se tienen las condiciones para efectuar la energización controlada del sistema eléctrico. Esta se efectúa equipo por equipo, es decir, primero la energización del transformador de servicios auxiliares y luego el banco de transformadores elevadores, la subestación GIS y la línea de transmisión. En cada etapa se verifica la polaridad de los transformadores de tensión y las funciones de protección. Como se ha indicado anteriormente, durante las pruebas en vacío y girando a velocidad nominal se verifica también la regulación de la velocidad. En la imagen 24 se muestra la respuesta PID al escalón de velocidad en marcha en vacío.

PUESTA EN MARCHA DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

U [%] I [%] 130

UAIRGAP

120

ISC F AGE

110 100

Rated voltage: 13800 V Rated current: 8423,9 A IF= 829,0 A

IF= 782,8 A

80 70 60 50 40 30

∆if= -17,30 A

20 10

CHD

0 0

150

300

450

600

750

900

1050

1200

1350

1500

1650

No-load / short circuit ration: Kc=1,059 p.u.

1800

1950

2100

2250

IF [A]

Xduns= 1,074 p.u.

Imagen 23

100.0% 105.0% 104.5%

WICKET GATE I 1 7.536% 2 7.578% SPEED 1 100.7% 2 102.2% SPEED_SETP 1 100.1% 2 102.1%

94.5% 95.0% 0.0% 29.0 bar PENSTOCK PRE 1 27.70 bar 2 27.76 bar 27.0 bar

-27.5

10.00s/div

01:12.5

Imagen 24

ENERGÍA

PRUEBAS DE SINCRONIZACIÓN - PRIMERA SINCRONIZACIÓN

Habiendo programado con el COES la energización del sistema eléctrico de alta tensión, incluyendo el banco de transformadores elevadores, se procede a efectuarlo. Finalizada esta actividad, se tienen las condiciones para efectuar la prueba en blanco del sistema de sincronización.

Luego de finalizar la energización regulada con el generador de todo el sistema eléctrico se debe proceder a energizar el sistema eléctrico desde la red. Una condición crítica para esta energización es tener aprobado el estudio de operatividad.

Durante las pruebas en blanco el sistema de sincronización monitorea el voltaje y la frecuencia de la red para, a través del control del gobernador y del sistema de excitación, lograr condiciones de sincronización y mandar cerrar el interruptor del generador estando el seccionador del generador abierto. En la imagen 26 se muestra el momento de la primera sincronización de la unidad 4 de la segunda fase de la Central Hidroeléctrica Machupicchu. Se puede verificar a la derecha que se ha alcanzado la condición para sincronizar; y a la izquierda que, estando el seccionador del generador (Q9) cerrado, se ha cerrado el interruptor del generador (Q0).

La imagen 25 muestra el flujograma del estudio de operatividad que es tramitado ante el COES. Como se puede apreciar, la obtención del certificado del estudio de operatividad es un trámite complejo y altamente especializado. Todo el trámite dura seis meses en promedio, por lo que es necesario considerar su elaboración como prioritaria una vez se ha finalizado la ingeniería de detalle y el fabricante ha entregado la información de los equipos a suministrar. Este documento puede, en función de lo especificado en el contrato, estar en el alcance del contratista EPC o del cliente.

Flujograma del estudio de operatividad

AGENTES Solicitud o precisión de alcances EO (Titular del Proyecto)

Inicio

Estudio de operatividad EO (Titular del Proyecto)

Envío de alcances EO y precisión al titular del Proyecto

Informe de revisión (Tercero Involucrado)

Informe de levantamiento de observaciones (Titular del Proyecto)

COES

Alcances EO (Anexo 3) y precisión de alcances

OBSERVACIONES DEL TERCER INVOLUCRADO 5 dh

Recepción de solicitud o Precisión de alcances EO

Enviar al tercero involucrado el EO o el informe del levantamiento de observaciones

¿EO con información completa?

Titular del Proyecto remite el EO

SÍ

Verificación contenido EO NO

3 dh

5 dh

Recibir del tercer involucrado las observaciones

¿Existen observaciones?

10 dh

Enviar al titular del Proyecto el certificado de conformidad del EO

Solicita al titular del Proyecto la información faltante

SÍ 20 dh Se revisa el EO

3 dh Recibir del titular del Proyecto la información faltante

180 días

Recibir del titular del Proyecto el informe de levantamiento de observaciones

Envío al titular del proyecto el informe de revisión

AGENTES COES Certificado de conformidad de EPO

Imagen 25

Alcances EO y precisión al titular del Proyecto

Copia de EO o informe del levantamiento de observaciones al tercero involucrado

Informe de revisión del COES al titular del Proyecto

Certificado de conformidad de EO

Fin

PUESTA EN MARCHA DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

Imagen 26

PRUEBAS CON CARGA Las pruebas con carga se inician con la primera sincronización de la unidad de generación con la red. Inmediatamente después de la primera sincronización se debe verificar el comportamiento de los diferentes sistemas de la unidad al ser sometidos a las condiciones de desconexión por disparos mecánicos y eléctricos en lo que se conoce como pruebas de rechazo de carga.

también se puede apreciar el incremento de presión por el golpe de ariete que se produce al cerrar el distribuidor. Como fue indicado, en esta etapa también se efectúan disparos eléctricos y mecánicos junto con los rechazos de carga. Para poder diferenciar las condiciones de estas pruebas, a continuación se especifica lo siguiente:

PRUEBAS DE RECHAZO DE CARGA Tal como indica la norma IEC 60545, las pruebas de rechazo de carga se efectúan al 25 %, 50 %, 75 % y 100 % de la potencia nominal de la turbina. Además se verifica el comportamiento del gobernador, dado que este, durante la prueba, debe lograr que la unidad continúe girando en vacío después del transitorio provocado por la apertura manual del interruptor del generador.

Imagen 27

La imagen 27 muestra el comportamiento de la potencia activa, la velocidad y el porcentaje de apertura del distribuidor luego de efectuarse la apertura del interruptor en el rechazo de carga de la unidad 1 de la CH Cerro del Águila. Se puede apreciar cómo el distribuidor, en el instante inicial, sigue la ley de cierre para luego mantener cerrado el distribuidor hasta volverlo a abrir para permitir que la unidad termine el transitorio girando a velocidad nominal. En la parte inferior de la imagen

 El rechazo de carga se origina al abrir el interruptor de manera manual esperando que el gobernador, al finalizar el transitorio, permita mantener la unidad girando en vacío.  El disparo mecánico se origina ante la actuación del relé de disparo mecánico, actuando primero el gobernador reduciendo la potencia activa, siguiendo la ley de cierre (hasta cierto valor de apertura del

ENERGÍA

 Sistema de excitación: limitadores de mínima corriente de campo, de ángulo de carga, de máxima corriente de carga y de corriente del generador.  Sistema de excitación: control de reactivos por consigna.  Sistema de excitación: respuesta a escalón de reactivos con el sistema de estabilización de potencia activado y desactivado.

distribuidor en el cual se abre el interruptor del generador) y produciéndose la parada de la unidad. La velocidad de la unidad no se incrementa.  El disparo eléctrico se origina ante la actuación de la protección eléctrica, produciéndose inmediatamente la apertura del interruptor y el cierre del distribuidor e iniciándose el proceso de parada de la unidad. La velocidad de la unidad sí se incrementa en el transitorio, pero el cierre completo del distribuidor la reduce siguiendo un proceso de parada.

En la imagen 28 se muestra una de las pruebas que se realizan sobre el gobernador en esta etapa, en este caso la respuesta al escalón de potencia.

PRUEBAS CON CARGA Finalizadas las pruebas de rechazo de carga, verificándose que la unidad pueda tener un proceso de parada normal luego de producirse una desconexión de la red por actuación de un disparo eléctrico o mecánico, se continua con el afinamiento de los sistemas de excitación, estabilización de potencia y gobernador de la unidad entre otras verificaciones, como el de la protección por potencia inversa. Entre otras se efectúan las siguientes pruebas:

Imagen 28

 Gobernador: respuesta a escalón de potencia.  Gobernador: linearización de apertura del distribuidor contra la potencia.  Gobernador: prueba de secuencia automática de arranque y parada.

En la imagen 29 se muestra la respuesta al escalón de reactivos con el sistema de estabilización de potencia activado.

1.030 1.005 0.980 0.955 0.930 0.905 0.880 0.855 0.830 0.805 0.780 0.755 0.730 0.705 0.680 0.655 0.630 0.605 0.580 0.555 0.530

0.847pu = 170.24 MW

0.845pu = 169.84 MW

Tiempo (seg)

Imagen 29

0.842pu = 169.24 MW

2.500 2.360 2.220 2.080 1.940 1.800 1.660 1.520 1.380 1.240 1.100 0.960 0.820 0.680 0.540 0.400 0.260 0.120 -0.020 -0.160 -0.300

V65= Ogen (1.0pu=201 MVar); V503=Igen (1.0pu=8.42 kA) V500=lexc (1.0pu=1575 Acd); V539=Vexc (1.0pu=270 Vcd)

V574=Pgen (1.0pu=201 MW); V501=Vgen (1.0pu=13.8kV)

Escalón de reactivos con PSS - canal 1

PUESTA EN MARCHA DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

PRUEBA DE CALENTAMIENTO AL 100 % DE LA CARGA La principal prueba del comisionamiento es la de calentamiento al 100% de la carga, en la que se verifican todos los parámetros operativos de temperatura que validan que el generador síncrono funciona a su potencia nominal sin superar los valores máximos contractuales. Nuevamente, se debe alcanzar para esto la estabilización de los valores de temperatura.

La imagen 30 muestra los resultados de la prueba de calentamiento efectuada a la unidad 1 de la CH Cerro del Águila. Considerando que la potencia nominal del generador es de 201,35 MVA y que el valor garantizado del gradiente de temperatura es de 80 K, se puede indicar que la unidad de generación puede operar a la potencia nominal de manera continua.

Load measurement: Start of heat run: 08:00h End of heat run: 15:30h Electrical data as average value of the last 30 min of the heat run f [Hz] 60,02

U Stator [V] 14993,79

I Stator [A] 7788,85

S [MVA] 202,28

P [MW] 172,58

cosφ 0,85

Uf [V] 241,76

If [A] 1615,89

Resistance measurment of field winding and average temperature rise at heat run: Field winding cold: Field winding hot: Field winding temperature hot: Average cold air temperature:

119,1337 mΩ 149,6142 mΩ 85,2 ºC 27,5 ºC

Temperature rise field winding:

at 20,0ºC

57,7 K

Summary of measured temperature rise: Stator winding: max. temperature: Stator core: max. temperature: Stator winding: max. temperature: Average cold air temperature:

79,8ºC 75,7ºC 85,2ºC 27,5ºC

temp.rise ΔTstator: 52,3 K temp.rise ΔTcore: 48,2 K temp.rise ΔTfield: 57,7 K

Imagen 30

PRUEBA DE CONFIABILIDAD La última prueba que certifica que la unidad está lista para ser transferida al cliente es la de confiabilidad. Generalmente para el fabricante esta puede durar de uno a tres días operando la unidad las 24 horas. Esta prueba permitirá verificar que todos los ajustes en el sistema de control efectuados durante el comisionado permitan los transitorios en los sistemas auxiliares de la unidad de generación, como por ejemplo cambio de bombas del sistema del sello del eje de turbina, y a su vez que la unidad pueda ser operada de manera remota desde la sala de control. También en esta prueba se podrá verificar que los sistemas del gobernador y de la excitación permitan sortear con

éxito los transitorios que se puedan generar en la red. Un aspecto importante a definir previamente con el cliente es el tiempo en horas que la unidad puede salir de servicio, sin necesidad de que se vuelva a repetir la prueba. Un valor recomendable para el período indicado líneas arriba es de una hora por cada día de prueba de confiabilidad. Concluido esto la unidad pasará a su etapa de operación experimental a cargo del cliente o del contratista, según lo indique el contrato EPC, para luego ingresar a su operación comercial.

ENERGÍA

Conclusiones y recomendaciones El comisionado de una central hidroeléctrica es un proceso multidisciplinario que permite, paso a paso, probar las obras civiles y los equipos electromecánicos con el fin de validar los requerimientos técnicos contractuales de proyecto, por lo que requiere de planificación y coordinación desde el inicio del proyecto.

Se han mencionado a lo largo del artículo recomendaciones en cada sección; estas deben ser tomadas en cuenta por quien tenga la responsabilidad de coordinar el comisionamiento de una central hidroeléctrica.

Referencias bibliográficas Comité de Operación Económica del Sistema Interconectado Nacional (2013). Procedimiento técnico del comité de operación económica del SEIN: Ingreso, modificación y retiro de instalaciones en el SEIN. Lima. COES SINAC. PR-20. Horsley, David (1997). Process plant commissioning (2nd Ed.). London, United Kingdon: Institution of Chemical Engineers. Institute of Electrical and Electronic Engineers (2002). IEEE Guide: Test procedure for synchronous machines. Nueva York. IEEE. IEEE Std 115-1995 (R2002). International electrotechnical Commission (1976). Guide for commissioning, operation and maintenance of hydraulic turbines. Génova. IEC. IEC 60545.

International Electrotechnical Commission (1998). Guide to specification of hydraulic turbine control system. Génova. IEC. IEC 61362. International Electrotechnical Commission (2005). Hydraulic turbines – Testing of control systems. Génova. IEC. IEC 60308. International Electrotechnical Commission (2008). Rotating electrical machines – Part 4: Methods for determining synchronous machine quantities from tests. Génova. IEC. IEC 60034-4.

PUESTA EN MARCHA DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

ESTRUCTURAS

 Cálculo de deflexiones a largo plazo para elementos de concreto preesforzado  Norma sísmica e-030-2016: comparativo con otras normas

ESTRUCTURAS

Augusto Aliaga Silva

Jesús Hilario Cercado

GMI

Consultor Externo

Egresado de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Ricardo Palma con el título de Ingeniero Civil, registrado en el Colegio de Ingenieros del Perú en el capítulo de ingenieros civiles. Cuenta con veinte años de experiencia profesional, diecisiete de los cuales se basan en la ejecución de proyectos de cálculo y diseño de puentes. En su vida profesional ha desarrollado labores de análisis y diseño de puentes, estructuras preesforzadas y revisión de expedientes técnicos en Pedro Lainez Lozada Ingenieros y en la Dirección de Puentes del MTC. Actualmente es jefe de disciplina de la especialidad de estructuras de la División de Infraestructura de GMI.

Bachiller de Ingeniería Civil graduado de la Universidad Nacional de Ingeniería, estudiante de Maestría en Ingeniería Estructural en la misma universidad. Formó parte de la empresa Samayca Ingenieros SAC en el área de Ingeniería, desarrollando proyectos de análisis y diseño estructural de elementos preesforzados. Asimismo se ha desempeñado como ingeniero de diseño en la empresa GMI SA Ingenieros Consultores en la especialidad de Análisis y Diseño de Puentes.

CÁLCULO DE DEFLEXIONES A LARGO PLAZO PARA ELEMENTOS DE CONCRETO PRE-ESFORZADO ESTRUCTURAS

Cálculo de deflexiones a largo plazo para elementos de concreto preesforzado

Resumen El avance en las últimas décadas de los materiales de construcción se ha desarrollado producto de la demanda de estructuras cada vez más grandes y al proceso constructivo cada vez más rápido. El concreto, particularmente, ha tenido que tener una resistencia mayor a lo convencional, generando que las formulaciones de sus propiedades inherentes (creep and shrinkage) sean afectados por estos cambios. Las formulaciones del cálculo de deflexiones de vigas preesforzadas de los códigos de diseño no solo aún no toman

en cuenta estas variaciones sino que además son calculados con métodos aproximados empleando como referencia el PCI (Precast/Prestressed Concrete Institute). Debido a esto se calcularán las deflexiones de vigas preesforzadas con una metodología más refinada (approximate time – steps method), tomando en consideración el proceso constructivo de los elementos componentes y las formulaciones modificadas de las propiedades inherentes del concreto (creep and shrinkage) a partir de los estudios experimentales realizados por Huo en 1997.

Introducción El cálculo de deflexiones a largo plazo para elementos de concreto preesforzado tuvo sus primeras aproximaciones en los coeficientes (multiplicadores)

dados por el PCI, los que consideraban los ensayos realizados para elementos de concreto de resistencia estándar (3ksi - 5ksi). Luego apareció el método

ESTRUCTURAS

aproximado de pasos en el tiempo, el cual se basa en la formulación general para la curvatura total pero de manera simplificada, tomando en cuenta el coeficiente último de creep; de igual forma, el método se sustenta en concreto de resistencia estándar.

La formulación del coeficiente de creep fue corregida por estudios experimentales para concretos de alta resistencia realizados por Huo en 1997. Esta modificación se usará para evaluar las deflexiones a largo plazo utilizando el método aproximado de pasos en el tiempo.

Descripción de los métodos a usar para el cálculo de deflexiones a largo plazo C 1+ A s Aps C 2= 1+As

MÉTODO DE LOS MULTIPLICADORES DEL PCI Para el cálculo de deflexiones a largo plazo el PCI aplica una metodología basada en multiplicadores C1, que afectan a los distintos estados de carga de la estructura según el procedimiento constructivo. Shaikh y Branson proponen una reducción de los factores multiplicadores C1 tomando en consideración la armadura pasiva dispuesta en ella, tal como se indica a continuación:

Donde: Área de preesfuerzo: Aps Área de acero pasivo: As

Aps

Para el caso de puentes el PCI toma en cuenta si los elementos «vigas preesforzadas» actuarán como sección compuesta con la losa, tal como se indica en la tabla siguiente:

Tabla 3: 4-PCI multipliers C, for long-term camber and deﬂection Without composite topping

With composite topping

At erection: 1) Deflection (downward) component-apply to the elastic deflection due to the member weight at release of prestress

1.85

2) Camber (upward) component-apply to the elastic camber due to prestress at the time of release of prestress

1.80

Final: 3) Deflection (downward) component-apply to the elastic deflection due to the member weight at release of prestress

2.70

2.40

4) Camber (upward) component-apply to the elastic camber due to prestress at the time of release of prestress

2.45

2.20

5) Deflection (downward) -apply to the elastic deflection due to the superimposed dead load only

3.00

6) Deflection (downward) -apply to the elastic deflection caused by the composite topping

2.30

Where C1=multiplier; As=area of nonprestressed reinforcement and Aps= area of prestressed strands.

Tabla 1: multiplicadores C1 para deflexión a largo plazo

CÁLCULO DE DEFLEXIONES A LARGO PLAZO PARA ELEMENTOS DE CONCRETO PRE-ESFORZADO

MÉTODO APROXIMADO DE PASOS EN EL TIEMPO La expresión general para la curvatura total en el extremo de un intervalo de tiempo viene expresada por la siguiente formulación:

ϕt=� t

Pi×ex

ex +�(Pn-1-Pn )× Ec×Ic Ec×Ic 0

ex ��(Cn-Cn-1 )×Pn-1× Ec×Ic 0

Donde: Preesfuerzo inicial antes de las pérdidas: Pi Excentricidad del tendón en una sección a lo largo del tramo: ex Pérdidas de preesfuerzo en un intervalo de tiempo particular debido a todas las causas:Pn-1-Pn Coeficientes de creep al comienzo y final,respectivamente,de un particular paso de tiempo: Cn-1,Cn.

La formulación (método aproximado de pasos en el tiempo) que se empleará de ahora en adelante se desprenderá de la ecuación general y se basa en una forma simplificada de la suma de deflexiones debido a varios factores dependientes del tiempo. Se define Cu como el coeficiente de creep a largo plazo; entonces la curvatura, debido al preesfuerzo efectivo Pe, se expresa de la siguiente manera:

ϕe=�

Pi×ex Ec×Ic

+(Pi-Pe)×

Ec×Ic

P +P ex ×Cu �� i e� 2 Ec×Ic

De igual forma se define la deflexión final producto del preesfuerzo efectivo:

δet=�δi+(δi-δe)�� δet=�δe��

δi+δe 2

�×Cu

δi+δe �×Cu 2

Agregando la deflexión debido al peso propio de la viga y cargas permanentes, los cuales son afectados por el coeficiente de creep, se obtiene la siguiente expresión:

δ +δ ∆δ=�δe�� i e�×Cu+(δD+δSD)×(1+CC) 2

Finalmente, agregando la deflexión por carga viva se obtiene la deflexión total neta:

δT=�δe��

δi+δe �×Cu+(δD+δSD)×(1+Cu)+δL 2

Para vigas compuestas, Branson propone la siguiente formulación para la deflexión total:

∆P δT=�δi��1- +kr-CU -λ�+ δD�(1+kr-CU)+ PO ∆P-∆Pc Si�Lv��1+kr-CU (λ-α-λ)� + (1-α) PO IC

Iv Iv �kr�Cu�δD� +δSD�1+α-kr-Cu- � + δL Ic Ic

Donde: Pérdidas totales de preesfuerzo sin considerar el acortamiento elástico inicial: ΔP Pérdidas de preesfuerzo hasta el instante de vaciar la losa sin considerar el acortamiento elástico inicial: ΔPC Fuerza de preesfuerzo en la transferencia después del acortamiento elástico: P0= Pi Momento de inercia de la sección compuesta: Ic Momento de inercia de la sección no compuesta: Iv ΔP λ=1− 2×P0 ΔP λ´=1− C 2×P0

ESTRUCTURAS

Modicación del coeficiente de creep (Huo, 1997) La predicción del coeficiente de creep para elementos de concreto que varían en el rango de 3 a 5 ksi se indica a continuación:

C(t,to)=

(t-to)0.6 ×C u 10+(t-to)0.6

Cu=1.88×kc

kc=kla×kh×ks Esta formulación fue corregida por estudios experimentales realizados por Huo en 1997 para concretos de alta resistencia. Dichas pruebas revelaron dos modificaciones a la expresión anteriormente descrita:  La primera de ellas corrige el número 10 por 120.5×f’c para tomar en cuenta el hecho de que el coeficiente de creep se desarrolla inicialmente a una velocidad más rápida para concretos de alta resistencia.

 La segunda introduce el término kst, el cual refleja en la observación experimental que para concretos de alta resistencia se tiene un menor coeficiente de creep último.

Kst=1.18-0.045f´c

Por lo tanto, la formulación anteriormente descrita es modificada mediante la siguiente expresión:

C(t,to)=

(t-to)0.6

12-0.5f’c+(t-to)0.6

× Cu

Cu=1.88×kla×kh×ks×kst

Donde: Factor de corrección por edad de carga: kla Factor de corrección por humedad relativa: kh Factor de corrección por tamaño del elemento: ks Factor de corrección por alta resistencia del concreto: kst

CÁLCULO DE DEFLEXIONES A LARGO PLAZO PARA ELEMENTOS DE CONCRETO PRE-ESFORZADO

Ejemplo de aplicación Ejemplo 1:

Comparación del Coeficiente de Creep no modificado y el Coeficiente de Creep por Huo a. Formulaciones para el cálculo del Coeficiente de Creep

Variación del coeficiente de Creep:

(t − t0)0.6 C (t , t0 ) = ⋅C u 0.6 12 − 0.5⋅f´ c + (t − t 0)

Coeficiente último de Creep:

C u = 1.88 ⋅kc

Producto de factor de correcciones:

kc = kla⋅kh⋅ks⋅kst

Factor de corrección por edad de carga:

kla t0 = 1.25⋅ t0

− 0.118

( )

− 0.094

1.13⋅ t0 Día de aplicación de la carga: Factor de corrección por humedad relativa:

if Curado = 1 if Curado = 0

t 0 := 14 k h(HR ) = 1.00 if HR < 40%

Humedad Relativa:

HR := 90% 1.27 − 0.0067⋅ HR if HR ≥40%

Tipo de curado:

Curado := Humedad − 0.54 rvs 2 Vapor k s(r) = ⋅ 1 + 1.13⋅ e 3

(

Factor de correción por razón vol/sup:

)

c. Resultados Factor de correción por resistencia del concreto: de datos factor de correcciones según Huo: b.Producto Ingreso de

Resistencia a la compresión del concreto: Coeficiente último de Creep según Huo: Área geométrica de la sección:

( )

kst fć = 1.18 − 0.045⋅fć 0.854 0.815 kc = 0.777 0.739 4 5 fć := 1.605 ksi 6 C u = 71.533 1.461 2 1.389 Ag := 0.645 m

Producto dede factor de correcciones sin modificar: Perímetro la sección:

kc2 0.854m Per :==5.814

Coeficiente último de Creep sin modificar: Razón Volumen/Superficie:

Ag C u2 rvs := = 1.605 Per

Variación del coeficiente de Creep modificado por Huo:

rvs = 4.368⋅in C t , t0 , f´ c , i :=

(

)

12 −0.5⋅

(

0.6

(t − t0) f´c

ksi

)

⋅C u

(

C 10000, t0 , f´c , 1 = 1.544

0.6

)

+ t − t0

ESTRUCTURAS

Día de aplicación de la carga:

t 0 := 14

Humedad Relativa:

HR := 90%

Tipo de curado:

Curado := Humedad Vapor

c. Resultados 0.854 0.815 kc = 0.777 0.739

Producto de factor de correcciones según Huo:

1.605 C u = 1.533 1.461 1.389

Coeficiente último de Creep según Huo:

Producto de factor de correcciones sin modificar:

kc2 = 0.854

Coeficiente último de Creep sin modificar:

C u2 = 1.605 0.6

Variación del coeficiente de Creep modificado por Huo:

(

(t − t0)

)

C t , t0 , f´c , i :=

f´c 12 −0.5⋅

ksi

(

)

(

)

(

)

(

)

⋅C u

(

0.6

)

+ t − t0

C 10000, t0 , fć , 1 = 1.544 C 10000, t0 , fć , 2 = 1.477 C 10000, t0 , fć , 3 = 1.41 C 10000, t0 , fć , 4 = 1.343 Variación del coeficiente de Creep sin modificar:

0.6

(t − t0 ) C 2(t , t0 , f´c ) := ⋅C 0.6 u2 10 + ( t − t0) (

)

C 2 10000 ,t0 , f´c = 1.544

Valor de sobre-estimación del factor de Creep:

(

ψ1 = 1

) )

C 2 10000 ,t0 , f´c ψ1 := C 10000, t 0 , f´c , 1

CÁLCULO DE DEFLEXIONES A LARGO PLAZO PARA ELEMENTOS DE CONCRETO PRE-ESFORZADO

(

) )

C 2 10000 ,t0 , f´c ψ2 := C 10000, t0 , f´c , 2

(

ψ2 = 1.045

(

) )

C 2 10000 , t0 , f´c ψ3 := C 10000, t0 , f´c , 3

(

ψ3 = 1.095

(

) )

C 2 10000, t0 , f´c ψ4 := C 10000, t0 , f´c , 4

(

ψ4 = 1.149

Coeficiente de Creep vs Tiempo 1.6

Coeficiente de Creep

1.46 1.32 1.18 1.04 0.9 0.76 0.62 0.48 0.34 0.2

1250

2500

3750

5000

C2(t,t₀,f´) C(t,t₀,f´,2)

6250

7500

8750

10000

Tiempo (días)

Creep_no_modi icado

C(t,t₀,f´,3)

Creep_Huo_fc_6ksi

Creep_Huo_fc_5ksi

C(t,t₀,f´,4)

Creep_Huo_fc_7ksi

ESTRUCTURAS

Ejemplo 2:

Metodología de cálculo de deflexiones a largo plazo para vigas de concreto pre-esforzado 1. Geometría y materiales Longitud de Viga Prefabricada 1:

Lvp1 := 35m

Espesor de Losa:

ts := 0.2m

Resistencia del concreto de viga a los 28 días:

f´cviga := 420

kgf cm2

Ecviga := 15000 f´cviga.kgf

cm2

Resistencia del concreto de viga en el tensado:

f´cviga_tens := 350

kgf cm2

Ec_t := 15000 f´cviga_tens.kgf

Módulo de elasticidad del concreto en la transferencia:

cm2

Resistencia del concreto en losa a los 28 días:

f´closa := 280

kgf cm2

Eclosa := 15000 f´closa.kgf

cm2

Peso específico del concreto:

c := 2400

kgf m3 kgf cm2

Acero Pasivo

fy := 4200.

Acero Activo

fpu:= 18900.

kgf cm2

fpy := 0.9 fpu

kgf Es := 2.039.106 2 cm kgf Ep := 2.106 cm2 фtoron := 0.5” 0.6”

Cota de fondo del centro de gravedad de cables de preesforzado

Cf := 0.1 m

Fuerza Postensora final:

Pe := 520 tonf

Factor de pérdidas de pre-esfuerzo:

Rf := 1.2

Fuerza Postensora inicial:

Pi := Rf .Pe= 624.tonf

fpu:= 18900.

:= 2 10

cm2

фtoron :=

fpy := 0.9 fpu

0.5” 0.6” CÁLCULO DE DEFLEXIONES A LARGO PLAZO PARA ELEMENTOS DE CONCRETO PRE-ESFORZADO Cota de fondo del centro de gravedad de cables de preesforzado

Cf := 0.1 m

Fuerza Postensora final:

Pe := 520 tonf

Factor de pérdidas de pre-esfuerzo:

Rf := 1.2

Fuerza Postensora inicial:

Pi := Rf .Pe= 624.tonf

Finalmente usar:

Ntor1 := 33

Área de pre-esfuerzo:

Aps1:= Ntor1.Atoron Aps1:= 46.2.cm2

Peralte del acero en tracción:

ds := HSC − 5cm

Área de acero en tracción:

Ast:= 4.2.85cm2

Hvp:= 1.6.m

Viga No Compuesta

Ag := 0.645.m2 yb := 0.812.m yt := 0.788.m Ix := 0.215.m4 Sb := 0.265.m3 St := 0.273.m3

HSC:= 1.8.m ASC:= 1.012.m2 yb := 1.134.m

Sección Compuesta

ytSC:= 0.666.m Ix := 0.401.m4 SC

SbSC:= 0.354.m3 StSC:= 0.602.m3 2. Verificación de deflexiones DEFLEXIÓN POR CARGA VIVA Deflexión por carga viva:

δviva = 11.83.mm

Deflexión máxima AASHTO - LRFD 2.5.2.6.2:

δmax = δmax

Lvp1 800

= 43.75.mm

if(δviva<δmax, “Ok”, “Ng”) = “Ok”

2. Verificación de deflexiones DEFLEXIÓN POR CARGA VIVA

ESTRUCTURAS

Deflexión por carga viva:

δviva = 11.83.mm

Deflexión máxima AASHTO - LRFD 2.5.2.6.2:

δmax = δmax

Lvp1 800

= 43.75.mm

if(δviva<δmax, “Ok”, “Ng”) = “Ok” DEFLEXIÓN POR CARGA PERMANENTE a. Metódo de los Multiplicadores "PCI" Factor multiplicador:

C1 C1 +

Factor multiplicador reducido "Shaikh and Branson": C2 =

AS Aps AS Aps 4

Función de deflexión de viga prefabricada:

f(ω,Ix,Ec) :=

5 384

ω.Lvp1

Ec⋅Ix

Deflexión de Viga pre-esforzada de Sección Compuesta (Metódo de Multiplicadores)

δnet= C1_pi_f⋅δpti + C1_pp_f⋅δpp+ C1_losa_f ⋅δlosa+ C1_barrera_f ⋅δbarrera ... + C1_asfalto_f ⋅δasfalto Deflexión de viga pre-esforzada como sección no compuesta Excentricidad del cable de pre-esfuerzo:

ey := yb − Cf

Deflexión por pre-esfuerzo en la transferencia:

−5 . δpti := 48

2 P ⋅e ⋅L i y vp1 E ⋅Ix c_t

δpti := −93.91.mm Factor multiplicador:

C1_pi := 1.80 C1_pi_f := 2.45

Deflexión por viga prefabricada:

δpp := f(DCvp1,Ix,Ec_t) δpp := 50.11.mm

Factor multiplicador:

C1_pp := 1.85 C1_pp_f := 2.70

Deflexión durante el izaje:

δer := C1_pi.δpti+C1_pp.δpp

C1_pp := 1.85

Factor multiplicador:

CÁLCULO DE DEFLEXIONES A LARGO PLAZO PARA ELEMENTOS DE CONCRETO PRE-ESFORZADO

C1_pp_f := 2.70 δer := C1_pi.δpti+C1_pp.δpp

Deflexión durante el izaje:

δer :=−76.341.mm Factor de correción por resistencia del concreto:

kst(f´c) = 1.18−0.045.f´ c

a. Ingreso de datos Resistencia a la compresión del concreto:

f´c:= f´cviga

Razón Volumen/Superficie:

rvs:=

Ag Per

rvs:= 4.365.in

Dia de aplicación de la carga:

t0 := 14

Humedad Relativa:

HR := 90%

Tipo de curado:

Curado:=

Humedad Vapor

b. Resultados Producto de factor de correcciones:

kc = 0.778

Coeficiente último de Creep:

Cu = 1.463

Variación del coeficiente de Creep:

C(t,t0,f´c) :=

(t-t0)0.6 12−0.5.

f´c

+ (t−t )0.6 0 ksi

C(10000,t0,f´c) := 1,412 Deflexión de Viga pre-esforzada de Sección Compuesta (D. E. Branson)

I δT = δpti⋅ 1 − ∆P + kr.Cu. ´ + δpp. 1 +k .C + −δpti´ e r u Ixsc P0

1−

∆P− ∆Pc P0

... + kr.Cu( −α ´) + (1−α)kr.Cu.δpp. Ix + δ losa +δbarrera+δasfalto . Ixsc ... 1+α.kr.Cu. Ix +−δdf Ixsc

Pérdidas de pre-esfuerzo total excluyendo el acortamiento elástico:

∆P := Pi − Pe

∆P = 104 tonf

... + kr.Cu( −α ´) + (1−α)kr.Cu.δpp. Ix + δ . losa +δbarrera+δasfalto ∆P− ∆Pc Ixsc Ie ∆P . . δ δT = δpti⋅ 1 − δ k .C . ´ 1 +k C 1− + r u + pp r u + − pti´ Ix P0 P0 sc

... 1+α.kr.Cu. Ix +−δdf Ixsc ... + kr.Cu( −α ´) + (1−α)kr.Cu.δpp. Ix + δ losa +δbarrera+δasfalto . Ixsc

ESTRUCTURAS

... 1+α.kr.Cu. Ix +−δdf Ixsc

Pérdidas de pre-esfuerzo total excluyendo el acortamiento elástico:

∆P := Pi − Pe

∆P = 104 tonf

Pérdidas de pre-esfuerzo total excluyendo el acortamiento elástico: P∆P:= :=PPi − Pe Fuerzo de pre-esfuerzo en la transferencia - despues 0 i del acortamiento elástico:

104tonf tonf P∆P ==624 0

Pérdidas de pre-esfuerzo hasta el momento del vaceado de losa, excluyendo el acortamiento elástico:

∆Pc := 48.5tonf ∆P := 1− . 2 P0 := 0.917 ∆P ´ := 1− . c 2 P0 ´ := 0.961 C (t,t0)

Relación entre el Coeficiente de Creep y el Creep Último:

α=

Factor que toma en cuenta el refuerzo pasivo:

kr:= 1.0

Inercia efectiva de la viga no compuesta:

Ie:= Ix

Pérdidas de pre-esfuerzo debido al Creep, Shirinkage y relajación:

F∆ := 112tonf

Distancia del c.g. de la sección compuesta al c.g. de la losa:

ycs := Hsc −

− ybsc

ycs = 0.566m 2

Deflexión debido al Creep y Shirinkage diferencial entre el colocado del prefabricado y la losa

δdf :=

F∆⋅Lvp1 ⋅ycs 8⋅Ecviga⋅Ixsc

δdf := 7.87 mm Reemplazando en la ecuación de Branson para Vigas Compuestas: Deflexión a largo plazo por cargas permanentes:

100

δT = 24.38mm

INTRODUCCIÓN A LA SEGURIDAD FUNCIONAL

Conclusiones  A medida que se incrementa la resistencia del concreto en los elementos prefabricados el coeficiente de creep modificado por Huo disminuye, por lo cual usar la formulación sin considerar concretos de alta resistencia llevaría a valores últimos de creep muy conservadores, tal como se muestra en el ejemplo 1 del anterior item.  La formulación de creep predicha por Huo para concretos de alta resistencia se puede también usar para concretos que varían en el rango de 3 a 5 ksi, en los cuales se observa que las curvas de creep no modificado y de creep por Huo coinciden para estos rangos de valores, tal como se muestra en la gráfica del ejemplo 1 del anterior item.

en el tiempo nos dan valores muy cercanos, por lo cual una primera aproximación de las deflexiones a largo plazo por el método de los multiplicadores daría una buena aproximación de la contraflecha para elementos de sección compuesta, tal como se muestra en el ejemplo 2 del anterior item.  Las deflexiones por el método aproximado de pasos en el tiempo para elementos de sección compuesta de concreto preesforzado nos muestran la evolución de las deflexiones para cada etapa de construcción tomando en cuenta las pérdidas de preesfuerzo y la evolución del coeficiente de creep, tal como se muestra en el ejemplo 2 del anterior item.

 Los valores obtenidos de las deflexiones de vigas compuestas usando los métodos de los multiplicadores y el método aproximado de pasos

Referencias bibliográficas ACI Committe 435. Control of Deflection in Concrete Structures, Committe Report ACI 435R-95, Chairman, E. G. Nawy. AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, Fifth Edition 2010, American Association of State Highway and Transportation Officials.

Precast / Prestressed Concrete Institute, Second Edition 2003, PCI. Nawy, E. G., Prestressed Concrete – A Fundamental Approach, 5th Ed. Raymond, I. G. and Gianluca, R., Time Dependent Behaviour of Concrete Structures, First published 2011.

101

ESTRUCTURAS

Robinson Ucañán Díaz GMI Ingeniero civil graduado de la Pontificia Universidad Católica del Perú, con maestría en Administración de ESAN y estudios de maestría en Ciencias de la Pontificia Universidad Católica del Perú. Con más de 35 años de experiencia en diseño de estructuras, ha tenido a su cargo el desarrollo de proyectos mineros, hidráulicos, industriales, viales y de edificación, participando en forma activa en las distintas etapas de los proyectos como ingeniería conceptual, ingeniería básica, ingeniería de detalle y proyectos EPCM y EPC. Actualmente se desempeña como director de estructuras en GMI SA Ingenieros Consultores. Es docente de pregrado en la Pontificia Universidad Católica del Perú en la especialidad de Ingeniería Civil.

102

NORMA SÍSMICA E-030-2016: COMPARATIVO CON OTRAS NORMAS ENERGÍA

Norma Sísmica E-030-2016 Comparativo con otras Normas

Resumen La Norma Técnica Peruana E-30, de Diseño Sismorresistente, fue actualizada y emitida por el Ministerio de Vivienda en enero de 2016. Desde 1977, cuando salió la primera Norma de Diseño Sismorresistente, hasta la actualidad, la regla ha ido mejorando y actualizándose de acuerdo al avance del conocimiento y la experiencia que hemos ido adquiriendo con los sismos. En este artículo se analizan

algunos cambios de la norma y se la compara con otras latinoamericanas y con la norteamericana con el objeto de poder dar algunas recomendaciones para una futura actualización y también para ver cómo estamos en comparación con los vecinos en cuanto a diseños sísmicos. No se pretende dar una visión completa de todos los capítulos ni una explicación del uso de los códigos de los otros países.

Introducción Los inicios del diseño sísmico en el Perú datan del año 1970, cuando el Reglamento Nacional de Construcciones de ese año incluyó, en su capítulo IV, la seguridad contra el efecto destructivo de los sismos. Posteriormente, en el año 1977, se incluyó en el Reglamento Nacional de Construcciones la Norma de Diseño Sismorresistente.

Luego del sismo de Nazca de 1996 se cambiaron los coeficientes para la determinación de las deformaciones laterales en la Norma E-030 de 1997, sin cambios en las fuerzas sísmicas. Posteriormente, como consecuencia de lo estudiado después del sismo Atico de 2001, que afectó las zonas de Arequipa, Moquegua y Tacna, se actualizó la

103

ESTRUCTURAS

Norma en el año 2003, amplificando las fuerzas sísmicas para considerar cargas últimas y también variando los factores de ductilidad (Blanco). La Norma E-030 se actualizó en el año 2006 y en 2014 se le incorporó el anexo 3, «Sistemas de Protección Sísmica específica para el caso de establecimientos de salud». En enero de 2016 el Ministerio de Vivienda emitió una nueva revisión. Varios cambios importantes se han introducido en esta edición y el presente artículo busca revisar algunos de sus capítulos y compararla con las de países vecinos como Chile, Ecuador y Colombia, así como con las de Costa Rica y Estados Unidos, norma esta última la usamos como referente y complemento en nuestros diseños. Analizar cada capítulo de la norma en sí puede ser tema de un artículo, mas solo se pretende hacer notar las similitudes y diferencias entre la forma del Diseño

Sismorresistente que tenemos con nuestros vecinos y las normas americana y costarricense. Uno de los temas que no analizaremos será el capítulo 6, Elementos no estructurales, apéndices y equipos, aspectos en los que, si bien la norma actual se ha actualizado, a mi entender todavía falta mucho trabajo. Este puede ser tema de un artículo futuro. Tampoco es un objetivo de este artículo dar la metodología de diseño de cada país; para ello es necesario profundizar y entender los códigos, lo cual implica muchas horas de lectura y práctica. Sí es oportuno mencionar que, aunque los códigos vistos muestran prácticas y procedimientos comunes, en algunos países tienen como norma un análisis más avanzado, como en Colombia y Ecuador, y utilizan diseños por desempeño para aceptar un grado de daño en las edificaciones.

Normas  E-030-2016

Diseño Sismorresistente – Perú 2016

 NCh 433 Of 1966 Modificada en 2012. Diseño Sísmico de Edificios – Chile 2012  NCh 2369-2003 Diseño sísmico de Estructuras e Instalaciones Industriales – Chile 2003  NCh 2745-2013

Análisis y diseño de edificios con aislación sísmica – Chile 2013

 NEC-SE-DS

Cargas Sísmicas - Diseño Sismorresistente - Ecuador 2010

 NSR-10

Reglamento Colombiano de Construcción Sismorresistente – Colombia 2010

 ASCE 7-10

Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures – USA 2010

 ASCE 7-16

Versión Draft (parcial)

Capítulos analizados CAPÍTULO 1: GENERALIDADES Las normas analizadas son en su mayoría sísmicas, a excepción de la americana, que es una norma de cargas, siendo la carga sísmica una de ellas. La última

104

versión de la norma ASCE 7-16, no aprobada aún al momento de culminación de este artículo, contiene un capítulo para tsunamis. Esto es notoriamente importante también para nosotros, en vista que tenemos 3000 km de costas propensas a este tipo

NORMA SÍSMICA E-030-2016: COMPARATIVO CON OTRAS NORMAS

de fenómenos. Nuestra norma solo hace una breve mención a los tsunamis, sin dar ningún alcance; esperemos que en el futuro contemos con un capítulo o una norma nueva.

SOBRE EL ALCANCE DE LA NORMA La Norma da las condiciones mínimas para el diseño sísmico de las nuevas edificaciones, el reforzamiento de las existentes y la reparación de las dañadas por un sismo, de acuerdo a la filosofía de diseño descrita más adelante. Este enunciado es similar en todas las normas latinoamericanas, a excepción de en la chilena, que distingue entre edificaciones e instalaciones industriales (NCh 2369 -2003). En otro párrafo, la norma E-030 especifica que en otros tipos de estructuras como reservorios, silos, tanques, puentes, torres de transmisión, muelles, estructuras hidráulicas y otras que difieran en su comportamiento sísmico del de un edificio se usará la Norma en cuanto sea aplicable sin dar mayor especificación. En este aspecto las normas latinoamericanas son más específicas y exceptúan este tipo de estructuras. La ASCE 7-10, por su parte, es más amplia y abarca estructuras como silos, reservorios, edificaciones industriales, entre otras.

un aumento en el riesgo de las ciudades y de las personas que trabajan o viven en esas edificaciones; queda en las autoridades ver la forma de normar para que estas edificaciones puedan ser más seguras y se reduzca el riesgo. En California, por ejemplo, las primas de los seguros ante sismos de las edificaciones antiguas que no cumplan con los requisitos mínimos del último código sísmico son mayores, con lo cual obligan a las empresas a realizar un análisis económico sobre qué conviene más, pagar una mayor prima de seguro o reforzar la estructura según los nuevos requerimientos. Y esto solo considerando los daños materiales, no aquellos que pudiesen generarse en las personas, cuyo costo social o responsabilidad a las empresas donde laboran o viven pudiera ser considerable. Una posibilidad de mejora podría ser que estructuras con un diseño de más de dos códigos anteriores, por ejemplo los que fueron diseñados y construidos con el código del 2003 y anteriores, debieran tener un análisis de vulnerabilidad sísmica que determine mediante un análisis no lineal, el comportamiento final de la estructura. Esto permitiría evaluar el daño que se produciría y si el estado final del edificio es seguro. Para edificaciones públicas y privadas donde haya gran concentración de público debiera ser mandatorio. Para inversionistas y empresas de seguro sería de interés conocer el estado del inmueble a adquirir o asegurar.

La norma peruana podría ser más específica e indicar, por ejemplo, que para todo tipo de estructura la zonificación sísmica es válida y de empleo obligatorio, salvo que por naturaleza de la estructura se desee cambiar el período de retorno, ú otra característica que dependa del comportamiento de la estructura. Esta recomendación es consecuencia de experiencias con clientes a quienes, bajo el argumento de que la especificación está dirigida a edificaciones, no estarían obligadas a usar la Norma en construcciones fuera del ámbito urbano, por ejemplo en estructuras industriales o mineras, que no caen bajo el concepto de una edificación convencional.

En los códigos hay una coincidencia en este aspecto: lo más importante es evitar la pérdida de vidas humanas, asegurar la continuidad de los servicios básicos y minimizar los daños a la propiedad, considerando que ante sismos menores no sufran daños, sismos moderados haya daños menores y sismos fuertes o severos se puedan presentar daños importantes, siempre sin causar perjuicios graves a las personas ni que colapse la estructura.

La aplicación de la Norma está dirigida a estructuras nuevas, al reforzamiento de las existentes y a las que se reparen después de un sismo; no aplica, sin embargo, a estructuras existentes, y es práctica común que las edificaciones existentes se rijan por los códigos con los que fueron diseñados (FEMA). Esto implica

La norma ecuatoriana es algo más específica e indica los niveles de frecuencia y amenaza sísmica como frecuente (menor), ocasional (moderado) y raro (severo), esto sería un sismo de 475 años de período de retorno, y muy raro (extremo) para estructuras esenciales, con un período de retorno de 2500 años.

SOBRE LA FILOSOFÍA Y LOS PRINCIPIOS DEL DISEÑO SISMORRESISTENTE

105

ESTRUCTURAS

CAPÍTULO 2: PELIGRO SÍSMICO

inflamables, se mantiene el criterio de no considerar parámetros menores a la norma.

ZONIFICACIÓN

En comparación con los códigos de la región, en el de Chile, por ejemplo, no se hace mención al respecto, pero sí la hay en la norma NCh 2369 -2003, de edificios industriales, donde se indica que se pueden desarrollar espectros especiales aplicables a un determinado proyecto considerando su importancia, la distancia de las fuentes sismogénicas y factores locales de amplificación, topografía, etcétera.

El actual reglamento mantiene el concepto de zonas sísmicas, habiéndosele agregado una zona más con respecto de la norma anterior (tabla 1), y con la adición además de tablas de zonificación sísmica a nivel de distrito, algo que antes no había. En los códigos de Chile, Ecuador, Colombia y Costa Rica este concepto es el mismo. Los mapas de zonas sísmicas del código americano, por su parte, fueron especificados en el Uniform Building Code UBC 97, en tanto que los códigos recientes del International Building Code IBC usan mapas de ordenadas espectrales. ZONA

0,45

0,35

0,25

0,10

Tabla 1: factores de zona “Z”

En esta nueva edición los factores de zona están referidos al suelo bueno y no a la roca, como fue en las versiones anteriores; la diferencia es la aceleración que tendría en un suelo tipo S1, con un sismo de frecuencia de 475 años. Esto no está expresamente indicado en la Norma, pero se deduce de los factores del suelo S, que para el perfil de suelo S0 (roca) es 0.8 y para el suelo S1 el factor es 1.0. Esto ha sido explicado también en los seminarios de difusión realizados por el Colegio de Ingenieros del Perú y la Pontificia Universidad Católica.

El reglamento ecuatoriano hace mención a estudios de microzonificación sísmica para poblaciones de más de 10.000 habitantes y para suelos tipo F, suelos blandos. El reglamento colombiano da pautas para estudios de microzonificación sísmica para ciudades y estudios sísmicos particulares de sitio, no habiendo restricción en los resultados que se encuentren, como es el caso peruano. El código americano establece los criterios para los estudios de riesgo probabilístico y determinístico que deben seguirse cuando se realiza un estudio. Quizás en una próxima edición la norma peruana establezca algún criterio para tomar en cuenta los estudios específicos en caso de valores menores a la norma, estableciendo un mínimo que podría ser el de la zona inmediatamente inferior o un valor intermedio entre ellas. Asimismo, podrían establecerse criterios para uniformizar mejor los estudios de peligro sísmico, pues según qué empresa haga el estudio hay diversidad de resultados para la misma zona.

CONDICIONES GEOTÉCNICAS MICROZONIFICACIÓN Y ESTUDIOS DE SITIO Los estudios de microzonificación se dan en áreas de expansión de ciudades y en la reconstrucción de áreas urbanas destruidas por fenómenos sísmicos y asociados; los resultados de estos estudios pueden reemplazar los valores de las zonas sísmicas. Prácticamente no ha habido cambios en este capítulo respecto al anterior código, a excepción de que se ha eliminado la aprobación de la autoridad competente. Para el caso de estudios de sitio, cuyo objetivo es determinar los parámetros de diseño de complejos industriales o industrias de explosivos, químicos o

106

En este capítulo la norma ha variado respecto a la versión anterior; se ha adicionado el suelo So, roca dura, teniendo los siguientes tipos de perfiles PERFIL

DESCRIPCIÓN

Roca Dura

Roca o suelos muy rígidos

Suelos intermedios

Suelos blandos

Condiciones excepcionales

NORMA SÍSMICA E-030-2016: COMPARATIVO CON OTRAS NORMAS

Y se ha incluido la tabla 2, de clasificación de los perfiles según la velocidad promedio de las ondas de corte.

PERFIL

N60

>1500 m/s

500 m/s a 1500 m/s

>50

>100 kPa

180 m/s a 500 m/s

<180 m/s

15 a 50 50 kPa a 100 kPa <15

25 kPa a 50 kPa

Clasificación basada en el EMS

El valor Tp es el período en el cual se mantiene el valor máximo del espectro, y TL el período a partir del cual el espectro mantiene un desplazamiento constante; a partir de ahí la curva decae (ver Figura 1). Los valores de Tp y TL dependen del suelo. Esto es nuevo en el reglamento; el anterior no definía el punto TL en el espectro y el desplazamiento aumentaba con el período, esto debido a que los sismos que se han producido en nuestro país a partir de ese período tienen un desplazamiento constante, tal como se muestra en la Figura2, tomada del seminario realizado en la PUCP (Muñoz, 2016).

Tabla 2: clasificación de los perfiles de suelo ZONA

El reglamento propone, en base a los resultados de los suelos encontrados en los primeros 30 metros por debajo del nivel de cimentación, promediar y caracterizar el suelo según lo indicado en la tabla 2.

Veamos, en el Cuadro A, cómo clasifican esto otros reglamentos. Podemos interpretar que hay una correspondencia entre los tipos de suelos; la mayoría menciona seis tipos, a excepción de Costa Rica que cuenta, al igual que la peruana, cinco. La clasificación está basada en la velocidad de la onda de corte; los rangos entre suelos tienen cierta variación, como se aprecia, sin embargo, la nuestra es la que tiene un rango muy amplio en las velocidades de corte, entre los suelos tipo S1 y la S0. Puede ser recomendable revisar para futuras ediciones la opción de adicionar un suelo más y ser algo más finos en ese rango.

PARÁMETROS DE SITIO De acuerdo con la nueva clasificación de zonas y tipos de suelo, la nueva norma da valores de los factores de suelo S y los períodos Tp y TL para el cálculo de los factores de amplificación sísmica y espectros. El valor de S en la norma depende de qué tanto se mueve el suelo respecto de un suelo bueno S1. Como se ha mencionado anteriormente, las aceleraciones de los factores de zona están referidos a un suelo bueno tipo S1; si se tiene una roca dura en la superficie se multiplica por el factor S0, que es menor que 1.

0,80

1,00

1,05

1,10

0,80

1,00

1,15

1,20

0,80

1,00

1,20

1,40

0,80

1,00

1,60

2,00

Tabla 3: factor de suelo “S”

PERFIL DE SUELO S0

Tp(S)

0,3

0,4

0,6

1,0

TL(S)

3,0

2,5

2,0

1,6

Tabla 4: períodos “Tp” y “TL”

Espectro E-030-2016 3.00 2.50

Valores de C

Este procedimiento de clasificación para los primeros 30 metros, con algunas variantes, también está en los códigos americano, colombiano, chileno y ecuatoriano.

SUELO

2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 0.00 Tp 1.00 0.2Tp

2.00 TL 3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

Período (T)

Figura 1: espectro para suelos S1

107

ESTRUCTURAS

CHILE Suelo

ECUADOR Y COLOMBIA

Descripción

Vs (m/s) Suelo

Descripción

Vs (m/s)

COSTA RICA Suelo

USA

Descripción

Vs (m/s)

Suelo

Descripción

Vs (m/s)

Roca dura

≥ 1500

≥ 760

Roca

760 - 1500

Roca, suelo cementado

≥ 900

Roca competente

≥ 1500

Roca blanda o fracturada, suelo muy denso o muy firme

≥ 500

Roca rigidez media

760 - 1500

Roca o suelo rígido

Suelo denso o firme

≥ 350

Suelo muy denso o roca blanda

360 - 760

Suelo medianamente denso o rígido

350 - 760

Suelo muy denso o roca blanda

360 - 760

180 - 350

Suelo blando

180 - 360

< 180

Suelo arcilloso blando

Suelos especiales

Suelo medianamente denso o firme

≥ 180

Suelo rígidos

180 - 360

6 - 12 m de arcilla suave a medianamente rígida 0>6m suelo no cohesivo de poca o media densidad

Suelo de compacidad o consistencia mediana

< 180

Cumpla con

< 180

> 12 m de arcilla suave

Suelos especiales

< 180

Cuadro A: cuadro comparativo de clasificación de suelo de Normas Sísmicas Esta clasificación se basa en la velocidad de onda de corte Vs especificada en cada norma. Referirse a las normas para requerimientos adicionales de N número de golpes de ensayo de penetración estándar y su capacidad al corte no drenada .

Desplazamientos esperados

45.000

NTE 030 2016

Desplazamiento (cm)

40.000

NTE 030 2003

Desplazamiento (cm)

35.000 30.000 25.000 20.000 15.000 10.000 5.000 0.000

Período (s) 0

T seg

Sd ASCE

Sd Colombia

Sd Perú

Sd Chile

Figura 2: espectro de desplazamiento de la Norma 030

Figura 3: comparativo de espectros de desplazamiento (Angulo y Azañedo, 2013)

Como se muestra en la Figura.3, tomada de la tesis de Angulo y Azañedo, las normas colombianas y chilenas muestran un límite de desplazamiento entre los 2 y 3 segundos, en tanto que en la anterior norma peruana y el ASCE los

desplazamientos continúan aumentando conforme aumenta el período. La norma ecuatoriana también limita a un TL de 2,4 segundos. Lo que ha hecho la última norma es ponerse en concordancia a los sismos de la región.

108

NORMA SÍSMICA E-030-2016: COMPARATIVO CON OTRAS NORMAS

CAPÍTULO 3: CATEGORÍA, SISTEMA ESTRUCTURAL Y REGULARIDAD DE LAS EDIFICACIONES

Como hasta el momento no se tiene una norma específica para aislamiento sísmico, como en Chile, por ejemplo, que tiene la Norma NCh 2745 -2013, en el Perú se especifica utilizar lo normado en el código americano ASCE 7-101.

CATEGORÍA Y FACTOR DE USO La Norma ha subdividido la categoría y ha incorporado a las edificaciones públicas y privadas del sector salud de segundo y tercer nivel, esto según una subcategoría especial que requiere el uso de aislamiento sísmico del Ministerio de Salud. Esto reemplaza al anexo 3 incorporado en la anterior norma. Las normas latinoamericanas y la americana no especifican explícitamente que este tipo de edificaciones deban aislarse.

CATEGORÍA

La norma peruana menciona una categoría no considerada en las otras, que son las edificaciones temporales, y las describe como «Construcciones provisionales para depósitos, casetas y otras similares», dando libertad al proyectista para dar a su criterio la resistencia y rigidez. No está muy claro qué se entiende por provisional o temporal, cuánto tiempo puede ser una construcción considerada como temporal y si esto clasifica a estructuras livianas u otro tipo de estructuras.

DESCRIPCIÓN

FACTOR U

A1: Establecimientos de salud del Sector Salud (públicos y privados) del segundo y tercer nivel, según lo normado por el Ministerio de Salud.

Ver nota 1

A2: Edificaciones esenciales cuya función no debería interrumpirse inmediatamente después de que ocurra un sismo severo tales como: - Establecimientos de salud no comprendidos en la categoría A1. A Edificaciones - Puertos, aeropuertos, locales municipales, centrales de Comunicaciones. Estaciones de bomberos, cuarteles de las fuerzas armadas y policía. Esenciales - Instalaciones de generación y transformación de electricidad, reservorios y plantas de tratamiento de agua.

1,5

Todas aquellas edificaciones que puedan servir de refugio después de un desastre, tales como instituciones educativas, institutos superiores tecnológicos y universidades. Se incluyen edificaciones cuyo colapso puede representar un riesgo adicional, tales como grandes hornos, fábricas y depósitos de materiales inflamables o tóxicos. Edificios que almacenen archivos e información esencial del Estado. Edificaciones donde se reúnen gran cantidad de personas, tales como cines, teatros, estadios, B Edificaciones coliseos, centros comerciales, terminales de pasajeros, establecimientos penitenciarios, o que guardan Importantes patrimonios valiosos como museos y bibliotecas. También se considerarán depósitos de granos y otros almacenes importantes para el abastecimiento.

1,3

C Edificaciones Edificaciones comunes tales como viviendas, oficinas, hoteles, restaurantes, depósitos e instalaciones Comunes industriales cuya falla no acarree peligros adicionales de incendios o fugas de contaminantes.

1,0

D Edificaciones Construcciones provisionales para depósitos, casetas y otras similares. Temporales

Ver nota 2

Nota 1: Las nuevas edificaciones de categoría A1 tendrán aislamiento sísmico en la base cuando se encuentren en las zonas sísmicas 4 y 3. En las zonas sísmicas 1 y 2, la entidad responsable podrá decidir si usa o no aislamiento sísmico. Si no se lo utiliza aislamiento sísmico en las zonas sísmicas 1 y 2, el valor de U será, como mínimo, 1,5. Nota 2: En estas edificaciones deberá proveerse resistencia y rigidez adecuadas para acciones laterales, a criterio del proyectista.

Tabla 5: categoría de las edificaciones y factor “U”

SISTEMAS ESTRUCTURALES Se ha mejorado la redacción de este ítem, en el que se describen los requerimientos para las Estructuras de Concreto, Acero, Albañilería, Madera y Tierra. En el

caso de las Estructuras de Concreto se encuentran los Pórticos, los Muros Estructurales, el Sistema Dual y las Edificaciones de Muros de Ductilidad Limitada (EML). Se limita este último a un máximo de ocho pisos.

1 El código ASCE 7 está en revisión y su versión 2016 próxima a salir.

109

ESTRUCTURAS

Esto es similar en los otros reglamentos revisados excepto los EML que solo el reglamento ecuatoriano lo menciona, limitándola a cuatro pisos y con un valor de R (Coeficiente Básico de Reducción de Fuerzas Sísmicas) de 3, en tanto el nuestro lo especifica en 4. Para las Estructuras de Acero se ha incorporado la definición de los sistemas Pórticos Especiales Resistentes a Momento (SMF), Pórticos Intermedios Resistentes a Momentos (IMF), Pórticos Ordinarios Resistentes a Momentos (OMF), Pórticos Especiales Concéntricamente Arriostrados (SCBF), Pórticos Ordinarios Concéntricamente Arriostrados (OCBF) y Pórticos Excéntricamente Arriostrados (EBF), diferenciando estas estructuras en los valores de R, algo que no lo tenía el antiguo código. Según la Categoría de la Edificación y la Zona sísmica donde se encuentra, la norma E-030 específica, en la tabla 6 el sistema estructural que se puede emplear, y en la tabla 7 los coeficientes básicos de Reducción R0. Esto es similar en los demás códigos, sin embargo cada uno tiene diferentes coeficientes de reducción. En el cuadro B se comparan los coeficientes de reducción que usan los distingos códigos. El de Costa Rica no emplea un factor de reducción R, sin embargo sí uno de sobrerresistencia (SR) y una ductilidad global (µ) asignada en ambos sentidos, que depende del sistema estructural, de la regularidad de la estructura y de la ductilidad local; para estructuras en voladizo, por ejemplo, µ varía de 1 a 1.5, las

CATEGORÍA DE LA EDIFICACIÓN A1

A2 (*)

El cuadro B muestra que nuestro código E-030 considera valores más altos de R, especialmente en el caso de estructuras de acero; el código menciona que «estos coeficientes se aplicarán únicamente a estructuras en las que los elementos verticales y horizontales permitan la disipación de la energía», sin embargo no dice ni especifica qué hacer para disipar la energía para llegar a esos valores o qué valor de R usar si las estructuras no pueden desarrollar tal disipación. Es por eso que otras normas tienen más rango de valores de R, que abarcan otros casos. El caso más común en el medio es usar erróneamente el valor de R más alto, 9.5 para pórticos a momento de acero, y emplear sin embargo conexiones que no disipan la energía adecuadamente. Esto está normado en el AISC, por ejemplo usando conexiones precalificadas, que han sido ensayadas para asegurar un comportamiento dúctil. Por ello, en el caso de las estructuras industriales; el AISC da valores de R de alrededor 2.5; Chile tiene una norma específica para naves industriales y el valor de R no supera 4, castigando incluso más la fuerza sísmica para naves mayores a 30 m de luz aumentando la fuerza sísmica al doble, lo que en la práctica resulta en reducir R a 2. Estos valores deberían ser revisados en una nueva versión de la norma o dar una adenda al respecto.

ZONA

SISTEMA ESTRUCTURAL

4y3

Aislamiento Sísmico con cualquier sistema estructural.

2y1

Estructuras de acero tipo SCBF, OCBF y EBF. Estructuras de concreto: Sistema Dual, Muros de Concreto Armado. Albañilería Armada o Confinada.

4, 3 y 2

Estructuras de acero tipo SCBF, OCBF y EBF. Estructuras de concreto: Sistema Dual,Muros de Concreto Armado. Albañilería Armada o Confinada.

1 B

estructuras con muros de 1.5 a 3, los pórticos de 2 a 6 y los duales de 2 a 4, mientras que SR es 2 para estructuras de pórticos, duales y muros y de 1.2 para voladizos.

4, 3 y 2

Cualquier sistema. Estructuras de acero tipo SMF, IMF, SCBF, OCBF y EBF. Estructuras de concreto: Pórticos, Sistema Dual, Muros de Concreto Armado. Albañilería Armada o Confinada. Estructuras de madera.

Cualquier sistema.

4, 3, 2 y 1

Cualquier sistema.

(*) Para pequeñas construcciones rurales, como escuelas y postas médicas, se podrá usar materiales tradicionales siguiendo las recomendaciones de las normas correspondientes a dichos materiales.

Tabla 6: categoría y sistema estructural de las edificaciones

110

NORMA SÍSMICA E-030-2016: COMPARATIVO CON OTRAS NORMAS

SISTEMA ESTRUCTURAL2

PERÚ3

ECUADOR

CHILE

COLOMBIA4

USA5

Acero: Pórticos Especiales Resistentes a Momentos (SMF)

Pórticos Intermedios Resistentes a Momentos (IMF)

4.5

Pórticos Ordinarios Resistentes a Momentos (OMF)

3.5

Pórticos Especiales Concéntricamente Arriostrados (SCBF)

5.5

Pórticos Ordinarios Concéntricamente Arriostrados (OCBF)

3.5

3.25

Pórticos Excéntricamente Arriostrados (EBF)

Pórticos

Duales

De muros estructurales

Concreto Armado:

Muros de ductilidad limitada Albañilería Armada o Confinada Mampostería no reforzada, limitada a un piso Madera

No permitido

4,3

3.5,2

1 5.5

Cuadro B: factores de reducción

REGULARIDAD ESTRUCTURAL La Norma Peruana introduce en este ítem el concepto de irregularidad torsional extrema, modifica el valor de la irregularidad torsional de la norma anterior y actualiza la forma de considerar el coeficiente de reducción, reduciendo el factor de R0 de acuerdo a la Irregularidad Estructural en Planta Ip y la Irregularidad Estructural en Altura (tablas 8 y 9 de la Norma), siendo el valor de R que se use para calcular la fuerza sísmica o el espectro:

R = Ro I a I p

Asimismo, de acuerdo a la Categoría de la Edificación y la Zona donde se desarrolla el proyecto, la norma da limitaciones sobre la irregularidad permitida de los edificios (ver la tabla 10). Un concepto importante es que la nueva norma no permite los Sistemas de Transferencia8 en las zonas 4, 3 y 2, en las que más del 25 % de las fuerzas verticales o sísmicas sean soportados por elementos verticales no continuos hasta la cimentación. En la actualidad muchas edificaciones se han construido con este sistema, que a partir de esta norma está prohibido.

2 El Sistema Estructural presentado en el cuadro toma como base lo indicado por la norma E-030. 3 Coeficiente Básico de Reducción. Ro. Estos coeficientes se aplicarán únicamente a estructuras en las que los elementos verticales y horizontales permitan la disipación de la energía manteniendo la estabilidad de la estructura. No se aplican a estructuras tipo péndulo invertido. Para construcciones de tierra hay que remitirse a la Norma E.080 «Adobe» del RNE. Este tipo de construcciones no se recomienda en suelos S3 ni se permite en suelos S4. 4 Ver Tabla A.3.1 de Norma Colombiana para mayores alternativas de estructuración. 5 Ver Tabla 12.2-1 del ASCE 7-10 para mayores alternativas de estructuración. 6 Limitado a dos pisos de mampostería confinada o reforzada, concreto armado limitado a cuatro pisos. 7 Esfuerzos admisibles. 8 Los Sistemas de Transferencia son estructuras de losas y vigas que transmiten las fuerzas y momentos desde elementos verticales discontinuos hacia otros del piso inferior.

111

ESTRUCTURAS

IRREGULARIDAD Irregularidad de Rigidez – Piso Blando Existe irregularidad de rigidez cuando, en cualquiera de las direcciones de análisis, la distorsión de entrepiso (deriva) es mayor que 1,4 veces el correspondiente valor en el entrepiso inmediato superior, o es mayor que 1,25 veces el promedio de las distorsiones de entrepiso en los tres niveles superiores adyacentes. La distorsión de entrepiso se calculará como el promedio de las distorsiones en los extremos del entrepiso.

FACTOR DE IRREGULARIDAD Ia

0,75

Irregularidad de Resistencia – Piso Débil Existe irregularidad de resistencia cuando, en cualquiera de las direcciones de análisis, la resistencia de un entrepiso frente a fuerzas cortantes es inferior al 80 % de la resistencia del entrepiso inmediato superior. Irregularidad Extrema de Rigidez (Ver Tabla Nº 10) Se considera que existe irregularidad extrema en la rigidez cuando, en cualquiera de las direcciones de análisis, la distorsión de entrepiso (deriva) es mayor que 1,6 veces el correspondiente valor del entrepiso inmediato superior, o es mayor que 1,4 veces el promedio de las distorsiones de entrepiso en los tres niveles superiores adyacentes. La distorsión de entrepiso se calculará como el promedio de las distorsiones en los extremos del entrepiso.

0,50

Irregularidad Extrema de Resistencia (Ver Tabla Nº 10) Existe irregularidad extrema de resistencia cuando, en cualquiera de las direcciones de análisis, la resistencia de un entrepiso frente a fuerzas cortantes es inferior a 65 % de la resistencia del entrepiso inmediato superior. Irregularidad de Masa o Peso Se tiene irregularidad de masa (o peso) cuando el peso de un piso, determinado según el numeral 4.3, es mayor que 1,5 veces el peso de un piso adyacente. Este criterio no se aplica en azoteas ni en sótanos.

0,90

Irregularidad Geométrica Vertical La configuración es irregular cuando, en cualquiera de las direcciones de análisis, la dimensión en planta de la estructura resistente a cargas laterales es 1,3 veces mayor que 1,3 veces la correspondiente dimensión en un piso adyacente. Este criterio no se aplica en azoteas ni en sótanos.

0,90

Discontinuidad en los Sistemas Resistentes Se califica a la estructura como irregular cuando en cualquier elemento que resista más de 10 % de la fuerza cortante se tiene un desalineamiento vertical, tanto por un cambio de orientación, como por un desplazamiento del eje de magnitud mayor que 25 % de la correspondiente dimensión del elemento.

0,80

Discontinuidad extrema de los Sistemas Resistentes (Ver Tabla Nº 10) Existe discontinuidad extrema cuando la fuerza cortante que resisten los elementos discontinuos, según se describen en el ítem anterior, supere el 25 % de la fuerza cortante total.

0,60

Tabla 8: irregularidad estructural en altura

112

NORMA SÍSMICA E-030-2016: COMPARATIVO CON OTRAS NORMAS

IRREGULARIDAD

FACTOR DE IRREGULARIDAD IP

Irregularidad Torsional Existe irregularidad torsional cuando, en cualquiera de las direcciones de análisis, el máximo desplazamiento relativo de entrepiso en un extremo del edificio, calculado incluyendo excentricidad accidental (∆MAX), es mayor que 1,2 veces el desplazamiento relativo del centro de masas del mismo entrepiso para la misma condición de carga (∆CM). Este criterio sólo se aplica en edificios con diafragmas rígidos y sólo si el máximo desplazamiento relativo de entrepiso es mayor que 50 % del desplazamiento permisible indicado en la Tabla Nº 11.

0,75

Irregularidad Torsional Extrema (Ver Tabla Nº 10) Existe irregularidad torsional extrema cuando, en cualquiera de las direcciones de análisis, el máximo desplazamiento relativo de entrepiso en un extremo del edificio, calculado incluyendo la excentricidad accidental (∆MAX), es 1,5 veces mayor que el desplazamiento relativo del centro de masas del mismo entrepiso para la misma condición de carga (∆CM). Este criterio solo se aplica a edificios con diafragmas rígidos y únicamente si el máximo desplazamiento relativo de entrepiso es mayor que 50 % del desplazamiento permisible indicado en la tabla 11.

0,60

Esquinas Entrantes La estructura se califica como irregular cuando tiene esquinas entrantes cuyas dimensiones en ambas direcciones son mayores que el 20 % de la correspondiente dimensión total en planta.

0,90

Discontinuidad del Diafragma La estructura se califica como irregular cuando los diafragmas tienen discontinuidades abruptas o variaciones importantes en rigidez, incluyendo aberturas mayores al 50 % del área bruta del diafragma. También existe irregularidad cuando, en cualquiera de los pisos y para cualquiera de las direcciones de análisis, se tiene alguna sección transversal del diafragma con un área neta resistente menor que 25 % del área de la sección transversal total de la misma dirección calculada con las dimensiones totales de la planta.

0,85

Sistemas no Paralelos Se considera que existe irregularidad cuando en cualquiera de las direcciones de análisis los elementos resistentes a fuerzas laterales no son paralelos. No se aplica si los ejes de los pórticos o muros forman ángulos menores a 30° ni cuando los elementos no paralelos resisten menos del 10 % de la fuerza cortante del piso.

0,90

Tabla 9: irregularidad estructural en planta

Categoría de la Edificación A1 y A2 B

Zona 4, 3 y 2

No se permiten Irregularidades

No se permiten Irregularidades extremas

4, 3 y 2

No se permiten Irregularidades extremas

1 4y3

Restricciones

Sin restricciones No se permiten Irregularidades extremas

No se permiten Irregularidades extremas, Excepto en edificios de hasta 2 pisos u 8 m de altura total

Sin restricciones

Tabla 10: categoría y regularidad de las edificaciones

113

ESTRUCTURAS

Las otras normas tratan también estos conceptos aunque con algunas variantes y omisiones, como se aprecia en la siguiente tabla: IRREGULARIDAD NORMA (Procedencia) Perú Ecuador Chile Torsional

Costa Rica

Denominan Irregularidad moderada a si no se cumple que la excentricidad del CR al CM sea >5 % de la dimensión en planta o si la proyección en un plano horizontal de los CM de todos los niveles no está circunscrita en un rectángulo de dimensiones iguales al 10 % de las máximas dimensiones del edificio en cada dirección

Ecuador Chile

No hay mención No hay mención, el ingeniero debe considerarlo según comentarios de la norma 1,4 veces la deriva promedio de los dos extremos del mismo eje

Costa Rica

Denominan Irregularidad grave a cuando, de manera adicional a lo especificado para Irregularidad moderada, se presenta que: a) La estructura no ofrece resistencia en al menos dos ejes diferentes en cada dirección ortogonal b) La rigidez de un piso es menor al 60 % del superior o su capacidad al corte es menor al 80 % del superior c) Cuando en cualquier nivel la excentricidad en cualquier dirección excede el 25 %

Usa (ASCE 7)

1,4 veces la deriva promedio de los dos extremos del mismo eje

Perú

Dimensión >20 % de la correspondiente dimensión total

Ecuador

Dimensión >15 % de la correspondiente dimensión total

Chile

No hay mención, el ingeniero debe considerarlo según comentarios de la norma

Colombia

Dimensión >15 % de la correspondiente dimensión total

Costa Rica

Incluida en la definición de Irregularidad moderada

Usa (ASCE 7)

Dimensión >15 % de la correspondiente dimensión total

Perú

Discontinuidades abruptas, variaciones de rigidez, aberturas >50 % del área del diafragma o área neta de sección transversal de diafragma < 25 % del área total

Ecuador

Discontinuidades abruptas, variaciones de rigidez, aberturas >50 % del área del diafragma, cambios en la rigidez del plano >50 % entre niveles consecutivos

Chile

No hay mención, el ingeniero debe considerarlo según comentarios de la norma

Colombia

Aberturas >50 % del área del diafragma Desplazamiento de los planos de corte entre un piso y el siguiente

Costa Rica

Incluida en la definición de Irregularidad moderada

Usa (ASCE 7) Perú Ecuador Chile

Discontinuidades abruptas, variaciones de rigidez, aberturas >50 % del área del diafragma, cambios en la rigidez del plano >50 % entre niveles consecutivos Desplazamiento de los planos de corte entre un piso y el siguiente Irregular si hay elementos resistentes no paralelos al eje principal. El ángulo debe ser >30° y los elementos no paralelos deben tomar más del 10% de la fuerza sísmica Irregular si hay elementos resistentes no paralelos al eje principal No hay mención, el ingeniero debe considerarlo según comentarios de la norma

Colombia

Irregular si hay elementos resistentes no paralelos al eje principal

Costa Rica

No hay mención

Usa (ASCE 7)

114

1,2 veces la deriva promedio de los dos extremos del mismo eje 1,5 veces el desplazamiento relativo de un extremo respecto del CM

Colombia Torsional extrema

Sistemas no Paralelos

No hay mención, el ingeniero debe considerarlo según comentarios a la norma 1,2 veces la deriva promedio de los dos extremos del mismo eje

Perú

Discontinuidad del Diafragma

1,2 veces la deriva promedio de los dos extremos del mismo eje

Colombia

Usa (ASCE 7)

Esquinas Entrantes

DESCRIPCIÓN 1,2 veces desplazamiento relativo de un extremo respecto del CM

Irregular si hay elementos resistentes no paralelos al eje principal

NORMA SÍSMICA E-030-2016: COMPARATIVO CON OTRAS NORMAS

IRREGULARIDAD NORMA (Procedencia) Perú Ecuador Chile Piso Blando / Piso Débil

Denominan Irregularidad moderada si hay elementos verticales discontinuos en cualquier nivel, si alguno de los diafragmas, salvo el del techo, no es rígido y si la capacidad en cortante de un piso es menor que la del piso superior

Usa (ASCE 7)

Si la rigidez lateral es <70 % del piso superior o <80 % del promedio de los tres niveles superiores Si la resistencia lateral es menor del 80 % del piso superior

Ecuador Chile

No hay mención No hay mención, el ingeniero debe considerarlo según comentarios de la norma Si la rigidez lateral es <60 % del piso superior o <70 % del promedio de los tres niveles superiores Si la rigidez lateral es <65 %

Costa Rica

Ver Irregularidad grave más arriba

Chile

Si la rigidez lateral es <60 % del piso superior o <70 % del promedio de los tres niveles superiores Si la resistencia lateral es menor al 65 % del piso superior Si el peso de un piso, excepto la azotea y el sótano, es >1,5 que el piso adyacente Si el peso de un piso, excepto la azotea, es >1,5 que el piso adyacente No hay mención, el ingeniero debe considerarlo según comentarios de la norma

Colombia

Si el peso de un piso es >1,5 que el piso adyacente

Costa Rica

No hay mención

Usa (ASCE 7)

Si el peso de un piso, excepto la azotea, es >1,5 que el piso adyacente

Perú

Si la dimensión en planta es >1.3 la del piso adyacente

Ecuador

Si la dimensión en planta es >1.3 la del piso adyacente

Chile

No hay mención, el ingeniero debe considerarlo según comentarios de la norma

Colombia

Si la dimensión en planta es >1.3 la del piso adyacente

Costa Rica

No hay mención

Usa (ASCE 7) Perú Ecuador Chile

Si la dimensión en planta es >1.3 la del piso adyacente Si cualquier elemento que resista más del 10 % de la fuerza cortante tiene desalineamiento vertical >25 % de la correspondiente dimensión del elemento No hay mención No hay mención, el ingeniero debe considerarlo según comentarios de la norma

Colombia

No hay mención

Costa Rica

No hay mención

Usa (ASCE 7) Perú Discontinuidad Extrema en los Sistemas Resistentes

Si la deriva es >1,6 del piso superior o >1,4 del promedio de los tres niveles superiores Si la resistencia del piso a cortante es <65 % del superior

Colombia

Ecuador

Discontinuidad en los Sistemas Resistentes

No hay mención, el ingeniero debe considerarlo según comentarios de la norma

Costa Rica

Perú

Irregularidad Geométrica Vertical

Si la rigidez lateral es <70 % del piso superior o <80 % del promedio de los tres niveles superiores Si la rigidez lateral está entre el 60 % y el 70 % del piso superior o entre el 70 % y el 80 % del promedio de los tres niveles superiores Si la resistencia está entre el 65 % y el 80 % del piso superior

Usa (ASCE 7)

Irregularidad de masa o peso

Si la deriva es >1,4 del piso superior o >1,25 del promedio de los tres niveles superiores Si la resistencia del piso a cortante es <80 % del superior

Colombia

Perú Irregularidad Extrema de Rigidez y de Resistencia

DESCRIPCIÓN

Ecuador Chile

Si hay desalineamiento en el elemento vertical Si cualquier elemento que resista más del 25 % de la fuerza cortante tiene desalineamiento vertical >25 % de la correspondiente dimensión del elemento No hay mención No hay mención, el ingeniero debe considerarlo según comentarios de la norma

Colombia

No hay mención

Costa Rica

No hay mención

Usa (ASCE 7)

No hay mención

115

ESTRUCTURAS

CAPÍTULO 4: ANÁLISIS ESTRUCTURAL PROCEDIMIENTOS DE ANÁLISIS SÍSMICOS Tanto la norma peruana como los otros códigos permiten el análisis estático o de fuerzas estáticas

equivalentes bajo ciertas condiciones de estructuras regulares, y el análisis modal espectral o de tiempohistoria para regulares e irregulares. En el siguiente cuadro se muestra las variaciones entre ellas.

ANALISIS ESTÁTICO O FUERZA HORIZONTAL EQUIVALENTE Perú Ecuador Chile

Edificios regulares e Irregulares zona 1. Regulares no mayores a 30 m de alto y albañilería no más de 15 m. Edificios Regulares Diseño basado en Fuerzas. Estructuras normales. Edificios Cat I, II con Zona 19. No más de cinco pisos o 20 m.

Colombia

Regulares e Irregulares, toda edificación en baja sismicidad o solo comunes en sismicidad intermedia, de veinte pisos o 60 m y de seis pisos o 18 m para irregulares.

Costa Rica

Edificios regulares en altura y planta con no más de cinco pisos ni altura mayor a 20 m.

USA (ASCE 7-10)

Es permitido para: Toda estructura categoría B o C10 Para edificios no mayores a dos pisos en categorías D, E y F y Categoría de Riesgo I o II Estructuras ligeras Estructuras sin ninguna irregularidad estructural y no mayores a 48 m Estructuras mayores a 48 m, regulares y con períodos T<3.5 Ts. Estructuras no mayores a 48 m que tienen un solo tipo de irregularidad horizontal (esquina reentrante, diafragma discontinuo, irregularidad fuera del plano, Sistema no paralelo) o vertical (discontinuo en el plano vertical, discontinuo en la rigidez lateral). ANALISIS MODAL ESPECTRAL

Perú Ecuador

Cualquier tipo de estructura. Estructuras esenciales, de ocupación especial, otras estructuras de Diseño No lineal. (Diseño basado en fuerzas).

Chile

Aplicable a estructuras con modos normales de vibración clásicos.

Colombia

Edificaciones a las que no se les puede realizar el Análisis Estático.

Costa Rica

Cualquier edificación.

USA (ASCE 7-10)

Permitido para todo tipo de estructura en cualquier tipo de Riesgo y Ocupación. ANALISIS TIEMPO-HISTORIA

Perú Ecuador Chile

Análisis complementario al Análisis Estático o Modal Espectral. Mínimo tres conjuntos de registros. Cada uno con componentes horizontales ortogonales. Se podrán usar registros simulados. Estructuras esenciales, de ocupación especial, otras estructuras de Diseño No lineal para suelos tipo F. (Diseño basado en fuerzas). No especifica.

Colombia

Edificaciones que no se pueden realizar el Análisis Estático.

Costa Rica

Método alternativo para verificar o modificar. Análisis no lineal. En cada dirección ortogonal horizontal utilizar tres acelerogramas. Pueden ser registros reales o generados. Para edificios regulares se permite realizar análisis en dos dimensiones.

USA (ASCE 7-10)

Permitido para todo tipo de estructura en cualquier tipo de Riesgo y Ocupación.

9 La Zona 1 es la de menor riesgo sísmico; las Edificaciones de Categoría I y II son agrícolas, temporales, de almacenamiento menores y edificaciones comunes. 10 Ver el anexo I para la definición de Categoría de Diseño Sísmico y de Riesgo según ASCE 7-10

116

NORMA SÍSMICA E-030-2016: COMPARATIVO CON OTRAS NORMAS

MODELO ESTRUCTURAL PARA EL ANÁLISIS

Perú

Ecuador Chile

Distribución espacial de masas y rigideces Se consideran las inercias brutas, ignorando la fisuración y el refuerzo En pisos con diafragma rígido se consideran tres grados de libertad (dos horizontales y uno rotacional) En edificios con muros de corte se debe tomar en cuenta la interacción entre muros en direcciones perpendiculares (muros H, T y L) Distribución espacial de masas y rigideces Uso de secciones agrietadas para Inercia de elementos Los diafragmas rígidos deben verificarse o considerar su flexibilidad

Colombia

Modelo linealmente elástico para Método de la fuerza horizontal equivalente, incluyendo efecto de diafragma rígido o flexible Para métodos dinámicos el modelo debe describir la distribución espacial de la masa según sea diafragma rígido o flexible y el grado de irregularidad Considerar, en ambos casos a juicio del ingeniero, el grado de fisuración de los elementos compatible con las fuerzas sísmicas y el grado de capacidad de disipación de energía

Costa Rica

Para edificios con diafragma rígido regulares en planta pueden usarse modelos bidimensionales con un grado de libertad por nivel. En estructuras irregulares en planta los modelos serán tridimensionales con dos traslacionales horizontales de su centro de masa y uno rotacional El modelo puede obviar los efectos de segundo orden por las cargas gravitacionales (efecto P-∆) Las secciones geométricas toman en cuenta el pandeo local y el agrietamiento

USA (ASCE 7-10)

El modelo debe incluir los elementos significativos para la distribución de las fuerzas y deformaciones. Considera secciones fisuradas. Estructuras con irregularidades deben utilizar modelos en tres dimensiones

Adicionalmente a lo indicado, la Norma de Costa Rica permite el método de capacidad espectral, y la Norma ecuatoriana, en tanto, admite para edificaciones esenciales y especiales, que no sean regulares el análisis pseudo dinámico,(lineal equivalente ) mediante el diseño basado en desplazamientos. En lo que respecta al modelo estructural, los códigos establecen algunas consideraciones mínimas que son similares; la mayoría considera el uso de secciones fisuradas o agrietadas para el análisis:

En los criterios de combinación la actual norma E-030 da preferencia a la combinación cuadrática completa (CQC), y alternativamente se podrá calcular con la suma del 25 % de los valores absolutos y el 75 % de la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados, a diferencia de la anterior norma de 2006 en la que, se daba primero está última y alternativamente la combinación cuadrática completa (CQC). En Chile se especifica la CQC; en Colombia no se da preferencia alguna; en Costa Rica, para estructuras regulares la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados (SRSS) y la CQC para estructuras irregulares; la norma americana da también libertad, pudiendo ser la SRSS, CQC o una variación de la CQC de acuerdo al ASCE 4 (CQC-4).

117

ESTRUCTURAS

FUERZA CORTANTE El cálculo de la Fuerza Cortante en la Base dependiendo de la dirección está basado en la ubicación, el uso, el tipo de suelo y el tipo de estructura que se refleja en el valor del coeficiente de reducción

Con C/R ≥ 0.125

ZUSC P R

Siendo C el factor de amplificación que depende del periodo de la estructura T y del suelo y periodos del suelo TP y TL.

T<TP

T P < T < TL

T > TL

C=2.5

C= 2.5 (TP / T) L C=2.5�TPT � T2

En los otros países la determinación del cortante basal es similar, como vemos a continuación:

En Ecuador:

Donde:

V= ISa (Ta) W RφP φE

Sa(Ta)

Espectro de diseño

Factor de Importancia

φP y φE Coeficientes por configuración de Planta y Elevación

Factor de reducción Carga reactiva por sismo (Peso a considerar para carga sísmica)

En Chile:

Donde:

n, T’, S A 0 R T* P

2.75SAo� T’�n C= gR T*

Dependen del Suelo Aceleración depende de la zonificación sísmica Factor de reducción Período depende de la estructura Peso de la edificación para efectos sísmicos

En Costa Rica:

Donde:

aef I FED SR W

V= CW

aefIFED SR

Aceleración de acuerdo a la zona sísmica Factor de Importancia Factor espectral dinámico depende de la zona sísmica, la norma presenta gráficos en función de la ductilidad  y del período de la estructura Factor de sobrerresistencia (2 para pórticos, estructuras duales y muros, 1.2 para voladizos y otros) Peso de la edificación para efectos sísmicos

En USA:

Donde:

SDS

R Ie W

118

V= CIP

V= CSW

S CS= DS � R� Ie

Respuesta de diseño espectral para rango de período corto Factor de reducción Factor de Importancia Peso de la edificación para efectos sísmicos

NORMA SÍSMICA E-030-2016: COMPARATIVO CON OTRAS NORMAS

CAPÍTULO 5: REQUISITOS DE RIGIDEZ, RESISTENCIA Y DUCTILIDAD DESPLAZAMIENTOS LATERALES Y DERIVAS Los desplazamientos laterales refieren a los desplazamientos de entrepiso, incluyendo los efectos de torsión y las derivas o distorsión, que como se define en la norma E-030, es el desplazamiento de un entrepiso entre la altura de ese entrepiso. La Norma E-030 establece que los desplazamientos laterales se calcularán multiplicando los resultados obtenidos del análisis lineal y elástico por 0.75 R para regulares y por R las irregulares, no siendo considerados los valores mínimos de C/R ni el cortante mínimo para el cálculo de los desplazamientos (a diferencia de la versión anterior, en la que para regulares e irregulares se multiplicaba por 0.75 R). La Norma Ecuatoriana establece que se realizará un control de deformaciones con las deformaciones inelásticas máximas de piso utilizando secciones agrietadas, incluyendo los efectos de segundo orden P-∆. La deriva máxima será de 0.75 la deriva elástica. La Norma Chilena especifica que el desplazamiento lateral debe ser calculado con el espectro de desplazamiento (Sde) multiplicado por el período (Tag) del modo, con mayor masa traslacional en la dirección de análisis, considerando el agrietamiento y refuerzo.

∂u=1.3Sde Tag

En la Norma de Costa Rica el desplazamiento inelástico δi, se determina multiplicando la ductilidad µ por el factor de sobrerresistencia (SR), por el desplazamiento elástico (δie) en ese nivel y por un factor (α) de desplazamiento inelástico que varía entre 0.7 y 1 según el tipo de estructura. e

∂i=αμSRδi

En la Norma Colombiana el desplazamiento es calculado con la suma del valor absoluto de los desplazamientos del centro de masa, efectos torsionales y efecto P-∆. La Norma da expresiones para el cálculo de la deriva de cada piso en función de si es regular o irregular y de su altura. Para más referencias ver el ítem A.6.3 de la Norma ítem A.6.3. Para el cálculo de los desplazamientos ASCE7-10 utiliza un coeficiente de desplazamiento Cd, que es similar al valor de R en muchos casos, multiplicado por la deflexión elástica (δxe) y dividida entre el factor de importancia (Ie).

∂x=Cdδxe Ie

La deriva es calculada como la diferencia entre dos pisos consecutivos de los desplazamientos del centro de masa de cada nivel; en el caso de edificios con irregularidad o categoría C, D, E o F, se calcula con la mayor diferencia de las deflexiones de dos puntos alineados verticalmente de pisos consecutivos, considerando la amplificación por torsión. En el cuadro C se resumen los requerimientos de las derivas máximas de cada reglamento; se nota que nuestro código es más exigente en la deriva, pero sin embargo hay que tener presente que, a diferencia de nuestro código, la mayoría utiliza secciones agrietadas para el análisis de las estructuras. Un caso no previsto en la norma actual es el de los edificios aislados sísmicamente; no hay una restricción definida adecuadamente ya que los valores dados por la norma no son los que corresponderían a un edificio aislado. La norma chilena sí tiene una norma independiente para este tipo de estructuras. En el Perú esta norma está en trabajo y esperamos que pueda salir a la luz pronto, mientras tanto solo tenemos el criterio del ingeniero y el empleo adecuado de las normas foráneas como referencia.

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ESTRUCTURAS

MATERIAL PREDOMINANTE / ESTRUCTURA11

PERÚ12 ECUADOR

Concreto

0.007

0.02

Acero

0.010

0.02

Albañilería

0.005

0.01

Madera

0.010

0.02

Edificios de Concreto Armado con ductilidad limitada

0.005

CHILE 0.00215 0.001 h16

COLOMBIA

COSTA RICA13

0.010 0.005 17

Tipo Marco

0.0125 / 0.020

Tipo Dual

0.0125 / 0.018

Tipo Muro

0.010 / 0.010

Tipo Voladizo

0.0125 / 0.020

Tipo Otros

0.0065 / 0.010

Estructuras diferentes a muros de albañilería, de 4 pisos o menos y con particiones interiores

USA14

0.025 0.020 0.015

Muros de corte de albañilería en voladizo

0.010

Otras estructuras de muros de corte de albañilería

0.007

Todas las demás estructuras

0.020 0.015 0.010

Cuadro C: derivas máximas permitidas 11 El Material Predominante presentado en el cuadro toma como base lo indicado en la norma E-030. Otras normas, como la americana y la colombiana, toman en cuenta la categoría de edificación y el sistema estructural. 12 Los límites de la distorsión (deriva) para estructuras de uso industrial serán establecidos por el proyectista, pero en ningún caso excederán el doble de los valores de esta Tabla. 13 El valor de la izquierda corresponde a edificaciones Esenciales y riesgosas y el de la derecha a edificaciones especiales, normales y misceláneas. 14 Donde se indiquen tres valores el primero será para las categorías de riesgo I y II, el segundo para la categoría de riesgo III y el último para la categoría de riesgo IV. 15 Medido en los CM del piso. 16 Medido entre dos pisos consecutivos en cualquier punto de la planta (h es altura de entrepiso). 17 0.005 para muros de mampostería cuya falla sea por corte.

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NORMA SÍSMICA E-030-2016: COMPARATIVO CON OTRAS NORMAS

Comparativo del espectro Para tener una idea sobre las diferencias de los espectros que definen cada país se ha preparado, para un edificio regular categoría C con suelo bueno tipo S1, zona 4 con R=1, según nuestro código y en condiciones similares

para los otros códigos. Como los factores de zona varían según el país, se ha tomado la zona de mayor sismicidad. Los gráficos fueron preparados con la función response spectrum del SAP 2000 v 18.1.0.

Espectros de respuesta 1.4

Aceleración (g)

1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

Período (seg) Perú

Chile Costa Rica

Colombia ASCE 7-10

Ecuador

Conclusiones y recomendaciones 1. Se ha realizado una comparación entre las normas sísmicas de Perú, Chile, Ecuador, Colombia, Costa Rica y Estados Unidos en base a los primeros capítulos de la norma peruana E.030 de 2016. 2. Respecto al alcance de la norma se observa que no hay ninguna obligatoriedad a adecuar los edificios existentes a las nuevas normas sísmicas, salvo que sean reformados o reconstruidos. Esto aumenta el riesgo social, lo que a su vez podría tener un

gran impacto económico. Si se quisiera disminuir este riesgo, al menos se podría establecer, para los edificios esenciales y de gran afluencia pública (sean privados o estatales), a partir de una población a determinar o un número de pisos, si tuvieran más de diez años, o sea, dos códigos de antigüedad, y no hubieran sufrido ninguna rehabilitación, algún estudio de desempeño para ver la vulnerabilidad sísmica del edificio.

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ESTRUCTURAS

3. La Norma dice que su empleo es para edificaciones nuevas, lo que da lugar a interpretar que solo sirve para edificaciones y no para otro tipo de estructuras. Se sugiere que la norma especifique que la zonificación sísmica es válida y de empleo obligatorio, salvo que por la naturaleza de la estructura se desee cambiar el período de retorno, como podría ser el caso de una presa que debiera tener un periodo de diseño mayor a 475 años. 4. Los estudios de peligro sísmico que se realizan para un sitio específico no son considerados si los valores de z son menores que la del E-030. Esto debiera considerarse para próximas versiones; al menos podría reducirse a un valor no menor que el de la zona inmediatamente inferior o a un valor intermedio entre ellas. 5. Se recomienda establecer criterios para uniformizar los estudios de peligro sísmico, por ejemplo, que haya leyes de atenuación a usar. 6. La velocidad de corte en el Suelo tipo S1 de nuestra norma tiene un rango muy amplio; puede ser conveniente subdividir este rango, como se aprecia en las otras normas. 7. La actual norma ha modificado el espectro, adicionando para cada tipo de suelo los períodos TP y TL, siendo este último valor a partir del cual el desplazamiento del suelo se mantiene constante a diferencia del código anterior, en el que continuaba aumentando. 8. Se ha subdividido la categoría A, edificaciones esenciales, incorporando las edificaciones del Sector Salud de segundo y tercer nivel, en donde se requiere obligatoriamente de aislamiento sísmico. 9. En la norma peruana aparece la categoría edificaciones temporales; sería recomendable aclarar qué se entiende por temporal, hasta cuánto tiempo de uso puede considerarse temporal. 10. Se adicionaron definiciones de tipos de estructuras en acero, mas sin embargo los valores de R asignados son elevados y se indica que deben tener la ductilidad adecuada para disipar energía, pero no se especifica cómo. La Norma E-090, Estructuras metálicas, está en revisión y debe ser compatible con la norma E-030,

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pero aun así, para las estructuras que normalmente se hacen en nuestro medio, los valores de R resultan demasiado elevados, como se demuestra en la comparación que se hizo con los otros códigos. Las conexiones, en este caso, deben ser tales que logren la ductilidad que se espera para los valores de R indicados por la Norma, esto en el caso de pórticos, que al momento requieren de conexiones precalificadas. La tabla 7 del E-030 debe ser ampliada y corregida para el caso de las estructuras de acero. 11. La irregularidad en planta y elevación ha sido ampliada en el nuevo código, castigando el valor de R cuando se presenten irregularidades. También se limitan las irregularidades según la categoría de los edificios. 12. Nuestro código considera el análisis estático, dinámico modal espectral y tiempo-historia, al igual que los otros códigos. Sin embargo, la norma ecuatoriana ya especifica el diseño basado en desplazamientos para edificios esenciales y especiales. En las próximas ediciones de la norma es posible que se incluyan estos nuevos tipos de análisis. 13. Nuestro código especifica usar secciones brutas para el análisis en comparación con las otras normas que usan secciones fisuradas, sin embargo, las derivas son más restrictivas; para el análisis de desempeño sí sería necesario usar secciones fisuradas. 14. Se espera que la norma para edificios aislados complemente lo establecido por el E-030, como la deriva permitida en edificios aislados. 15. Algunas mejoras a versiones futuras de código son: a. Mejorar los requerimientos para edificaciones industriales o establecer una nueva norma. b. Incorporar o establecer una nueva norma para tsunamis. c. Ampliar y modificar los valores de R para estructuras metálicas y definirlos para otras estructuras. d. Incluir factores de sobrerresistencia, como en la norma ASCE y la de Costa Rica. e. Incluir el efecto P-∆. f. Incluir el análisis por desempeño para edificios esenciales.

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GEOLOGÍA Y GEOTECNIA

Anexos ANEXO I: Categorías de Diseño Sísmico y Riesgo según ASCE 7-10 El Código ASCE 7-10 clasifica las estructuras en Categoría de Diseño Sísmico de A a F. CATEGORÍA

DESCRIPCIÓN

Edificaciones en áreas con baja probabilidad de sismo. Sismos leves.

Edificaciones en Grupos de Ocupación ordinaria y con gran número de ocupantes, (categoría de riesgo I, II y III) que pueden soportar sismos moderados.

Edificaciones en Grupo de Ocupación ordinaria y con gran número de ocupantes (categoría de riesgo I, II y III) que pueden experimentar sismos fuertes y estructuras esenciales (categoría de riesgo IV) que pueden experimentar sismos moderados.

Edificaciones en Grupo de Ocupación ordinaria y con gran número de ocupantes (categoría de riesgo I,II y III) que pueden experimentar sismos extremos y estructuras esenciales (categoría de riesgo IV) que pueden experimentar sismos fuertes y extremos .

Edificaciones de Ocupación ordinaria y con gran número de ocupantes (categoría de riesgo I, II y III) localizados a pocos kilómetros de fallas activas mayores, capaces de producir sismos extremos donde la aceleración de respuesta espectral a 1 segundo S1 es igual o mayor a 0.75g

Estructuras esenciales (categoría de riesgo IV) situadas a pocos kilómetros de fallas activas, capaces de producir sismos extremos donde la aceleración de respuesta espectral a 1 segundo S1 es igual o mayor a 0.75g

Para la Categoría de Riesgo y Ocupación CATEGORÍA

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EDIFICACIÓN REPRESENTATIVA

RIESGO ACEPTABLE

Edificaciones normalmente sin ocupación humana ni contenido Baja probabilidad de colapso inducido por sismo. peligroso. Almacenes, edificios agrícolas.

Mayoría de edificios de ocupación ordinaria, (residencial, comercial, industrial), excepto los especificados en otras categorías.

Baja probabilidad de colapso inducido por el sismo. Daños de componentes no estructurales inducidos por el sismo pueden significar un riesgo para las personas.

III

Edificios y estructuras: Gran número de ocupantes (teatros, coliseos, edificios altos) Edificaciones tales como colegios, cárceles, algunas instalaciones de salud Instalaciones de servicios a la comunidad y bienestar Instalaciones que contengan material de riesgo si es derramado

Reducido riesgo de colapso por sismo para estructuras de Categoría de Ocupación II. Reducido riesgo de daños a elementos no estructurales impuestos por el sismo para estructuras de Categoría de Ocupación II. Bajo riesgo de derrame de materiales peligrosos.

Edificaciones y estructuras críticas que son esenciales después de un sismo, como hospitales, estaciones de policía, estaciones de bomberos, centros de comunicación de emergencia, etcétera. Almacenamiento de materiales peligrosos.

Bajo riesgo de colapso en un sismo. Bajo riesgo de que los edificios sean dañados y de que se impida su funcionamiento después de un sismo. Bajo riesgo de derrame de elementos peligrosos.

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GEOLOGÍA Y GEOTECNIA

 El factor geológico, en proyectos de obras subterráneas

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GEOLOGÍA Y GEOTECNIA

Iván Moreno Cuneo GMI Egresado de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos con el título de Ingeniero Geólogo, miembro del Colegio de Ingenieros del Perú en el capítulo de Ingeniería Geológica. Con diplomados en Diseño Geomecánico y Geomecánica Minera Superficial y Subterránea en el Instituto Intercade. Cuenta con doce años de experiencia profesional; los diez últimos ha estado participando en el diseño y la construcción de obras subterráneas en proyectos hidráulicos e hidroenergéticos en Perú y Centroamérica. Ha sido jefe de programa de Geotecnia en los principales proyectos viales del país.

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EL FACTOR GEOLÓGICO, EN PROYECTOS DE OBRAS SUBTERRÁNEAS GEOLOGÍA Y GEOTECNIA

El factor geológico, en proyectos de obras subterráneas

Resumen El diseño y la construcción de obras subterráneas siempre han significado un asunto arriesgado que no podía asumirse con el mismo grado de precisión que otras obras de ingeniería civil debido a peligros geológicos y a la falta de estudios y de instrumentos de diseño y construcción adecuados para enfrentarse a los terrenos que llamamos «difíciles».

Como consecuencia de ello, el diseño de una construcción de este tipo era simplemente una cuestión de identificar la geometría de la vía y algunos tipos de sección del túnel, mientras que los medios de excavación, la intervención para estabilizar el túnel y los materiales a usar se definían en gran medida conforme el túnel avanzaba.

Sin embargo, en los últimos años se ha progresado significativamente en el campo de los estudios geológicos, lo que sumado a la disponibilidad de potentes paquetes informáticos y, sobre todo, a la introducción de tecnologías de excavación eficientes en todo tipo de terreno, ha generado avances que han creado las condiciones para dar un paso adelante en este campo, si bien aún queda pendiente superar la ausencia de un enfoque de diseño moderno capaz de orientar al diseñador a través de las distintas etapas de diseño y construcción. Actualmente la insuficiencia de conocimiento y de medios disponibles significaba que el diseño de una obra subterránea debía ser improvisado conforme avanza el túnel.

La práctica de excavar, sostener y observar la respuesta del terreno a fin de elaborar medidas de prevención adecuadas para estabilizar un túnel en el corto y largo plazo siempre ha sido la base de la construcción de túneles; es en esta práctica en la que se han basado hasta ahora los criterios de diseño y construcción de túneles a pesar de no tener fundamentos. Esto, sin embargo, constituyó un avance significativo en su momento, mas hoy día el método resulta ser insuficiente en condiciones geotécnicas y geomecánicas muy difíciles, situación en la que no aporta soluciones que permitan que la construcción sea confiable en términos de costo y plazos.

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GEOLOGÍA Y GEOTECNIA

Introducción En los últimos años ha aumentado el número de túneles que se construyen, y al incrementarse las obras subterráneas también se incrementa el número de incidentes relacionados a «factores geológicos», que es como se denomina coloquialmente a toda situación inesperada que afecta el proceso constructivo en ambiente subterráneo.

Una de las principales diferencias que existe entre las obras subterráneas y las superficiales es que la estructura definitiva no soporta las mayores cargas o esfuerzos en su etapa de operación cuando la obra ya fue concluida, sino que es en la etapa de construcción en la que soporta las mayores cargas; esta peculiaridad es bien conocida y, sin embargo, a pesar de ello, no se la consideraba importante.

Lo cierto es que lo inesperado en realidad es más predecible de lo que se cree, y para esto el modelo geológico puede ser condicionante en los proyectos de ingeniería, incluso al extremo de hacerlo inviable. El entendimiento del terreno por donde se ha de emplazar el túnel permitirá, una vez evaluada su viabilidad, realizar una adecuada estimación de los costos, así como un planeamiento más sincero.

Este hecho obliga al diseñador a evaluar tanto la condición del macizo rocoso a lo largo de toda la traza del túnel proyectado como su interacción con el sostenimiento, así como también conocer las condiciones hidrogeológicas del terreno permitirá definir sistemas de impermeabilización previa a la excavación, estimar los requerimientos de bombeo durante la misma o, en el peor de los casos, modificar o descartar por completo el proyecto.

En cualquier proyecto que se proponga la construcción de obras subterráneas se tendrá que abordar y resolver un problema particularmente complejo, porque es mucho más difícil determinar las especificaciones de diseño de base para los trabajos subterráneos de lo que lo es para las construcciones en la superficie.

El objetivo del presente trabajo es difundir una metodología adecuada para la elaboración de los estudios previos que permita recomendar una alternativa de diseño (a veces varias) así como una estimación cercana del costo y el tiempo de construcción, pero siempre basándonos en un modelo geológico confiable.

El modelo geológico Como en cualquier otra actividad desarrollada por el hombre, el primer punto a definir es la ubicación de nuestra obra; conocer el lugar y las características del terreno en el que vamos a construir nos permite planificar mejor el trabajo. Asimismo, saber cuáles son los materiales y recursos disponibles cercanos, así como también las dificultades que se puedan presentar durante la etapa de construcción, son aspectos claves. En el caso de los túneles primero tenemos que reconocer el material predominante a ser excavado, pues no es lo mismo

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excavar en suelo que en roca, no solo por el grado de dificultad que implica uno en comparación con el otro sino también por la estabilidad y excitabilidad y por los diferentes equipos a emplear en cada caso. Del mismo modo, no representa el mismo nivel de exigencia un túnel con longitud de decenas de metros que uno de varios kilómetros; para el presente trabajo nos centraremos en túneles de entre 60 y 120 metros cuadrados de sección y longitudes superiores a los 800 metros.

EL FACTOR GEOLÓGICO, EN PROYECTOS DE OBRAS SUBTERRÁNEAS

Modelo geológico geotécnico, hidrogeológico y geomecánico Con la información obtenida se realiza el modelamiento del terreno y se elaboran diversos modelos conceptuales (geológico, hidrogeológico y geomecánico), los cuales son empleados como base para la elaboración del diseño del túnel (modelo geotécnico) mediante cruces de información; este último no se puede considerar definitivo puesto que se va calibrando conforme avanza el proyecto. El modelo geomecánico se realiza en base al modelo geológico, pero diferenciando y agrupando distintos materiales en función no solo de la litología sino también de la calidad de macizo. Igualmente, en el modelo geomecánico se diferencian cuáles van a ser las fallas o discontinuidades que se introduzcan como elementos singulares en el modelamiento o las que se van a considerar dentro de la calidad de macizo reduciendo sus parámetros. El modelo geológico y el geomecánico constituyen la base en el diseño y la construcción de túneles. Todo proyecto comienza en sus orígenes con investigaciones sobre las condiciones del terreno donde se va a llevar a cabo el túnel; los resultados de las investigaciones permitirán conocer cuál será la maquinaria o los métodos a utilizar tanto en la excavación como para el sostenimiento y ayudarán también a reducir los riesgos de encontrar futuras condiciones de incertidumbre, pues no debemos olvidar que la incertidumbre dentro de las obras subterráneas es muy grande y normalmente suele rondar aproximadamente en un 90%.

Los aspectos más importantes son la caracterización geológica y geotécnica. Dentro en la caracterización geológica están los datos básicos que debemos conocer; todos los estudios concernientes a la geología están relacionados con la caracterización geológica y sirven para definir el tipo de terreno por el cual va a discurrir el túnel. Asimismo, a través de estos estudios se logra determinar las características más relevantes del macizo circundante al túnel, pues esta será una las fases principales a la hora de entender la obra subterránea. A través de los estudios geotécnicos, por su parte, se pretende conocer el modelo geomecánico a partir del cual se diseñará y dimensionará el sostenimiento del túnel.

MODELO GEOLÓGICO El modelo geológico conjuga las investigaciones e interpretaciones geológicas realizadas y corresponde a un modelo idealizado que se propone ser una aproximación a las principales unidades litológicas, zonas de debilidad (fallas, fracturamiento elevado, etcétera), acuíferos y zonas con problemas tensionales. De acuerdo con lo anterior, para la realización del modelo geomecánico debe partirse de un modelo geológico del terreno atravesado por el túnel, como puede ser el del esquema de la figura 1.

Figura 1: esquema de perfil geológico.

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GEOLOGÍA Y GEOTECNIA

Como puede verse en el esquema de la figura anterior, además de considerar la disposición litológica más previsible se deben incluir zonificaciones según el grado de fracturación, el riesgo de existencia de acuíferos y bolsones de agua, así como identificar sectores de alta cobertura y próximos a fallas regionales donde puedan acumularse tensiones, etcétera. Por tanto, los aspectos mínimos necesarios que deben quedar resueltos en la estructura geológica son:  Identificación y distribución de las litologías a lo largo del túnel.  Orientación de las principales estructuras respecto al eje del túnel.  Tectónica:  Identificación y ubicación de pliegues.  Existencia y situación de fallas, así como espesor de panizo, indicando por tanto su frecuencia y anchura.  Fracturación con características de las fracturas (frecuencia, rugosidad, persistencia, etcétera).  Presencia de agua o de presión de agua a nivel de túnel, con zonas de posibles afluencias.

INFLUENCIA DE LA LITOLOGÍA La litología comprende el tipo de roca según su origen, que puede ser ígneo, sedimentario o metamórfico. Esta clasificación tal vez no signifique mucho para efectos de ingeniería, mas sin embargo su determinación puede inferir algunos parámetros, como la resistencia a compresión simple, la abrasividad, el tamaño de los bloques, la composición química, entre otros factores que serán confirmados con los estudios detallados en la fase de ingeniería. La litología es el factor principal a ser determinado en un modelo geológico, y dentro de la litología el parámetro más relevante es la resistencia a compresión simple, pues será a partir de este parámetro que conoceremos la rosabilidad del material a ser excavado. Con el conocimiento de la litología podremos definir el método de excavación, así como los equipos a ser empleados durante la fase de construcción.

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INFLUENCIA DE LA ESTRUCTURA GEOLÓGICA DISCONTINUIDADES Sobre las necesidades de sostenimiento de la estructura geológica, como criterios generales puede considerarse la orientación de las estructuras en sentido longitudinal y transversal a la excavación del túnel; esta condición es bien conocida por los ingenieros de túneles como posición de los estratos favorable o desfavorable y debe ser analizada de forma independiente.

FALLAS El concepto de falla es bastante difundido entre los constructores de túneles, pero sin embargo muchas veces se le denomina falla a cualquier condición desfavorable a la excavación o simplemente a un tramo difícil. Para ser exactos, dentro del modelo geológico una falla es una estructura geológica bien definida y fácilmente predecible. Las fallas son discontinuidades de primer orden y representan una ruptura del macizo rocoso con desplazamiento entre los bloques generados por la ruptura. Este proceso es generado por fuertes esfuerzos, propios de la tectónica, los cuales liberan su energía por medio de las fallas; en ocasiones esta energía no logra ser liberada totalmente y se acumula en las proximidades de las fallas, generando además tensiones residuales que deben ser determinadas e incluidas en el modelo geomecánico. Como consecuencia de este desplazamiento se genera un plano de ruptura, el cual puede tener un espesor variable que va desde centímetros hasta decenas de metros de espesor; producto del rozamiento entre los bloques desplazados se producen rellenos de falla conocidos como panizo. Las fallas, además, como producto de las tensiones liberadas, están asociadas a un intenso fracturamiento en sus proximidades, lo que genera un camino fácil de recorrer para las aguas subterráneas, por lo que estas suelen estar relacionado también a ellas.

EL FACTOR GEOLÓGICO, EN PROYECTOS DE OBRAS SUBTERRÁNEAS

SECTORIZACIÓN E INDIVIDUALIZACIÓN DE FALLAS

Relevancia del estado tensional en la estabilidad de túneles

Los parámetros del macizo a introducir en el modelo geomecánico van a depender de la relación de tamaños entre el túnel y la disposición de la fracturación y de la escala entre la disposición de las fracturas o fallas respecto al tamaño de la excavación. Se deberá considerar como una condición especial cada falla de acuerdo a sus características únicas. Los criterios para realizar esta modelización son fundamentales a la hora de establecer el dimensionado de un sostenimiento. Por tanto, para la realización del modelo geomecánico, partiendo del modelo geológico y de la disposición de las fallas o fracturas debe realizarse una zonificación o sectorización de las distintas litologías según el siguiente proceso:  Definición de fallas individualizadas.  Definición de formaciones litológicas.  Subdividir las formaciones litológicas en formaciones geomecánicas de acuerdo con los siguientes criterios:  Dirección de fracturación.  Tipo y densidad de fracturación.

ANÁLISIS TENSO-DEFORMACIONES En cuanto a los principales problemas geotécnicos, en lo que respecta al proyecto y la construcción de túneles y excavaciones subterráneas son el conocimiento del estado tensional in situ del terreno. Las cargas que actúan sobre el revestimiento del túnel dependen fundamentalmente de las tensiones in situ y de la variación que en ellas ha introducido la excavación, por lo que el conocimiento de su magnitud a lo largo de la construcción del túnel es fundamental. La naturaleza de las tensiones in situ está relacionada con la cobertura de la excavación y con la naturaleza tectónica del terreno. En muchos casos el estado tensional es fundamental para el diseño, de ahí la importancia de conocerlo; véase al respecto la figura 2.

No se requiere sostenimiento

Requiere sostenimiento en hastiales

Requiere sostenimiento en bóveda

Requiere sostenimiento en toda la galería

Figura 2: influencia de las tensiones en el sostenimiento (Ramírez et al., 2009)

El campo tensional en un punto de la corteza terrestre en un momento dado depende de una serie de fuerzas de distinto origen y carácter a las que se ve sometido en ese momento y se ha visto sometido a lo largo de toda su historia geológica el macizo rocoso. De estas fuerzas las que tienen mayor significación son las gravitacionales, las cuales se correlacionan con los esfuerzos horizontales mediante el coeficiente K =(h/v), siendo la relación más empleada la de Sheorey (2002). Para obtener cierta ayuda en la estimación del campo tensional conviene además recurrir a los elementos estructurales de la zona y a la tectónica local (presencia de fallas, cabalgamientos, plegamientos, diques…).

Efecto de la topografía

Efecto de la erosión Zona erosionada

a) Efecto de las inclusiones - diques

antes

después

Efecto de las discontinuidades

Figura 3: influencia de la geodinámica en la relación de tensiones (Ramírez et al., 2009)

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GEOLOGÍA Y GEOTECNIA

MODELO HIDROGEOLÓGICO

Efecto de la tectónica σv σh

Falla normal:

σh1 σv

σh2

σh1

σv

Falla en dirección: σh2 σv σh1 > σv Pliegue: σh2 σh1 σh1 > σv >

σv

σh

σv

σh2

Cabalgamiento o falla inversa: σh > σv

Figura 4: influencia de la tectónica en la relación de tensiones (Ramírez et al., 2009)

Se deben efectuar los estudios hidrogeológicos necesarios para conocer de una manera suficiente, para las etapas de construcción, las siguientes facetas: a) Establecimiento del nivel freático y su eventual variación estacional. b) Existencia de fuentes, manantiales, captaciones de agua, etcétera, que puedan influir en el túnel o ser influidos por este. c) Permeabilidad o transmisividad de los diferentes terrenos que pudieran ejercer su influencia en los aportes de agua al túnel durante la vida de la obra. d) Factores que influyen en la elección del drenaje o impermeabilización del túnel.

Para la medición directa de las tensiones in situ se pueden ejecutar los siguientes métodos.  Hidrofracturación.  Overcoring.  Flat Jack. Es importante realizar las estimaciones basándose en el modelo geológico y cruzar este resultado con el obtenido en las pruebas de campo antes mencionadas.

e) Influencia del eventual drenaje del túnel en la posible variación de las condiciones hidráulicas de los niveles freáticos, afloramientos o aprovechamientos. f) Posibilidad de que el túnel suponga una barrera total o parcial a las corrientes subterráneas naturales y la correspondiente variación.

Figura 5: tomografía eléctrica a lo largo de túnel

Con esta información se elabora el perfil hidrogeológico del túnel, donde se identifican los niveles freáticos y

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acuíferos presentes y su correlación con el modelo geológico teniendo en cuenta que el efecto del agua

EL FACTOR GEOLÓGICO, EN PROYECTOS DE OBRAS SUBTERRÁNEAS

en la ejecución de un túnel se resume en dos puntos principales:  Las necesidades de evacuación de agua en la zona del frente, evitando que la escorrentía de la misma pueda afectar al apoyo de los sostenimientos.  La inestabilidad del frente por presión de agua.

del acuífero produce la pérdida de los manantiales y las fuentes que existan en el terreno por encima de la cota del túnel; incluso pueden secarse pozos que se utilicen para abastecimiento o aprovechamiento, pues las aguas filtradas al túnel que se evacuan a través de él modifican las condiciones hidrológicas de la zona generando problemas ambientales y sociales.

Los mayores problemas relacionados al agua en los túneles no son los de su evacuación, sino que se dan cuando la presión de la misma en el frente puede provocar su inestabilidad. La ejecución del túnel conlleva a una depresión del acuífero, en tanto que la depresión

Otro aspecto que debe considerarse es la contaminación de los acuíferos, que puede producirse incluso durante el proceso constructivo y que tiene la mayor importancia cuando los mismos son aprovechables para consumo humano.

Investigaciones geológico-geotécnicas Lo primero que debemos tener en consideración es la magnitud de la obra subterránea a ser diseñada y posteriormente construida. Nuestro proyecto deberá considerar en primer lugar el tamaño de la estructura a ser construida en cuanto a longitud, sección, cobertura máxima e importancia de la estructura. Diferente exigencia en el diseño tendrá un túnel se sección pequeña y longitud corta por donde se hará pasar cables de telefonía en comparación con un túnel de gran sección y kilómetros de longitud por donde circularán vehículos de carga y pasajeros. Previo a la ejecución de obras subterráneas es importante conocer las características del terreno a intervenir; se debe considerar que todo costo de esta etapa es una inversión en el proyecto. Dependiendo de las etapas del proyecto se deben realizar investigaciones acordes con el nivel de estudio correspondiente. Las consideraciones presentadas a continuación corresponden a un proyecto de gran envergadura.

INGENIERÍA DE PERFIL Corresponde a la primera etapa del proyecto, que es la más simple y económica de todas, que consiste en

revisar estudios previos de escala regional y local que estén disponibles. Para esta consideración se puede recurrir a las publicaciones de la entidad responsable de la geología en el lugar donde se desarrolla el proyecto y a imágenes satelitales. En esta etapa se identificarán las formaciones geológicas, fallas regionales, litología básica, procesos geodinámicas de gran importancia, hidrografía, clima, demografía, etcétera.

FACTIBILIDAD (INGENIERÍA BÁSICA) La etapa de factibilidades la fase siguiente y en esta se analizan los diferentes trazos y se selecciona una de las alternativas. Es aquí cuando se identificarán las unidades litológicas homogéneas, las fallas, los pliegues, la orientación predominante de discontinuidades condiciones hidrogeológicas regionales. Los estudios para esta fase consisten principalmente en cartografiados a escala regional, interpretación de fotos aéreas, reconocimiento de campo y una primera etapa de exploración mediante sondajes diamantinos que incluyan pruebas de campo de carácter geotécnico e hidrogeológico.

133

GEOLOGÍA Y GEOTECNIA

Es recomendable la ejecución de un túnel piloto en esta fase para realizar mediciones de esfuerzos in situ y para observar el comportamiento del macizo rocoso con los diferentes tipos de sostenimientos disponibles.

INGENIERÍA DE DETALLE Esta es la etapa previa a la construcción, en la que se llevarán a cabo los estudios cartográficos, geológicos y geotécnicos de mayor detalle, necesarios para la consecución de la obra. El objetivo de esta etapa es obtener cartografía de detalle a escala 1: 10 000 a lo largo del túnel y de 1: 500 en los emboquilles (estas escalas son referenciales y pueden variar de acuerdo al proyecto) con toda la información detallada de las diferentes unidades rocosas, discontinuidades, parámetros de resistencia, deformabilidad e hidrogeología, dando como resultado la tramificación del túnel.

Se deberán llevar a cabo para este objetivo sondeos diamantinos (recomendable cada 100 metros) en sectores estratégicos de la traza del túnel, como lo son los cruces de quebradas, las fallas y los sectores con baja cobertura superior y lateral; en estos sondeos se deberán incluir los ensayos geotécnicos e hidrogeológicos correspondientes, así como también el reconocimiento detallado del terreno, la interpretación de las fotos aéreas y estudios geofísicos.

EJECUCIÓN (CONSTRUCCIÓN) Durante la etapa de construcción, adicionalmente, es muy importante que un geólogo calificado acompañe la excavación, el cual tendrá la función de evaluar y caracterizar el macizo rocoso conforme avance el trabajo, dando la alerta en caso de que las condiciones proyectadas no se ajusten a las encontradas y proponiendo las modificaciones e investigaciones necesarias.

Producto final De acuerdo al resultado de los modelos geológicos, geotécnicos, hidrogeológicos y a las consideraciones indicadas en los capítulos anteriores se realiza la sectorización geotécnica o geomecánica, que es importante para el planeamiento y la valorización del proyecto de obra subterránea.

SECTORIZACIÓN GEOTÉCNICA Con todas las investigaciones realizadas obtendremos finalmente la información suficiente para cumplir con los objetivos trazados. a) Determinación del perfil geológico del túnel, con definición litológica y tectónica del terreno atravesado. Se presta especial atención a las fallas activas en zonas con riesgo sísmico, analizando las posibles soluciones (cambio de trazado, dispositivos de absorción de desplazamientos, etcétera), comprendiendo:

134

    

Fallas y contactos mecánicos. Zonas tectónicas. Zonas alteradas. Zonas karstificadas o milonitizadas. Rocas alterables, solubles o expansivas.

b) Caracterización geotécnica cuantitativa de los terrenos, que sirva de base para la utilización de las clasificaciones geomecánicas adecuadas y la posterior sectorización del túnel. Debe comprender, al menos, la determinación de los parámetros correspondientes a:      

Resistencia y deformabilidad. Permeabilidad. Alterabilidad. Expansividad. Erosionabilidad. Comportamiento geológico.

c) Recomendaciones orientadas a definir los sistemas de ejecución, las cuales deben comprender:

EL FACTOR GEOLÓGICO, EN PROYECTOS DE OBRAS SUBTERRÁNEAS

 Análisis de la perforabilidad mecánica.  Métodos de sostenimiento primario recomendados.  Métodos de revestimiento definitivo recomendados. d) Recomendaciones sobre tipos de sostenimiento a adoptar para los distintos sectores establecidos con objeto de proteger a los trabajadores, sean provisionales o definitivos. e) Problemática previsible de la excavación (estabilidad, avenidas de agua, presencia de líquidos o gases, etcétera). f) Análisis específico de las áreas de emboquille y posibles estructuras especiales, que comprenda los siguientes aspectos:  Estudio de estabilidad de taludes en zonas de acceso al túnel.  Recomendaciones sobre la zona de emboquille.  Revestimientos en zonas de emboquille.  Estudios complementarios para estructuras especiales.

DISEÑO DE SOSTENIMIENTO Para el caso de un túnel en un macizo rocoso se define:

Macizo rocoso = Roca Matriz + Fracturación + Agua + Esfuerzos tensionales

La información obtenida de los modelos geológicos, hidrogeológicos, geomecánicos y el análisis tensional es colocada dentro de un solo modelo geotécnico, en el cual se identificarán las condiciones de excavación a lo largo del túnel, lo que posteriormente concluye en la tramificación del túnel. El proceso consiste en realizar una matriz que debe indicar entre tramos las condiciones específicas y evaluarlas para definir el tratamiento a ser aplicado durante su excavación, esto mediante modelos numéricos o métodos empíricos ampliamente conocidos.

Los diseños de sostenimientos son resultado del análisis estadístico de las condiciones más favorables y desfavorables, en el cual se establece el esfuerzo máximo que ejerce el entorno sobre la excavación; según la sectorización el sostenimiento que se requiere para alcanzar su equilibrio, de esta forma se consigue optimizar la cantidad de sostenimiento a lo largo de toda la traza de la excavación.

CONSIDERACIONES GENERALES DURANTE LA CONSTRUCCIÓN PROGRAMA DE MONITOREO Cualquier análisis previo a la ejecución de una obra subterránea, por más intensivo y detallado que este fuera, nos deja un grado de incertidumbre respecto a su eficiencia; si bien esta condición se reduce al ejecutar una campaña de investigación y estudios previos con seriedad y acorde a la magnitud del proyecto, siempre será indispensable el acompañamiento y monitoreo durante su ejecución, monitoreo que deberá ser efectuado por personal calificado y con experiencia en la construcción y el diseño de túneles. Durante este acompañamiento se realizarán los siguientes controles.  Caracterización de macizo rocoso y definición del sostenimiento de acuerdo al diseño.  Cartografiado del túnel y comparación con lo proyectado en el estudio definitivo.  Supervisión del proceso constructivo y acompañamiento de la colocación de sostenimiento.  Medición de las convergencias y sistemas anexos de instrumentación.  Programación de campañas exploratorias en avance en proximidad de sectores críticos identificados en el estudio definitivo.  Definición de trajanos especiales o cambios en los diseños de sostenimientos de ser necesario.  Elaboración de los reportes de avance y cartografiado geológico-geotécnico del túnel excavado mediante mapeo de arco rebatido.

135

GEOLOGÍA Y GEOTECNIA

Conclusiones  El conocimiento del terreno donde se emplazarán los túneles proyectados es fundamental para determinar el destino de un proyecto de obra subterránea, desde descartarlo hasta concluirlo con éxito.  La incertidumbre dentro de las obras subterráneas es muy grande y normalmente suele rondar

aproximadamente un 90%, una buena calidad del modelo geológico ayudará a reducir este porcentaje.  Los modelos geológicos compilan la información geológica y geomecánica recolectada durante la etapa de investigaciones, de la cual dependerá la reducción de la incertidumbre.

Referencias bibliográficas Pedro Ramírez Oyanguren y Leandro Alejano Monge (2009). Mecánica de rocas, fundamentos de ingeniería.

Salvador Navarro Carrasco, et al. (2011). Geotecnia aplicada a la construcción de túneles.

Francisco J. Castanedo (2009). Cálculo de túneles por elementos finitos.

Moreno Cuneo, Iván (2010). «Elaboración del modelo geológico-geotécnico CH Chaglla», informe interno.

Mercedes Garrido Rodríguez (2003). Estimación de factores de seguridad en diseño de túneles.

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EL FACTOR GEOLÓGICO, EN PROYECTOS DE OBRAS SUBTERRÁNEAS

INSTRUMENTACIÓN

 Introducción a la seguridad funcional

137

INSTRUMENTACIÓN

Carlos Guevara Salnicov GMI Ingeniero electricista colegiado, con 29 años de experiencia profesional, dedicado al diseño y la implementación de sistemas de control y automatización. Egresado de la Universidad Nacional de Ingeniería en 1986, especializado en sistemas de automatización industrial, con formación en gerencia de proyectos y en gestión. Ha ejercido la docencia técnica y universitaria a nivel de pregrado y posgrado en diversas instituciones, entre ellas la Universidad Nacional de Ingeniería y la Pontificia Universidad Católica del Perú. Ha laborado en importantes empresas del mercado, como Manufacturas Eléctricas SA y ABB SA. Actualmente labora en GMI Ingenieros Consultores, desempeñándose como director técnico de la disciplina de instrumentación.

138

INSTRUMENTACIÓN

Introducción a la seguridad funcional

Resumen Se introducen los conceptos básicos de Seguridad Funcional. Se presenta el ciclo de vida de un Sistema Instrumentado de Seguridad (SIS). Se identifican los aspectos que GMI debe poder manejar, durante la

elaboración de una propuesta, durante el desarrollo de ingeniería de detalle, durante la ejecución de un proyecto EPC y durante la operación de un proyecto BOOT.

Objetivo La Seguridad Funcional es un componente importante que hemos encontrado en varios proyectos EPC y BOOT para los cuales se han elaborado propuestas durante los últimos meses, especialmente en aquellos del sector petróleo y gas. La Seguridad Funcional es un tema de especialización, multidisciplinario, con el cual no estamos familiarizados en la corporación y para el cual existen pocos especialistas en el país. Al mismo tiempo es un tema en el cual

necesitamos desarrollar cultura en todas las disciplinas de ingeniería y en las jefaturas de proyecto, y también especialistas, si queremos tener éxito en ese tipo de proyectos. Para la elaboración de propuestas, y más aún al desarrollar ingeniería y ejecutar proyectos, debemos tener claro en qué consiste la seguridad funcional, para qué sirve, qué estudios conlleva, cuánto pueden costar estos estudios, cómo se conceptúa, cómo se

139

INSTRUMENTACIÓN

diseña, cómo se construye, cómo se comisiona, cómo se mantiene y cómo se explota un sistema de seguridad funcional, así como los costos que la seguridad funcional implica no solo como Capex si no también como Opex.

El objetivo de este artículo es dar un primer paso en esta dirección, poniendo a disposición del lector de cualquier disciplina una introducción amigable al tema de la Seguridad Funcional.

Introducción Las plantas industriales son inversiones que se realizan para generar utilidades. Como cualquier inversión, las plantas industriales conllevan los riesgos propios de cualquier negocio, pero también riesgos relacionados con la posibilidad de siniestros de gran envergadura que pueden afectar la seguridad de las personas, los bienes y el medioambiente. El tema de los siniestros puede ser sometido a estudios técnicos que permitan determinar sus posibles causas, la probabilidad de ocurrencia, y las consecuencias, así como las posibilidades de minimizar la probabilidad de ocurrencia y la severidad de las consecuencias. El riesgo nunca es nulo, y no hay manera de volverlo nulo.

En la actualidad este tema constituye una interesantísima rama de la ingeniería denominada Seguridad Funcional. Existen normas internacionales que definen los conceptos fundamentales, y establecen métodos para realizar los estudios e implementar las medidas para minimizar la probabilidad de ocurrencia de los siniestros y la severidad de sus consecuencias. Los estudios y las implementaciones, obviamente, cuestan dinero, y bastante. La decisión de si es conveniente o no invertir en estas implementaciones de seguridad funcional es algo que se evalúa no solo en función al costo de la implementación sino también en función al costo de las consecuencias de un siniestro, las probabilidades de ocurrencia del siniestro con y sin un sistema de seguridad funcional y otros aspectos.

Capas de protección Los accidentes suceden cuando concurren una serie de eventos (fallas, olvidos, errores) que dan lugar al siniestro. Estos eventos se suelen asumir como independientes y de difícil coincidencia en el tiempo, hasta que suceden todos juntos. Uno de los métodos para prevención, protección y mitigación de accidentes consiste en implementar varias capas de protección, absolutamente independientes una de otra. De esta manera deberán fallar todas las capas para que el accidente se produzca. La figura 1 muestra tales capas. Estas capas no tienen que ver solamente con el diseño y/o la construcción, si no también, y mucho, con la explotación incluyéndose el mantenimiento y las pruebas periódicas.

140

Para lograr su objetivo es fundamental que estas capas se conceptúen, diseñen e implementen perfectamente estructuradas, sujetas a procedimientos y sean correctamente mantenidas. La primera capa (figura 1, en color blanco) es la relativa al proceso en sí, su diseño como tal, el diseño de la planta y la filosofía de operación. Todos estos aspectos corresponden a la fase de ingeniería, la misma que debe estar orientada a la seguridad. Luego viene el SISTEMA DE CONTROL, siempre existente en las plantas de proceso. Su objetivo es el de controlar el proceso de tal manera que este suceda de la manera en que es necesario para obtener el producto con la calidad esperada. El sistema de control no tiene

INTRODUCCIÓN A LA SEGURIDAD FUNCIONAL

por objetivo principal la seguridad, pero de alguna manera ayuda a ella, implementando enclavamientos y controlando las variables de procesos en sus valores de operación que obviamente son seguros. Después continúa el SISTEMA DE ALARMAS Y ACCIÓN DEL OPERADOR. El sistema de alarmas viene a ser una funcionalidad del sistema de control, que consiste en la generación y el anuncio de prealarmas y de alarmas cuando las variables de un proceso toman valores anormales. A esto se suma la respuesta del personal de operación, adecuadamente capacitado, en la forma de acciones preventivas o correctivas. Luego le sigue el llamado SISTEMA INSTRUMENTADO DE SEGURIDAD (SIS), el cual es la capa más sofisticada. Tecnológicamente el SIS es un sistema de Instrumentación y Control, que se orienta a la seguridad y no al control del proceso; es por ello que corresponde a la disciplina de Instrumentación y Control su especificación e implementación sobre la base de estudios multidisciplinarios de análisis y de valoración de riesgos. Estos estudios, si bien multidisciplinarios, mayormente recaen sobre la disciplina de Procesos.

Más adelante se describirá con más detalle un SIS. Mientras, continuamos con una descripción breve de cada capa (figura 1). Ya hemos descrito las 4 primeras. Estas capas constituyen las llamadas capas de protección. Su función consiste en prevenir y anticiparse a que un peligro se concrete en un accidente. Las siguientes capas son las llamadas capas de mitigación. La primera está constituida por los DISPOSITIVOS MECÁNICOS DE ALIVIO. Son elementos tales como las llamadas válvulas de alivio, que son usadas en recipientes que contienen gases o líquidos a presión superior a la atmosférica. Estos elementos actúan liberando el fluido cuando la presión sube por encima de un cierto valor. De esta manera, evitan el riesgo de rotura del recipiente por sobre presión interna. La siguiente capa está constituida por las PROTECCIONES FÍSICAS PASIVAS, que incluyen los sistemas de contención (fosas y edificios de contención) y los sistemas de dispersión (antorchas, etc). La siguiente capa son los llamados SISTEMAS INSTRUMENTADOS DE MITIGACIÓN, que son fundamental-

PLANES DE EMERGENCIA (población) PLANES DE EMERGENCIA (planta) SISTEMAS INSTRUMENTADOS DE MITIGACIÓN

CAPAS DE MITIGACIÓN

PROTECCIONES FÍSICAS PASIVAS DISPOSITIVOS MECÁNICOS DE ALIVIO SISTEMA INSTRUMENTADO DE SEGURIDAD (SIS) SISTEMA IDE ALARMAS Y ACCIÓN DEL OPERADOR SISTEMA BÁSICO DE CONTROL (BPCS)

CAPAS DE PROTECCIÓN

PROCESO Diseño/Operación Seguros

Figura 1: capas de protección

141

INSTRUMENTACIÓN

D-E. Eventualmente la variable se descontrola, y de A evoluciona hacia F; entonces se genera una alarma y el operador toma una acción preventiva o correctiva con lo cual la variable evoluciona de F hacia C, normalizándose.

mente los llamados Sistema de Fuego y Gas (fire and gas systems). Estos son sistemas de neutralización formados por sensores, lógica de control, y elementos finales (actuadores) que, en conjunto son capaces de detectar combustión, incendios o gases inflamables o tóxicos y, en consecuencia, generar una alarma, conducir el proceso a un estado seguro, o emprender acciones destinadas a mitigar las consecuencias del evento peligroso.

La figura 2 muestra el comportamiento de una variable de proceso (digamos una presión) a lo largo del tiempo, relacionándola con cada una de las capas de seguridad (no se muestran todas).

Puede ser que la acción correctiva del operador no se lleve a cabo (estaba durmiendo) o no sea efectiva, y la variable de proceso evolucione de F a G; ahí entra en funcionamiento el Sistema Instrumentado de Seguridad (SIS), que toma acciones correctivas (automáticas). Si estas surten efecto la variable de proceso se normaliza de G a D; en caso contrario, la variable sigue creciendo de G a H. Dado el alto valor de la presión, en H entran en acción los dispositivos mecánicos (válvulas) de alivio. Con esto la presión debería verse disminuida luego de cada alivio, pasando la presión al punto I de la figura. Luego la presión recuperará su valor (dado que la causa sigue presente), ocasionando una nueva actuación de la válvula de alivio (punto J) y así sucesivamente (H-I-J-K-L).

Normalmente el proceso está bajo el control del sistema de control y la variable se comporta de manera estable a lo largo de una curva tal como la curva A-B-C-

Si, por ejemplo, la válvula de alivio se trabara, la presión seguiría subiendo por H-M produciéndose el siniestro. En esa fase es donde son aplicados los planes de evacuación.

La siguiente capa son los PLANES DE EMERGENCIA (nivel planta) y los PLANES DE EMERGENCIA (nivel población). Son planes de evacuación, en dos niveles: para la población laboral de la industria y para la población circundante a la planta.

Variable de proceso

SINIESTRO

Plan de emergencia

M H

Dispositivo mecánico de alivio

Sistema instrumentado de seguridad (SIS)

Alarma y acción del operador

Sistema de control (BPCS) Tiempo

Figura 2: comportamiento de una variable de proceso

142

INTRODUCCIÓN A LA SEGURIDAD FUNCIONAL

Sistema Instrumentado de Seguridad (SIS) La figura 3 muestra esquemáticamente la estructura de un sistema de control. Básicamente se tienen sensores que informan a un PLC (especie de cerebro electrónico programable) de lo que está pasando con las variables que se necesitan controlar. El PLC procesa la información de los sensores mediante un programa personalizado elaborado

para su planta. Como resultado de ese procesamiento, el PLC toma acciones sobre el proceso comandando actuadores (válvulas, fajas, etc). La figura 4 muestra el mismo sistema de control, pero además el Sistema Instrumentado de Seguridad (SIS).

PLC

PT1

CV1

PT CV PLC PLC

Sistema de Control

Transmisor (sensor) de presión Válvula de control Controlador Lógico Programable Controlador de Seguridad

Figura 3 : estructura de un Sistema de Control

Sistema Instrumentado de Seguridad (SIS)

Transmisor (sensor) de presión

CV Válvula de control CS

PLC Controlador Lógico Programable PLC Controlador de Seguridad

PLC

PT1

CV2

CV1

PT2

Sistema de Control

Figura 4: sistema de control y sistema instrumentado de seguridad (SIS)

143

INSTRUMENTACIÓN

Se puede ver que se parece al sistema de control en cuanto a que está constituido por sensores, un cerebro electrónico y actuadores, pero en principio no son los mismos, son otros. El sistema de control y el SIS no comparten sensores, ni controlador, ni actuadores. El sistema de control está diseñado para controlar el proceso en condiciones normales. El SIS está diseñado para, ante una falla de las capas previas (ver figura 1), llevar al proceso a un estado seguro aun a costa del proceso (producción). Los sensores, controladores y actuadores que se usan para implementar un SIS suelen tener características diferentes a los que se usan para implementar un sistema de control de procesos. Por ejemplo, en un SIS nos interesa más detectar un valor peligroso de presión que medir con precisión la presión; en consecuencia, posiblemente usemos un switch de presión (presóstato) en vez de un transmisor (sensor) de presión. Y como es muy importante detectar si se produce un valor peligroso de tensión, en algunos casos no se usa un solo presóstato, si no dos o incluso tres.

cuando se den las condiciones bajo las cuales debe ejecutarlas. Para calcular el SIL de un sistema se utiliza el parámetro denominado Probabilidad media de falla en demanda (PFDavg), parámetro que indica la probabilidad media de fallo al ejecutar bajo demanda (cuando se dan las circunstancias en las que debería actuar) la función para la cual ha sido diseñado. Los niveles SIL toman cuatro valores discretos, del 1 al 4, correspondiendo a cada uno de ellos un intervalo para su Probabilidad media de falla en demanda (PFDavg). Ver figura 5.

SIL

PFDavg <=

-2

10-1

10-3

10-2

-4

10-3

10-5

10-4

Figura 5: SIL y PFDavg

Similarmente, en cuanto a las válvulas, generalmente no nos va a interesar modular un flujo o una presión variando suavemente el grado de apertura de una válvula de control sino cerrar totalmente la válvula, en ese caso usaremos válvulas que solo operen totalmente abiertas o totalmente cerradas. Asimismo, el controlador, suele tener fuente de alimentación redundante, procesador redundante e incluso interfaces de entrada (para recibir información de los sensores) e interfaces de salida (para comandar los actuadores) también redundantes. Y todos los componentes mencionados suelen satisfacer especificaciones especiales que garantizan su alta confiabilidad.

NIVEL INTEGRADO DE SEGURIDAD (SIL) El nivel Integrado de Seguridad (SIL de Safety Integrity Level) de un sistema de seguridad es un parámetro cuantitativo que refleja la confiabilidad de dicho sistema, es decir, la probabilidad de que ejecute en forma satisfactoria las funciones de seguridad requeridas

144

Realmente el PFDavg se especifica y se calcula para cada función instrumentada de seguridad de un sistema; una función instrumentada de seguridad se define también como un conjunto de acciones específicas y su equipo correspondiente, elementos necesarios para identificar un peligro sencillo y actuar para llevar al proceso a un estado seguro. El cálculo riguroso del PFDavg de una función de seguridad es muy complejo; generalmente se hace un cálculo simplificado que sobreestima dicho parámetro. Básicamente el procedimiento es el siguiente.  Se identifican todos los elementos principales que intervienen en la función de seguridad.  Se calcula el PFDavg de cada elemento (el fabricante de cada componente da este parámetro).  Se suman los PFDavg de todos los elementos (lo cual es una estimación por exceso de la probabilidad de falla). Los componentes de un SIS, ya sean sensores, actuadores o controladores, no son los de uso general, si no específicos para aplicaciones en SIS. Así, podemos

INTRODUCCIÓN A LA SEGURIDAD FUNCIONAL

tener un detector de nivel alto con especificación SIL 2 y una válvula ON/OFF con especificación SIL 3. Los controladores que se usan suelen tener fuentes de alimentación redundantes, procesador redundante, módulos de entradas y de salidas redundantes, etc. Los sistemas de Seguridad Funcional responden a normas internacionales tanto europeas (IEC) como estadounidenses (ISA); seguidamente se mencionan dos de las principales normas IEC:  IEC 61508: Functional safety of electrical, electronic, programmable electronic safety-related systems.  IEC 61508: Functional safety – safety instrumented systems for the process industry sector.

EL CICLO DE VIDA DE UN SIS El ciclo de vida de un SIS es uno de los conceptos básicos de las normas IEC-61508 e IEC-61511. La definición que se puede encontrar en ellas es la siguiente: Actividades necesarias implicadas en la instalación de sistemas relacionados con la seguridad que se presentan durante un periodo de tiempo. Comienza en la fase

de diseño conceptual de un proyecto y termina cuando todos los sistemas relacionados con la seguridad ya no se encuentran disponibles para su utilización, es decir se han desmantelado. Ver figura 6. No es intención de este artículo desarrollar cada etapa de este diagrama de flujo, pero sí al menos dejar claro lo siguiente.  La concepción de un SIS es una labor compleja y marcadamente interdisciplinaria.  El ciclo de vida de un SIS contempla una serie de fases que van desde la ingeniería hasta el desmantelamiento, pasando por la construcción, el mantenimiento y pruebas periódicas.  La disciplina de Procesos tiene una participación principal en la concepción de un SIS.  La disciplina de Instrumentación y Control tiene participación primordial en la implementación tecnológica de un SIS.  Una parte fundamental en la concepción de un SIS es la relativa al Análisis y Evaluación de Riesgos del Proceso, estudios que deben ser realizados por especialistas que, además de conocimiento y experiencia han de tener certificaciones internacionales.

Diseño conceptual del proceso

Desarrollo de especificación de seguridad

Procedimientos de mantenimiento y operaciones

Análisis y evaluación de riesgos del proceso

Diseño conceptual del SIS

Comisionado, pruebas y puesta en marcha

¿SIS requerido?

Diseño de detalle del SIS

Mantenimiento y pruebas

Si Definir SIL de cada función

Instalación y comisionado del SIS

Modifica

Modificación o Decomisionado Decomisionado Decomisionado SIS

Figura 6: ciclo de vida de un SIS

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INSTRUMENTACIÓN

Análisis y evaluación de riesgos de proceso El objetivo de esta fase es identificar y entender todos los riesgos asociados al proceso que puedan tener impacto sobre las personas, la producción, los equipos, el medioambiente o incluso sobre la imagen de la compañía, para luego cuantificar esos riesgos según su probabilidad de ocurrencia y la severidad de sus consecuencias. Para realizar esta evaluación existen tres tipos de técnicas que son: cualitativas, semicuantitativas y cuantitativas; en estos tres tipos de técnicas se encuentran métodos como What-if, LOPA y HAZOP. HAZOP (Hazard and Operability) es el más utilizado en industrias de proceso. HAZOP (en castellano Análisis Funcional de Operatibilidad) es un método probado y bien estructurado, basado en el trabajo en equipo para identificar los peligros existentes en

el diseño de procesos o en las modificaciones que se pretendan hacer al mismo. El método realiza un examen pormenorizado del proceso y de las modificaciones a realizar en instalaciones nuevas o existentes, con el fin de evaluar los peligros potenciales de su funcionamiento al margen de las intenciones de su diseño o de averías de partes concretas de los equipos y los efectos que estas pudieran tener sobre el conjunto de las instalaciones. Los estudios HAZOP son dirigidos por un coordinador con experiencia. Para los proyectos de hidrocarburos, por ejemplo, en el equipo siempre participa personal de Procesos, Instrumentación y Control, Mecánica, Ingeniería de Proyectos y Operaciones, pudiendo ser necesaria también la participación de técnicos de medioambiente, y de los responsables de seguridad e higiene.

Conclusiones y recomendaciones  La Seguridad Funcional es un aspecto muy presente en muchos proyectos, especialmente en los de los sectores de petróleo y gas.  La Seguridad Funcional no es solamente un aspecto técnico más de un proyecto, si no que se relaciona directamente con la gestión de riesgos de una inversión y por tanto es un tema que debe verse con mucho detenimiento, especialmente en el casos de plantas peligrosas.  El alcance y la importancia de la Seguridad Funcional no son aún plenamente entendidos en GMI y en la corporación en general.  L a S e gu r i d a d Fu n c i o n a l e s u n te m a multidisciplinario y todas las disciplinas deben participar activamente en las diversas fases del proyecto.

146

 La Seguridad Funcional exige la atención de todas las disciplinas, en todas las fases de un proyecto (comercial, ingeniería, construcción, comisionamiento, operación, etc.), de cualquier tipo que sea este (E, EPC, BOOT, etc).  Desde la fase de elaboración de una propuesta para un proyecto que incluye Seguridad Funcional es necesario tener al menos un conocimiento básico de Seguridad Funcional y más aún en las disciplinas de Procesos y de Instrumentación y Control.  Si se trata de un proyecto tipo E (solo ingeniería), tenemos que identificar los estudios que serán necesarios durante la ejecución de la ingeniería. Como referencia podemos mencionar que para las propuestas de proyectos BOOT de la Refinería de Talara (Petroperú) hemos considerado subcontratar la realización de los estudios relativos al SIS que cada

INTRODUCCIÓN A LA SEGURIDAD FUNCIONAL

proyecto ameritaba, y los cotizamos con una empresa especialista colombiana; los precios oscilaron entre 32 K$ y 400 K$ cada uno, dependiendo del proyecto.  Algunos de los estudios que pueden estar al alcance de estos proyectos son de una naturaleza tal que no son realizados solo por el asesor externo con el que se contraten, si no que el personal de ingeniería de las diversas especialidades debe participar activamente. Tal es el caso, por ejemplo, de los estudios HAZOP. Para la realización de un estudio HAZOP, de acuerdo a la metodología, es necesario contratar un coordinador que debe tener la calificación y las certificaciones necesarias según el tipo de estudios que se vallan a realizar. Además, debe considerarse que en los talleres de Hazop participará personal de ingeniería de todas las disciplinas. Estos talleres suelen durar no menos de 3 días, a tiempo completo y a veces tienen un pretaller. Además, generalmente se detectan riesgos cuya gestión da lugar a trabajos de ingeniería complementarios. Si el proyecto es de tipo EPC deberá participar también personal de las diversas especialidades de construcción.  Si el proyecto es de tipo EPC y, en consecuencia, tenemos que construir y poner en marcha, debe tenerse en cuenta que el personal que programe (configure) y comisione el SIS debe ser personal certificado por el fabricante del SIS. Si estamos subcontratando estos trabajos, las cotizaciones correspondientes deben especificar con nombre y apellido qué personas realizarán el trabajo y adjuntar las certificaciones correspondientes, que deben estar vigentes al momento y también en el momento de realización de los trabajos.  Si se trata de un proyecto de tipo BOOT (Build own operate and transfer), debemos considerar el mantenimiento del SIS y las pruebas periódicas de acuerdo a normas. Además, si la planta sufre cambios a lo largo del tiempo (muy probable), es necesario repetir gran parte del ciclo de la figura 6 y, llegado el momento es necesario decomisionar el SIS. Todo esto implica la participación de personal especializado durante el ciclo de vida del SIS y debe considerarse en el OPEX.

 Para los diferentes aspectos de ingeniería que hay que atender en un proyecto con SIS, generalmente el personal deberá tener las certificaciones internacionales correspondientes. Como dato referencial acerca del costo y exigencias para las certificaciones, este año se realizó en Perú un curso conducente a la obtención de una certificación como Ingeniero de Seguridad Funcional TÜV Rheinland. Para esto es necesario llevar el curso y rendir y aprobar un examen inmediatamente después del curso. Además de acreditar una experiencia de 5 años en proyectos de seguridad funcional. El costo del curso fue de 3 k$ y la duración de una semana.  Obviamente, para satisfacer las diversas necesidades relativas a Seguridad Funcional en un proyecto, esta certificación no es suficiente; se requiere personal con diversos perfiles y con diversas certificaciones, por lo que consideramos que satisfacer estos requerimientos con recursos propios no es para GMI la alternativa, pues al menos por ahora los proyectos con Seguridad Funcional no son un tipo de actividad permanente que amerite tener tal personal.  Sin embargo, incluso así, se requiere contar con el soporte técnico propio para las diversas fases de los diversos tipos de proyectos (E, EPC, BOOT, etc); las recomendaciones que formulamos son las siguientes:  Desarrollar competencias en Seguridad Funcional, con personal propio, y certificarlo, en niveles básicos, como el de Ingeniero de Seguridad Funcional TÜV Rheinland antes mencionado. Este personal debería ser principalmente de las disciplinas de Procesos y de Instrumentación y Control.  Fomentar una cultura técnica sobre este tema, tanto en las diversas disciplinas de ingeniería como en las jefaturas de ingeniería, construcción, en las jefaturas de proyecto y en los equipos de propuestas. Esto debe iniciarse mediante la capacitación interna a nivel básico.

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INSTRUMENTACIร N

Referencias bibliogrรกficas Safety Instrumented Systems: Design, Analysis, and Justification 2nd Edition. Paul Gruhn, P.E., CFSE and Harry L. Cheddie, P.Eng., CFSE. Safety Critical Systems Handbook: A Straight forward Guide to Functional Safety, IEC 61508 (2010 EDITION) and Related Standards, Including Process IEC 61511 and Machinery IEC 62061 and ISO 13849. David J. Smith and Kenneth G. L. Simpson.

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Practical Industrial Safety, Risk Assessment and Shutdown Systems. Dave Macdonald. Integrated Security Systems Design: A Complete Reference for Building Enterprise-Wide Digital Security Systems. Thomas L. Norman.

INTRODUCCIÓN A LA SEGURIDAD FUNCIONAL

GESTIÓN

 Modelo de la productividad basado en componentes para la fábrica de software  Reducción de la subjetividad en los reclamos por pérdida de productividad en el negocio de la construcción  Sistemas de gestión MRP, aplicación en CAM Chile  Acarreo 2.0 - Rompiendo el paradigma de los precios fijos

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INSTRUMENTACIÓN

Pedro Castañeda Vargas

Luis Guevara Sandoval

GMD

Consultor Externo

Ingeniero de sistemas, MBA en ESAN con especialización en Finanzas, magíster en Dirección y Gestión de Tecnologías de Información (UNMSM) con más de doce años de experiencia en GMD, responsable de Proyectos de Software Factory e Implementación de Soluciones de Peaje Electrónico y Gestión de Tráfico.

Ingeniero de sistemas, MBA en ESAN con especialización en Alta Dirección con más de diez años de experiencia en consultoría, dirección y ejecución de proyectos en diferentes sectores de negocios basados en las mejores prácticas del PMI, CMMI, The Open Group y metodologías ágiles.

Durante los dos últimos años ha participado activamente en la línea de tráfico y transporte, diseñando proyectos para la inserción de sistemas inteligentes de transporte en el Perú: iniciativa privada «Implementación y Operación de la Placa Patente, Tercera Placa y el Registro Nacional de Usuarios de Tag (RNUT)», modelo conceptual del Proyecto Vía Expresa Sur (VESUR), modelo conceptual del Sistema de Gestión de Tráfico Inteligente de la Ciudad de Lima, modelo de Teleoperación de Telepeaje en el Perú (colaboración con OHL).

Especialista en arquitectura empresarial y tecnológica así como en implementación de soluciones tecnológicas BPM/SOA, inteligencia de negocios, móviles, middleware, implementación de fábricas de software, entre otras.

Cuenta con certificados internacionales: Project Management Professional (PMP) y SCRUM (Scrum Alliance, Scrum.org, SCRUMstudy). Catedrático de pregrado y posgrado en universidades públicas y privadas (UNMSM, UPN, UPC, entre otras).

150

MODELO DE PRODUCTIVIDAD BASADO EN COMPONENTES PARA LA FÁBRICA DE SOFTWARE GESTIÓN

Modelo de productividad basado en componentes para la fábrica de software

Resumen Todo proyecto de desarrollo de software consume tiempo y esfuerzo en cada una de las etapas que lo conforman. La necesidad de contar con buenos estimadores para estas variables implica establecer cuáles son los factores que influyen directa e indirectamente en ellas. En muchas organizaciones la gestión se preocupa por ser eficaz y no necesariamente eficiente, lo cual conlleva que se descuide la productividad de los recursos asignados. Es a partir del ingreso a un mundo globalizado que las organizaciones vieron que para poder desarrollarse y competir no solo necesitaban ser eficaces sino también

eficientes y empezaron a cuestionar sus formas de trabajo, planteándose preguntas como ¿estamos utilizando adecuadamente la capacidad del equipo de trabajo?, ¿estamos aprovechando las habilidades y capacidades de todos nuestros colaboradores?, ¿nos estamos midiendo con el mercado o solo de manera interna?, ¿cuánto es el potencial que nuestros recursos podrían generar en valor a la organización? Este trabajo busca encontrar un modelo que permita establecer los lineamientos para la medición de la productividad y que posteriormente sirva como un factor de estimación de tiempos.

Introducción GMD brinda servicios de fábrica de software 1 en organizaciones públicas y privadas, generando productos

personalizados de acuerdo a las necesidades del cliente. Este mercado ha sido durante años el factor de éxito de la

1 Fábrica de software: Según Cusumano “una empresa productora de software que no responda a características como: producción de software en gran escala, estandarización de tareas, estandarización del control, división del trabajo, mecanización y automatización, no puede ser considerada una factoría de software. El desarrollo de una factoría implica que las buenas prácticas de Ingeniería de Software sean aplicadas sistemáticamente” [3].

151

GESTIÓN

organización, sin embargo, ante la internacionalización y el ingreso de nuevos competidores al mercado peruano, es necesario plantearnos una serie de preguntas. ¿Estamos aprovechando las capacidades y habilidades de nuestros colaboradores para desarrollar un producto de calidad? ¿Tenemos indicadores que permitan comparar la productividad de los diferentes proyectos? ¿Cuánto valor generan nuestros recursos y cuál es la brecha del potencial que podrían generar? Ante estas interrogantes se nos plantea un dilema que aún no se ha podido resolver en la industria del software: el uso de una técnica o metodología que permita medir la productividad de las personas y, por ende, de la organización, en casuísticas diversas y bajo distintos enfoques tecnológicos y metodológicos. Hasta la fecha esta industria ha utilizado diversos métodos que permiten medir la cantidad de software producido, siendo los más conocidos los basados en casos de uso [1] y puntos de función [2], pero en muchos casos su aplicación ha devenido en mostrar resultados que no son coherentes con la realidad, lo cual genera problemas tales como:  No se puede conocer la capacidad de producción de los colaboradores de una organización.  No se tiene una unidad de medida del software que permita establecer la eficiencia de un proyecto ni la comparación entre proyectos que involucren diferentes plataformas tecnológicas.  No existen indicadores de productividad.  No existe una base para la estimación de tiempos para un nuevo desarrollo. En el siguiente trabajo de investigación se busca encontrar una metodología que permita establecer un estándar de medición entre los diferentes proyectos que interactúan en la fábrica de software de GMD, que por la diversidad de plataformas tecnológicas que abarca cada uno permitirá tener un amplio espectro de información que conlleve a la obtención de un modelo inicialmente destinado al uso en la empresa

y posteriormente escalable a cualquier tipo de organización dedicada a esto. Es por ello que, analizando la información existente, se ha realizado un esfuerzo para determinar una metodología que permita medir la productividad y facilite la estimación de tiempos, estableciéndose como unidad mínima de medida el componente2 de software. Según Karlsruhe et al. [4] «un componente es una unidad de composición de aplicaciones software, que posee un conjunto de interfaces y un conjunto de requisitos, y que ha de poder ser desarrollado, adquirido, incorporado al sistema y compuesto con otros componentes de forma independiente, en tiempo y espacio». Para la elaboración de la presente investigación se ha tomado en consideración información de proyectos de software del área de Soluciones de Negocio (Outsourcing de Aplicaciones) de GMD, como son:  Sistema Integrado de la Administración Financiera del Sector Público (SIAF SP II) – Ministerio de Economía y Finanzas  Fábrica de software SUNAT  Desarrollo y mantenimiento de software (DYM) – Oficina de Normalización Previsional  Desarrollo y mantenimiento de software – AFP Integra  Desarrollo y mantenimiento de software – La Positiva  Meta4 Al inicio del trabajo se destinaron horas hombre para recuperar información de proyectos pasados, como son el tamaño (en puntos de función) y el esfuerzo (horas). Asimismo, se ha venido trabajando con alumnos y docentes del MBA del McDonough School of Business de Georgetown University a fin de recopilar información de fábricas de software de Estados Unidos y Europa que permitan extrapolar el alcance de la metodología desarrollada en GMD.

2 Componente: Lista de objetos medibles y cuantificables que facilitan la labor de asignación de tareas al equipo de programadores.

152

MODELO DE PRODUCTIVIDAD BASADO EN COMPONENTES PARA LA FÁBRICA DE SOFTWARE

Capítulos MARCO TEÓRICO

MODELO DE PRODUCTIVIDAD

La metodología Rational Unified Process (RUP) [5] considera que el porcentaje de duración de las fases del desarrollo del software de un proyecto están distribuidos de acuerdo a lo mostrado en la imagen 1.

DESARROLLO DEL MODELO DE PRODUCTIVIDAD El proceso de medición de la productividad cumple dos objetivos específicos:

Como vemos, el mayor esfuerzo en el desarrollo de software se produce en la disciplina de programación, siendo justificable por ello dar inicio a este trabajo procesando la información en un primer momento para luego poder ir extrapolándola a las demás disciplinas (modelamiento de negocio, análisis, etc.).

 Determinar el nivel de productividad de la persona, el proyecto y el área.  Calibrar los tiempos de programación reales a fin de mejorar la estimación de tiempos de la fábrica. Es por ello que se ha establecido un proceso que facilita la interacción de las actividades necesarias para la obtención de los objetivos indicados anteriormente. El proceso considera lo siguiente:

Transición

Incepción

45%

Entradas

15%

Orden de trabajo (OT).

Elaboración

25%

Factores de impacto en el tiempo de desarrollo de componentes. Catálogo de componentes de software. Límites de control.

Salidas

Construcción

Herramientas y Técnicas

Orden de trabajo (OT) finalizada. Lista de incidencias.

Imagen 2: proceso propuesto Imagen 1: esfuerzo por fases del Rational Unified Process

A continuación, describiremos el modelo operativo:

SOFTWARE

Capa

Tecnología Complejidad Tiempo

Presentación

JSP

Baja

Control

Servlet

Baja

Componentes

Orden de trabajo finalizada

Catálogo componentes de software

Orden de trabajo

Requisitos de sistema

OT Coordinador de fábrica Documento de diseño técnico detallado

Componente 1

Componente 2

Componente 3

Fábrica de Programación

Imagen 3: modelo operativo de fábrica

153

GESTIÓN

 El cliente determina requisitos funcionales para un producto de software, siendo estos luego transformados a requisitos de sistema en la fábrica de software.  La fábrica de software genera una orden de trabajo3 (OT) que contiene un conjunto de requisitos de sistema.  La OT previamente priorizada ingresa al componente de programación a fin de que inicie la atención.  El coordinador de fábrica, en base al catálogo de componentes de software, realizará la descomposición de los requisitos del sistema en componentes de software y la asignación de los mismos en tareas a los diferentes participantes de la OT.  El coordinador de fábrica, al culminar todas las tareas encomendadas en la OT, procederá a verificar la integración del producto (labor también asignada como un componente ficticio a un recurso integrador de los componentes) y dará por finalizada la atención de la OT.

Métricas Expertos

Distribución de Trabajo

Imagen 4: elementos del modelo de productividad

1. Expertos. Se recolectó información de ochenta programadores y diez arquitectos de soluciones a fin de estandarizar tiempos de programación en base a las siguientes características:

Los roles participantes en este proceso son:  Coordinador de fábrica: arquitecto de soluciones o experto en programación que tenga la capacidad de asignar requerimientos de sistemas en componentes de software en base al diseño entregado en la OT así como habilidades de gestión de recursos.  Programador: encargado de realizar las tareas asignadas. El proceso propuesto utiliza como herramienta de trabajo para la asignación de tareas un documento denominado catálogo de componentes de software, para cuya elaboración se ha realizado un trabajo exhaustivo de búsqueda y recolección de información que permita estandarizar los diferentes componentes de software utilizados en los diferentes proyectos que se ejecutan en la fábrica de software de GMD4, lo cual ha derivado en que se establezca un trabajo de calibración de tres elementos principales:

     

2. Distribución de trabajo. Se realiza en base a una lista de componentes estandarizada recolectada de la experiencia de proyectos de software con antigüedad mayor a dos años a fin de que la data a considerar en esta lista ya esté validada y permita tener un conocimiento certero del desglose del software en componentes. Para la elaboración de la lista se ha considerado lo siguiente: 2.1. Componentes

Unidad mínima de desglose del software cuya característica principal es ser medible y cuantificable. Ejemplos de componentes:

3 Orden de trabajo (OT): conjunto de requisitos de sistema. 4 Información recopilada de los proyectos del área de soluciones de negocio (AO).

154

Experiencia en desarrollo (meses) Conocimiento del negocio (meses) Lenguaje de programación base Dominio del lenguaje de programación (meses) Herramienta base Dominio de la herramienta (meses)

MODELO DE PRODUCTIVIDAD BASADO EN COMPONENTES PARA LA FÁBRICA DE SOFTWARE

En lenguaje de programación orientada a objetos: ID

COMPONENTE

DESCRIPCIÓN

CATEGORÍA

Integración

Componente artificial que corresponde a la integración de los demás componentes en un flujo de programación.

Artificial

Servicio

Componente que contiene las operaciones transaccionales de una aplicación.

Lenguaje de alto nivel

Negocio

Componente que contiene las operaciones de negocio de una aplicación.

Lenguaje de alto nivel

Pantalla con lógica

Este componente corresponde a una pantalla que tiene código embebido o para manejo de eventos (code behind) a través de un controlador para manejar los eventos de la pantalla.

Lenguaje de alto nivel

En lenguaje estructurado: ID

COMPONENTE

Interactivo data entry

Online actualizadores

Online consultas

DESCRIPCIÓN

CATEGORÍA

Componente programado para AS400.

Cobol/CLP/RPG

Componente programado para OS390.

Cobol/Cics

Componente que contiene las operaciones de negocio de una aplicación.

Cobol/Cics

2.2. Factores Son elementos externos que afectan los tiempos de desarrollo de los componentes, habiéndose identificado los siguientes:

 Tipo de tarea (creación, modificación)  Herramienta base  Retrabajo

 Complejidad (simple, medio, complejo)  Lenguajes de programación  Framework/tecnología  Estándares de programación  Tipo de proceso (mantenimiento, desarrollo)

Ejemplo de factores. En el siguiente cuadro se considera que el lenguaje de programación es java y los criterios para definir la complejidad están precisados de acuerdo con los datos de entrada y las validaciones en cada una de ellas.

COMPONENTE

Pantalla con lógica

FACTOR: COMPLEJIDAD Simple (S) De 1 a 5 datos de entrada. Una tabla para mostrar como resultado de hasta 10 campos de salida.

Medio (M) De 6 a 10 datos de entrada. Validaciones cruzadas de campos de formulario con validación java. Paginación

Complejo (C) De 11 a más datos de entrada. Validaciones cruzadas de campos de formulario. Paginación. Uso de taglibs. Uso de layers. Uso de frames, iframes.

155

GESTIÓN

2.3. Métricas Indicadores que permiten medir la productividad por persona, proyecto y área. Se han establecido las siguientes métricas: INDICADOR

PERSONA

FÁBRICA

Productividad

Nro Componentes Estándar Construídos Período de Tiempo

Nro OT Construídos Período de Tiempo

Eficiencia

Tiempo construcción componente (Estad.) Tiempo real de construcción componente

Tiempo atención OT’s (Estad.) Tiempo real de atención OT’s

El proceso de calibración considera la recolección de información de manera permanente, de tal manera de permitir que este modelo sea usado como una herramienta de estimación de tiempos.

IMPLEMENTACIÓN Y RESULTADOS DEL MODELO DE PRODUCTIVIDAD

ETAPA 2: VALIDACIÓN Y CALIBRACIÓN DEL MODELO En esta etapa se ha considerado la validación del modelo en un proyecto en ejecución para, con los resultados reales, realizar un proceso de calibración a fin de ir ajustando las variables del modelo inicial. El objetivo aquí es que el modelo pueda brindar una estimación de tiempos con un margen de error de ± 12 %.

ETAPA 1: DISEÑO DEL MODELO En esta etapa se ha realizado la recolección de data histórica de proyectos de software con una antigüedad mayor a dos años con el objetivo de obtener un modelo estadístico inicial. La técnica utilizada ha sido la regresión lineal múltiple. Al utilizar la técnica de regresión lineal múltiple se determinan los factores estadísticamente significativos sobre una muestra de 1799 observaciones, logrando determinar un modelo predictivo apropiado que se muestra a continuación:

T = (0,44×C) + (0,35×EP) – (0,39 ×ED)(0,23×CN) – (0,45 DLP) – (0,043×DT)+ (0,13 ×CH ) +5,83 Donde: T: Tiempo de construcción del componente (en horas) C: Complejidad (1: simple, 2: media, 3: complejo) EP: Estándares de programación (1: tiene, 0: no tiene) ED: Experiencia en desarrollo (en meses) CN: Conocimiento del negocio (en meses) DLP: Dominio del lenguaje de programación (en meses) DT: Dominio de la tecnología (en meses) CH: Conocimiento de la herramienta de desarrollo (en meses)

156

Para la validación del modelo estadístico inicial se eligió el Proyecto SIAF SP II – MEF por reunir características comunes a todos los proyectos y por tener una estructura organizacional que garantizaba la fiabilidad de la data obtenida. Algunas de sus características se mencionan a continuación:  Poco conocimiento del negocio debido a que la organización no había gestionado anteriormente proyectos orientados a la formulación del presupuesto público.  Tecnología nueva, ya que la implementación implicaba el desarrollo de un producto de software basado en tecnologías SOA-BPM.  Herramientas de desarrollo nuevas, dado que las herramientas a utilizar debían estar basadas en la suite de desarrollo IBM WebSphere. La información de este proyecto se obtuvo durante un período de 18 meses, lo cual permitió realizar ajustes en el modelo inicial aplicando la técnica de regresión lineal múltiple en diferentes momentos. Los resultados obtenidos se muestran a continuación:

MODELO DE PRODUCTIVIDAD BASADO EN COMPONENTES PARA LA FÁBRICA DE SOFTWARE

Para la estimación de tiempos: MÓDULO

CASOS DE USO (DÍAS)

PUNTOS DE FUNCIÓN (DÍAS)

COMPONENTES (DÍAS)

REAL (DÍAS)

Administración de clasificadores

101

114

Marco lógico

Formulación anual

154

110

120

135

Formulación plurianual

Seguridad

Del cuadro anterior se obtuvieron las desviaciones que tuvieron cada una de las metodologías utilizadas en la evaluación: MÓDULO

CASOS DE USO (%)

PUNTOS DE FUNCIÓN (%)

COMPONENTES (%)

Administración de clasificadores

43 %

30 %

11 %

Marco lógico

36 %

15 %

-9 %

Formulación anual

-14 %

19 %

11 %

Formulación plurianual

24 %

11 %

-7 %

Seguridad

29 %

57 %

20 %

70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 10%

Administración de Clasificadores

Marco Lógico

Formulación Anual

Formulación Plurianual

Seguridad

-20%

Casos de Uso (%)

Puntos de Función (%)

Componentes (%)

Real (%)

Imagen 5: desviaciones por metodología aplicada

Tal como se puede visualizar en la imagen 5, las estimaciones generadas por el modelo propuesto tienen menos desviación, notándose que los datos

estimados se están centrando en un rango de ± 11 %, valor que cumple los objetivos trazados en el proyecto.

157

GESTIÓN

Asimismo, se ha realizado un análisis de las estimaciones que pasan el objetivo de ± 12 % a fin de conocer los factores que han generado este tipo de valores, habiéndose encontrado algunas consideraciones como:  Cambios no gestionados adecuadamente, motivo por el cual no se realizó una reestimación.  Los tiempos reales consideraron no solo tiempos de desarrollo sino de análisis o de otra actividad que no era parte del objetivo del estudio.

PRODUCTIVIDAD REAL

Para la medición de la productividad En el siguiente cuadro se presenta una muestra de la data obtenida (producción real) por los diferentes proyectos, lo que ha permitido establecer la cantidad de componentes que puede desarrollar un programador por hora (1.95 componentes de software), pudiéndose extrapolar para diferentes períodos de tiempo. Si extrapolamos esta información para un día, se puede concluir en que un programador sería capaz de producir aproximadamente 16 componentes de software.

PROYECTOS DE SOFTWARE

Período

DYM

Horizonte

MasterCard

MEF

Meta4

Total

Semana 1

0.20

0.87

0.39

1.65

7.37

1.93

2.50

4.10

2.61

Semana 2

0.03

Semana 3

0.58

0.50

2.27

1.98

1.06

2.21

2.18

Semana 4

4.18

0.67

Semana 5

2.94

0.63

1.54

Semana 6

0.41

0.57

0.53

Semana 7

0.33

0.50

0.42

0.61

0.62

Total general

2.01

2.17

6.76

1.95

Conclusiones y recomendaciones Sobre la base de lo desarrollado en el artículo, se puede concluir en lo siguiente:

ALGUNAS RECOMENDACIONES A TENER EN CUENTA:

 El modelo permite determinar la productividad de manera objetiva en base a un modelo estadístico autorregulable en el tiempo.

 Introducir en el modelo propuesto la información de otras fábricas de software a fin de hacer escalable el modelo hacía otras organizaciones.  Incorporar en el modelo las actividades de las demás disciplinas de desarrollo de software que no han sido consideradas en esta fase inicial.  Automatizar el proceso establecido en el modelo a fin de facilitar la recolección de datos.  Formar un equipo encargado de monitorear el proceso de tal manera que realice la calibración

 El modelo ha permitido establecer límites de control, que son los valores mínimos y máximos sobre los cuales se debería medir la productividad de la fábrica.  El modelo permitirá realizar de manera fiable la estimación de tiempos de la fábrica.

158

MODELO DE PRODUCTIVIDAD BASADO EN COMPONENTES PARA LA FÁBRICA DE SOFTWARE

de la información generada en los proyectos.  Utilizar otras técnicas matemáticas que permitan incrementar el nivel de precisión en

la estimación de tiempos de tal manera que se reduzca el margen de error plasmado en los objetivos del proyecto (± 12 %).

Referencias bibliográficas Clemmons, Roy K. (2006). Project estimation with Use Case Points. EEUU, Crosstalk: The Journal of Defense Software Engineering. Jones, C. (1987). A Short History of Function Points and Feature Points. Software Productivity Research Inc. USA. Cusumano, M. A. (1989). The Software Factory: A Historical Interpretation. IEEE Software.

Karlsruhe, Michael R. V., Chaudron, Clemens Szyperski & Ralf Reussner (2008). Component-Based Software Engineering Proceedings, 11th International Symposium (CBSE 2008), (Eds.) Springer, LNCS 5282, ISBN 978-3540-87890-2. Kruchten, Philippe (2003). The Rational Unified Process: An Introduction. Third Edition.

159

GESTIÓN

Carlos Inope Mantero GyM Egresado de la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Nacional de Ingeniería en Perú con el título de Ingeniero Electricista, registrado en el Colegio de Ingenieros del Perú en el capítulo de ingenieros electricistas. Tiene una maestría en Administración en ESAN. Cuenta con 27 años de experiencia profesional, 16 de los cuales se basan en gerencia de proyectos de infraestructura en distintos sectores, tales como energía, minería, industria y petróleo y gas, incluyendo proyectos desarrollados bajo la modalidad EPC, proyectos greenfield y brownfield y con experiencia también en proyectos en el extranjero.

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REDUCCIÓN DE LA SUBJETIVIDAD EN LOS RECLAMOS POR PÉRDIDA DE PRODUCTIVIDAD GESTIÓN

Reducción de la subjetividad en los reclamos por pérdida de productividad en el negocio de la construcción

Resumen Los reclamos por variabilidad de condiciones iniciales en los proyectos por parte de los contratistas son cada vez más comunes y a la vez complejos en cuanto a su contenido. De ellos, los que incluyen pérdida de productividad son quizá los que revisten mayor

dificultad para ser sustentados dada la información que se utiliza. Este documento pretende resaltar las fuentes de subjetividad de la información para reducirla y hacer más objetivo el documento de reclamo y, por tanto, más sustentable en cualquier nivel al que se lo eleve.

Objetivo Determinar y reducir la subjetividad en los reclamos de contratistas a propietarios por pérdida de productividad en proyectos de construcción.

161

GESTIÓN

Introducción El negocio de la construcción ha evolucionado y su complejidad se ha ido incrementando conforme los propietarios depositan mayores responsabilidades en los contratistas y los plazos de ejecución para permanecer competitivos son cada vez más reducidos, lo que exige a organizaciones, propietarios y contratistas esfuerzos conjuntos para obtener el resultado previsto al inicio del proyecto. Durante la ejecución de un proyecto de construcción es común que las condiciones iniciales con las que se previó su ejecución cambien, generándose modificaciones en el alcance de los trabajos y, por tanto, impactos en los costos y los plazos que normalmente son motivo de controversia o desacuerdos entre propietarios y contratistas, no siendo siempre reconocidos los argumentos de unos y otros. Más proclives al reconocimiento de los propietarios son los cambios en las condiciones iniciales respecto al alcance del proyecto que, a través de la generación de órdenes de cambio por trabajos adicionales, modifican el alcance, el precio y, eventualmente, si bien ahora con menor frecuencia, el plazo, incluso en aquellos a suma alzada. En algunas ocasiones los cambios en las condiciones iniciales son originados por situaciones menos evidentes y por tanto también menos aceptadas por los propietarios como válidas para ser reclamadas por los contratistas; debido a ello los contratos son cada vez más extensos, las cláusulas más elaboradas y las condiciones indicadas como situaciones que no podrán ser reclamadas por el contratista ni para reconocimiento de costos ni para ampliaciones de plazo más detalladas.

162

Lo cierto es que las situaciones cambiantes ocurren en todos los proyectos y no en pocas ocasiones afectan la productividad de las actividades; sin embargo, los contratistas frecuentemente no detectan esto, lo hacen tardíamente o, refiriéndose al contenido del presente documento, se lo plantean al propietario sin suficiente información de sustento, lo que deriva en la pérdida de los márgenes de utilidad previstos y atrasos en los flujos de caja, además de incurrir en atrasos en los plazos de ejecución, lo que finalmente perjudica tanto al propietario como al contratista. Son varios los elementos a tomar en cuenta al momento de plantear un reclamo de pérdida de productividad a un propietario, pero lo más importante es la eliminación de los elementos subjetivos. La subjetividad de la información y la poca calidad del sustento o su escasa credibilidad anulan cualquier posibilidad de que el reclamo prospere, mucho más aún si este es llevado a situaciones de arbitraje o a instancias judiciales, lo que puede perjudicar la relación entre el propietario y el contratista. Sin embargo, la determinación de un reclamo por pérdida de productividad no es una ciencia exacta, por lo que el elemento subjetivo o estimativo no puede ser totalmente eliminado. Se plantean en este documento algunos elementos cuya implementación antes y durante la ejecución de un proyecto permitirá reducir dicha subjetividad para soportar y sustentar un eventual reclamo.

REDUCCIÓN DE LA SUBJETIVIDAD EN LOS RECLAMOS POR PÉRDIDA DE PRODUCTIVIDAD

Contenido I. PRODUCTIVIDAD Y TIPOS DE CONTRATO

MEDICIÓN DE LA PRODUCTIVIDAD: ¿QUÉ MEDIR?

La productividad de sus actividades y su medición, control y eventual corrección son fundamentales para ejecutar cualquier tipo de proyecto. Por lo general la producción tiende a tener más importancia para el propietario, pero es la productividad la que debe preocupar y tener todo el interés del contratista; ahí está la fuente de posibles ahorros y los más probables costos extra de un proyecto.

Elemento base dentro de todo este proceso es la medición de la productividad de las distintas actividades. Este análisis inicia con la definición del nivel de detalle o el desagregado de en qué actividades se quiere o requiere ser medida la productividad. Un nivel de detalle demasiado profundo o un gran número de actividades por medir exigirá contar con muchas personas para realizar ese trabajo. Hay que evaluar qué información es relevante para el proyecto y cuál es relevante para medir.

Es la productividad la que le permitirá al contratista determinar si los niveles de producción que viene alcanzando se están ejecutando de manera económica y por tanto le permitirá determinar, con tiempo, si se lograrán o no los resultados esperados con las suposiciones efectuadas al inicio del proyecto. Hoy en día los propietarios han trasladado buena parte de los riesgos de construcción al contratista mediante el tipo de contrato que firman; a suma alzada, a precios unitarios, por administración directa, por tarifas de recursos, entre otras alternativas mixtas. No es intención del presente documento detallar cada uno de estos contratos, pero sí recalcar que, independientemente del tipo de contrato, la preocupación y el interés por el control de la productividad de las actividades debe ser fundamental.

Ello depende de cada proyecto y de cada actividad. Por ejemplo, en instalaciones mecánicas es común separar las instalaciones estructurales en estructuras extrapesadas, semipesadas, pesadas, livianas y misceláneas, debido a que existe un diferencial importante de productividad en cada una de dichas actividades, las cuales se trabajan por separado. Sin embargo, su medición y control en detalle resultan engorrosos y complicados, primero porque en general, al armarse una estructura, los tipos de perfiles normalmente van preinstalados y por tanto mezclados; segundo porque habitualmente la misma cuadrilla hace la instalación de los diferentes tipos de estructuras utilizando el mismo equipamiento, lo que hace difícil la separación de los ratios de productividad por tipo de estructura al momento de la ejecución.

PRIMERA FUENTE DE SUBJETIVIDAD:

Es indispensable la medición de la productividad, no solo de la mano de obra sino también de los equipos y eventualmente también de los materiales, entendiéndose esto último como la utilización de materiales de construcción por unidad de producción alcanzada.

EL RATIO MEDIDO DE LA ACTIVIDAD O LAS ACTIVIDADES DEBE SER CLARAMENTE DEMOSTRABLE TAL COMO SE EJECUTA Y NO INFERIDO O EXTRAPOLADO DE OTROS RATIOS DE MEDICIÓN.

La relación entre productividad y rentabilidad es directa, así como también el asegurar un flujo de caja positivo para el proyecto en los rubros controlados. Una pérdida de productividad afectará en forma directa el flujo de caja en los proyectos a precios unitarios y a suma alzada, mientras que en los que son por administración con límite de horas hombre o límite de precio significará una reducción del margen del proyecto. En todos los casos implica una pérdida de rentabilidad.

Lo objetivo es medir el índice de productividad en la forma exacta o más exacta posible en que la actividad se ejecuta. Extrapolar o ponderar rendimientos individuales derivados de la medición de un solo rendimiento de la actividad principal es subjetivo y poco demostrable; es preferible indicar como condición inicial de la propuesta económica un índice combinado y medirse contra él, sabiendo a ciencia cierta que la actividad se desarrollará de esa manera.

163

GESTIÓN

CAUSALIDAD Y SUSTENTO El primer paso para establecer que se tiene una pérdida de productividad es detectarla.

como condiciones que afecten a la ejecución del proyecto.

Existen situaciones que afectan directamente a una actividad en particular, pero hay otras que hacen lo propio con todas; las primeras son más difíciles de detectar o identificar, pues generalmente los contratistas prestan mayor atención a las que afectan a las actividades del proyecto de manera global.

No obstante algunas de las causas probables estén discriminadas contractualmente, es normal que los contratistas establezcan límites para tener márgenes de gestión; algunos claros ejemplos son el exceptuar la cantidad de tormentas eléctricas por días máximos o el número de días con lluvias de más de x mm de agua. Al revisar aquellas causas no discriminadas contractualmente se podrá verificar que contienen un alto grado de subjetividad que debe ser traducido en un factor medible.

La AACE, en su documento «Estimating Lost Labor Productivity in Construction Claims», identifica veintiún probables causas de pérdida de productividad que afectan la ejecución de proyectos de construcción. Estas causas se han clasificado según su aplicación a actividades individuales o de manera general al proyecto, pero también en base a si contractualmente se encuentran o no discriminadas por los propietarios como condiciones de pleno conocimiento de los contratistas, por tanto no reclamables ni exigibles

Generalmente contractualmente discriminado

Contractualmente no discriminado

General

Individual

Ausentismo, condiciones climáticas severas, competencia por mano de obra especializada entre proyectos, curva de aprendizaje, exceso de personal, poca moral del personal.

Disponibilidad de mano de obra especializada, poca supervisión, falta de recursos para ejecutar la actividad, falta de herramientas adecuadas para la actividad, factores de dirección del proyecto, trabajo fuera de secuencia.

Aceleración, sobretiempos excesivos, fatiga, relaciones laborales.

Sucesivos retrabajos por cambios de ingeniería, sucesivos cambios de turno de personal, interferencia del personal en una misma área, ingeniería defectuosa, restricciones al sitio de trabajo, aprobaciones o autorizaciones demoradas.

Figura 1: causas de pérdida de productividad

164

Por otro lado, es razonable que en algún momento del proyecto ocurran algunas de las causas indicadas a continuación en forma esporádica y no consistente. Estos casos tienen poca probabilidad de tener éxito por la vía negociada; se deben identificar aquellos elementos que son sostenidamente afectados por cualquiera de las causas indicadas y llevarlos a la mayor objetividad posible.

REDUCCIÓN DE LA SUBJETIVIDAD EN LOS RECLAMOS POR PÉRDIDA DE PRODUCTIVIDAD

SEGUNDA FUENTE DE SUBJETIVIDAD: IDENTIFICAR LAS CAUSAS DE LA PÉRDIDA DE PRODUCTIVIDAD EN LA ACTIVIDAD Y LLEVARLAS A ELEMENTOS OBJETIVOS DE MEDICIÓN. Por otro lado, es normal que las pérdidas de productividad en los proyectos no puedan ser anticipadas y recién se detecten una vez iniciados estos; ello dependerá de la frecuencia de seguimiento a los valores de productividad de las actividades, que normalmente debería ser semanal como mínimo. El resultado de la pérdida de productividad se puede identificar por actividad llevando de manera ordenada el cuadro de horas hombre consumidas contra horas hombre ganadas por actividad. Las horas hombre ganadas no son otra cosa que la producción alcanzada en un período x multiplicada por la tasa de productividad originalmente establecida para la actividad, la cual es recomendable declarar a los propietarios en todos los casos. En otras palabras, son las horas hombre que se deberían haber consumido en forma real para la producción alcanzada en dicho período x. Las horas hombre ganadas se comparan con las consumidas; si las consumidas son mayores a las ganadas, entonces estamos ante una situación de pérdida de productividad, lo que regularmente se determina con el factor de performance (PF), que es la relación entre las horas hombre ganadas y las consumidas. Si se tiene un PF menor a 1 se está ante una situación de pérdida de productividad. En algunas empresas se trabaja de forma inversa, pero el concepto es el mismo. Luego viene la tarea de identificar la causa, lo que demanda que se atiendan e identifiquen en detalle temas del entorno, tiempos, personal, equipos, herramientas y clima entre las diversas causas que pueden afectar la productividad de una actividad. Existen ya algunas herramientas que permiten identificar causas de improductividad y cómo corregirlas, tales como las cartas balance, los estudios de ciclo, la verificación del nivel general de actividad y el first run study. Las causas deben explicarse por sí mismas y no deberían requerir de añadidos o interpretaciones particulares. Se deberá evaluar la objetividad de la información proporcionada, el grado de subjetividad de los argumentos y las suposiciones hechas y las bases de sustento de las mismas. Asimismo, los contratistas

deberán usar en todo momento el contrato como base y argumento de su análisis de causalidad; cualquier argumento que se aleje del texto del contrato o esté evidentemente exceptuado hará que el íntegro del reclamo pierda credibilidad. El contratista deberá evitar que causales comunes de pérdida de productividad, como la curva de aprendizaje o la composición de la cuadrilla de trabajo, no interfieran con las causas identificadas por él, pues esto será utilizado por el propietario para minimizar los impactos reales.

II. MÉTODOS DE MEDICIÓN DE IMPACTOS DE IMPRODUCTIVIDAD Existen varios métodos aceptados por la industria para medir y demostrar los impactos de la improductividad de ciertas actividades del proyecto, sin embargo todos contienen un grado de subjetividad que debe ser identificado y aplicado de acuerdo a cada situación particular; ninguno de ellos, definitivamente, es una tabla matemática o una herramienta irrefutable o no cuestionable. Tercera fuente de subjetividad: el método de determinación de la improductividad incurrida. Los métodos de medición de improductividad más comunes son: a. Los de medición específica de valores de productividad. b. Métodos con cálculos comparativos. c. Estudios de la industria. d. Métodos con costo total.

a. Método de medición específica de valores de productividad: aproximación a la «milla medida». Este método, propuesto por D. A. Zink en 1986, básicamente compara, en un mismo proyecto, dos períodos distintos de la ejecución de una misma actividad, en donde una de las mediciones necesariamente debe ser en un período en donde no haya habido ninguna afectación externa o interna de la productividad y el segundo debería reflejar los impactos en la productividad de la actividad por las causas identificadas en el análisis previo.

165

GESTIÓN

El estudio debe efectuarse con el análisis de causalidad ya conocido, puesto que de otra manera no será posible identificar qué aspectos de la actividad son afectados en forma directa. El resultado se mide en mayores recursos necesarios para completar la actividad, por ejemplo y principalmente, horas hombre u horas máquina. Un caso convencional y recurrente, por ejemplo, en la industria de la construcción, es el tiempo utilizado a inicio o término de la jornada producto de los permisos necesarios para iniciar o terminar las actividades, poco reclamados por los contratistas y, en general, rara vez previstos a la hora de determinar los ratios de producción diarios y, por tanto, en los presupuestos de los proyectos. El hecho es que el tiempo utilizado para esta gestión reduce el tiempo efectivo de trabajo del total de la cuadrilla y dado que la jornada laboral incluye esos períodos dentro de la planilla del trabajador, resultan en una menor productividad por hora hombre pagada al trabajador, afectando el avance diario, el costo del proyecto y el flujo de caja. Esta situación se hace más evidente en trabajos realizados dentro de plantas en operación. Demostrar esta afectación por la vía de la milla medida sería sencillamente considerar el avance de un trabajo efectivo de jornada completa comparado con el avance de la misma actividad en una jornada afectada por los tiempos utilizados en la obtención de autorizaciones y permisos previos a la jornada. De la misma manera, este método permitiría identificar pérdidas de productividad en situaciones más complicadas de demostrar con un simple razonamiento, como aquella resultante de la aplicación de un exceso de horas extras al personal. Existen estudios que demuestran que extender la jornada de trabajo por periodos largos redunda finalmente en pérdida de productividad; sin embargo, la teoría resulta subjetiva si no se prueba o se demuestra.

no esté afectado por factores internos o externos. Ciertamente, cada sector de la actividad se verá afectado por diferentes factores y no faltará el propietario que indique que la falta de productividad se da por razones distintas a las planteadas por el contratista; en ese caso deberán compararse los escenarios de un tramo afectado y el tramo menos afectado por la causa identificada. La otra dificultad inherente no solo a este método sino a todas las metodologías en general es la confiabilidad de la información tomada en campo y la posibilidad de verificarla. El contratista requerirá de personal de control de proyectos que tome esta información de manera regular. Sin embargo, también será necesario que esta información sea del conocimiento de los propietarios de manera regular para no crear un caso ex post y permitir verificar objetivamente los cambios en los valores de productividad. La práctica indica que es más fácil sustentar posiciones utilizando información previamente conocida por las partes y no con aquella mostrada a último momento. Una vez determinado el período de nula o menor afectación se determina el avance físico, el porcentaje de avance y las horas hombre consumidas para establecer el ratio (horas hombre sobre porcentaje de avance); esta es la milla medida. Este ratio es comparado con el periodo impactado, lo que a la vez permite determinar el tiempo asociado al impacto. La demostración de las horas hombre adicionales necesarias para completar la actividad resultan determinadas de manera objetiva. Según varios autores este método es el de mayor aceptación para demostrar improductividades incluso en terrenos legales; sin embargo, de manera similar a cualquier otro método utilizado, el criterio prima y la objetividad es la que convence. b.

Por lo general los propietarios toman de manera muy escéptica las causas como la anteriormente indicada, salvo que sean mostradas de manera objetiva y bien sustentada por los contratistas. Una de las dificultades en el uso de este método es encontrar y aislar un tramo de la actividad que

166

Cálculos comparativos

El cálculo comparativo hace referencia al uso de ratios de situaciones similares utilizados en otros proyectos por el contratista, los cuales servirían de base para demostrar que los rendimientos obtenidos en la actualidad de un proyecto se encuentran por debajo de lo regularmente obtenido en casos similares.

REDUCCIÓN DE LA SUBJETIVIDAD EN LOS RECLAMOS POR PÉRDIDA DE PRODUCTIVIDAD

Básicamente esto se traduce en utilizar los ratios que se estimaron para el presupuesto, pues se sigue exactamente la misma lógica de utilizar información estadística. De ahí que consideramos que la manifestación y el registro de los rendimientos previstos en el presupuesto para cada uno de los proyectos y las condiciones en las que estos han sido determinados deben ser claramente definidos ante el propietario, lo que sería, para ambas partes, una ventaja y un punto de partida. Sin embargo, aun así siempre existe la posibilidad de que los propietarios argumenten que los errores de presupuesto, y por tanto de estimación, son exclusiva responsabilidad de los contratistas; de todas maneras consideramos que solo de esta forma los datos iniciales podrán ser objetivamente comparados y usados para determinar los cambios o modificaciones de las situaciones con las que originalmente fueron determinados. c.

Estudios de la industria

Si el método anterior puede ser cuestionado por no tener una base de sustento orientada hacia el proyecto, el uso de ratios de la industria resulta bastante más cuestionable, pues puede ser observado por no considerar condiciones específicas como clima, rotación, facilidades, alojamiento, composición de cuadrillas, experiencia del personal local y otras condiciones que varían de proyecto a proyecto. d.

Método del costo total

La metodología considera que todas las improductividades de las actividades desarrolladas en el proyecto son de responsabilidad del propietario, por lo que es factible utilizarla; esta técnica tiene más que ver con la determinación de los costos asociados al proyecto en un punto para luego compararlos con los costos teóricos que hubieran ocurrido de desarrollarse las actividades en la forma que estaban inicialmente previstas que con una forma de calcular los ratios improductivos. Esta metodología es la más utilizada por los contratistas para solicitar pérdidas de productividad; sin embargo, puede ser condicionada por su subjetividad al sustentar las razones de la diferencia de productividad. Los propietarios son adversos a aceptarse 100 % responsables de un atraso, un

sobrecosto o del no cumplimiento de sus contratistas, lo que en la mayor parte de los casos es cierto, pues hay un componente de responsabilidad de los contratistas que se pretende endilgar a los propietarios y el método del costo total es el adecuado para hacerlo. Al utilizar este método se debe tener en consideración que: 1) los propietarios no aceptarán el 100 % de la responsabilidad, lo que implica que el 100 % del costo reclamado no será aceptado; 2) dada su subjetividad, es altamente probable que las conversaciones o discusiones referidas al reclamo se extiendan en el tiempo y se termine, por agotamiento de ambas partes, en una salida negociada por un porcentaje arbitrario de lo originalmente reclamado, dejando a unos y otros insatisfechos con el resultado de dicha negociación; 3) de no progresar el caso e irse a instancias distintas a las de las partes, por ejemplo un arbitraje, las probabilidades de que un reclamo de esta naturaleza prospere son directamente proporcionales a la capacidad de demostrar la relación entre las causas esgrimidas, las improductividades reclamadas y los costos reclamados; regularmente a estas instancias llegan los reclamos con mayor grado de subjetividad, casos como los comentados de pérdida de productividad por sobretiempos excesivos o de exceso de personal en un área producto, por ejemplo, de una aceleración, difíciles de ser demostrados. Este documento no prioriza la utilización de uno u otro método; todos tienen ventajas y desventajas y pueden ser utilizados en cualquier situación. Desde nuestro particular punto de vista, el mejor será el que minimice el grado de subjetividad de un reclamo.

III. PREPARACIÓN DE UN RECLAMO POR PÉRDIDA DE PRODUCTIVIDAD Una vez identificada la actividad, la causa de la pérdida de productividad y el método considerado más adecuado para determinar el costo asociado a esta pérdida, se procederá a elaborar el reclamo correspondiente. A continuación se indican algunas recomendaciones: 1. Registrar la información de productividad de las actividades de mayor relevancia dentro del

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GESTIÓN

proyecto, por ejemplo aquellas que aglomeren los porcentajes más altos de horas hombre o las que concentren un porcentaje importante de las horas máquina de equipos. Esta información debe ser dada a los propietarios regularmente, además de complementada con los datos de los ratios de rendimiento y productividad de la oferta conocidos por el propietario, que deberá formar la línea base sobre la que se deberán corresponder las mediciones de productividad. 2. Una vez detectada la existencia de un evento de pérdida de productividad, el propietario debe ser informado al respecto inmediatamente. La experiencia ha demostrado que un problema avisado con anticipación tiene mayores probabilidades de ser resuelto y aceptado como tal por los propietarios. La experiencia también nos dice que, antes de proceder con cualquier reclamo monetario, la responsabilidad de dicha causa debe ser claramente demostrada o demostrable. Una vez que la causa ha sido aceptada y entendidos los impactos, el cálculo del costo del impacto representa la menor parte del problema. 3. Es necesario identificar si la causal de afectación incide solo sobre algunas actividades del proyecto

o si lo hace sobre el íntegro del mismo. Una afectación global del proyecto normalmente es más susceptible de ser demostrada que una muy puntual; falta de ingeniería o suministros, situaciones climáticas extremas o retrasos producidos al iniciarse la jornada serán siempre más sencillos de demostrar que una afectación no recurrente de un solo día a una actividad específica, y, por ende, difíciles de demostrar. 4. Consideramos que la utilización del método del costo total no sería recomendable para aquellas situaciones en las que las afectaciones se reflejaran en una actividad en particular, pues el sustento debería ser orientado a comparar el rendimiento o la productividad actual. 5. No debe perderse de vista que la objetividad y razonabilidad de la información y la posibilidad de que cualquier otra persona pueda revisar el reclamo deben ser las guías para su elaboración. Perder de vista ello y orientarse solo a demandar un valor económico puede lograr que un reclamo justo sea altamente cuestionado y redunde en una aceptación parcial o una negativa total del propietario.

Conclusiones Cada proyecto es individual y son pocas veces repetibles las situaciones y fuentes de variabilidad; por tanto, es poco probable que las experiencias se repitan exactamente de un proyecto a otro. La variabilidad produce diferencias entre lo estimado inicialmente, el presupuesto y la realidad. Es el impacto de dicha variabilidad el que afecta a la parte ejecutante,

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el contratista y también, directa e indirectamente, al propietario. Lo que se ha querido postular en el presente documento es que, dejando tácita la razonabilidad de un reclamo, es la objetividad, o su equivalente, la reducción de la subjetividad, la que va a permitir viabilizar un camino de entendimiento entre propietarios y contratistas.

REDUCCIÓN DE LA SUBJETIVIDAD EN LOS RECLAMOS POR PÉRDIDA DE PRODUCTIVIDAD

Referencias bibliográficas Calvey, Timothy T., & Zollinger III, William R (junio 2225, 2003)., PE. Measured Mile Labor Analysis. AACE International Transactions 47th meeting. (pp. 1-19). Dieterle, Robert A., & Gaines, Thomas A. (febrero, 2011). Practical Issues in Loss of Efficiency Claims. En Cost Engineering: The AACE International Journal of Cost Estimation, Cost and Schedule Control, and Project Management CDR07 (pp. 1-12)

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Dukellis, Fitzgerald, Hoffar, Tieder, & Watt. Proving Productivity Losses (mayo 2004). ECA Online (pp.1-4).

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INSTRUMENTACIÓN

Marian Villarroel Klenner CAM Chile Titulada de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Concepción en Chile con el título de Ingeniera Civil Industrial y de Magíster en Gestión Industrial, mención Gestión Financiera, de la misma facultad y casa de estudios. Cuenta con experiencia en evaluación de proyectos, colaborando en estudios de mercado y factibilidad técnica de proyectos de innovación en organismos incubadores de negocios, así como también en formación de estudiantes universitarios en materias de proyectos y finanzas y lanzamiento de proyectos de innovación propios en las mismas incubadoras. En su vida universitaria desarrolló dos prácticas profesionales, ambas enfocadas a la productividad industrial y planificación y gestión del stock, asimismo fue participante activa de la organización de congresos de estudiantes de Ingeniería Civil Industrial. Hasta el momento se ha ejercido en su primer trabajo en Cam Chile SA como analista del Programa de Ingenieros con Potencial, pasando luego de seis meses a desempeñarse como gestora de stock de la compañía, dedicándose de lleno a la planificación y gestión del stock y su optimización.

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GESTIÓN

Sistemas de gestión MRP, aplicación en CAM Chile

Resumen El objetivo de este artículo es dar a conocer el funcionamiento de un sistema de planificación y gestión de inventario, MRP («Planificación de Requerimientos de Material») por las siglas en inglés de «Material Requirement Planning». Los MRP responden a preguntas como qué, cuánto y cuándo se debe aprovisionar con el objetivo de otorgar un enfoque efectivo para determinar los requerimientos materiales en las empresas colaborando también con

las actividades de compra. Este estudio en particular desarrolla y explica el funcionamiento de un MRP y sus diferentes insumos, como listas de materiales, tiempos de reposición, inventario disponible, demanda actual de materiales, entre otros. Finalmente se analizan las ventajas de aplicar un software MRP en la empresa CAM Chile S. A., y en particular se presenta un estudio de la interfaz de la funcionalidad MRP del software Oracle R12 y su posible aplicación en la empresa en el mediano plazo.

Introducción y objetivos CAM Chile S.A. es una empresa de servicios eléctricos que utiliza diversos materiales en sus operaciones. Estos materiales se dividen en distintas familias y tipos, teniendo cada uno de ellos sus propias características en cuanto a consumos, compras, relevancia en la gestión, entre otros.

Hoy en día, con los avances tecnológicos cada vez más eficientes, han surgido herramientas que tienen por función optimizar el sistema de planificación de necesidades de materiales, realizando la tarea de gestión de materiales mucho más amena para las empresas. A estas herramientas se las denomina sistemas MRP

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GESTIÓN

(Material Requirement Planning), entre las cuales destacan MRPlite: LSde DbM, ImpactAward de Syspro Inc., Microsoft Dynamics AX de Microsoft, Oracle MRP de Oracle y MRP SAP Business One de SAP. En la presente investigación se analizan las características potenciales de los sistemas MRP y en particular se estudia la posibilidad de implementación del módulo MRP de Oracle en la empresa CAM Chile S.A., esto con el objetivo de diseñar un sistema de planificación de materiales que facilite a la organización el abastecimiento de insumos necesarios reduciendo las deficiencias detectadas actualmente en cuanto a inventario valorizado excesivo, el cual a la fecha bordea

los $MM4724 distribuidos en un 33,5% de materiales recurrentes, que es donde más efecto puede tener el sistema MRP, y un 66,5% de materiales no recurrentes, donde se debe aplicar una planificación más fina desde el origen de los proyectos. Mediante el módulo MRP que se aplique se desea establecer orden, duración y recursos necesarios en forma eficiente, estandarizando y agilizando el proceso normal de abastecimiento con la aplicación adecuada del software. Con esta implementación se espera reducir los quiebres de materiales y los niveles de stock y determinar en forma clara los plazos de entrega de proveedores al conocer el momento y la cantidad exacta de material a solicitar.

Desarrollo MRP o Material Requirements Planning es una herramienta de planificación por fases que calcula las necesidades de material y tiempos de suministro para satisfacer la demanda de todos los productos; en el caso particular de CAM, los consumos requeridos por la operación diariamente y, en una etapa posterior, los consumos de los proyectos planificados. En este punto las tecnologías de la información juegan un papel importante en el diseño e implementación del sistema MRP, ya que proveen información acerca de las necesidades de consumo (en relación con la demanda de trabajos) así como sobre los niveles de inventario de la compañía. Las técnicas MRP se enfocan en la optimización del inventario y en explotar el plan maestro de producción para el cálculo de las necesidades netas de materiales y la planificación de necesidades futuras. En la actualidad, factores como la reducción de costos se han vuelto determinantes en las empresas altamente competitivas, lo que ha generado que muchas tengan enfoques Just in time o JIT, por ejemplo, y que principalmente cumplan con la característica de rotar muchas veces su inventario al año. Hay ratios de rotación de inventario mayores a 100 provenientes de empresas japonesas que optimizan por completo su ciclo de producción. 1En este contexto es posible notar que la

alta rotación de inventario va de la mano con la reducción de costos de producción, ya que menor capital es atado al inventario no utilizado. Los sistemas MRP utilizan cuatro piezas de información para determinar qué materiales se deben solicitar y cuándo:    

Desarrollo de planificación agregada. Desarrollo de plan maestro de producción. Desarrollo de planificación de materiales. Plazos de entrega de proveedores (lead time).

Una descripción gráfica de las entradas anteriores al sistema MRP se presenta en la figura 1.

Planificación agregada

Lead Times proveedores

MRP Plan maestro de producción

Listas de materiales

Fuente: elaboración propia

Figura 1: inputs al sistema de gestión MRP

1 Dato obtenido de Moustakis, V. (2000). Material Requirements Planning MRP. Universidad técnica de Greta, Grecia.

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SISTEMAS DE GESTIÓN MRP, APLICACIÓN EN CAM CHILE

Una breve descripción de la planificación agregada consiste en la determinación de los productos a consumir en el mediano plazo, los recursos necesarios y los costos derivados. Por otro lado, teniendo la base para determinar las cantidades a consumir en el mediano plazo por medio de la planificación agregada, esta misma se concreta y desagrega en el plan maestro de producción, que determina cuántos materiales se deben consumir en cada periodo de tiempo.

 Necesidades brutas (NB): necesidades de materiales derivadas de planificación maestra.  Recepciones programadas (RP): pedidos realizados en el pasado y que se espera recibir en el periodo actual.  Disponible (D): materiales disponibles al principio del periodo.  Stock de seguridad (SS).  Necesidades netas (NN): cantidades necesarias para satisfacer las necesidades brutas.

NN = NB + SS – D – RP

Por último, el paso final en la planificación de los consumos consiste en la planificación de los materiales, el MRP. Un sistema MRP utiliza los resultados del programa maestro para planear las compras de materiales a proveedores considerando el tiempo de entrega que posee cada uno como un factor clave. A través del MRP es posible definir las necesidades de materiales en un periodo determinado.

 Necesidades netas teniendo en cuenta el lote de pedido (NNL): las necesidades netas anteriores se deben redondear en función del lote de pedido que expide el proveedor.

En resumen, el plan maestro en conjunto, con la lista de materiales provenientes de la planificación agregada, indica qué materiales deben ser ordenados, y junto con el plazo de entrega de proveedores se determina exactamente cuándo deben ser colocados los pedidos.

Los informes que entrega el MRP pueden ser los siguientes:

Informes primarios: son los principales informes que se utilizan para el control de inventario y producción.  Las órdenes previstas para ser lanzadas en un momento futuro.

En el MRP se definen las siguientes variables:

Cambios diseño ingeniería

En la figura 2 se presenta un mayor detalle de los inputs y las salidas del sistema MRP.

Planificación agregada

Pedidos realizados por clientes

Previsión demanda basada en consumos

Transacciones inventario

Plan maestro

Archivo lista materiales

Registros de inventario

MRP

Reportes primarios: Planificación de pedidos inventario

Reportes secundarios: Reportes de excepciones reportes de planificación

Fuente: elaboración propia en base a Revista virtual Pro, 2015

Figura 2: detalle de inputs y salidas MRP

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GESTIÓN

 Los anuncios de liberación para la ejecución de las órdenes planificadas.  Los cambios en las fechas de vencimiento de las órdenes abiertas debido a la reprogramación.  Las cancelaciones o suspensiones de las órdenes abiertas debido a la cancelación o suspensión de las órdenes en el programa maestro de producción.  Los datos de estado del inventario.

Informes secundarios: informes adicionales, que

«planeación de requerimientos de materiales» debido a la falta de capacidad computacional de los ordenadores de la época.2 Según Orlicky el MRP consiste en una serie de procedimientos, reglas de decisión y registros diseñados para convertir el programa maestro en necesidades netas para cada periodo de planificación. El objetivo con el que se desarrolló la metodología MRP fue sustituir los sistemas de información tradicionales de planificación y control de la producción (Cooper y Zmud, 1990).

son opcionales:  Reporte de planificación: informe a ser utilizado en el inventario de predicción y que puede especificar requisitos para más de algún horizonte de tiempo.  Informes de excepciones: señalan discrepancias importantes, tales como órdenes atrasadas. La figura 3 presenta la documentación requerida por el sistema y la información obtenida luego del proceso generado. Información requerida y controlada

Demanda Lista de materiales

De que proveerse

Inventario disponible Pedidos pendientes de recibir Plazos de entrega

MRP

Cuando proveerse Cuanto proveerse

Ordenes de aprovisionamiento

Información calculada

Recursos disponibles Fuente: elaboración propia

Figura 3: documentación necesaria y generada por el sistema MRP Se considera a Joseph A. Orlicky, de IBM, como uno de los padres del MRP moderno, quien en la década de los sesenta dirigió los primeros experimentos que bautizó como

Según George Plossl, otro de los padres de este sistema, «el MRP calcula qué necesito, lo compara con lo que tengo y determina qué voy a necesitar y cuándo» (Ptack y Schragenheim, 2000). En el fondo controla la previsión de la demanda, la lista detallada de los materiales, el inventario disponible en cada momento y los pedidos a los proveedores pendientes y sus respectivos plazos de entrega con la finalidad de definir qué se debe fabricar y qué se debe pedir a los proveedores en cada momento y en qué cantidad. Muchas empresas utilizan sistemas MRP pero no todas han tenido éxito con su uso; sin embargo, las que lo han logrado han conseguido eficiencia en el suministro de los materiales que se necesitan, que además permiten una rápida reprogramación en respuesta a cambios provenientes de un medioambiente dinámico donde tiene mucho que ver la demanda de los materiales y el cumplimiento de las órdenes de trabajo. Estos sistemas están basados, por lo general, en demanda dependiente, la cual es causada por necesidades de un semiterminado o un artículo de más alto nivel en el proceso de valor agregado. Para el caso particular de CAM, el producto final podría decirse que es la orden de trabajo, y los artículos semiterminados serían todos los materiales requeridos para completar el trabajo requerido en el tiempo necesario. Los MRP parten de la base de que es posible conocer o estimar la demanda de los materiales que componen una orden de

trabajo, pudiendo con esto saber en qué momento van a ser necesarios para llevar a cabo toda la orden, considerando el tiempo de entrega final al cliente. Con esto es posible calcular qué se debe aprovisionar, en qué cantidad y en qué momento, permitiendo reducir el stock de las empresas e incluso eliminarlo por completo mientras el artículo no sea necesario.

2 Obtenido de «Estudio para la implantación del sistema MRP de planificación y control de la producción de una empresa productora de maquinaria de control numérico», Amat de Swert, Universidad Politécnica de Catalunya, junio 2009.

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SISTEMAS DE GESTIÓN MRP, APLICACIÓN EN CAM CHILE

TIPOS DE ORGANIZACIONES PARA APLICACIÓN DE MRP Existen gran cantidad de softwares para la aplicación del sistema MRP, y cada vez son más versátiles para poder adecuarse a cada organización en particular. Esto ha originado que se pueda aplicar esta metodología en organizaciones cada vez más variadas y de sectores muy diferentes, como pueden ser los sectores productivos y los de servicios. Existen tres grandes tipos de organizaciones donde es posible aplicar esta herramienta.  Fabricación por pedidos: empresas con procesos productivos que varían constantemente. Ejemplo: imprentas.  Fabricación para inventario: empresas en que el proceso productivo está centrado en el producto. En este caso únicamente se tienen en cuenta las previsiones de demanda realizadas con anterioridad. Ejemplo: papel, acero.  Montaje por pedido o previsión: este tipo es un intermedio de los dos anteriores, donde el cliente puede personalizar un poco el producto pero muchos de sus componentes son estándar. Ejemplo: vehículos, restaurantes de comida rápida. Respecto a CAM podría decirse que tiene mayor relación con esta última categoría.

CÁLCULO DEL LEAD TIME Ya que la implantación del MRP supone que un software determine las órdenes de producción, el mismo software podría ir solicitando cuándo se ha inicializado y cuándo se ha finalizado cada acción verdaderamente. De esta forma el software dispone de información a tiempo real para realizar los cálculos y puede ir actualizando los lead time de cada artículo.

METODOLOGÍA DE IMPLEMENTACIÓN DE UN MRP El procedimiento del método es sistemático y calculado por medio de un software que la empresa debe elegir. Todos los cálculos se realizan en función de la demanda, siendo el objetivo principal cumplir con ella minimizando

el stock. De esta manera el sistema definirá qué se debe fabricar en cada momento para cumplir con el plazo de entrega establecido con el cliente, evitando la fabricación por urgencias y cumpliendo con los plazos de entrega. Este tipo de sistema se vuelve parte de la infraestructura de gestión de información de la organización y desde ese punto de vista contribuye a la consecución de objetivos más amplios relacionados con la calidad, la satisfacción del cliente, la entrega justo a tiempo, etcétera. La aplicación de un sistema MRP exige un elevado número de documentos y tablas, que conviene calcularlas por niveles. Para facilitar la recopilación de todos los datos de cada artículo y realizar los cálculos por niveles, es muy útil realizarlos en base a la tabla mostrada en la figura 4.

Artículo en estudio

Tiempo Tiempo Tiempo Tiempo … 1 2 3 n

Necesidades brutas Órdenes pendientes por recibir Incremento de stock de seguridad Existencias previstas … Necesidades netas Recepción de órdenes plan Emisión de órdenes plan Fuente: elaboración propia en base a Fonollosa y Companys, 1989

Figura 4: tabla para cálculo de emisión de órdenes de material

Necesidades brutas: se debe indicar la demanda prevista del artículo para cada intervalo.

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GESTIÓN

Órdenes pendientes por recibir: se debe introducir el stock inicial y las órdenes de compra ya generadas antes del comienzo del cálculo del MRP. Incremento de stock de seguridad: en caso de que se deba tener en cuenta un stock de seguridad en función de la demanda de cada intervalo, podría añadirse el incremento de stock de seguridad entre intervalos. Existencias previstas: se debe agregar aquellos productos que ya se han recibido pero que no se han consumido en los periodos anteriores y están disponibles. Para cada caso se añaden filas necesarias para recoger toda la información necesaria para calcular la demanda neta. Necesidades netas: con información anterior es posible calcular la demanda neta necesaria. Recepción de órdenes plan: se debe indicar cuándo se recibirán las órdenes emitidas con anterioridad. Emisión de órdenes plan: se debe indicar cuándo se deben lanzar las órdenes de aprovisionamiento para que los artículos se reciban en el momento necesario. Dentro de las técnicas parciales incluidas en el MRP se encuentran las herramientas estadísticas y técnicas de predicción para definir la demanda prevista y desconocida del próximo periodo.

DEFINICIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS DEL SOFTWARE Para la correcta aplicación del sistema es necesario un software ERP que permita la sincronización de todos los departamentos y que englobe, a través de un módulo de producción, al sistema MRP. El ERP es un sistema de organización global de una empresa que consta de seis módulos diferentes que se comunican entre sí. Para el correcto funcionamiento del software no es necesario instalar todos los módulos. Dichos módulos son:

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 El módulo de proveedores, donde se guarda y transmite su información.  El módulo de stock de materiales, que en función de los pedidos recibidos y el consumo conoce las existencias de material en stock.  El módulo de finanzas, que calcula la previsión de facturas a pagar y a cobrar en función de la información transmitida por los módulos de proveedores, de clientes y de stock.  El módulo MRP, que calcula en función de las previsiones de demanda qué se debe fabricar, en qué momento y en qué cantidad. Este, además, indica las necesidades al módulo de stock y es el que se plantea incorporar en CAM en conjunto con todas las empresas del grupo Graña y Montero.  El módulo de clientes, donde se guarda y se transmite su información. Este módulo de momento no está incorporado en CAM y solo hay relación con clientes por medio de facturas en módulo finanzas y ventas de algunos materiales en módulo stock. A modo de ejemplo se presenta una visualización de un caso de implementación en módulo MRP SAP aplicada a una empresa del rubro de transportes. Esta visualización, presentada en la figura 5, es similar a la que podría tener Oracle cuando implemente esta solución MRP. En la visualización se evalúa el ítem MRP1 con sus correspondientes características: stock máximo, saldo actual, stock de seguridad, características de planificación de necesidades, tamaño de planificación de necesidades. En caso de que el material esté bajo el punto de pedido se generará una solicitud para lograr el stock máximo. Se muestra también los pedidos de compra pendientes para considerar el resultado de abastecimiento. Actualmente CAM tiene partes del módulo MRP en Oracle R12, pero no están desarrolladas y son justamente las que se pretende explotar. En la figura 6 se puede ver que para cada artículo dentro del ítem Planificación General se tiene la opción «No planificado»; de momento solo se puede elegir esa opción, que es como están actualmente todos los materiales o por método Mín- Max, Punto Reordenamiento o Administrado por Proveedor. Estos

SISTEMAS DE GESTIÓN MRP, APLICACIÓN EN CAM CHILE

Fuente: SAP MRP, Chilexpress

Figura 5: visualización MRP SAP

Fuente: Oracle R12, CAM

Figura 6: visualización de Planificación General

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GESTIÓN

Fuente: Oracle R12, CAM

Figura 7: visualización de Planificación MPS (Plan maestro de producción)/MRP

Fuente: Oracle R12, GyM SA.

Figura 8: planificación de stock en Oracle

últimos tres métodos, sin embargo, no pueden ser ejecutados aún, a pesar de que aparecen en el sistema. Para partir con la ejecución del MRP en las empresas del grupo se comenzará por el método Mín- Max, que es precisamente con el que se puede determinar el aprovisionamiento de materiales como EPP, en que el aprovisionamiento es más simple ya que hay un CPM

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(consumo promedio mensual) definido de antemano por área de prevención de riesgos. La figura 7 es una visualización de Planificación MPS/ MRP, donde al igual que en la visualización anterior se presenta más de una opción pero de momento solo está disponible el método «No Planificado».

SISTEMAS DE GESTIÓN MRP, APLICACIÓN EN CAM CHILE

Con la aplicación del MRP en Oracle dichas pantallas permitirán hacer la búsqueda por código de artículo, descripción, método de planificación y saber si está basada en Organización o en Sub Inventario. Inicialmente los ítems tendrán como Método de Planificación el valor «No Planificado» y la planificación estará basada en Organización. Los parámetros que se deberán ingresar dependerán del Método de Planificación. A modo de visualización del método Mín- Max con el que se partirá en CAM y que ya está implementado en GyM S.A. se puede ver la siguiente pantalla de control de planificación de stock en la figura 8: Esta pantalla solo muestra artículos que aún no generan solicitudes internas (SI) y está formada por cuatro secciones: Organización, Visualización, Detalle de Artículo y Consumo Extraordinario.

En Detalle de Artículo se muestra información como código, descripción, fecha de ruptura, demanda pronosticada, lead time, unidad de tiempo, generar SI, Qmin, Qmax, en producción, en tránsito, en origen, en OC, en SI, Q reposición, unidad pedido y Q solicitud del artículo. Respecto al consumo extraordinario de la cantidad solicitada se debe especificar si es diario (D), semanal (S) o mensual (M). El lead time que se usa para los cálculos posteriores es el mismo configurado para el artículo. Las SI generadas en estos casos poseen un indicador que las identifica como SI por demanda extraordinaria. Todo esto es parte de lo que se implementará en CAM en una primera instancia, pudiendo diferenciar las sobredemandas de las normales, uno de los grandes problemas que tiene la compañía actualmente.

Resultados PLAN DE IMPLEMENTACIÓN FUTURA En la implantación de un sistema MRP hay dos grandes estrategias, la estrategia Out of the box y la estrategia One shot. La primera, Out of the box («fuera de la caja»), consiste en implantar el software tal cual está, sin intentar adecuar el programa a los procesos de la organización, y una vez funcionen correctamente las funciones básicas se completa con otras específicas para adecuarlo a los procesos de la empresa. La ventaja que posee este método es su rapidez de implementación, pero tiene como desventaja la poca adecuación inicial del software a los procesos de la empresa. Se recomienda esta estrategia en empresas que tengan procesos semejantes a los propuestos en el software. La segunda estrategia, One shot («en un solo esfuerzo»), pretende adecuar el software a los procesos de la empresa antes de implantarlo. En este caso el

procedimiento va adecuando cada módulo por fases. Existe una variante de ambas estrategias, llamada Roll Out, que consiste en realizar la implantación directa del software en un entorno reducido de la empresa para posteriormente, una vez adecuado el software a los procesos empresariales, implantarlo directamente en toda la organización; consiste, en definitiva, en aplicar la estrategia Out of the box en un entorno reducido y, una vez obtenidas las modificaciones necesarias, implantar One shot en el resto de la empresa. Considerando estas tres estrategias se determina que la indicada para aplicar en CAM sería la última, partiendo en un inicio por aplicar el sistema MRP solo a materiales permanentes y de uso para proyectos comunes del día a día para, una vez logrado el funcionamiento adecuado, poder extenderlo a proyectos mayores.

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GESTIÓN

Casos de excepción Un caso de excepción en la aplicación de un sistema MRP ocurre cuando hay requerimientos que no pueden cumplirse dado que hubiesen necesitado iniciar un proceso en el pasado. En este caso el planeador debe tomar decisiones sobre estos requerimientos con el objetivo de expeditarlos o negociar las fechas de compromiso con el cliente. Uno de los entregables del MRP es de hecho el informe de excepciones, que permite conocer qué órdenes de trabajo van retrasadas y cuáles son sus posibles repercusiones sobre la planificación y, en última instancia, sobre las fechas de entrega de trabajos a los clientes.

Este tipo de sistemas es difícil de implementar en empresas de servicios que producen cierta cantidad de órdenes de trabajo de gran valor y complejas, que requieren un diseño avanzado y donde se involucran muchos materiales cuyos plazos de entrega de proveedores pueden ser bastante variables e inciertos. En estos casos se requieren adicionalmente técnicas de programación más avanzadas y una planificación más fina a nivel de cada orden de trabajo.

Conclusiones Como puede apreciarse, la utilización del sistema MRP permite establecer el plan de producción de los trabajos a ejecutar a efectos de satisfacer las necesidades de materiales y a su vez efectuar los requerimientos a Compras de todos los insumos por las cantidades exactas que dicho plan requiere. Sin embargo, se debe considerar que muchas veces la realidad en que las organizaciones operan las hace gestionar con cierta complejidad debido a la gran variedad de materiales que requieren y a la complejidad de sus trabajos, lo que puede dificultar los resultados entregados por el MRP. Comparando el funcionamiento actual de CAM, en el cual prácticamente la mayoría de las compras se basa en urgencias al carecer de una planificación detallada de las operaciones y no conocerse ni estimarse con exactitud los tiempos de trabajo, con el funcionamiento que podría esperarse utilizando la herramienta MRP, se evalúan grandes beneficios, partiendo por reducir el stock de material en curso y el de seguridad gracias a un CPM definido en base a pronósticos de consumos históricos, mejorar la gestión del tiempo por parte de

180

compradores y usuarios al lograr tener una planificación con detalle de cada operación, desagregándola en tiempos que van desde semanas al día a día, y en especial reducir las entregas de material urgente. Finalmente, se esperan los siguientes logros en cuanto a los objetivos planteados inicialmente:  Reducir el tiempo de organización de la producción y elevar su control.  Reducir el plazo de entrega de órdenes de trabajo o al menos no extenderlo, pudiendo determinarlo con cierta seguridad, elevando así la calidad del servicio.  Reducir los niveles de stock y determinar de forma clara los plazos de entrega, al conocer el momento y cantidad exacta de material necesario. Queda planteado como fin próximo para la empresa, una vez obtenido y funcionando el módulo MRP, la obtención e interconexión de otros módulos, pudiendo abarcar y sacarle mayor provecho a todas las utilidades de un sistemas ERP, llevando la planificación no solo a materiales sino a todos los recursos organizacionales.

SISTEMAS DE GESTIÓN MRP, APLICACIÓN EN CAM CHILE

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Schragenheim, E. (2009). Supply Chain Management at Warp Speed .CRC Press.

Agradezco el apoyo con información aportada a Richard Ruz, área de TI, y al compañero Alexander Ninacondor, de la empresa GyM Perú, quien está apoyando en la implementación del módulo MRP en CAM.

181

GESTIÓN

182

Gabriel Pi Ríos

Santiago Gómez Echeandía

STRACON GyM

Ingeniero de Minas egresado de la Facultad de Ingeniería Geológica Minera y Metalúrgica de la Universidad Nacional de Ingeniería. Tiene más de diez años de experiencia, cinco en las áreas de operaciones, oficina técnica, equipos y administración en proyectos de minería superficial, creando herramientas de gestión y automatización de cálculos para la compañía. Los siguientes cinco años se ha desempeñado en el área de presupuesto, participando en la elaboración de presupuestos y creando herramientas de cálculos en el dimensionamiento de flota en minería superficial. También ha laborado en el área de Estrategia y Planificación y actualmente se encuentra en el área de operaciones - Control de Gestión de Proyectos.

Egresado de la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Nacional de Piura con el título de Ingeniero Civil, registrado en el Colegio de Ingenieros del Perú en el capítulo de ingenieros civiles. Cuenta con un diplomado en Gestión de Proyectos en CGI - Gestión e Innovación y un programa de especialización en Gerencia de la Construcción en la Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas. Sus siete años de experiencia profesional se han enfocado básicamente en la implementación de metodologías de gestión y control de proyectos. Durante todo este periodo ha trabajado en el Grupo Graña y Montero, inicialmente como implementador en los proyectos Ciudad Nueva Fuerabamba, Línea de Transmisión Maitencillo-Caserones (Chile), Central Hidroeléctrica Machupicchu, Edificio Corporativo Petit Thouars y Central Hidroeléctrica Cerro del Águila. Actualmente labora en Stracon GyM como ingeniero de planeamiento y costos en el Proyecto La Arena.

ACARREO 2.0 - ROMPIENDO EL PARADIGMA DE LOS PRECIOS FIJOS GESTIÓN

Acarreo 2.0 – Rompiendo el paradigma de los precios fijos

Resumen El presente trabajo describe la aplicación de una nueva metodología de valorización y control de costos de las actividades de acarreo desarrollada y aplicada en STRACON GyM (SGyM). Dicha metodología se basa en el análisis de las condiciones reales de operación, el establecimiento de criterios y consideraciones de valorización en forma conjunta con el cliente y la

elaboración de una matriz de cálculo que permita obtener montos variables de valorización para las actividades mencionadas. El desarrollo no solo comprende la concepción teórica de la iniciativa sino que también muestra los resultados obtenidos en uno de los proyectos de la compañía.

Introducción Hoy en día los sectores de minería y construcción representan un mercado altamente competitivo en Perú y Latinoamérica. La existencia de una gran cantidad de empresas que brindan estos servicios con niveles crecientes de eficiencia y calidad nos llevan a la búsqueda de nuevas estrategias que nos permitan atraer la confianza de los clientes y, con ello, lograr la

consolidación en el negocio. Una de estas estrategias es el desarrollo y fortalecimiento de una relación clientesocio orientada a la ejecución constante de acciones que garanticen la satisfacción del cliente, la identificación de oportunidades de ahorro para ambas partes (cliente y ejecutor) y, sobre todo, la construcción de una relación de trabajo potencialmente colaborativa y sostenible.

183

GESTIÓN

Lograr lo anteriormente mencionado resulta factible siempre y cuando se presente el escenario y condiciones propicias para ello; sin embargo, es lógico que surja la siguiente interrogante: ¿qué hacer cuando las condiciones contractuales o las metodologías tradicionales de gestión de proyectos enmarcan y limitan el logro de una relación cliente-socio? Un claro ejemplo de esto es cuando nos encontramos ante un contrato a precios unitarios, en donde se cuenta con tarifas fijas para cada unidad de avance del proyecto, tarifas que en algún momento pueden no ser las más justas para el cliente o para el ejecutor. En este caso, nuestro objetivo debe enfocarse en la identificación de oportunidades

que resulten beneficiosas para ambas partes y no caer en letargo o culpar a las circunstancias de los resultados obtenidos a la fecha. A continuación se da a conocer la aplicación exitosa de una nueva metodología de valorización y control de costos para las actividades de acarreo en contratos a precios unitarios. Si bien es cierto que dicha iniciativa fue concebida, desarrollada y aplicada dentro de SGyM, y que posee una orientación técnica hacia los sectores de minería y construcción, el enfoque puede ser replicado en las demás empresas del Grupo Graña y Montero independientemente del giro del negocio al que pertenezcan.

Objetivos  Demostrar que el fortalecimiento de la relación clientesocio tiene resultados positivos para ambas partes.  Plantear y desarrollar nuevas ideas que permitan alcanzar los objetivos trazados para un proyecto rompiendo viejos paradigmas, como pensar que una unidad de avance debe tener un precio fijo durante toda la ejecución de un proyecto.  Desarrollar una nueva metodología de valorización y

control de costos que permita una retribución justa (tanto para el cliente como para el ejecutor) y un óptimo control de las actividades de acarreo en una operación minera o un proyecto de movimiento de tierras.  Dar a conocer a todo el Grupo Graña y Montero la aplicación exitosa de una de las iniciativas desarrolladas en SGyM a fin de convertir la gestión del conocimiento en una fortaleza corporativa.

Desarrollo GENERALIDADES SGyM es una empresa del área de negocio de ingeniería y construcción del Grupo Graña y Montero enfocada en proveer servicios integrales de operación minera a tajo abierto y subterráneo así como en la ejecución de trabajos de movimiento de tierras masivo. Como parte de este alcance, las principales actividades ejecutadas en los proyectos de la compañía son las siguientes:     

Perforación Voladura Carguío Acarreo Trabajos auxiliares (equipo auxiliar)

184

El siguiente gráfico muestra la incidencia de cada una de las actividades antes mencionadas, sumadas al costo indirecto, en el costo total de ejecución de un proyecto. Incidencia en costo

4% 6%

12% Perforación

44% 17%

Voladura Carguío Acarreo

17%

Equipo Auxiliar Costo Indirecto

Gráfico 1: incidencia en costos de las actividades en una operación minera

ACARREO 2.0 - ROMPIENDO EL PARADIGMA DE LOS PRECIOS FIJOS

Como se puede apreciar, la actividad más incidente (en un orden del 44 %) es el acarreo. Por tal motivo, tanto el control de los costos de esta actividad como el aseguramiento de una retribución justa representan un factor clave de éxito para la compañía.

los componentes del riesgo asociados a la metodología tradicional de valorización de la actividad de acarreo (en un contrato a precios unitarios) y la solución aplicada por SGyM dentro de sus operaciones.

Un aspecto importante para el aseguramiento de una retribución justa por las actividades ejecutadas es el tipo de contrato pactado con el cliente. Actualmente SGyM maneja tres tipos de contrato, los cuales se muestran a continuación:

METODOLOGÍA TRADICIONAL DE VALORIZACIÓN DE TRABAJOS DE ACARREO

 Contrato a precios unitarios: es el contrato más conocido y frecuente en operaciones mineras y de construcción; en este caso se establece un precio fijo para cada unidad de avance de las partidas contractuales del proyecto y, basándose en ello, se presenta la valorización al cliente. Aquí el ejecutor es autónomo en la toma de decisiones del proyecto dentro del alcance contractual, pero el hecho de contar con precios fijos representa un riesgo durante toda la ejecución. Resulta lógico pensar que, ante contratos a precios unitarios, la eficiencia es el valor corporativo que más nos acerca al logro de los objetivos económicos del proyecto; sin embargo, para que esta afirmación sea correcta es necesario asegurar una retribución justa en cada partida valorizable. A continuación se exponen todos

Distancia de Acarreo - Desmonte Distancia Distancia (km)(km)

 Contrato colaborativo – alianza: contrato muy parecido al anterior en el cual el cliente reconoce los costos del ejecutor más un porcentaje de los mismos (fee) que representa la utilidad del proyecto. La diferencia radica en que aquí se establecen, de manera conjunta, metas de producción y costo que promueven la búsqueda del ahorro durante todo el proyecto. En este tipo de contrato las decisiones en el proyecto son tomadas en consenso por un comité integrado por representantes de ambas partes, es decir que existe una responsabilidad compartida. Además, toda decisión que se tome debe ser unánime.

3.5 2.90 3.0 2.78 2.83 3.5 2.90 2.5 3.0 2.78 2.83 2.0 2.5 1.5 2.0 1.0 1.5 0.5 1.0 0.0 0.5 12-Abr 12-Jun 0.0 Real 12-Jun 12-Abr Real

2.84 2.14 2.84 2.14

12-Ago

12-Oct

Contractual 12-Ago 12-Oct Contractual

12-Dic

13-Feb

Promedio Real - Anual 12-Dic 13-Feb Promedio Real - Anual

Pendientes de Acarreo - Desmonte

10.0

Pendiente Pendiente (%) (%)

 Contrato colaborativo – reembolsable: contrato en el que el cliente reconoce todos los costos del ejecutor más un porcentaje de los mismos (fee) que representa la utilidad del proyecto. Aquí se busca que las decisiones sean tomadas en forma conjunta (cliente y ejecutor); sin embargo, la decisión final es del cliente.

Tradicionalmente, en un contrato a precios unitarios las estructuras de ítems de pago consensuadas con el cliente incluyen precios fijos por cada unidad de avance. Si aplicamos este concepto a las actividades realizadas en una operación minera o movimiento de tierras, podemos decir que, tomando en consideración el tipo de material existente, los costos de perforación y voladura son poco variables a lo largo de la ejecución del proyecto. Asimismo, dependiendo del tipo de equipos de carga seleccionados, los costos de carguío también suelen mantenerse constantes en el tiempo; sin embargo, es lógico que durante el desarrollo del proyecto los costos de acarreo varíen, ya que estos dependen de las distancias, pendientes, estado de las vías, disponibilidad de botaderos, entre otros factores de alto grado de variabilidad. A continuación se muestra un ejemplo de las diferencias existentes entre las condiciones contractuales y la operación.

8.0 10.0 6.0 8.0

8.0 7.2 7.4 7.8 7.7 7.8 7.6 8.2 7.6 7.5 6.9 6.9 8.0 7.2 7.4 7.8 7.7 7.8 7.6 8.2 7.6 7.5 6.9 6.9

4.0 6.0 2.0 4.0 2.00 0

7.6 7.6 4.0 4.0

10-Abr

10-Jun

Pendiente 10-Abr 10-Jun Real Mensual Pendiente Real Mensual

10-Ago

10-Oct

10-AgoPendiente 10-Oct Presupuesto Pendiente Presupuesto

10-Dic

11-Feb

10-Dic Pendiente 11-Feb Promedio Anual Pendiente Promedio Anual

Gráfico 2: diferencias entre las condiciones contractuales y reales de operación (alto grado de variabilidad)

185

GESTIÓN

Una alternativa a la que frecuentemente se recurre a fin de obtener una retribución más justa de las actividades de acarreo es establecer la unidad m3-km o toneladakm. Si bien es cierto que en algunos casos esta opción puede ayudar a compensar de algún modo los verdaderos costos incurridos, dicha alternativa no es precisamente la solución óptima ya que, finalmente, el costo de operación no depende directamente de la distancia de la ruta sino del tiempo invertido por el equipo de acarreo en recorrer la ruta, tal como se observa en los siguientes gráficos:

Precio unitario (US$/m3)

Relación precio unitario - distancia 3.00 2.80 2.60 2.40 2.20 2.00 1.80 1.60 1.40 1.20 1.00 1.00

1.50

2.00

Distancia (km)

2.50

3.00

Precio unitario (US$/m3)

14.00

16.00

18.00

20.00

22.00

4% 5% 4%

Distancia/Pendiente Auxiliar Gastos generales

78%

88%

Perforación Stand by

Distancia Pendiente

El gráfico anterior no solo muestra la gran incidencia de los cambios de distancias y pendientes en los montos de reclamo, sino también evidencia que valorizar por m3-km o tonelada-km nos permitiría recuperar solo un pequeño porcentaje (alrededor del 12 %) de los verdaderos sobrecostos incurridos.

24.00

Tiempo (Min)

Gráfico 4: relación precio-tiempo

Las valorizaciones emitidas al cliente bajo las metodologías tradicionales pueden jugar a favor o en contra de cualquier parte, dependiendo del acuerdo establecido. Adicionalmente, cada vez que se presentan cambios dentro del proyecto, estos se convierten en adicionales o reclamos, cuya aprobación muchas veces suele dilatarse por conflicto de intereses de ambas partes y, a la vez, generan roces y desgaste en la relación comercial.

186

Otro aspecto importante es que al utilizar un precio fijo para las actividades de acarreo se obtiene un margen de operación que no refleja en forma precisa la gestión del proyecto. Por ejemplo, simulemos un proyecto durante su fase inicial (primer año de ejecución) que posee las siguientes características:

Relación precio unitario - tiempo

12.00

12%

Gráfico 5: incidencia de cambios de distancias/ pendientes en montos de reclamo

Gráfico 3: relación precio-distancia

3.00 2.80 2.60 2.40 2.20 2.00 1.80 1.60 1.40 1.20 1.00 1.00

Montos de reclamos

CONSIDERACIONES

UNIDAD

CANTIDAD

Distancia contractual de acarreo para el primer mes de operación

5.50

Distancia contractual de acarreo para el mes 12 de operación

7.15

Utilidad prevista para la actividad de acarreo

13.00

US$/m3

5.98

Precio unitario - acarreo

Tabla 1: consideraciones para un proyecto en su fase inicial

Tomando en cuenta las características mencionadas y considerando una ejecución del proyecto de acuerdo al plan de minado contractual, los resultados reales se asemejarán a lo mostrado a continuación:

ACARREO 2.0 - ROMPIENDO EL PARADIGMA DE LOS PRECIOS FIJOS

RESULTADOS REALES - ACARREO MES Enero

AVANCE

VENTA

COSTO REAL

UTILIDAD

Producción mensual (m3)

Precio unitario (US$/m3)

Venta acumulada (MM US$)

Costo real acumulado (MM US$)

Utilidad acumulada (%)

471,270

5.98

2.82

2.36

16.44%

Febrero

461,514

5.98

5.58

4.57

18.10%

Marzo

480,895

5.98

8.46

7.02

16.97%

Abril

466,818

5.98

11.25

9.34

17.00%

Mayo

472,509

5.98

14.08

11.80

16.22%

Junio

479,477

5.98

16.95

14.36

15.27%

Julio

473,796

5.98

19.78

16.92

14.48%

Agosto

471,477

5.98

22.61

19.49

13.78%

Septiembre

470,717

5.98

25.42

22.13

12.97%

Octubre

476,862

5.98

28.28

24.89

11.97%

Noviembre

470,376

5.98

31.09

27.71

10.86%

Diciembre

474,410

5.98

33.93

30.80

9.23%

Tabla 2: resultados reales para la operación

Como puede observarse en la tabla 2, durante los primeros meses se obtienen porcentajes elevados de utilidad (mayores al 13 % establecido para el año) que, de algún modo, ponen de manifiesto una «buena gestión del proyecto». Sin embargo, al final del primer año de

ejecución no se logran las metas económicas planteadas inicialmente (9,23 % de 13 %). Si hacemos un análisis de los costos previstos asociados al desarrollo de las rutas de acarreo durante la ejecución, obtendremos lo siguiente:

RESULTADOS PREVISTOS - ACARREO MES

AVANCE Producción mensual (m3)

VENTA Precio unitario (US$/m3)

COSTO REAL

Venta acumulada Costo previsto acumulado (MM US$) (MM US$)

UTILIDAD Utilidad acumulada (%)

Enero

471,270

5.98

2.82

2.12

24.80%

Febrero

461,514

5.98

5.58

4.22

24.39%

Marzo

480,895

5.98

8.46

6.44

23.89%

Abril

466,818

5.98

11.25

8.63

23.32%

Mayo

472,509

5.98

14.08

10.89

22.65%

Junio

479,477

5.98

16.95

13.25

21.85%

Julio

473,796

5.98

19.78

15.64

20.93%

Agosto

471,477

5.98

22.61

18.12

19.84%

Septiembre

470,717

5.98

25.42

20.71

18.55%

Octubre

476,862

5.98

28.28

23.47

17.01%

Noviembre

470,376

5.98

31.09

26.37

15.20%

Diciembre

474,410

5.98

33.93

29.51

13.00%

Tabla 3: resultados previstos para la operación

187

GESTIÓN

Luego de este análisis es evidente que la amplia utilidad obtenida durante los primeros meses (mayor al 13 %, ver tabla 2) no garantiza el logro del margen esperado, ya que la utilidad prevista para los primeros meses es aún más elevada (superior al 20 %, ver tabla 3) a fin de compensar escenarios futuros en los que se cuente con mayores distancias de acarreo y, por ende, con mayores costos y menores ganancias.

METODOLOGÍA DE VALORIZACIÓN BASADA EN LA MATRIZ DE CÁLCULO Ante las falencias identificadas en la valorización tradicional de las actividades de acarreo, en SGyM se diseñó una nueva metodología que permite una retribución justa para ambas partes y deja atrás los inconvenientes mencionados anteriormente. Esta metodología se basa en el cálculo de un precio flexible de acarreo en función del tiempo efectivo del ciclo

(asociado a las pendientes y distancias reales de las rutas). El desarrollo de esta metodología contempla los siguientes pasos:  Primero se obtienen los tiempos teóricos de viaje por tramo en cada una de las rutas del plan de minado contractual (tanto de ida como de retorno) tomando en cuenta las condiciones óptimas de seguridad, los tipos de equipos de acarreo, el estado de las vías y las condiciones climatológicas entre otras consideraciones, para lo que se hace uso de FPC o TALCPAC.1  Posteriormente se calculan las velocidades promedio en función de los tiempos obtenidos y las distancias de cada tramo.  Luego de ello se tabulan las velocidades promedio para los diferentes rangos de pendiente.

VELOCIDADES PROMEDIO EN FUNCIÓN DE LA PENDIENTE Rangos de pendiente - %

<-10

[-10;-5>

[-5;0>

[0;2>

[2;4>

[4;6>

[6;8>

[8;10]

>10

25.0

24.0

20.5

20.0

14.0

10.5

8.0

Velocidad promedio - km/h Desmonte

Cargado

15.0

Vacío

20.0

25.0

30.0

35.0

34.5

30.0

28.0

22.0

Mineral

Cargado

15.0

20.0

25.0

27.0

23.

19.5

13.0

10.5

9.0

Vacío

20.0

25.0

30.0

38.0

34.5

31.5

29.0

24.0

Tabla 4: velocidades promedio en función de la pendiente

 Adicionalmente se obtienen los tiempos fijos de acarreo, compuestos por los tiempos de carga, maniobra y descarga. Dichos tiempos son registrados para cada una de las flotas de acarreo existentes en el proyecto.

MATERIAL

FLOTA

MINUTOS

Desmonte

Camión CA T 777 - Pala RH90 Camión A ctros - Excavadora C365 Camión A ctros - Exacadora C336

4.5 3.4 4.9

Mineral

Camión A ctros - Exacadora C365 Camión A ctros - Excavadora C336

13.0 14.0

Tabla5: tiempo fijo por flota

1 Herramientas informáticas de Caterpillar y Runge Ltd., respectivamente, diseñadas para la estimación de tiempos de transporte en los distintos perfiles de acarreo de un proyecto de movimiento de tierras.

188

ACARREO 2.0 - ROMPIENDO EL PARADIGMA DE LOS PRECIOS FIJOS

CAMIÓN CART 777

 El siguiente paso es establecer las tarifas contractuales horarias para cada flota de acarreo

CAMIÓN A CTROS

Desmonte Desmonte Mineral Tarifa de Equipo US$/h

235.50

58.43

64.51

Tonelaje

t/viaje

90.0

32.0

Densidad

t /m3

2.6

3.0

m3/ viaje Margen Contractual

34.6

12.3

10.7

8.69%

3.50%

Tabla6: tarifas contractuales

 Finalmente, se diseña una matriz en la cual se ingresarán las distancias y pendientes reales de cada tramo de la ruta y, con la información registrada anteriormente, se obtendrá el monto a valorizar por el transporte del material en la ruta indicada. FLOTA Camión CA T C777 - Pala RH90 - Desmonte Dist. (m) Pdte (%) Tiempo Ida Tiempo Retorno Tiempo Fijo Tiempo Total

TIEMPO (min)

12.4 7.3 4.5

TRAMOS 1

314.3 -1.1 0.75 0.63

263.4 0.3 0.66 0.53

85.3 -11.1 0.34 0.26

1,318.7 -0.8 3.16 2.64

266.1 11.6 2.00 0.73

1,272.2 7.8 5.45 2.54

24.2

Tabla7: matriz de cálculo de tiempos efectivos de acarreo

De esta manera se obtiene un precio flexible de acarreo que depende del tiempo efectivo invertido por la flota para recorrer el tramo, garantizando una retribución justa para ambas partes.

ello se llevó a cabo, de manera conjunta con el cliente, un minucioso análisis de las condiciones de operación y, luego de ello, se consensuaron las consideraciones para la aplicación de la matriz de cálculo.

Asimismo, el uso de la matriz de cálculo ofrece al ejecutor la posibilidad de efectuar un mejor y más eficiente proceso de control de costos, ya que permite estimar con mayor certeza los costos previstos de acarreo y, posteriormente, identificar las brechas existentes durante la ejecución. Para ello, bastará con actualizar las rutas del proyecto de acuerdo al plan de minado proporcionado por el cliente y asignar la flota que llevará a cabo la operación.

Es importante mencionar que en estos casos se optó por esta alternativa ante la magnitud de los cambios durante la operación y el impacto significativo de los mismos en el resultado de los proyectos. El proceso mensual de valorización mediante la matriz de cálculo se desarrolla tal como se muestra a continuación:

APLICACIÓN DE MATRIZ DE CÁLCULO EN PROYECTOS DE SGyM

 Ambas partes (cliente y ejecutor) concilian los perfiles reales de acarreo de desmonte y mineral mensualmente.

Actualmente SGyM ha aplicado esta metodología de valorización en sus proyectos a precios unitarios. Para

 Cada perfil de acarreo conformado por tramos contiene lo siguiente:

189

GESTIÓN

 Distancia y pendiente por cada tramo.  Material transportado: desmonte o mineral.  Volumen transportado a través de dicho perfil de acarreo.  Flota (equipo de carguío y acarreo) utilizada.  La distancia de cada tramo se divide entre la velocidad obtenida del cuadro de velocidades promedio (en función de la pendiente del tramo), obteniendo así el tiempo efectivo de acarreo (ida y retorno) para dicho tramo. Este cálculo se realiza para todos los tramos de cada perfil de acarreo.  Se obtiene el tiempo de ida y retorno (en minutos) por perfil de acarreo de la sumatoria de los tiempos de cada tramo que lo compone.  De acuerdo a la flota usada y al material transportado, se incluye el tiempo fijo de acarreo (carga, maniobra y descarga) correspondiente.  Se calcula el tiempo total de acarreo (en minutos) sumando el tiempo total de ida, el tiempo total de retorno y el tiempo fijo por perfil de acarreo.  Para obtener los US$/m3 por perfil de acarreo se multiplica el tiempo total de acarreo por el precio de US$/m3 – min establecido en consenso con el cliente. Dicho precio depende de la flota utilizada y el tipo de material transportado.  Luego, se calcula el monto a valorizar por perfil de acarreo del producto entre los US$/m3 obtenidos en el paso anterior y el volumen de material transportado.  Finalmente, el ratio promedio de US$/m3 de acarreo se obtiene al dividir la suma de los montos (de todos los perfiles) entre el volumen total de material transportado. Este cálculo se realiza para cada tipo de material existente. Todo el proceso se resume en el registro de los perfiles de acarreo y los volúmenes de operación, los cuales deben estar debidamente aprobados por el cliente para una gestión rápida de la valorización.

RESULTADOS La aplicación de la matriz de cálculo para la valorización de las actividades de acarreo tuvo resultados muy alentadores en los proyectos aplicados. A continuación se muestran las diferencias entre los resultados obtenidos antes y después de la utilización de esta metodología en uno de los proyectos de la compañía: RESULTADOS DE OBRA / 2013-04 RESULTADO RESULTADO ACUMULADO MENSUAL REAL REAL 871,858

79,970

Trabajos valorizados

Reclamo

9,921,918

3,395,593

Trabajo aún no valorizados

1,841,963

238,635

262,211

-134,614

Otra provisiones de ingresos

12,373,528

3,579,584

Mineral

Total venta

1,804,821

470,768

Desmonte

7,268,535

2,129,901

Otros costos directos

2,438,165

498,098

11,511,520

3,098,767

1,524,695

361,656

13,036,215

3,460,423

-662,687

119,161

-5.4%

3.3%

Costo directo total Costo indirecto total Sub total costos Utilidad directa (US$) Margen Directo (%)

RESULTADOS DE OBRA / 2013-05 RESULTADO RESULTADO ACUMULADO MENSUAL REAL REAL Reclamo Trabajos valorizados Trabajo aún no valorizados Otra provisiones de ingresos Total venta

44,833

41,862

14,581,900

3,541,009

1,564,915

379,746

253,771

15,937,876

3,962,617

Mineral

2,159,505

392,657

Desmonte

8,745,011

1,858,365

Otros costos directos Costo directo total Costo indirecto total Sub total costos Utilidad directa (US$) Margen Directo (%)

2,880,128

520,441

13,784,643

2,771,462

2,457,858

581,953

15,783,685

3,353,415

154,191

609,203

1.0%

15.4%

Gráfico 6: resultados antes y después de la aplicación de la matriz de cálculo (mayo 2013)

190

ACARREO 2.0 - ROMPIENDO EL PARADIGMA DE LOS PRECIOS FIJOS

Se observa que los resultados operativos mejoraron considerablemente luego de la aplicación de la matriz de cálculo, revirtiéndose el resultado acumulado de -5,4 % (en abril de 2013) a 1 % (en mayo de 2013); sin

embargo, los resultados no solo beneficiaron al ejecutor. En la siguiente tabla se muestra el impacto de la nueva metodología en los montos de reclamos presentados al cliente.

Sobre costos incurridos en US$ pre-matríz de cálculo 2010

2011

2012

Abr 10-Mar 11

Abr 11-Mar 12

Abr 12-Jun 12

Desmonte insitu

5,683,629

4,244,085

1,126,081

11,053,795

Desmonte suelto

-233,997

412,776

33,846

212,625

89,024

164,041

DESCRIPCIÓN

Distancia y pendiente

Auxiliar Gastos Generales Perforación

Mineral

111,616

-36,599

Botadero

180,494

289,058

Mantenimiento de vías

50,232

469,552

22,715

Desmonte

106,439

TOTAL

72,947 380,264

486,703

Mineral

92,160

83,550

175,710

Desmonte

85,582

307,750

393,332

Mineral

83,604

75,794

159,398

Stand by Total

5,791,974

333,484

994,962

1,328,446

5,633,304

3,091,271

14,516,549

Sobre costos incurridos en US$ post-matríz de cálculo 2010

DESCRIPCIÓN Auxiliar Gastos Generales Perforación

2011

Abr 10-Mar 11 Abr 11-Mar 12

Abr 12-Jun 12

TOTAL

Botadero

180,494

289,058

469,552

Mantenimiento de vías

50,232

22,715

72,947

Desmonte

106,439

380,264

486,703

Mineral

92,160

83,550

175,710

Desmonte

85,582

307,750

393,332

Mineral

83,604

75,794

159,398

333,484

994,962

1,328,446

1,013,042

1,842,320

3,086,088

Stand by Total

2012

230,726

Tabla 8: disminución significativa de los montos de reclamo

Es evidente que una reducción en el monto total de los reclamos presentados al cliente tiene un impacto positivo en los costos del cliente así como en el afianzamiento de la relación cliente-socio. En este caso, dicha reducción representa un 79 % del monto total de reclamo original.

Finalmente, la aplicación de la matriz de cálculo también brinda al cliente la posibilidad de proyectar sus costos de acarreo de acuerdo a los planes de minado existentes y así tomar una mejor decisión para su desarrollo.

191

GESTIÓN

Recomendaciones  La aplicación de la metodología de valorización mediante la matriz de cálculo requiere que el cliente se encuentre totalmente convencido de sus beneficios; de lo contrario, será muy difícil que acceda a su implementación en el proyecto.  Asimismo, dicha metodología requiere de un equipo de topografía enfocado en el levantamiento de las rutas de acarreo, las cuales deberán ser posteriormente aprobadas por el cliente para el

cálculo de los montos a valorizar.  Resulta necesario evaluar la incidencia de las mayores distancias y mayores pendientes en los sobrecostos de acarreo. En este caso, queda demostrado que las mayores distancias representan solo un 12 % del sobrecosto, motivo por el cual la aplicación de la metodología tradicional de m3-km o tonelada-km no lograría compensar los verdaderos costos del proyecto.

Conclusiones  Queda demostrado que la aplicación de la matriz de cálculo para la valorización de las actividades de acarreo resultó en una solución beneficiosa tanto para el cliente como para SGyM.  La utilización de la matriz de cálculo proporciona las siguientes ventajas:  Obtener una retribución justa por las actividades de acarreo ejecutadas.  Mejor control de los costos del proyecto mediante una estimación más certera de los costos previstos de acarreo de acuerdo al plan de minado.  Reducir significativamente los montos por concepto de reclamos presentados al cliente.

 Brindar al cliente la oportunidad de estimar con mayor precisión sus costos futuros de acarreo según sus planes desarrollados.  La constante búsqueda de nuevas y mejores formas de hacer las cosas nos lleva a superar prácticas tradicionales que muchas veces no nos conducen a resultados óptimos.  Siendo el Grupo Graña y Montero el grupo de ingeniería y construcción más importante del país y proyectándose como el más confiable de Latinoamérica, es importante dar a conocer las buenas prácticas de cada empresa y así potenciar aún más las fortalezas obtenidas con el paso del tiempo y la experiencia ganada.

Referencias bibliográficas Caterpillar Performance Handbook – Caterpillar Inc., Peoria, Illinois, U.S.A. - Edición 42 – Enero 2012. Curso de Entrenamiento TALPAC 9 - Runge Limited Ltd A.C.N. 010 672 321Brisbane, Australia, 2007.

192

Tutorial en línea FPC (Fleet Production and Cost Analysis Program): http://paulywogbog.net/315/Assignments/ truck_and_loader_project.htm. Hojas de Resultados de proyectos STRACON GyM.

TOLERANCIAS Y AJUSTES

MECÁNICA

 Tolerancias y ajustes  Criterios de diseño para la estación disipadora de presión de la línea de relaves del proyecto inmaculada

193

MECÁNICA

Adelmo Rodríguez Rodríguez GMI Ingeniero mecánico electricista graduado en la Universidad Nacional de Ingeniería con estudios de maestría en Ingeniería Mecánica en la Pontificia Universidad Católica del Perú. Con experiencia en el diseño, planificación y supervisión de fabricación y construcción de nuevas instalaciones, optimización, mejora y ampliación de instalaciones existentes siderúrgicas, de cemento, minería y otras industrias. Siempre se ha desempeñado en labores de ingeniería básica y de detalle y en muchos casos con acompañamiento en obra para trabajos en la Empresa Siderúrgica del Perú S. A. (Chimbote), Corporación Aceros Arequipa S. A. (Pisco), Cementos Pacasmayo S. A. A. (Pacasmayo), Yura S. A. (Arequipa), Cemento Sur S. A. (Puno), Cementos Selva S. A. (Rioja), Cemento Andino S. A. (Tarma), Cementos Lima S. A. (Lima), Southern Perú Copper Corporation (Plantas de Ilo y Toquepala), Minera Sinaycocha S. A. C. (Junín), Compañía Minera Ares S. A. C. (Unidad Operativa Arcata, Arequipa e Inmaculada, Ayacucho), Minera Aurífera Retamas S. A. (La Libertad), Xstrata Copper Tintaya S. A. (Cusco), Minera Yanacocha S. A. (Cajamarca), Compañía Minera Antamina S. A. (Huaraz), Volcan Compañía Minera S. A. A. (Cerro de Pasco), etc.

194

TOLERANCIASMECÁNICA Y AJUSTES

Tolerancias y ajustes

Resumen Se explican los conceptos de tolerancias y ajustes de acuerdo a la norma ISO 286-1:1988, que es aceptada en el plano internacional y de aplicación imprescindible en el diseño y la fabricación de piezas para dispositivos electromecánicos.

A pesar de que en GMI no se desarrolla a plenitud esta etapa de ingeniería, es necesario conocer estos conceptos para entender el funcionamiento de los diferentes equipos que se manejan en los proyectos. El presente trabajo está dirigido a las aplicaciones más comunes de nuestro medio para lo cual, al final, se presentan algunos ejemplos en forma de tablas.

Introducción La industria se basa fundamentalmente en la producción en serie, es decir, la fabricación de grandes cantidades de componentes de igual forma y dimensiones con el requisito imprescindible de intercambiabilidad sin necesidad de acabados adicionales posteriores; ligado a esto está la fabricación de los repuestos que deberán sustituir elementos originales rotos o desgastados. Para lograr la intercambiabilidad sería necesario que todas las piezas tuvieran exactamente las mimas dimensiones, lo que en la práctica es imposible ya sea porque nunca se puede lograr una precisión absoluta o porque las

mediciones de control varían entre límites de aproximación e incertidumbre de los equipos de medición. Debido a esto se debe admitir un cierto grado de imprecisión y, para que las piezas sean realmente intercambiables, será suficiente con que sus dimensiones estén comprendidas entre valores máximos y mínimos que dependerán de sus condiciones de uso, el grado de precisión requerido y las cotas nominales especificadas en los planos. Si no se cumplen estas condiciones, la pieza no podrá usarse. La variación máxima admisible de la medida de una pieza debe ser lo más grande posible para reducir

195

MECÁNICA

tiempos y costos de producción; por otro lado, algunas veces esta variación debe ser pequeña para que las piezas puedan ejecutar correctamente su función. El ingeniero mecánico debe entonces conocer los procesos de producción y sus costos, así como la precisión de

medida requerida para cada aplicación con el objeto de especificar correctamente las tolerancias. La temperatura a la que son especificadas las medidas en el sistema ISO de tolerancias y ajustes es de 20 °C.

Definiciones

Desviación superior Desviación inferior Tolerancia dimensional

EJE/AGUJERO: designa todo elemento exterior o interior de una pieza, entendiendo por esto el espacio contenido entre dos planos tangentes paralelos de una pieza, como por ejemplo el espesor de una chaveta o chavetero. EJE/AGUJERO NORMAL: eje/agujero elegido como base de un sistema de ajuste de eje/agujero normal. MEDIDA, COTA: nombre que expresa el valor numérico de una longitud; esta se llama cota cuando se especifica en un plano. MEDIDA NOMINAL: medida con respecto a la cual se definen las medidas límites obtenidas por la aplicación de las desviaciones superior e inferior. MEDIDA EFECTIVA: medida de un elemento obtenida por medición. DESVIACIÓN: diferencia algebraica entre una medida (efectiva, máxima, etc.) y la medida nominal correspondiente. DESVIACIÓN SUPERIOR (ES, es): diferencia algebraica entre la medida máxima y la medida nominal correspondiente. DESVIACIÓN INFERIOR (EI, ei): diferencia algebraica entre la medida mínima y la medida nominal correspondiente. LÍNEA CERO: en la representación gráfica de tolerancias y ajustes, la línea recta que representa la

medida nominal a partir de la cual se representan las desviaciones. TOLERANCIA DIMENSIONAL: diferencia entre la medida máxima y la medida mínima (equivalente a la diferencia entre la desviación superior y la desviación inferior).

Tolerancia dimensional

Algunas principales son:

Agujero

Eje

Medida mínima Medida máxima Medida nominal

Grados de tolerancia normalizados Estos valores se obtienen mediante fórmulas matemáticas en función de las medidas nominales del grupo y el grado de tolerancia deseado, teniendo en cuenta que para un

196

mismo proceso de fabricación en la industria la amplitud del error de fabricación y la medida nominal siguen una función aproximadamente parabólica.

TOLERANCIAS Y AJUSTES

El sistema ISO prevé en la gama de 0 a 500 mm 20 grados de tolerancia designados IT01, IT0, IT1, IT2…IT17, IT18, y en la gama de 500 a 3150 mm 18 grados designados IT1,

MEDIDA NOMINAL mm Sobre

IT2… IT17, IT18. Estas últimas se pusieron inicialmente con fines experimentales, pero ya han sido aceptadas por la industria.

GRADOS DE TOLERANCIA ESTNDAR IT 01

IT 0

IT 1

IT 2

IT 3

IT 4

IT 5

IT 6

IT 7

IT 8

IT 9

IT 10

IT 11

IT 12

IT 13

IT 14

IT 15

IT 16

IT 17

IT 18

Tolerancias

Hasta e ind.

µm

0.3

0.5

0.8

1.2

0.1

0.14

0.25

0.4

0.6

1.4

0.4

0.6

1.5

2.5

0.12

0.18

0.3

0.48

0.75

1.2

1.8

0.4

0.6

1.5

2.5

0.15

0.22

0.36

0.58

0.9

1.5

2.2

0.5

0.8

1.2

110

0.18

0.27

0.43

0.7

1.1

1.8

2.7

0.6

1.5

2.5

130

0.21

0.33

0.52

0.84

1.3

2.1

3.3

0.6

1.5

2.5

100

160

0.25

0.39

0.62

1.6

2.5

3.9

0.8

1.2

120

190

0.3

0.46

0.74

1.2

1.9

4.6

120

1.5

2.5

140

220

0.35

0.54

0.87

1.4

2.2

3.5

5.4

120

180

1.2

3.5

100

160

250

0.4

0.63

1.6

2.5

6.3

180

250

4.5

115

185

290

0.46

0.72

1.15

1.85

2.9

4.6

7.2

250

315

2.5

130

210

320

0.52

0.81

1.3

2.1

3.2

5.2

8.1

315

400

140

230

360

0.57

0.89

1.4

2.3

3.6

5.7

8.9

400

500

155

250

400

0.63

0.97

1.55

2.5

6.3

9.7

500

630

110

175

280

440

0.7

1.1

1.75

2.8

4.4

630

800

125

200

320

500

0.8

1.25

3.2

12.5

800

1000

140

230

360

560

0.9

1.4

2.3

3.6

5.6

1000

1250

105

165

260

420

660

1.05

1.65

2.6

4.2

6.6

10.5

16.5

1250

1600

125

195

310

500

780

1.25

1.95

3.1

7.8

12.5

19.5

1600

2000

150

230

370

600

920

1.5

2.3

3.7

9.2

2000

2500

110

175

280

440

700

1100

1.75

2.8

4.4

17.5

2500

3150

135

210

330

540

860

1350

2.1

3.3

5.4

8.6

13.5

Muy alta precisión

Calibres y piezas de gran precisión

Piezas o elementos destinados a ajustar (para ensamble)

Piezas o elementos que no han de ajustar (superficies libres)

Posición de desviaciones fundamentales La ISO define 28 posiciones de la tolerancia con respecto a la medida nominal, las cuales son:

Ejes: a, b, c, cd, d, e, ef, f, fg, g, h, j, js, k, m, n, p, r, s, t, u, v, x, y, z, za, zb, zc.

Agujeros: A, B, C, CD, D, E, EF, F, FG, G, H, J, JS, K, M, N, P, R, S, T, U, V, X, Y, Z, ZA, ZB, ZC.

En el gráfico siguiente se muestra el conjunto de posiciones para agujeros y ejes.

197

MECÁNICA

C CD

K M N P EF F FG G

R S

Línea cero T

J JS

Z ZA

Medida Nominal

Desviaciones Fundamentales

a) Agujeros (elementos interiores)

Línea cero

fg g

z za

j js

Medida Nominal

Desviaciones Fundamentales

b) Ejes (elementos exteriores) a

Lo anterior se puede detallar esquemáticamente en el siguiente gráfico:

Desviaciones

Línea cero

ES ES

N ES

Grados < 8 Grados > 8

a) Agujeros

Todos los demás grados

Línea cero

IT NOTA: ei = es - IT, o es = ei + IT

198

b) Ejes

m a zc ei

Grados k4 a k7 3 min<medida nominal<500mm Todos los demás grados

N5 a N8 N9 a N16

Desviaciones a

EI NOTA: ES = EI + IT, o EI = ES - IT

TOLERANCIAS Y AJUSTES

Los valores numéricos de las desviaciones fundamentales de los agujeros y ejes responden a una serie de fórmulas matemáticas que también son función de las medidas nominales del grupo y el grado de tolerancia deseado. Por la razón esgrimida en el párrafo anterior, estos valores se muestran en el cuadro siguiente solo para los ejes.

Debido a que un eje es de más fácil fabricación y control que un agujero, casi en la totalidad de aplicaciones se prefiere el sistema de agujero base, es decir, se utiliza solamente la posición H, donde la desviación inferior es cero y la superior coincide con la IT seleccionada. Cuando se trata de ajustes sobre el eje correspondiente, se juega con las diversas posiciones del eje.

Valores numéricos de las desviaciones fundamentales de los ejes MEDIDA NOMINAL mm Sobre

DESVIACIÓN SUPERIOR ES

Hasta e ind.

DESVIACIÓN INFERIOR EL IT5 e IT6

Todos los grados de tolerancia

-270

-140

-60

-34

-20

-14

-10

-6

-4

-2

IT7

IT8

IT4 a IT7

a IT3 > IT7

Todos los grados de tolerancia

-2

-4

-6

-270

-140

-70

-46

-30

-20

-14

-10

-6

-4

-2

-4

-280

-150

-80

-56

-40

-25

-18

-13

-8

-5

-2

-5

-290

-150

-95

-50

-32

-16

-6

-3

-6

130

108

150

-4

-8

136

188

118

160

218

-5

-10

112

148

200

274

114

136

180

242

325

-7

-12

102

122

144

172

226

300

405

102

120

146

174

210

274

360

480

-9

-15

124

146

178

214

258

335

445

585

104

144

172

210

254

310

400

525

690

-11

-18

122

170

202

248

300

365

470

620

800

100

134

190

228

280

340

415

535

700

900

108

146

210

252

310

380

465

600

780

1000

-13

-21

122

166

236

284

350

425

520

670

880

1150

130

180

258

310

385

470

575

740

960

1250

140

196

284

340

425

520

640

820

1050

1350

-16

-26

158

218

315

385

475

580

710

920

1200

1550

170

240

350

425

525

650

790

1000

1300

1700

-18

-28

108

190

268

390

475

590

730

900

1150

1500

1900

114

208

294

435

530

660

820

1000

1300

1650

2100

-20

-32

126

232

330

490

595

740

920

1100

1450

1850

2400

132

252

360

540

660

820

1000

1250

1600

2100

2600

150

280

400

600

155

310

450

660

175

340

500

740

185

380

560

840

100

210

430

620

940

220

470

680

1050

120

250

520

780

1150

260

580

840

1300

140

300

640

960

1450

330

720

1050

1600

370

820

1200

1850

400

920

1350

2000

-300

-160

-110

-65

-40

-20

-7

-310

-170

-120

-80

-50

-25

-9

-100

-60

-30

-10

-120

-72

-36

-12

-145

-85

-43

-14

-170

-100

-50

-15

-190

-110

-56

-17

-210

-125

-62

-18

-230

-135

-68

-20

-260

-145

-76

-22

-290

-160

-80

-24

-320

-170

-86

-26

-350

-195

-98

-28

-390

-220

-110

-30

-430

-240

-120

-32

170

-480

-260

-130

-34

110

195

440

1000

1500

2300

460

1100

1650

2500

-520

-290

-145

-38

135

240

550

1250

1900

2900

580

1400

2100

3200

-320

-180

-130

-340

-190

-140

-360

-200

-150

100

-380

-220

-170

100

120

-410

-240

-180

120

140

-460

-260

-200

140

160

-520

-280

-210

160

180

-580

-310

-230

180

200

-660

-340

-240

200

225

-740

-380

-260

225

250

-820

-420

-280

250

280

-920

-480

-300

280

315

-1050

-540

-330

315

355

-1200

-600

-360

355

400

-1350

-680

-400

7400

450

-1500

-760

-440

450

500

-1650

-840

-480

500

560

630

710

800

900

1000

1120

1250

1400

1600

1800

2000

2240

2500

2800

3150

Desviación= +- IT n/2, donde n es el valor de IT

40 50

Con esta estructura la combinación de posibilidades es excesivamente amplia; en la práctica se limitan a las

mostradas en el cuadro siguiente y con preferencia a las resaltadas en negrita.

199

MECÁNICA

TOLERANCIAS PREFERENCIALES PARA EJES f6

js5

js6

js7

d10 a11

b11

c11

h11 TOLERANCIAS PREFERENCIALES PARA AGUJEROS F7

A11

B11

C11

Js6

Js7

Js8

D10

E10

D11

H10 H11

Por ejemplo, se tiene un eje-collar de retención de 90 H7/g6. Agujero: Desviación inferior = 0.000 mm, diámetro mínimo = 90.000 + 0.000 = 90.000 mm Desviación superior, IT7 = 0.035 mm, diámetro máximo = 90.000 + 0.035 = 90.035 mm Eje: Desviación superior = -0.012 mm, diámetro máximo = 90.000 – 0.012 = 89.988 mm Desviación inferior, IT6 = 0.022 mm, diámetro mínimo = 89.988 – 0.022 = 89.966 mm Ajuste: Holgura máxima = agujero máximo – eje mínimo = 90.035 – 89.966 = 0.069 mm Holgura mínima = agujero mínimo – eje máximo = 90.000 – 89.988 = 0.012 mm Es un ajuste con juego: el collar gira y desliza sin juego apreciable y el montaje es a mano. También una bocina de bronce en su alojamiento 180 H7/r6. Agujero: Desviación inferior = 0.000 mm, diámetro mínimo = 180.000 + 0.000 = 180.000 mm Desviación superior, IT7 = 0.040 mm, diámetro máximo = 180.000 + 0.040 = 180.040 mm Eje: Desviación inferior = +0.068 mm, diámetro mínimo = 180.000 + 0.068 = 180.068 mm

200

Desviación superior, IT6 = 0.025 mm, diámetro máximo = 180.068 + 0.025 = 180.093 mm Ajuste: Apriete máximo = agujero mínimo – eje máximo = 180.000 – 180.093 = -0.093 mm Apriete mínimo = agujero máximo – eje mínimo = 180.040 – 180.068 = -0.028 mm Es un ajuste con interferencia: el montaje es mediante un prensado ligero, no transmite torque (si esto fuese requerido se necesitaría un seguro o chaveta). O un rodamiento de bolas 65 H7/k6. Agujero: Desviación inferior = 0.000 mm, diámetro mínimo = 65.000 + 0.000 = 65.000 mm Desviación superior, IT7 = 0.030 mm, diámetro máximo = 65.000 + 0.030 = 65.030 mm Eje: Desviación inferior = +0.002 mm, diámetro mínimo = 65.000 + 0.002 = 65.002 mm Desviación superior, IT6 = 0.019 mm, diámetro máximo = 65.002 + 0.019 = 65.021 mm Ajuste: Apriete máximo = agujero mínimo – eje máximo = 65.000 –65.021 = -0.021 mm Holgura máxima = agujero máximo – eje mínimo = 65.030 – 65.002 = 0.028 mm Este es un ajuste indeterminado: el montaje es forzado a mano mediante martillo o comba.

TOLERANCIAS Y AJUSTES

Acabados superficiales Una vista microscópica de la superficie de una pieza revela sus irregularidades e imperfecciones; la textura de la superficie se define por cuatro características:

 La orientación, que es la dirección predominante o el patrón de la textura superficial, se determina por el método de manufactura generalmente a partir de una herramienta de corte.

 La rugosidad, que se refiere a las desviaciones pequeñas y espaciadas finamente de la superficie nominal, y que están determinadas por las características del material y el proceso de fabricación.

 Los defectos, que son irregularidades que ocurren en forma ocasional en la superficie, como grietas, ralladuras, inclusiones y otros similares.

 La ondulación, que se define como las desviaciones de espaciamiento mucho mayor; ocurre debido a la deflexión del trabajo, las vibraciones, los tratamientos térmicos y factores similares. La rugosidad se superpone a la ondulación.

La rugosidad media (Ra) es la media aritmética de los valores absolutos de las diferencias de crestas y fondos del perfil a la línea media a lo largo de una longitud básica. Está muy ligada a la fabricación de piezas bajo tolerancias controladas, tal como se muestra en el siguiente cuadro.

Algunas aplicaciones de los estados superficiales CARACTERÍSTICAS Sin sobremedida para mecanizado y sin arranque de viruta

Con sobremedida para mecanizado y arranque de viruta

RUGOSIDAD RA Clase

μ pulg

ESTADO SUPERFICIAL

μm

N12

2000

N11

1000

N10

500

12.5

250

6.3

125

3.2

1.6

0.8

0.4

0.2

0.1

0.05

0.025

PROCEDIMIENTO DE FABRICACIÓN

APLICACIONES

Basto, sin elimación de rebabas

Forja, fundición corte con soplete

Bastidores de fundición, máquinas agrícolas

Basto aunque sin rebabas

Forja, fundición y oxicorte de calidad

Maquinaria agrícola en general

Desbastado, marcas apreciables al tacto y visibles

Lima torno, fresadora

Agujeros, avellanados, superficies de apoyo, ajustes fijos

Marcas ligeramente perceptibles al tacto aunque visibles

Lima, torno o frasadora con mayor precisión

Ajustes duros, caras de piezas para referencia o de apoyo

Acabado muy fino, marcas no visibles ni perceptibles al tacto

Preparación previa en torno o fresadora acabado con rasqueteado, escariado, etc.

Ajustes deslizantes, correderas, aparatos de medida y control

Acabado finísimo, especular, marcas totalmente invisibles

Acabado final mediante lapeado (acabado con abrasivo), bruñido o rectificado muy cuidadoso

Calibes de piezas especiales de precisión

Ejemplos de aplicación Se lista algunas aplicaciones muy usuales en el siguiente cuadro.

201

MECÁNICA

AJUSTE

CLASE

CARACTERÍSTICAS

APLICACIONES

ACABADO

Prensado

Montaje con prensa, necesita seguro de giro para torques muy fuertes, gran adherencia sobre hierro fundido

Bocinas y coronas de bronces, acoples de piñones y engranajes en ejes de desmontables, no utilizar sobre piezas de paredes finas

N6/N7

H7/n6

Forzado duro

Montaje a martillo, usar cuando se requieren posicionamientos precisos con interferencia

Bocinas de bronces, manguitos en cubos, fijas para posicionado, casquillos guía de broca

N6/N7

H7/k6

Forzado medio

Montaje a martillo, posicionado de precisión con un compromiso entre juego e interferencia

Rodamientos de bolas, discos de levas, poleas, volantes, manivelas

N6/N7

H7/j6

Forzado ligero

Montaje ligero

Rodamientos de bolas, piezas de máquinas desmontables con frecuencia

N6/N7

H7/h6

Deslizante, lubricación

Proporciona un acoplamiento ajustado para el montaje de piezas estacionarias con montaje y desmontaje libres

Engranajes, piezas importantes de máquinas herramientas, ejes de lira

N6/N7

H7/g6

Giratorio

Juego pequeño, no para girar con velocidad, pero sí para giros libres y deslizamiento con posicionado preciso

Embolos, bridas, anillos de rodamientos

N6/N7

H7/f7

Holgado

Juego mediano, giro a velociadad en máquinas de precisión, posicionamiento preciso con velocidades moderadas

Cojines de bielas, ruedas dentadas, cajas de cambio

N6/N7

H8/h9

Deslizante

Poleas fijas, manivelas y acoplamientos deslizantes sobre eje, ejes de contrapunto

N7/N8

H8/e8

Giratorio

Juego mediano

Piezas de motores, bombas, ventiladores

N7/N8

H8/d9

Holgado

Juego amplio, no usar cuando es esencial la precisión, bueno para grandes variaciones de temperatura, velocidad de giro y precisión de apoyo de ejes

Soportes de ejes, poleas locas

N7/N8

H11/h11

Deslizante

Piezas de maquinaria agrícola

N9/N10

H11/d9

Giratorio

Juego mediano

Eje de movimiento longitudinal, aros, palancas, manivelas demontables

N9/N10

H11/e11

Holgado

Juego amplio

Cojinetes de máquinas domésticas, pasadores, ejes

N9/N10

H11/a11

Muy holgado

Ajustes muy amplios para tolerancias de miembros externos

Locomotoras, cojinetes de cajas de freno, alojamientos de cabezas de tornillos

N9/N10

H7/s6 H7/r6

Conclusiones y recomendaciones Se recomienda lo siguiente:  Evitar precisiones excesivas inútiles, puesto que las tolerancias pequeñas implican altos costos

202

de fabricación que crecen exponencialmente con la disminución de la magnitud de la tolerancia, como se ve en el gráfico:

TOLERANCIAS Y AJUSTES

M (mm)

CALIDAD DE LA TOLERANCIA

prix

IT 01

IT 0

IT 1

IT 2

IT 3

IT 4

IT 5

IT 6

IT 7

IT 8

IT 9

IT 10

IT 11

≤3

0,3

0,5

0,8

1,2

3a6

0,4

0,6

1,5

2,5

6 a 10

0,4

0,6

1,5

2,5

10 9 8

10 a 18

0,5

0,8

1,2

110

18 a 30

0,6

1,5

2,5

130

30 a 50

0,6

1,5

2,5

100

160

50 a 80

0,8

1,2

120

190

80 a 120

1,5

2,5

140

220

120 a 180

1,2

3,5

100

160

250

3 2

180 a 250

4,5

115

185

290

250 a 315

2,5

210

320

315 a 400

140

230

360

400 a 500

155

250

400

 Siempre que sea posible, adoptar una menor tolerancia para el eje que para el agujero, esto debido a que es más difícil trabajar y medir interiores (hembras) que exteriores (machos).  Elegir las tolerancias de forma que las calidades varíen uno o dos saltos como máximo entre eje y agujero.  Tomar en cuenta siempre la experiencia proporcionada por aplicaciones similares.

PRECIO

TOLERANCIA 0,1

0,3

0,5

0,7

0,9

1,1 mm

 Considerar la forma de realizar los montajes con apriete (prensa, mazo, calentamiento, enfriamiento); en estos casos y en montajes permanentes la utilización de pegamentos puede sustituir montajes con grandes aprietes.  Realizar un acabado superficial concordante con el grado de precisión requerido; un acabado basto en piezas sometidas a deslizamiento relativo con una especificación de tolerancia pequeña produce desgastes en pocas horas de operación que hacen inútiles tales tolerancias.

Referencias bibliográficas EN 20286-1 Sistema ISO de tolerancias y ajustes Parte 1: Base de tolerancias, desviaciones y ajustes

http://w w w.engineersedge.com/calculators/ mechanical-tolerances/table_hole_tolerances.htm

García Mateos, A. (1987). Tolerancias, Ajustes y Calibres (2da Ed.). Urmo S.A. de Ediciones.

http://w w w.engineersedge.com/calculators/ mechanical-tolerances/table_shaft_tolerances.htm

http://www.tss.trelleborg.com/es/es/service/desing_ support/fits_tolerance/fits_tolerance_1.html

203

MECÁNICA

Wilfredo Cuibin Valladares GMI Ingeniero mecánico electricista graduado de la Universidad Nacional de Ingeniería. Tiene 38 años de experiencia en trabajos de diseño y supervisión de proyectos en los sectores de energía y minas. Se inició como ingeniero becario, recibiendo formación teóricopráctico en el centro de Entrenamiento de Centromin Perú. Hasta el 2002 estuvo dedicado principalmente al diseño y la supervisión de proyectos en el sector energía como centrales hidroeléctricas, líneas de transmisión y subestaciones; posteriormente se ha dedicado a proyectos mineros, especializándose primordialmente en mecánica y piping. Actualmente se desempeña como Lead de Mecánica y Tuberías para el proyecto EPC Embarque de Concentrado de Cobre, para CAP Minería, ubicado en Puerto Punta Totoralillo en Chile.

204

CRITERIOS DE DISEÑO PARA LA ESTACIÓN DISIPADORA DE PRESIÓN DE LA LÍNEA DE RELAVES DEL PROYECTO INMACULADA MECÁNICA

Criterios de diseño para la estación disipadora de presión de la línea de relaves del proyecto inmaculada

Introducción Emplear una estación disipadora en una línea de relaves no es lo más usual en este tipo de aplicación; sin embargo, luego de analizar diferentes alternativas, para el caso particular del proyecto Inmaculada se concluyó en que esta sería la mejor opción.

El presente trabajo describe las particularidades de este sistema y expone los motivos por los cuales se decidió el empleo de este tipo de instalación, los criterios de diseño y el cálculo para dicha estación disipadora de presión.

Antecedentes Los relaves tienen que ser enviados desde la planta de proceso, ubicada en el nivel 4720 m. s. n. m., hasta la presa de relaves, cuya coronación se ubica en el nivel 4485 m. s. n. m., lo que significa que hay 235 m que el relave tendrá que descender para ser transportado de la planta a la presa. La ingeniería básica del proyecto contemplaba dos alternativas para la conducción de los relaves, de la Planta de Procesos a la Cancha de Relaves:

 Una siguiendo la carretera de acceso a la planta, o carretera EPC, mediante una tubería parcialmente llena de HDPE de 12” y SDR 9 con una longitud aproximada de 3 km y una pendiente promedio de 7,5%. La tubería partía de un cajón de relaves a nivel de la planta de proceso hasta otro a nivel de la relavera desde donde partía la tubería de distribución.  La otra alternativa contemplaba una tubería de 8” con una ruta directa, siguiendo el alineamiento

205

MECÁNICA

de la faja transportadora que lleva el mineral desde la planta de chancado hasta el stockpile de la planta de proceso. La longitud aproximada es de cerca de 0,9 km y la pendiente promedio de 25%. Ambas alternativas se esquematizan en la figura 1. Durante el desarrollo de la ingeniería se hizo una visita al sitio y se constató que la carretera EPC donde se había planeado la primera alternativa se encontraba sobre terreno inestable; con el uso que se le estaba dando, sin haber sido preparada como carretera, se estaba destruyendo debido a que era una zona muy inestable, haciendo inviable su utilización. Se estudiaron rutas alternas a esta alternativa sin conseguir una que sea técnica y económicamente factible.

Figura 1

206

Se analizó la ruta más directa a lo largo de la faja pero la elevada pendiente ocasionaría velocidades demasiado elevadas para relave, lo cual terminaría deteriorando la tubería en muy corto tiempo. Se analizó también la ruta en zigzag, pero lo accidentado de la zona impedía obtener pendientes razonables; asimismo, se analizó el empleo de drop pipes, pero la cantidad de drop pipes que se requerían era excesiva. Por último, y luego de un análisis técnico y económico, se decidió por la ruta directa, aunque no se pudo utilizar la ruta de la faja porque al final se hizo curva, incluyendo en la ruta una estación rompe presión a efectos de controlar la velocidad del relave. En la figura 2 se esquematizan un recorrido alterno y el directo que fue seleccionado finalmente; en todos los casos la tubería de agua recuperada se planteó paralela a la línea de relaves.

CRITERIOS DE DISEÑO PARA LA ESTACIÓN DISIPADORA DE PRESIÓN DE LA LÍNEA DE RELAVES DEL PROYECTO INMACULADA

Figura 2

Criterios de diseño Para transportar los relaves espesados directamente desde la planta de proceso hasta la presa de relaves era necesario prever un medio para disipar la presión y controlar la velocidad del relave en la tubería; esto es, disipar los 235 m de fluido hasta la presión requerida para distribuir el relave adecuadamente en la cancha de relaves. Para reducir la presión y controlar la velocidad en la tubería se decidió la instalación de una estación disipadora de presión. Asimismo, fue necesario el empleo de bombas de velocidad variable para que el relave pueda salir de la planta y controlar el flujo en el sistema. La estación disipadora de presión consta básicamente de una serie de anillos cerámicos (chokes), como los mostrados en la figura 3, ubicados en serie a lo largo de la tubería, de tal manera de forzar el flujo de relaves a través de ellos y conseguir una caída de presión total que es la suma de la caída de presión en cada uno de ellos. Al mismo tiempo, nos permite controlar la velocidad del relave en la tubería dado que la caída de presión en los anillos es una función de dicha velocidad. Para un adecuado funcionamiento se recomienda disipar por anillo entre 50 y 60 m de pulpa con velocidades en

el orificio de entre 30 y 35 m/s; la distancia entre anillos debe ser tal que le permita al flujo restablecerse antes de entrar en el siguiente anillo. La pérdida de presión viene dada por:

∆H =

K.Q2 d4

1-β4 d2d

Donde: ΔH = pérdida de presión Q = flujo volumétrico de pulpa d = diámetro interior del orificio K = constante La relación entre la constante K y el coeficiente de descarga viene dada por:

Donde: Cd = coeficiente de descarga β = relación entre el diámetro del orificio y el del interior de la tubería (d/D). Con las fórmulas indicadas arriba se estimó el número de anillos requeridos para las diferentes condiciones de trabajo y elaborar el modelo que sería introducido al software.

207

MECÁNICA

Flow

Wear-Resistant ear-Resistant Lining (optional)

Downstream Flange

Upstream Flange Gasket

Ceramic-Lined Choke

Gasket

Figura 3

los anillos ubicados en este lazo; estando abierto el flujo pasa directo ya que la diferencia de presiones entre la entrada y salida de este lazo es despreciable.

3440-CK-011 re erva

3440-CK-010 re erva

Para efectos de mantenimiento se previó un baipás con tres anillos (3440-CK-007, 008, 009) y dos posiciones de reserva (sin los anillos 3440-CK-010 y 011) para prever un ajuste en el futuro.

3440-CK-00

3440-CK-008

3440-CK-007

Tal como se muestra en la figura 4, se utilizaron tres anillos (3440-CK-003, 004, 005) en el tramo principal y una posición de reserva (sin el anillo 3440-CK-006) para prever un ajuste en el futuro; además se prevé un lazo vertical con dos anillos (3440-CK-001, 002) para ser usados cuando el flujo de relaves sea muy bajo. La operación del lazo vertical estaría controlada por una válvula que, estando cerrada, obliga al fluido a pasar por

3440-CK-002

Válvula control de flujo FCV-3440011

Estación disipadora de presión 3440-ST-001

Figura 4

208

3440-CK-006 re erva

Válvula ON/OFF VE027 Válvula ON/OFF 3440006

3440-CK-005

PIT

M 3440-CK-004

3440-CK-001

Válvula ON/OFF VE026

3440-CK-003

Válvula ON/OFF VE025

Válvula ON/OFF VE028

PI PIT

CRITERIOS DE DISEÑO PARA LA ESTACIÓN DISIPADORA DE PRESIÓN DE LA LÍNEA DE RELAVES DEL PROYECTO INMACULADA

La estación disipadora de presión se ubicó a 4535 m s. n. m., cerca del límite de crecimiento de la presa de relaves, sobre el camino de acceso perimetral de segunda etapa, esto con el objeto de mantener una presión residual que permita la distribución del relave y al mismo tiempo evitar su desmontaje y reubicación durante el crecimiento de la presa. Sin embargo, debido a que la estación disipadora de presión se ubicó a 50 m sobre el nivel de la coronación de la presa, y como parte del control del flujo de relaves del sistema, fue necesario ubicar al nivel de la presa otro anillo cerámico (3440-CK-012) para terminar de controlar la presión de la descarga de los relaves a la presa; aquí también se dejó una posición de reserva (sin el anillo 3440-CK-013) previendo un ajuste a futuro.

De acuerdo a la velocidad límite de sedimentación y la velocidad máxima recomendada para este tipo de fluidos se seleccionó tubería ASTM A53 de 8”. Para garantizar la seguridad del sistema se decidió emplear tubería de acero revestida de material antiabrasivo; la tubería metálica tendría carácter estructural y el revestimiento sería el material de sacrificio sujeto al desgaste. La línea iría en canaleta a todo lo largo y estaría compuesta de tramos estándares con uniones tipo Victaulic para facilitar el cambio por mantenimiento. Eventualmente la tubería deberá ser controlada para verificar su desgaste. Se previeron flujómetros al inicio y al final de la tubería para evitar posibles roturas; se mandaría cerrar automáticamente la válvula principal en caso de que esto ocurriera. Se elaboró el esquema mostrado en la figura 5 para realizar el modelo para el software fathom y se corrió para diferentes flujos empleando su módulo para slurry.

Figura 5

Los siguientes parámetros nominales del fluido fueron introducidos al modelo:    

Flujo normal: 198,25 m3/h Flujo mínimo: 162 m3/h Flujo máximo: 290 m3/h SG sólidos: 2,59

      

SG pulpa: 1,5 % sólidos en pulpa: 54,32 % (espesado) % sólidos en pulpa: 41,7 % (antes del espesador) D50: 27 μm Tamaño máximo: 156 μm PH: 11 Viscosidad: 78,7 cPo

209

MECÁNICA

Se ha asumido que los relaves ingresen al espesador con 41,7 % de concentración y luego sean espesados al 54,25 % de sólidos; sin embargo, lo normal es que los valores reales puedan variar alrededor de los valores especificados y el sistema debe tomar en cuenta esta posibilidad. Se ha previsto que para el flujo normal de 198,25 m3/h la válvula del lazo vertical se encuentre cerrada para que el fluido pase por solamente tres anillos; para el flujo mínimo de 162 m3/h o con agua, la válvula del lazo vertical debe estar cerrada para obligar al fluido a pasar por los cinco anillos. Asimismo, se ha considerado la posibilidad de que el espesador se encuentre inoperativo pero que la planta siga operando y se tenga que enviar el relave hacia la presa de relaves; en tal caso el flujo sería de 289,9 m3/h y la concentración de 41,6 %, por lo que tendrían que operar al mismo tiempo las dos bombas en paralelo, una de las cuales está prevista como stand by, y se cerrarían las válvulas del ramal principal para habilitar en este caso el uso del bypass de la estación disipadora de presión. Definidas las alturas estáticas y los parámetros del fluido se hicieron las primeras corridas en el software para las diferentes condiciones de operación; sin embargo, no estábamos seguros de si las caídas de presión obtenidas en los anillos serían similares a las de los anillos que serían comprados finalmente, por lo que se elaboró una hoja de datos con las condiciones de operación y caídas de presión requeridas para cada uno de los anillos y, con esto en cuenta, se solicitó al vendor la selección de los anillos, accediendo a los resultados de sus cálculos. Sustituimos los coeficientes de descarga del vendor en el fathom y obtuvimos discrepancias de entre 6 % y 9 % en las caídas de presión, lo que es atribuible a las diferencias geométricas reales con respecto a las asumidas por el software. Con ambos resultados hicimos la corrección de los coeficientes de descarga, entre 3 % y 5 % para los diferentes anillos, con lo cual igualamos los resultados para diferentes condiciones de operación; de esta manera podríamos simular diferentes condiciones de operación empleando los anillos que realmente se iban a emplear.

210

Teniendo en cuenta la posibilidad de que las condiciones nominales del fluido durante la operación del sistema variaran, era necesario analizar los límites entre los cuales esto podría pasar sin riesgos para el sistema. Las restricciones serían las siguientes:  El flujo, con determinada concentración, podría ser incrementado por encima del valor referencial hasta el máximo TDH de la bomba.  El flujo, con determinada concentración, podría disminuir por debajo del valor referencial (mientras no se produzca vacío en algún punto de la tubería) o hasta la velocidad límite de sedimentación. Dependiendo de si se operase con la válvula de control del lazo vertical abierta o cerrada, habría dos zonas que analizar. Lo normal es que se opere con la válvula de control abierta y el flujo varíe alrededor del nominal; para flujos alrededor del mínimo o muy diluidos la válvula de control estaría cerrada. En la definición de las caídas de presión en los anillos cerámicos se ha previsto que las bombas operen a su máximo TDH, de tal manera que el desgaste de los anillos en el tiempo vaya reduciendo el TDH y así aprovechar el mayor tiempo posible dichos anillos. Con tales criterios se realizaron una serie de cálculos para diferentes flujos y concentraciones y se obtuvo el ábaco mostrado en la figura 6, que muestra las áreas seguras de operación con respecto al flujo y la concentración del relave que se desea enviar. Este ábaco serviría al operador como referencia para tener en cuenta los límites operativos de acuerdo a las características del relave que tiene previsto enviar. Para minimizar el error humano se previó automatizar la mayor cantidad posible de secuencias y se elaboró un manual definiendo los diferentes modos de operación y mantenimiento; ambos factores fueron tomados en cuenta en la filosofía de control. Todas las operaciones automatizadas tendrían un modo manual para permitir al operador confirmar la ejecución de cada paso de la secuencia automática antes de iniciarla. Todas las válvulas con actuadores eléctricos o neumáticos, además, fueron previstas con volante para operación manual.

CRITERIOS DE DISEÑO PARA LA ESTACIÓN DISIPADORA DE PRESIÓN DE LA LÍNEA DE RELAVES DEL PROYECTO INMACULADA

En el sistema de control y automatismo se previeron paradas de emergencia en caso se presenten anomalías en la operación, tales como fugas o roturas de la tubería, fallas de operación de la bomba, sobrepresiones o vacíos en la tubería, pérdida de energía, fallas de las válvulas motorizadas, etc.

relaves; de acuerdo a ello definirá un punto dentro de las áreas de operación permitidas por el sistema (ver figura 6) que serán ingresadas a modo de set point, con lo que el automatismo del sistema de bombeo de relaves mantendrá las condiciones seguras de operación.

El operador debe tener previo conocimiento de la concentración y el flujo de relave que descargará el espesador y que deberá bombear a la presa de

El sistema ha sido puesto en operación y viene funcionando en modo manual; actualmente se están realizando los trabajos para su automatización.

260

32% 36% 40% 44% 48% 52% 56% 34% 38% 42% 46% 50% 54% np

eso

30%

nce

ntra

ció

240

Flujo Volumétrico (m3/h)

220

Límite de operación de la bomba Área de operación normal Punto de operación nominal (198m3/h; Conc. 54.3%)

200

Tendencia a la formación de vacío

Tendencia a la formación de vacío 180

Operación con lazo vertical

Límite de operación de la bomba

160

Velocidad límite de sedimentación

140

120 0

100

150

200

250

Flujo Másico (t/h) Figura 6

211

MECร NICA

Referencias Bibliogrรกficas Slurry Pumping Handbook - Warman Slurry System Handbook - Baha E. Abulnaga, P.E.

212

777-S-C-G-001Copper & Zinc Concetrates Pipeline Operating an Control Philosophy - PSI (Pipeline Sysstems Incorporated)

CRITERIOS DE DISEÑO PARA LA ESTACIÓN DISIPADORA DE PRESIÓN DE LA LÍNEA DE RELAVES DEL PROYECTO INMACULADA

PETRÓLEO Y GAS

 Discordancia post-Salina Mogollón y su implicancia en la acumulación de hidrocarburos al sur del lote III  Operaciones simultáneas de inyección de cortes de perforación y agua de producción: solución de cero descarga al medioambiente para la fase de desarrollo del lote 67 en la Amazonía peruana

213

PETRÓLEO Y GAS

214

Aydee Chumacero Domador

Alexander Prado Paucar

GMP

Ingeniera Geóloga egresada de la Universidad Nacional de Piura. Cuenta con más de cinco años de experiencia en el sector. Actualmente se desempeña como geólogo de desarrollo en la empresa Graña y Montero Petrolera SA, elaborando proyectos de desarrollo y modelos geológicos en los lotes V y III. Forma parte de la Sociedad Geológica del Perú y de la Asociación Americana de Geólogos Petroleros (AAPG).

Ingeniero Geólogo egresado de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos (UNMSM). Cuenta con más de seis años de experiencia en el sector. Actualmente se desempeña como geólogo de desarrollo en la empresa Graña y Montero Petrolera SA, elaborando proyectos de desarrollo y modelos geológicos en el lote III. Asimismo, realiza análisis petrofísicos e interpretaciones estratigráficas y estructurales.

PETRÓLEO PETRÓLEO Y GAS

Discordancia post-Salina Mogollón y su implicancia en la acumulación de hidrocarburos al sur del lote III

Resumen Con información de Geología estructural y geofísica, se puede identificar los altos estructurales propios del basamento, lo que a su vez da origen al levantamiento de la formación Salina Mogollón en la zona de estudio; esta interpretación se sustenta con la información de pozos perforados en zonas identificadas como altos, tanto al sur del lote III como al norte del lote XIIIA, donde el espesor de la formación salina Mogollón se acorta significativamente, postulando a que la discordancia post-Salina Mogollón erosiona las arenas superiores de esta formación. Asimismo, se identificaron nuevos plays, los cuales se muestran a lo largo del límite de esta discordancia, la misma que juega un importante papel para en entrampamiento de petróleo. Con el propósito de seguir desarrollando nuevas áreas para

producir hidrocarburos en el lote III, en 2008 el antiguo operador del lote, Interoil Perú S. A., decidió explorar los yacimientos de Mirador Sur y San Luis, con lo cual se empezó con el desarrollo de estas nuevas áreas con buenos resultados. A la fecha, ya con un importante número de pozos de desarrollo en el área, se tiene un modelo estructural definido, correlaciones estratigráficas e interpretación petrofísica a detalle, con lo que se subdivide e identifica a la parte media-superior de la formación Salina Mogollón como la que tiene mejores características de roca para la acumulación de petróleo con relación a la parte inferior de esta formación y que al encontrarse en contacto con una roca sello producto de la discordancia, dan origen a un importante entrampamiento de hidrocarburos.

215

PETRÓLEO Y GAS

Antecedentes En 2006 la empresa noruega Interoil Perú S. A. inició sus operaciones en el lote III, desarrollando inicialmente pozos inter-ubicados con objetivo primario a la formación salina Mogollón y en algunos casos al Grupo Amotape. En 2008 comenzó el desarrollo de la parte sur del lote. Debido a los antecedentes de producción de pozos con alto corte de agua, los cuales para su análisis solo contaron con registros convencionales (básicos), se decidió tomar registros especiales para identificar los mejores intervalos. El inicio del desarrollo de esta área se derivó también a los resultados tanto en los retrabajos como en dos pozos nuevos que perforó Olympic en el lote XIIIA, que limita al sur con el lote III. Con esta información se elaboró un modelo estructural a gran escala, perforando en 2008 el primer pozo en el área (13041D), el cual inició con una producción de más de 700 barriles de petróleo diarios; con

estos resultados se continuó con el desarrollo de nuevos pozos, perforando hasta 2012 un total de 27 pozos en el área sur de lote III (yacimientos Mirador Sur y San Luis). En abril de 2015 GMP se inició como nuevo operador de los lotes III y IV y, con la información que se tiene y con el fin de seguir desarrollando más áreas prospectivas en el lote III, se vienen realizando evaluaciones a detalle de la formación Salina Mogollón, por ser este el reservorio principal en el área de estudio. En el mismo sentido, se han realizado trabajos a detalle sobre las áreas en donde esta discordancia erosiona las arenas superiores de la formación Salina Mogollón y pone en contacto con una roca sello, determinando que los márgenes que limitan la discordancia post-Salina Mogollón, sobre las arenas principales, son de alto interés debido a que esta discordancia actúa como una trampa estratigráfica para la acumulación de petróleo.

Problema En los yacimientos de San Luis y Mirador Sur, a medida que se han ido perforando los pozos de desarrollo, se puso en evidencia una marcada diferencia de producción en los pozos ubicados sobre zonas identificadas como altos

estructurales mostrados en la gravimetría (figura 2), evidenciando que los pozos que están afectados directamente por la discordancia post-Salina Mogollón presentan baja producción de hidrocarburos y un alto corte de agua.

Objetivos 1. Determinar el mejor intervalo productivo de la formación salina Mogollón y la relación que tiene con la discordancia post-Salina Mogollón.

2. Mapear la discordancia post-Salina Mogollón identificando las áreas con mayor potencial de hidrocarburos.

Variables e hipótesis Con la densidad de pozos perforados en la parte sur del lote III y al norte del lote XIIIA, y sirviéndonos además de un estudio geofísico (gravimétria) que se realizó en el lote XIIIA en 2011, se puede identificar los altos estructurales

216

propios del basamento del Grupo Amotape, los cuales se infiere están directamente relacionados con el efecto de la discordancia post-Salina Mogollón en la zona de estudio.

DISCORDANCIA POST- SALINA MOGOLLÓN Y SU IMPLICANCIA CON LA ACUMULACIÓN DE HIDROCARBUROS AL SUR DEL LOTE III

Método Se analizó la estratigrafía de todos los pozos de la parte sur del lote III involucrando además algunos del lote XIIIA de Olympic que limitan con el lote III; asimismo, se usó la gravimetría que realizó Carson Helicopter Inc. en el lote XIIIA para Olympic en el año 2011.

La evaluación de la discordancia post-Salina Mogollón en el área de estudio se ha desarrollado en las siguientes etapas:

UBICACIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO El área de estudio se ubica al sur del lote III, a la margen derecha del río Chira, y limita al sur con el lote XIIIA operado por Olympic.

480000

490000

9488000

San Luís

N Ramón

Mirador

La Brea

Boca 9480000

Gavilaneso

Mirador Sur Lagunitos

9472000

Lote XXII

Portachuelo Oeste

Kon Tiki Nuto Alicia

Portachuelo

9464000

Lote Z-2B Mirador GRAÑA y MONTERO PETROLERA S.A. MAPA DE UBICACIÓN LOTE III Autor Geología

Mirador Sur

9464000

San Luís Lote XIIIA

Fecha: 29 July 2016 Escala Gráfica

480000

490000

Figura 1: mapa de ubicación del área de estudio

217

PETRÓLEO Y GAS

Resistivity Correlation Depth GR ResD (AT90) MD 1000 OHMM 50 GAPI SPrsc TVD> Sw60% 0 MV 60

MODELO ESTRATIGRÁFICO DE LA FORMACIÓN SALINA MOGOLLÓN

Litologico LUTITA ARENISCA

2,500 SALINA MOGOL

La formación Salina Mogollón del lote III está constituida por una secuencia de arenas lenticulares alternadas con lutitas; en su sección completa se identifican seis marcadores. Al sur del lote III la secuencia completa de esta formación está interrumpida por la discordancia post-Salina Mogollón; además se identifican arenas con propiedades petrofísicas y de fluido diferentes, siendo el intervalo comprendido por los marcadores S4-S5 el que mejor características de roca reservorio tiene en el área, con la premisa de que cada paquete de arena que constituye la formación Salina Mogollón se comporta como un reservorio independiente.

S3 3500 3000

44000 000

RALCONES

Figura 2: estratigrafía de la formación Salina Mogollón dividido por sus 6 marcadores (S1-S5)

Figura 3: mapa de las secciones estratigráficas del área de estudio

218

DISCORDANCIA POST- SALINA MOGOLLÓN Y SU IMPLICANCIA CON LA ACUMULACIÓN DE HIDROCARBUROS AL SUR DEL LOTE III

SECCIÓN ESTRATIGRÁFICA A-A’ ZONA SAN LUIS - LOTE XIIIA

13162D 208 m 13114D 191 m13138D

PN-75

1354 m

A’

Lote XIIIA

Límite erosivo salina Mogollón superior

-2500

PN-158

474 m

-2500

-3000

-3500

TD=4400

TD=4590 TD=3857

TD=4100 -4000

-4000

TD=4267

Figura 4: sección estratigráfica A-A’

SECCIÓN ESTRATIGRÁFICA B-B’ ZONA SAN LUIS - LOTE XIIIA 13169D

67 m

13119D

15 m

13164D

1559 m

PN-69

435 m

PN-152

717 m

PN-14D

-2500

-3000

TD=3292 TD=4500 -3500

TD=4027 TD=3970

Lote III

TD=3230

Lote XIIIA

-3500

TD=5974

Figura 5: sección estratigráfica B-B’

219

PETRÓLEO Y GAS

SECCIÓN ESTRATIGRÁFICA C-C’ ZONA SAN LUIS - LOTE XIIIA C

13151D

360 m

13101D

336 m

PN-73

327 m

PN-86

570 m

Lote III

PN-09D

987 m

PN-80

C’

Lote XIIIA

-2500

-3000

TD=4146

TD=5719

-3500

TD=4888

Figura 6: sección estratigráfica C-C’

SECCIÓN ESTRATIGRÁFICA D-D’ ZONA SAN LUIS - LOTE XIIIA D

13048

407 m

13102D

336 m

PN-72D

Lote III

328 m

PN-37

930 m

PN-81

575 m

PN-10

D’

Lote XIIIA

-2500

TD=3584

-3000

TD=3116

TD=3568 -3500

Figura 7: sección estratigráfica D-D’

220

-3500

DISCORDANCIA POST- SALINA MOGOLLÓN Y SU IMPLICANCIA CON LA ACUMULACIÓN DE HIDROCARBUROS AL SUR DEL LOTE III

SECCIÓN ESTRATIGRÁFICA E-E’ ZONA SAN LUIS - LOTE XIIIA 13062

378 m

13077D

742 m

PN-03D

545 m

PN-12D

583 m

PN-66

375 m

PN-92

-2500

E’

-2500

-3000

TD=3754 TD=5043

TD=3887

-3500

Lote III

TD=3458

-3500

Lote XIIIA

TD=3825

TD=3870

Figura 8: sección estratigráfica E-E’

Figura 9: mapa de la discordancia post-Salina Mogollón en la parte superior de la formación

221

PETRÓLEO Y GAS

Figura 10: segunda derivada vertical de anomalía de Bouguer (gravimetría), tomada por Carson Helicopter Inc. en 2011 para Olympic Perú Inc.

Resultados Con la interpretación estratigráfica y estructural de la parte sur del lote III, e incluyendo pozos del lote XIIIA operado por Olympic Perú, se logró determinar un límite de desarrollo de las arenas superiores de la Salina Mogollón, consideradas como las mejores de esta formación. El acortamiento del espesor de esta formación hacia el sureste y la no presencia del intervalo productor principal, producto de la erosión, está relacionada con el levantamiento del basamento

del Grupo Amotape, el cual puede identificarse con la gravimetría que existe en la zona. Con los resultados obtenidos se hizo la discriminación de las mejores zonas (plays) para el desarrollo de los nuevos pozos propuestos por GMP para producir petróleo de la formación Salina Mogollón, atendiendo a los niveles de fluidos propios de cada multireservorio que pueden ser identificados con los registros eléctricos tomados en cada pozo.

Discusión Al determinar el límite de la discordancia post-Salina Mogollón se realizó una interpolación con la producción acumulada de los pozos del área, con lo cual se determinó que los pozos de desarrollo afectados por la discordancia

222

tienen una producción inferior y presentan altos cortes de agua y GOR; asimismo, el modelo determinó que las mejores producciones se localizan en los márgenes que limitan con la discordancia post-Salina Mogollón, sobre las

DISCORDANCIA POST- SALINA MOGOLLÓN Y SU IMPLICANCIA CON LA ACUMULACIÓN DE HIDROCARBUROS AL SUR DEL LOTE III

arenas principales, lo que postula es que la discordancia pone en contacto las mejores arenas de la formación Salina Mogollon con una roca sello, con lo cual se forma un importante entrampamiento de hidrocarburos. (Figura 11). De acuerdo a las pruebas de producción realizadas a los pozos del área de estudio, que demuestran que en las zonas afectadas por la discordancia solo hay presencia de arenas inferiores de la formación salina Mogollón,

tenemos producciones flash de crudo; sin embargo, al poco tiempo comienzan a producir altos cortes de agua, lo que puede deberse a que las arenas inferiores de la formación salina Mogollón, al ponerse en contacto con la discordancia (trampa estratigráfica), tuvieron un reacomodo de fluidos, motivo por el cual las arenas, en un inicio, tienen producción de petróleo, pero al tratarse de arenas en su mayoría saturadas de agua, terminan originándose una canalización prematura del agua.

Figura 11: mapa de burbujas mostrando la producción segregada de la formación Salina Mogollón

Referencias bibliográficas Mapa gravimétrico de Olympic Perú INC. Mapa estructural al tope de la Arena 13, formación salina Mogollón, elaborado por Interoil y modificado por GMP.

Información de pozos del lote XIIIA (Banco de Datos – Perupetro) Información tomada del Departamento de Geología de GMP.

223

INSTRUMENTACIÓN

Juan Watanabe Kanno GMP Ingeniero mecánico graduado de la Pontificia Universidad Católica del Perú, estudió una maestría en Gerenciamiento Estratégico de Empresas en Centrum Católica. Cuenta con quince años de experiencia en pruebas de pozo y perforación. Su última posición en Schlumberger fue Field Service Manager para el área de servicio de pruebas de pozo para el oeste de Venezuela; luego se unió a Perenco Perú Petroleum (desde 2009) como ingeniero de operaciones para supervisar las pruebas de los pozos exploratorios en el lote 67. Su última posición en Perenco fue ingeniero de perforación, puesto que desempeñó desde el año 2011 hasta 2015. Actualmente es jefe de perforación en Graña y Montero Petrolera.

224

PETRÓLEO Y GAS

Operaciones simultáneas de inyección de cortes de perforación y agua de producción: solución de cero descarga al medioambiente para la fase de desarrollo del lote 67 en la Amazonía peruana Helen Poclin, Juan Watanabe, Henry Ortiz Baker Hughes, Miembro SPE, Perenco

Resumen La gestión de disposición es un factor decisivo en la planificación de las operaciones petroleras desde la perspectiva ambiental y económica. Comúnmente este aspecto depende del tipo de operación (exploratoria, de desarrollo o de producción) y de las regulaciones medioambientales. La disposición relacionada a la perforación puede incluir sólidos tales como cortes de perforación y productos químicos usados para la preparación del fluido de perforación. El agua de producción comprende principalmente los fluidos de completación, agua producida y fluidos contaminados con aceite. El agua producida es usualmente inyectada en una formación del subsuelo para disposición final o para mantener la presión del reservorio durante la producción. De acuerdo a las prácticas convencionales petroleras ambas disposiciones se dan en operaciones separadas, es decir que considerar operaciones

simultáneas de estos dos métodos en un mismo pozo es una opción interesante si es apropiadamente gestionada. El presente artículo muestra la experiencia de las operaciones simultáneas de inyección de cortes de perforación y agua producida durante la fase de desarrollo del lote 67 en el campo Piraña como un método de gestión de disposición económicamente viable y amigable con el medioambiente. El desarrollo del campo se dio en 2013 con siete pozos productores y un inyector. Durante la campaña de ese año el inyector fue dedicado íntegramente a la inyección de cortes y luego, cuando la producción se inició (a fines de 2013), el pozo se usó para inyectar el agua producida hasta el inicio de la segunda campaña de perforación, en 2014, cuando fueron perforados cinco pozos adicionales y las operaciones simultáneas se iniciaron en el mismo pozo inyector.

Datos clave:

PRIMEROS EN EL PERÚ

2.0 MMBLS. INYECTADOS

AHORRO DE ESPACIO

PRESERVACIÓN DE LA SELVA

Operaciones simultáneas en un mismo pozo inyector, cortes de perforación y agua de producción

Y el pozo inyector sigue siendo usado actualmente para disposición de agua de producción

El área de trabajo fue de 400 m2; usar métodos tradicionales hubiera significado un espacio 16 veces mayor

Menos impacto en la selva amazónica; esta tecnología preservó 6400 m2 de Amazonía peruana.

225

PETRÓLEO Y GAS

Introducción MÉTODOS DE DISPOSICIÓN AMIGABLES AL MEDIOAMBIENTE. EFICIENCIA Y EFICACIA EN LAS OPERACIONES DE PERFORACIÓN. La gestión de disposición es un tema importante para las operaciones de perforación y un reto aún más grande cuando la excavación es en áreas sensibles y remotas, como es el caso del lote 67, en la cuenca del Marañón, en el noroeste de la Amazonía peruana.

el diseño de ingeniería del pozo, los requerimientos de equipos CRI y los procedimientos operativos. Luego de la primera aplicación exitosa el mismo pozo se usó para disponer el agua de producción en la misma formación.

El principal reto de esta ubicación es el área limitada debido a las restricciones de deforestación y logística (solo por medio fluvial y aéreo).

Para julio de 2014 se dio inicio a la segunda campaña de perforación y el mismo pozo inyector y la misma formación se usaron para disponer los cortes de perforación con inyecciones periódicas del agua producida. Un total de 211.480 barriles de fl uidos de perforación y cerca de 1,8 millones de barriles de agua producida fueron exitosamente dispuestos e inyectados en la formación Pozo Sandstone sin dejar ningún tipo de pasivo ambiental luego de la completación de los pozos al final de las dos campañas.

El método de inyección de cortes de perforación fue el de disposición aprobado por el Ministerio de Energía y Minas del Perú para el desarrollo del lote 67 debido a que era la mejor opción para reducir el impacto ambiental del proyecto. Tomando como base el estudio de factibilidad, se ejecutó un plan de trabajo para asegurar que la implementación del CRI sea sin interrupciones para la primera campaña de desarrollo de 2013. El planeamiento incluyó la revisión de las simulaciones,

Este ensayo tiene por objetivo validar el estudio de factibilidad, mostrar la planifi cación, resumir los resultados y referir las lecciones aprendidas durante este proceso.

El Minem El estudio de impacto ambiental (EIA) fue presentado al Ministerio de Energía y Minas (Minem) explicando la propuesta para la gestión de disposición de perforación para el desarrollo del lote 67, que constó de tres opciones: almacenamiento de cortes, estabilización de celdas e inyección de cortes.

En ese sentido la nueva legislación, basada en el decreto supremo 002-2013-Minam, declara que ningún tipo de tierra contaminada puede ser mezclada con tierra parental para disminuir concentraciones y luego disponerla, por lo que se reafirma la factibilidad del uso del método de inyección de cortes.

Las dos primeras fueron rechazadas debido al significativo impacto ambiental en comparación a la inyección de cortes, por lo que se aprobó este último como método de disposición.

Finalmente, el agua producida deberá ser dispuesta en una formación en el subsuelo según el decreto supremo 015-2006-EM.

226

OPERACIONES SIMULTÁNEAS DE INYECCIÓN DE CORTES DE PERFORACIÓN Y AGUA DE PRODUCCIÓN

Estudio de factibilidad Para la implementación del CRI fue necesario un estudio de factibilidad alineado a la selección correcta de la formación a inyectar, las simulaciones de fractura hidráulica, el diseño de ingeniería de pozos, el espaciamiento de pozos, parámetros operacionales, requerimientos de equipos, evaluación de riesgos e incertidumbres y lineamientos para la planificación del trabajo (incluyendo planes de contingencia para prevenir interrupciones). La formación Pozo Sandstone fue la seleccionada para la disposición; desde el punto de vista geológico el intervalo de Sandstone era apropiado para la disposición debido a la buena efectividad en la disipación de los

fluidos y a las bajas presiones de inyección. Más aun, Pozo Sandstone tiene en la parte superior e inferior formaciones masivas de lutitas que actúan como barreras para la propagación de una fractura y previenen la migración de los fluidos de perforación a disponer. La capacidad inicial de disposición de Pozo Sandstone fue estimada en 164.944 barriles de sólidos o 824.720 de lechada. La ventana de presiones fue calculada usando la máxima presión permitida en superficie en el cabezal de pozo (2700 psi, que representan el 90 % de 3000 psi, presión máxima permitida en el cabezal de pozo). La figura 1 muestra la secuencia litológica y el esquema del pozo.

Figura 1: secuencia litológica y esquema de pozo del PIR-05 D

227

PETRÓLEO Y GAS

Durante la perforación del PIR-05D se obtuvo información para validar las propiedades de la formación que fue usada para efectuar nuevas correlaciones y ajustar la simulación de fractura hidráulica. La tabla 1 muestra las propiedades de la formación y la figura 2 muestra el modelo geomecánico.

PROPERTIES

POZO SANDSTONE

Reservoir pressure

2235 psi

Temperature gradient

1.9 °F/100 pies

Reservoir porosity

20 %

Reservoir permeability

5 mD – 2000 mD

Water saturation

100 %

Tabla 1: propiedades de la formación

Figura 2: modelo geomecánico correlacionado con el pozo PIR-05D

Simulaciones de la inyección de cortes Luego de validadas las propiedades de la roca y completadas las correlaciones para el modelo geomecánico del PIR-05D se efectuaron simulaciones preliminares de fracturas hidráulicas para verificar la geometría de la fractura y estimar los parámetros operacionales.

228

Las simulaciones se basaron en baches sencillos de 1500 barriles de lechada seguidos de un bache continuo de 200.000 barriles en el caso extremo. Las figuras 3 y 4 muestran los resultados de la fractura geométrica y la 5 ilustra los parámetros operacionales.

OPERACIONES SIMULTÁNEAS DE INYECCIÓN DE CORTES DE PERFORACIÓN Y AGUA DE PRODUCCIÓN

Layer Properties Rocktype

Temperature of Slurry in Fracture (ºF)

Stress (p...) Modulus... Permeabl... TVD(ft)

100

150

Width Profile (in) 200

Fracture Length (ft) 198.6 Total Fracture Height (ft) 176.3 Average Fracture Width (in) 0.215

4850

TVD(ft) 4850

4900

4950

5000

5050

Figura 3: fractura geométrica para un bache de 1500 bls. de lechada

Layer Properties Rocktype

Stress (p...) Modulus... Permeabl...

Temperature of Slurry in Fracture (ºF) TVD(ft)

4250

250

500

750

1000

1250

Width Profile (in) 1500

Fracture Length (ft) 1784.2 Total Fracture Height (ft) 285.2 Average Fracture Width (in) 1.171

TVD(ft)

4250

4500

4750

5000

5250

5500

Figura 4: fractura geométrica para un bache continuo de 200.000 bls. de lechada

229

PETRÓLEO Y GAS

200 300 0

5000 20.00

200 300

4000 16.00

1200 1800

3000 12.00

800.0 1200

2000 8.000

400.0 600.0

1000 4.000

0.0 0.0

0.0

94.0

188.0

282.0

376.0

Net Pressure (psi) Surf Pressure (psi) Meas’d Btmh Press (psi) Slurry Rate (bpm)

0.0 470.0 0.0

Time (min) Figura 5: comportamiento de la presión contra tiempo para la formación Pozo Sandstone

Perfil del pozo inyector DISEÑO DEL REVESTIMIENTO Y LA TUBERÍA El PIR-05D fue seleccionado como pozo inyector para la disposición de cortes de perforación. Las zapatas de los revestimientos fueron posicionadas de acuerdo a la ventana de lodos requerida para asegurar la estabilidad del hoyo y el balance de las presiones de la formación desde la superficie hasta la profundidad final del pozo.

En ese sentido, el revestimiento de 16” fue posicionado a 77 pies (ref. MSL 171,15 m), el de 10-3/4” a 2002 pies y el de 7-5/8” a 8248 pies. Se seleccionó el revestimiento y la tubería tomando en cuenta la máxima presión de inyección calculada en el estudio de factibilidad (2700 psi con un fluido de 8,34 ppg) y una tubería de 4-1/2” 12,75 ppf L80.

Completación del pozo El PIR-05D fue punzonado en la formación Pozo Sandstone desde 5802 hasta 5822 pies (20 netos) y desde 5890 a 5910 pies (20 netos). Para el punzonado se usaron cañones de 5-1/2” 5 spf 72 grados con cargas

230

Power Jet Omega 4505 HMX; finalmente, el pozo fue completado con una empacadura de 7-5/8” de doble anclaje posicionada a 5611 pies (95 arriba del tope de Pozo Sandstone) con tubería de 4-1/2” EUE 12.75 ppf L80.

OPERACIONES SIMULTÁNEAS DE INYECCIÓN DE CORTES DE PERFORACIÓN Y AGUA DE PRODUCCIÓN

Diseño del equipo de superficie (cabezal de pozo) El equipo de superficie o cabezal de pozo para el PIR-05D es de una presión máxima de 3000 psi, API 6ª, PSL-1, PR1, temperatura clase U (0-250 F) y material TRIMM AA; de acuerdo a los estudios de factibilidad la presión está 98 % arriba de la inicial de inyección y 11 % arriba de la final de inyección de la formación Pozo Sandstone. La figura 6 muestra el esquema del arreglo del cabezal de pozo del PIR-05D.

Figura 6: cabezal de pozo 16” x 10-3/4” x 7-5/8” para el pozo inyector

Evaluación del cemento El revestimiento de 7-5/8” fue cementado en dos etapas con una herramienta de cementación por etapas a 6050 pies para asegurar un buen aislamiento de la formación Pozo Sandstone. El tope del cemento para la primera

etapa fue diseñado para posicionarse a 6050 pies y el de la segunda etapa a 4684 pies (1000 arriba de la formación Pozo Sandstone). Luego se evaluó la calidad del cemento usando registros eléctricos con el USIT-CBL-VDL.

Proceso y equipo CRI El proceso CRI incluye el transporte de los cortes desde los equipos de control de sólidos del equipo de perforación hacia los tanques de lechada donde los cortes y otros fluidos de perforación son seleccionados y mezclados con agua para generar la lechada propiamente dicha; el resultado de la mezcla es transferido a otro tanque (holding tank) donde se le agregan varios aditivos para alcanzar la reología apropiada y llegar a otras propiedades físicas del fluido. Antes de llegar al

holding tank la lechada pasa a través de una zaranda con mallas para garantizar que solo partículas menores a 300 micrones sean transferidas; las que sean más grandes que esa medida son transferidas a un molino de barras para reducir su tamaño. La lechada resultante es transferida temporalmente a tanques de almacenamiento antes de ser inyectada en la formación Pozo Sandstone. La figura 7 muestra un esquema típico de disposición de equipos de CRI.

231

PETRÓLEO Y GAS

Slurry tank

Screw conveyor

Classification shaker

Injector well Injection pump

Roller mill

Holding tank

Figura 7: configuración típica de un sistema CRI

Secuencia de bombeo e información de los fluidos Los siguientes fluidos fueron usados para la inyección en el siguiente orden o secuencia de inyección: 1. Fluido PAD: fluido viscoso que sirve para generar la fractura. Es preparado con goma xántica y agua y bombeado al inicio de la inyección. 2. Lechada: mezcla de agua, goma xántica y cortes de perforación. Tiene en adición biocidas y regulador de pH para evitar la degradación de los polímeros en el fluido. El porcentaje promedio de contenido de sólidos Property Density

Rheology at 120 °F

La tabla 2 muestra las propiedades promedio de los fluidos. Pad

Slurry

Pill

8.34 ppg

10.1 ppg

8.34 ppg

600 rpm reading

300 rpm reading

200 rpm reading

100 rpm reading

6 rpm reading

3 rpm reading

Tabla 2: propiedades de un fluido promedio

232

es de 18 % en el primero y de 11 % en el segundo bache. 3. Píldora viscosa: usada para evitar la contaminación entre la lechada y el fluido de desplazamiento. tiene contenidos de goma xántica y agua. 4. Fluido de desplazamiento: agua fresca que se usa para dejar el hoyo y su vecindad limpio para el siguiente bache de inyección de agua o cortes.

OPERACIONES SIMULTÁNEAS DE INYECCIÓN DE CORTES DE PERFORACIÓN Y AGUA DE PRODUCCIÓN

Proceso de inyección de agua producida y equipos requeridos en el pozo inyector. El agua es tratada con aditivos que previenen la corrosión y minimizan el daño a la formación, que incluyen inhibidor de corrosión, secuestrantes de oxígeno, biosidas, inhibidores de arcillas y escombros.

El proceso de inyección de agua comprende dos fases: a) Acondicionamiento del agua e inyección: en este proceso el agua que proviene del sistema de deshidratación es enviada al tambor desnatador para la separación primaria de agua y petróleo y la desgasificación; luego el agua continúa al tanque desnatador para la separación final. b) Luego del acondicionamiento las bombas booster transfieren el agua a la bomba centrífuga de inyección de velocidad variable para ser inyectada

Las tablas 3 y 4 muestran las especificaciones del tambor y el tanque desnatador respectivamente. La figura 8 presenta el diagrama de inyección de agua producida.

WATER SKIMMER TANK

DESCRIPTION Tag

DESCRIPTION

D-411

Operating pressure (barg)

80/100

Design temperature (ºC)

135

Gas flowrate (Am3/h)

4.8

Oil flowrate (Am3/h)

1.7

Water flowrate (Am3/h)

346.3

Max oil in water (% BSW) inlet

2% vol

Max allowable pressure drop (bar)

0.1

Water residence time (min)

7.8

Max oil in water outlet (ppm)

0.5% vol

0.003/0.01

Design pressure (barg)

3.5

Operating temperature (ºC)

TR-400

Operating pressure (barg)

Design pressure (barg)

WATER SKIMMER TANK

Tag

-0.025/ Full of water + 0.06

Operating temperature (ºC)

80/100

Design temperature (ºC)

18/115

Gas flowrate (Am3/h)

Oil flowrate (Am /h)

Water flowrate (Am3/h)

662

Max oil in water (% BSW) inlet

0.5

Water residence time (h)

Max oil in water (ppm)

100

Capacity (bbl)

14000 (1)

Internal diameter, mm

16000

Height, TL-TL, mm

14000

Material

Tabla 3: características del tambor de agua desnatador

N2 MP FL

2 80/100

Tabla 4: características del tanque de agua desnatador

PC LP FL

ATM

LC FI

100000 12000

D-411

80/100

VSD

MAX 172 100

U-405 PA-401 A/B

TR-400 PA-400A/B CD

PA-400 C/D

PA-401 C/D

TO WATER INJECTION WELLS

CPF INTRAFIELD

Figura 8: diagrama de facilidades de inyección de agua producida

233

PETRÓLEO Y GAS

Caso de estudio y resultados del lote 67 TOTAL DE VOLUMEN INYECTADO 211.780 barriles fueron inyectados exitosamente en la formación Pozo Sandstone luego de dos campañas de perforación. El volumen estuvo compuesto por 153.375 bls. de lechada (20.239 bls. de sólidos) y 58.105 bls. de fluidos a disponer (fluidos de perforación y de limpieza del equipo de perforación, agua fresca, salmuera, etc.). Las figuras 9 y la 10 muestran la distribución por tipo de fluido inyectado.

160000 bbl

Slurry Mud Rig Washes Water Pill Brine

153375 bbl

140000 bbl 120000 bbl 100000 bbl 80000 bbl

Los estudios de factibilidad para disponer fluidos en Pozo Sandstone son de 824.720 bls. de lechada, por lo que el volumen total inyectado representa el 25,6 % de la capacidad total. Más de 1,8 millones de bls. de agua producida fueron inyectados desde el inicio de los trabajos.

2% 3% 10% 4% 9% 72%

60000 bbl 40000 bbl 20000 bbl 0 bbl

Slurry Mud Rig Washes Water Pill Brine

18727 bbl

21545 bbl 8462 bbl

6104 bbl 3267 bbl

Figura 9: volumen dispuesto por tipo de fluido

Figura 10: volumen dispuesto por tipo de fluido (%)

Resumen de baches inyectados Todos los desechos de la perforación a disponer durante la primera y segunda campaña fueron inyectados en 67 y 59 baches respectivamente. El volumen promedio de baches fue de aproximadamente 1500 bls.

234

El caudal promedio de inyección fue aproximadamente de cinco barriles por minuto con una presión promedio de inyección en superficie de 1500 psi. La presión máxima de inyección registrada fue al inicio, con aproximadamente 2000 psi. La figura 11 muestra los parámetros de inyección del primer bache.

OPERACIONES SIMULTÁNEAS DE INYECCIÓN DE CORTES DE PERFORACIÓN Y AGUA DE PRODUCCIÓN

Cutting Re-injection, Pirana 05D 2000

3000

500

2000

1000 5

100

Elapsed Time (min)

200

300

340

Figura 11: parámetros del primer bache de inyección

Comportamiento del índice de inyectividad (II) El agua fue el fluido de desplazamiento para todos los baches de inyección; de lo anterior fue posible calcular el índice de inyectividad (II) en todos los baches de ambas campañas. El II fue también calculado durante la inyección del agua producida (PWI). Durante la campaña CRI de 2013 el II promedio fue de 4,21 bpd/psi a un caudal promedio de 5 bpd. En la inyección del agua (desde diciembre de 2013 a agosto de 2014) el promedio de II y los valores de caudal fueron similares. Durante la campaña de perforación de 2014, donde se inyectó el agua de producción con inyecciones periódicas de fluidos de perforación, el II calculado mostró una ligera reducción comparado con la campaña de 2013, lo que probablemente fue debido a la deposición de sólidos en la vecindad de la fractura, la cual requería mayores presiones de inyección. Sin embargo, el II calculado durante la inyección del agua de producción fue más alta en comparación con el periodo en el que se inyectó solo agua, esto debido a que el proceso ocurrió a caudales de inyección más altos, lo cual indica que la inyección se dio sin pérdida de inyectividad. Luego de la campaña de 2014 el pozo continuó sirviendo como pozo inyector de agua de producción dedicado, donde el II fue más alto debido a los mayores caudales de inyección sin incremento substancial en la presión de inyección. La tabla 5 muestra el comportamiento del II

durante el periodo de CRI e inyección de agua producida en simultáneo.

INJECTION STAGE

INJECTIVITY INDEX (II) Minimum Maximum

Average

CRI campaign 2013 (Jul 13 - Nov 13)

3.52

4.96

4.21

PWI (Abr 14 - Aug 14)

2.20

5.57

4.39

CRI campaign 2014 (Aug 14 - Feb 15)

3.47

4.59

3.88

PWI (Aug 14 - Feb 15)

2.82

22.55

5.96

PWI 2015 (Mar 15 Apr 15)

2.70

22.65

6.72

Tabla 5: parámetros del primer bache de inyección

Las propiedades de la lechada fueron variables en cada bache, por lo que el II fue calculado bajo dos condiciones: cuando el pozo estaba complemente lleno de lodo y cuando la presión en superficie estuvo estabilizada a un caudal constante. El II mostró una ligera declinación a lo largo de las dos campañas de CRI. El II promedio en 2013 fue de 3,72 bpd/psi y 3,44 bpd/psi en 2013. La figura 12 muestra el comportamiento del II agua y con lechada respectivamente.

235

Rate (bpm) Density (ppg)

1000

Surface Pressure (psi)

Total Volume (bbl)

1500

PETRÓLEO Y GAS

Injectivity index with water 10.00 9.00 8.00

II (bpd/psi)

7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 5/6/2013

8/14/2013 11/22/2013 3/2/2014

6/10/2014 9/18/2014 12/27/2014 4/6/2015

Date

Injectivity index with slurry 10.00 9.00 8.00

II (bpd/psi)

7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 5/6/2013 8/14/2013 11/22/2013 3/2/2014 6/10/2014 9/18/2014 12/27/2014 4/6/2015

Date

Figura 12: índice de inyectividad para el agua e índice de inyectividad para la lechada

Estimación de la geometría de la fractura Luego de 126 baches inyectados es difícil de estimar la geometría de la fractura, ya que se pudieron haber generado fracturas múltiples dependiendo del esfuerzo de rotación. Adicionalmente, los cierres prolongados entre baches pueden generar fracturas de cierre. Se simuló una inyección continua de 211.480 bls. de fluidos de perforación para estimar la geometría de la fractura en el caso extremo, de los cuales solo 153.375 bls.

236

del fluido inyectado fueron lechadas. Esta simulación mostró una longitud de fractura de 1604,8 pies, con una altura de la fractura de 273,9 pies y un espesor de 1032 pulgadas. La figura 13 muestra el estimado de la dimensión de la fractura, que muestra una correlación razonable con las dimensiones de las simulaciones previas sobre la formación Pozo Sandstone.

OPERACIONES SIMULTÁNEAS DE INYECCIÓN DE CORTES DE PERFORACIÓN Y AGUA DE PRODUCCIÓN

Layer Properties Rocktype

Stress (p...) Modulus... Permeabl...

Temperature of Slurry in Fracture (ºF) TVD(ft)

250

500

750

1000

Width Profile (in) 1250

1500

Fracture Length (ft) 1604.8 Total Fracture Height (ft) 273.9 Average Fracture Width (in) 1.032

4250

TVD(ft)

4250

4500

4750

5000

5250

5500

Figura 13: geometría final de la fractura para el PIR-05D

Retos y lecciones aprendidas 1. Fueron necesarios sistemas de contención de derrames apropiados debido a la ubicación del proyecto dentro de un área sensible de la Amazonía. 2. Debido a las operaciones simultáneas de perforación y CRI, fue necesario implementar una fuente de agua independiente para cada operación para garantizar la continuidad de las operaciones.

3. Durante las operaciones simultáneas la comunicación y el conocimiento de los procedimientos por parte del personal fue crucial para el éxito de las operaciones. 4. Se instalaron sistemas de monitoreo independiente tanto para el proceso de CRI como para la inyección de agua.

Contribuciones técnicas 5. Las operaciones simultáneas de CRI e inyección de agua de producción en el mismo pozo son factibles si se selecciona la formación correcta y se desarrollan los procedimientos adecuados. 6. La tecnología de CRI provee una solución factible para las operaciones de perforación en áreas sensibles.

7. La tecnología de CRI elimina tratamientos especiales antes de la disposición. Los sólidos son procesados para reducir el tamaño de las partículas y mezclados con fluidos para la disposición para preparar la lechada, que solo debe ser acondicionada para obtener las propiedades reológicas apropiadas. La tecnología de CRI evita pasivos ambientales futuros.

237

PETRÓLEO Y GAS

8. Las aplicaciones de CRI requieren áreas más pequeñas en comparación con otros métodos.

9. El CRI reduce el riesgo de derrames asociados al transporte debido a que los fluidos son inyectados en la misma ubicación.

Conclusiones 10. El PIR-05D fue el primer pozo inyector alineado a las operaciones simultáneas de inyección de cortes de perforación e inyección de agua producida. 11. Fueron inyectados 211.480 barriles de cortes de perforación y aproximadamente 1.800.000 barriles de agua producida en el mismo pozo y no se dejó ningún resto luego de la completación de las dos campañas. El pozo inyector actualmente sigue siendo usado como inyector de agua producida. Los 211.480 barriles de fluidos de perforación inyectados en las dos campañas representan el 25,6 % de la capacidad total de la formación Pozo Sandstone.

12. Ambos procesos de inyección no afectaron la continuidad de las operaciones de perforación. 13. La aplicación del CRI probó ser un método de alta relación costo-beneficio, ambientalmente amigable y una solución de descarga al medioambiente. El área de trabajo para las dos campañas fue de 400 m2, mientras que el espacio para tratar y disponer cortes en superficie para trece pozos hubiera sido dieciséis veces mayor. 14. El uso del método de CRI preservó 6400 m2 de Amazonía peruana.

Referencias bibliográficas Baker, Hughes. Drilling Fluids Reference Manual. Revised 2006. BJ Services Company (2010). Fracturing Engineering Support Manual. Copyright BJ Services Company. Front End Engineering Design Study for Waste Injection Operations in Block 67 submitted by MI Swaco (2012). Schuh, P. R., Secoy, B. W. and Eric Sorrie(1993). «Case History: Cuttings Reinjection on the Murdoch Development Project in the Southern Sector of the North Sea.» Paper SPE 26680 presented at The Offshore European Conference held in Aberdeen. Ezell, R., Quinn, F., Chima, J., Baim, A. (2011). «First Successful Field Utilization of Cuttings Re-injection (CRI) in the Offshore Field of Saudi Arabia as an Environmentally Friendly and Cost Effective Waste

238

Disposal Method.» Paper SPE 147171 presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition held in Denver, Colorado, USA. Guo, Quanxin, Geehan, Thomas, Ovalle, Adriana. «Increased Assurance of Drill Cuttings Re-injection – Challenges, Recent Advances and Case Studies.» Paper IADC/SPE 87972 presented at the IADC/SPE Asia Pacific Drilling Technology Conference and Exhibition. Hagan, Joseph T., Murray, Laurence R., Meling, T., Guo, Quanxin, McLennan, John D, Abou-Sayed, Ahmed S. (2002). «Engineering and Operational Issues Associated with Commingled Drill Cuttings and Produced Water Re- injection Schemes.» Paper SPE 73918 presented at the SPE International Conference on Health, Safety and Environment in Oil and Gas Exploration and Production held in Kuala Lumpur, Malaysia.

OPERACIONES SIMULTÁNEAS DE INYECCIÓN DE CORTES DE PERFORACIÓN Y AGUA DE PRODUCCIÓN

TRANSPORTE

 Accidentabilidad en la remodelación de un eje urbano

239

INSTRUMENTACIÓN

240

Edward Santa María Dávila

Jhonathan Alberto Arotoma

GyM

Universidad Nacional de Ingeniería

Ingeniero civil de la Universidad Nacional de Ingeniería. Maestro en ciencias y tecnología con mención en transporte y desarrollo sostenible de ParisTech Institute (École Nationale des Ponts et Chaussées, École Polytechnique y École Nationale Supérieure des Mines de París, Francia). Asesor de investigación en transporte y desarrollo sostenible del Instituto de Investigación de la Facultad de Ingeniería Civil de la UNI (IIFIC UNI). Profesor auxiliar del Departamento de Construcción de la Facultad de Ingeniería Civil. Se integró a GyM en 2001. Entre 2009 y 2012 trabajó en Vinci Construction Grands Projets (Francia) en las áreas de Sistemas de Transportes Urbanos y Proyectos Internacionales. Actualmente es jefe de ingeniería de GyM.

Estudiante de la carrera de Ingeniería Civil de la Universidad Nacional de Ingeniería, quien ha destacado como coautor del artículo académico «Accidentabilidad en la remodelación de un eje urbano», el cual fue tema de exposición en el desarrollo del VIII Congreso Internacional de la Construcción del Instituto de Construcción y Gerencia realizado en noviembre de 2016. Participante de la Facultad de Ingeniería Civil de la UNI en el XXIII Congreso Nacional de Estudiantes de Ingeniería Civil en Chiclayo, Perú. Ha realizado prácticas profesionales en Consorcio DHMONT y Edifikarte.

TRANSPORTE

Accidentabilidad en la remodelación de un eje urbano

Resumen La accidentabilidad es un problema que requiere de la evaluación de muchos factores para su correcta comprensión y tratamiento. Se trata, entre otras cosas, de determinar cuáles son los factores que determinan la probabilidad de que ocurran accidentes y, de otro lado, si el daño en sí mismo puede ser elevado. En el caso de remodelaciones de obras urbanas, los trabajos suelen realizarse en la vía pública, sin una correcta integración entre la obra en ejecución y el entorno. En el presente documento de investigación se presenta la evaluación de la accidentabilidad en las obras de remodelación de la avenida Angélica Gamarra. Dicho trabajo se realizó en la primera mitad de 2016 y constó de la reparación completa de pistas y veredas en el tramo de ese eje urbano comprendido entre las avenidas Tomás Valle y Universitaria. Se evaluaron tres tipos de factores que se veían afectados con las obras: la infraestructura urbana, el flujo de vehículos y de personas y las respectivas interrelaciones. 1. En el primer caso se valoraron las condiciones de la infraestructura vial, que comprende, entre otros, la señalización, el estado del pavimento y el estado y ancho de las aceras.

2. En el segundo caso se evaluaron el correcto desvío de los flujos vehiculares, los conflictos generados en las intersecciones y en los elementos sin señalización, las maniobras de los conductores, el grado de orientación y el flujo real contra el flujo planificado. 3. En el tercer caso se evaluó a los peatones, desde su nivel de satisfacción y confort hasta su comportamiento frente a las obras. Ellos fueron observados para saber si entendían correctamente las señales de la obra. También se hicieron encuestas de nivel de satisfacción que medían la percepción frente a las obras en realización. Al final de la investigación se muestran las relaciones que existen entre estos tres elementos y cómo se combinan para evaluar el grado de accidentabilidad. Además, se pone en evidencia una falta de evaluación del componente urbano y una incorrecta valoración del entorno del flujo de peatones. La alta tasa de peligro ha sido evidente en el proyecto evaluado y su patrón se observa también en otros proyectos de renovación urbana, razón por la cual se propone ampliar los alcances de los planes de desvíos y modificar los criterios de evaluación para su aprobación por las respectivas municipalidades, incluyendo el estudio de vulnerabilidad del peatón.

241

TRANSPORTE

Justificación y marco teórico De acuerdo a estadísticas publicadas por el Ministerio de Transportes y Comunicaciones,1 el 78 % de los fallecidos por accidentes de tránsito son peatones. Además, el transporte público (3 % del parque automotor limeño) provoca el 36 % de los accidentes, lo que significa una frecuencia diez veces más alta que los autos y veinte veces más alta que otro tipo de vehículos. Pero el impacto en la sociedad no se mide solo en la cantidad de personas que fallecen sino también en aquellas que tienen secuelas producto de los accidentes; según la ONU,2 la cantidad de accidentados tiene un factor multiplicador que va de 20 a 50. A nivel internacional la Asamblea General de la ONU ha proclamado al período 2011-2020 como el «Decenio de acción para la seguridad vial». Las actividades se enmarcan en cinco pilares: 1. 2. 3. 4. 5.

Gestión de la seguridad vial. Vías de tránsito y movilidad más seguras. Vehículos más seguros. Usuarios de vías de tránsito más seguros. Respuesta tras los accidentes.

Los choques y atropellos son las principales clases de accidentes de tránsito; según la Secretaría Técnica del Consejo de Transporte de Lima y Callao,3 constituyen casi el 78% de los casos. La agresividad de los conductores en Lima es tan evidente que uno tiene que atravesar casi corriendo cada esquina, sobre todo si se acerca una combi o un taxi. Para transformar esta ley de la selva de las calles se tienen que establecer acciones políticas en todos los niveles y referentes al comportamiento de los usuarios de la infraestructura. La revisión de las redes viales debe realizarse bajo la perspectiva de la seguridad de todos los usuarios, en particular de los más vulnerables (personas con movilidad reducida, peatones y ciclistas), y teniendo en cuenta el estudio del comportamiento de los usuarios en las vías de tránsito.

La construcción de los elementos de infraestructura de transporte ha sido basada en una hipótesis de diseño que normalmente fue superada por el uso cotidiano de los usuarios; durante la fase de ejecución los flujos peatonales, de ciclistas y vehiculares no son convenientemente canalizados y se utilizan todos los espacios posibles de la vía para la circulación. También existen conflictos en el uso de la infraestructura, sobre todo en las esquinas, cuando los vehículos giran e interrumpen el flujo de pasajeros. Para que un conductor pueda maniobrar convenientemente se necesita una percepción del objeto o del aviso en un tiempo de entre 4 y 6 segundos,4 lo que se traduce en una distancia mínima de entre 55 y 83 m si se considera una velocidad directriz de 50 km/h (en la avenida sin remodelar) y de entre 33 y 50 m para una velocidad de 30 km/h (en la avenida con obras de remodelación durante el plan de desvíos). La falta de señalización condiciona el uso adecuado de la infraestructura; en este caso podemos mencionar que los tres tipos de dispositivos de control de tránsito citados por el Ministerio de Transportes y Comunicaciones (señalización vertical, horizontal y semáforos –señales luminosas y auditivas–) normalmente son inexistentes en el contexto urbano o su funcionamiento no es óptimo, mucho menos aun tratándose de obras temporales. El primer foco potencial de accidentes son los puntos de intercambio modal como paraderos, estaciones informales de combis y buses y lugares de toma de taxis. En la mayor parte de la ciudad estos elementos no están integrados en el diseño urbano e incluso se puede indicar que no existe un enfoque basado en la vulnerabilidad de los usuarios. Si analizamos la situación desde el punto de vista del conductor notaremos que los principales aspectos que aumentan la accidentabilidad de las vías son la falta

1 Ministerio de Transportes y Comunicaciones: «El transporte urbano metropolitano de Lima y Callao en números», octubre de 2010. 2 ONU: «Plan mundial para el decenio de acción para la seguridad vial 2011-2020», 2011. 3 Secretaría Técnica del Consejo de Transporte de Lima y Callao: «Estudio de accidentes de tránsito en 27 comisarías de Lima y Callao. Año 2005», 2007. 4 PIARC (2012). Human Factors in Road Design. Review of Designs Standards in Nine Countries.

242

ACCIDENTALIDAD EN LA REMODELACIÓN DE UN EJE URBANO

de señalización para delimitar los carriles, el giro a la izquierda en avenidas principales, los obstáculos visuales en las esquinas de giro a la derecha (quioscos o cabinas), los paraderos de buses en cada esquina y la ausencia de control de velocidad en avenidas y calles, entre otros.

la señalización es escasa e incluso, si existe, es invisible a una velocidad mayor a 30 k/h, para lo cual se hace necesario un replanteo del diseño urbano con miras a mejorar la visibilidad, incluyendo islas de parada en las vías de doble sentido y señalización con hitos.

En el caso de los flujos peatonales, lo más visible es la falta de consideración para las personas con discapacidad; muchos de los circuitos con rampas están interrumpidos y mal señalizados. En el caso de los cruces peatonales,

Los accidentes ocurren como una combinación de la pérdida de control de una actividad humana, la frecuencia, la exposición al daño y la vulnerabilidad de la persona.

Antecedentes

Estación de Servicio PECSA

Flujo Sur-Norte

Av. Universitaria

Roky´s

Flujo Norte-Sur

Colegio Monserrat

Calle Manuel Vegas

Av. León Velarde Jr. Pedro Unanue

Jr. Los Próceres

Parque zonal Maita Capac

Jr. Benjamin Lossio

Para la ejecución se presentó un plan de desvío que se presenta en la figura 2, en la que se puede notar que los desvíos se canalizarían alternativamente por la mitad de la avenida correspondiente; no se pudieron observar ubicaciones específicas para los paraderos del servicio de transporte público.

Jr. Hipólito Unanue

Jr. 12 de octubre

Calle S/N

Flujo SMP-Callao

Flujo Callao-SMP

Av. Tomás Valle

Calle Juan Belaunde

Calle Los Libertadores

El presente artículo está basado en la información obtenida durante el rediseño de un eje urbano (Alberto, Meza, Ynga, Paredes 2016).5 La obra consistía en la remodelación de la avenida Angélica Gamarra en los tramos comprendidos entre las avenidas Tomás Valle y Universitaria, trecho de aproximadamente 650 m. Los alcances eran renovación de calzada (incluyendo el mejoramiento de la base y subbase), ejecución de sardineles, veredas y jardines y señalización definitiva.

Figura 1: esquema de ejecución de la obra

5 Meza, Alberto, Paredes, Ynga. «Accidentabilidad y vulnerabilidad ocasionada en los alrededores de la obra de rehabilitación de pavimentos ubicada a la altura de la intersección de la avenida Angélica Gamarra con la avenida Universitaria, distrito de San Martín de Porres.» Trabajo de investigación del curso Gestión Integrada de la Construcción, UNI 2016.

243

Flujo Sur-Norte

Av. Universitaria Estación de Servicio PECSA

Zona de rehabilitación

Sentido Av. Tomás Valle - Av. Universitaria

Vial Auxiliar

Sentido Av. Tomás Valle - Av. Universitaria

Recorrido habitual

Jardín central

Flujo Sur-Norte

Colegio Monserrat

Flujo Norte-Sur

Parque zonal Maita Capac

Calle Manuel Vegas

Jr. Pedro Unanue

Jr. Los Próceres

Av. León Velarde

Jr. 12 de octubre

Calle Juan Belaunde

Jr. Benjamin Lossio

Jardín central

Jr. Hipólito Unanue

Vial Auxiliar

Recorrido habitual

Flujo Norte-Sur

Av. Universitaria

Jr. Benjamin Lossio Calle Manuel Vegas

Jr. Pedro Unanue

Jr. Los Próceres

Av. León Velarde

Jr. Hipólito Unanue

Jr. 12 de octubre

Calle S/N

Estación de Servicio PECSA

Sentido Av. Tomás Valle - Av. Universitaria

Calle S/N

Flujo SMP-Callao

Colegio Monserrat

Sentido Av. Tomás Valle - Av. Universitaria

Av. Tomás Valle Flujo Callao-SMP

Parque zonal Maita Capac

Zona de rehabilitación

Calle Los Libertadores

Flujo SMP-Callao

Flujo Callao-SMP

Av. Tomás Valle

Calle Juan Belaunde

Calle Los Libertadores

TRANSPORTE

Figura 2: plan de desvíos de la obra, etapa 2

Metodología de investigación Para la toma de datos se planeó adquirir información en base a la estructura de tres elementos: infraestructura vial, flujo vehicular y flujo peatonal. Para la infraestructura vial se analizaron diferentes componentes físicos, como el estado de la calzada, las medidas geométricas y la señalética existentes. Para tales evaluaciones se hizo un mapeo mediante formatos que se presentan a continuación:

244

Infraestructura vial

Peatones

Vehículos

Figura 3: toma de datos de los tres elementos del transporte

Ancho de vía: 6m

Estación de Servicio PECSA

Flujo Sur-Norte

Av. Universitaria

Roky’s

Flujo Norte-Sur

Jr. Benjamin Lossio

Ancho de vía: 6m

Colegio Monserrat

Calle Manuel Vegas

Parque zonal Maita Capac

Jr. Pedro Unanue

Jr. Los Próceres

Calle S/N

Flujo SMP-Callao

Flujo Callao-SMP

Ancho de vía: 6m

Av. León Velarde

Ancho de vía: 6m

Jr. Hipólito Unanue

Vía auxiliar: 2.5 m Berma: 1.5 m Vereda: 0.9 m Jr. 12 de octubre

Calle Juan Belaunde

Vía auxiliar: 2.5 m Berma: 1.5 m Vereda: 0.9 m

Av. Tomás Valle

Calle Los Libertadores

ACCIDENTALIDAD EN LA REMODELACIÓN DE UN EJE URBANO

Vía auxiliar: 2.5 m Berma: 1.5 m Vereda: 0.9 m

Jardín Central: 6m

Figura 4: mediciones geométricas de la vía en ejecución y plan de desvíos

Se puede observar que, pese a que las condiciones geométricas podrían permitir un flujo de vehículos en dos carriles (6 m, es decir 3 m en cada sentido), el espacio para el tránsito peatonal era bastante limitado (0,9 m); según

AASHTO6 el ancho mínimo en zonas residenciales es de 1,5 m, aunque en casos extraordinarios se puede admitir 1,2 m de ancho con ensanches adicionales cada 60 m para mejorar la accesibilidad.

Figura 5: fotografía de la situación de la vía

6 AASHTO (2011). Pedestrian Facilities. En A Policy on Geometric Design of Highways and Streets. Pp. 17.

245

Flujo Norte-Sur

Flujo Sur-Norte

Av. Universitaria

Jr. Benjamin Lossio Jr. Pedro Unanue

Jr.. Los Prócere Próceres

Calle Manuel Vegas

Av. León Velarde

Jr. Hipólito Unanue

Jr.. 12 de octubre octubr

S/N Calle S/

Flujo SMP-Callao

Flujo Callao-SMP

Av. Tomás Valle

Calle Juan Belaunde

Calle Los Libertadores

TRANSPORTE

Figura 6: fotografía de la señalética existente y del plan de desvíos

Se pudo observar que la señalética estaba circunscrita al ámbito de las obras, pero no se encontraba muy extendida en la zona de tránsito peatonal y vehicular.

el siguiente esquema:

Figura 7: esquema con la ubicación de las cámaras filmadoras

246

Estación de Servicio PECSA

Flujo Sur-Norte

versitaria Av. Universitaria

Roky’s

Flujo Norte-Sur

Colegio Monserrat

Calle Manuel Vegas

Jr. Pedro Unanuee

Parque zonal Maita Capac

Av. León Velarde

Jr. Hipólito Unanue

Jr. Jr 12 de octubre Jr. Los Próceres

Calle S/N

Flujo SMP-Callao

Flujo Callao-SMP

Av. Tomás Valle

Calle Juan Belaunde

Calle Los Libertadores

Para la evaluación del flujo vehicular se realizaron filmaciones; la ubicación de las cámaras se explica en

Jr. Benjamin Lossio

Estas mediciones procuraron ser representativas. Se tomó información del flujo de vehículos, la tipología de los vehículos y las características de las maniobras que realizaban.

ACCIDENTALIDAD EN LA REMODELACIÓN DE UN EJE URBANO

33%

3% 2%

800 700 600 500 400 300 200 100 0

Auto particular Taxi Combi

17%

19%

Cúster Bus Camioneta

31%

24%

OBRA Jr. Los Próceres

Flujo SMP-Callao

Jr. Hipólito Unanue

OBRA

Calle S/N

OBRA

Jr. 12 de octubre

Calle Juan Belaunde

Calle Los Libertadores

Figura 8: tipología vehicular (superior, hora pico, inferior, hora valle)

OBRA

Parque zonal Maita Capac

Colegio Monserrat

Av. Universitaria

15%

OBRA Estación de Servicio PECSA

Flujo Sur-Norte

Flujo Norte-Sur

Jr. Benjamin Lossio

Se puede observar que la mayor parte de los vehículos eran automóviles de uso particular, en tanto que también se observó un importante tránsito de taxis e incluso de mototaxis. La zona más conflictiva fue la de los cruces de las avenidas Tomás Valle y Universitaria y la mayor cantidad de giros pudo observarse en la avenida 12 de Octubre (Próceres).

Calle Manuel Vegas

Jr. Pedro Unanue

1% 2%

Av. Tomás Valle

Figura 9: flujo vehicular según horarios pico totales en ambas direcciones en toda la vía

Flujo Callao-SMP

Cantidad de vehículos

Av. León Velarde

Camión Mototaxi Moto Lineal Policial Otros

Horas del día

Estación de Servicio PECSA

Flujo Sur-Norte

Av. Universitaria

Jr. Benjamin Lossio

Colegio Monserrat

OBRA Flujo Norte-Sur

Parque zonal Maita Capac

OBRA Calle Manuel Vegas

OBRA Jr. Pedro Unanue

OBRA Jr. Los Próceres

OBRA

Av. León Velarde

Jr. Hipólito Unanue

Jr. 12 de octubre

Calle Juan Belaunde

OBRA Calle S/N

Flujo SMP-Callao

Flujo Callao-SMP

Av. Tomás Valle

Calle Los Libertadores

Recorridos de los vehículos públicos - Etapa 1

Figura 10: principales tipos de maniobras realizados por los vehículos

247

TRANSPORTE

Colegio Monserrat

Av. Universitaria

Jr. Benjamin Lossio

10 Lotes

Roky’s

Estación de Servicio PECSA

Flujo Sur-Norte

5 Lotes

2 Lotes

Flujo Norte-Sur

Parque zonal Maita Capac

Calle Manuel Vegas

4 Lotes

Av. León Velarde

Jr. Hipólito Unanue

26 Lotes

Jr. Pedro Unanue

20 Lotes

La medición basada en encuestas se planificó sobre una muestra según se explica en la siguiente figura:

27 Lotes

Jr. Los Próceres

3 Lotes

8 Lotes

Jr. 12 de octubre

15 Lotes

Calle S/N

Flujo SMP-Callao

Flujo Callao-SMP

Av. Tomás Valle

Metro T.Valle

Calle Juan Belaunde

Calle Los Libertadores

Para la medición del flujo peatonal se realizaron dos tipos de mediciones basadas en encuestas y en filmaciones.

Figura 11: determinación de la muestra para las encuestas peatonales

Para las encuestas se realizó una toma de 120 formularios que fueron llenados en los turnos de la mañana y noche, principalmente en las intersecciones de más flujo peatonal y considerando asimismo la mayor diversidad en los entrevistados. El 87% de ellos dijo

que el proyecto interfería con su tránsito cotidiano y mencionó los siguientes inconvenientes principales: impedimento de cruzar la vía, caída en zanja, atropello por falta de señalización y falta de vías para el tránsito peatonal.

Total de encuestados: 120

EDAD 8% (9)

ACTIVIDAD

14% (17)

24% (28)

78% (94)

0-18

18-65

5.4% 38% (46)

38% (46)

65 a mas

Trabajador

8.1%

Sí Otros

Sí A

20.3% Sí D

20.3% Sí C

Estudiante

Ama de casa

27.0%

18.9% Sí B

A: Impedimento de cruzar la vía B: Peligro de un accidente por zanja C: Posible atropello por falta de señalización en la vía D: Falta de vías de tránsito peatonal

Figura 12: resultados de las encuestas a peatones

El segundo tipo de medición se realizó a través de filmaciones para la observación del comportamiento

248

peatonal de acuerdo al esquema mostrado en la siguiente figura:

Jr. Benjamin Lossio

Estación de Servicio PECSA

Flujo Sur-Norte

Av. Un nniversitaria iv Universitaria

Roky’s

Flujo Norte-Sur

Colegio Monserrat

Calle Manuel Vegas

Jr. Pedro Unanuee

Parque zonal Maita Capac

Av. León Velarde

Jr. Hipólito Unanue

Jr. Jr 12 de octubre Jr. Los Próceres

Calle S/N

Flujo SMP-Callao

Flujo Callao-SMP

Av. Tomás Vallee

Calle Juan Belaunde

Calle Los Libertadores

ACCIDENTALIDAD EN LA REMODELACIÓN DE UN EJE URBANO

Figura 13: esquema de filmación del comportamiento peatonal

Las filmaciones procuraron tener un panorama completo de la situación, sobre todo en los puntos críticos, es decir en los de cambio de medios de transporte. En las intersecciones se observaron

muchos conflictos a raíz del comportamiento de conductores y peatones, lo que aumentaba el peligro y la exposición de estos últimos a posibles accidentes.

Figura 13: esquema de filmación del comportamiento peatonal

Durante la planificación también se tuvo en cuenta la interacción de los tres elementos para verificar que los peatones y vehículos siguieran la señalética ofrecida; esto representa formalmente la evaluación del uso de la infraestructura tanto por vehículos como por personas. Esta toma de datos se realizó de forma representativa en cada tercio de la obra, es decir en distancias aproximadas de 200 m de visibilidad, lo que permitía hacer el relevamiento correcto de datos, tener una mayor representatividad de lo que ocurría en la obra y verificar si los parámetros se repetían en diferentes situaciones. La toma de datos en campo se hizo en tres periodos: en horas pico de la mañana, durante la salida de los colegios al mediodía y a la última hora pico en la noche, es decir alrededor de las seis de la tarde.

Infraestructura

Peatones

Vehículos

FECHA

HORARIO

22/04/2016

1-5 pm

29/04/2016

2-4 pm

06/05/2016

2-6 pm

08/05/2016

7:30-8:30 am

11/05/2016

6-7 pm

13/05/2016

6:30-7 pm

16/05/2016

12:30-1 pm

18/05/2016

7:30-8 am

Figura 15: cuadro con los horarios de tomas de datos

249

TRANSPORTE

Análisis

Escala Clasificación ppara PCI pavimentos

Estación de Servicio PECSA

excelente

muy bueno

bueno

regular

malo

muy malo

fallado

Flujo Sur-Norte

Av. Universitaria

Roky’s

Flujo Norte-Sur

Jr. Benjamin Lossio

Av. León Velarde

Colegio Monserrat

Calle Manuel Vegas

Jr. Los Próceres

Parque zonal Maita Capac

Para el análisis de la infraestructura existente se realizó un mapeo considerando el PCI o estado de conservación vial.

Jr. Pedro Unanue

Jr. Hipólito Unanue

Jr. 12 de octubre

Calle S/N

Flujo SMP-Callao

Flujo Callao-SMP

Av. Tomás Valle

Calle Juan Belaunde

Calle Los Libertadores

El análisis estuvo focalizado en la evaluación de cada uno de los tres elementos y en sus interrelaciones para determinar el grado de adaptación del plan de desvíos, el grado de conflictos, la frecuencia de las acciones peligrosas y el grado de vulnerabilidad.

Figura 16: estado de conservación vial

También se midieron las diferentes geometrías. Durante la evaluación se pudo observar que gran parte de la vía en reparación estaba en muy mal estado; así como las vías acondicionadas para el plan de desvío, las veredas

no contaban con el ancho suficiente para el tránsito de personas (solo 0,9 m en lugar de 1,2 m, que es la recomendación mínima de AASHTO).

Figura 17: fotografía con espacios y geometría reducidos

Por otro lado, no se había considerado el tránsito de personas con movilidad reducida; no se pudo contabilizar

250

ninguna rampa especial ni anchos adecuados para el tránsito de personas con discapacidad.

ACCIDENTALIDAD EN LA REMODELACIÓN DE UN EJE URBANO

En el caso de la señalización, solamente se pudieron observar dos carteles de desvío a la derecha y que fueron colocados muy cerca del punto de giro, lo que provocaba una falta de visibilidad sobre la maniobra final. Las distancias entre señales se muestran en el siguiente gráfico:

Figura 18: pasos a desnivel, sin rampas para personas con discapacidad

TIPO DE SEÑAL ENCONTRADO EN OBRA

UBICACIÓN

SENTIDO

VISIBILIDAD

DISTANCIA EN EL LUGAR DE ACTIVIDAD

Personal excavando

Km: 0+50, 0+100, 0+200, 0+300, 0+450, 0+550

Av. Universitaria – Av. Tomás Valle

Media

Desvío

Km: 0+200, 0+250 *Desvío: Av. 12 de octubre 0+400

Av. Universitaria – Av. Tomás Valle

Media

80m

Cartel calle clausurada

Km: 0+250

Av. Universitaria – Av. Tomás Valle

Buena

50m

Reducir velocidad

Km: 0+150, 0+250, 0+350, 0+450

Av. Univ. – Av. T. Valle

Media

Km: 0+550, 0+500

Av. T. Valle – Av. Univ.

*Facilitaba el cruce peatonal

Figura 19: evaluación de la señalética

Según el MTC7 el 78% de las personas que murieron en accidentes de tránsito fueron peatones, lo que evidencia su alto grado de vulnerabilidad. En el caso de los peatones que circulaban por las obras en ejecución, se pudieron observar grupos claramente vulnerables compuestos por:  Niños de entre tres y seis años del Nido San Agustín de Antares.  Entre cinco y nueve ancianos, madres con niños en brazos o mujeres embarazadas por hora.  Aproximadamente dos personas con movilidad reducida en hora pico.

 Debido a su interacción desventajosa con otros vehículos durante la circulación se registraron solamente dos ciclistas por hora en los horarios observados. En el caso de los vehículos se pudo observar que muchos de ellos no cumplían con lo indicado en la señalética debido a su mala colocación, poca visibilidad o al mal comportamiento cívico para conducir. Los casos más serios que se observaron son los de las unidades de transporte público, ya sean mototaxis, taxis, combis o cústeres. Se presenta en el siguiente esquema la ubicación de todos los paraderos formales e informales observados durante la construcción:

7 Ministerio de Transportes y Comunicaciones, Secretaría Técnica del Consejo de Transporte de Lima y Callao (2009). La vulnerabilidad de los peatones en la vialidad del Área Metropolitana de Lima y Callao.

251

Paradero formal afectado

Paradero informal

Estación de Servicio PECSA

Vial auxiliar

Flujo Sur-Norte

OBRA Flujo Norte-Sur

Colegio Monserrat

Av. Universitaria

Jr. Benjamin Lossio

OBRA Calle Manuel Vegas

Parque zonal Maita Capac

Jr. Los Próceres

Paradero formal

OBRA Jr. Pedro Unanue

OBRA

Av. León Velarde

Jr. Hipólito Unanue

Jr. 12 de octubre

Calle Juan Belaunde

OBRA

Calle S/N

OBRA

Flujo SMP-Callao

Flujo Callao-SMP

Av. Tomás Valle

Calle Los Libertadores

TRANSPORTE

Jardín central

Estación de Servicio PECSA

Flujo Sur-Norte

Av. Universitaria

Jr. Benjamin Lossio

Colegio Monserrat

OBRA

Flujo Norte-Sur

Parque zonal Maita Capac

OBRA Calle Manuel Vegas

OBRA Jr. Pedro Unanue

OBRA

Jr. Los Próceres

OBRA

Av. León Velarde

Jr. Hipólito Unanue

Jr. 12 de octubre

Calle Juan Belaunde

OBRA

Calle S/N

Flujo SMP-Callao

Flujo Callao-SMP

Av. Tomás Valle

Calle Los Libertadores

Etapa 2

Figura 20: esquema con la ubicación de paraderos formales e informales

El plan de desvíos claramente no contempló un manejo de los flujos vehiculares, incluso se llegaron

a mezclar equipos y camiones de la construcción con vehículos.

Figura 21: collage de fotografías con una motoniveladora circulando en medio de los vehículos

252

ACCIDENTALIDAD EN LA REMODELACIÓN DE UN EJE URBANO

De acuerdo a las recomendaciones para maniobras de equipos pesados, 8 se requiere hacer un análisis de visibilidad (o de puntos ciegos) en la zona de tránsito considerando zonas de prohibición rígida de tránsito peatonal de hasta cinco metros a la redonda, aspecto mínimo que no fue respetado.

Por otro lado, en la evaluación del peligro de la infraestructura podemos notar que las peores condiciones se encuentran al inicio de la obra, en la avenida Universitaria y aquellas cercanas al citado cruce con la avenida 12 de Octubre (Próceres). Asimismo, se observaron pocas señales en los lugares de mayor concentración de flujo vehicular y peatonal.

A continuación se presenta el análisis de las interrelaciones entre los factores: 1400

Frecuencia (nº/h)

1200 1000 800 600 400 200 0

200

400

600

Eje de la Av. Angélica Gamarra (m) Frente peatonal

800

Frente vehicular

Frecuencia de población vulnerable

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

200

400

600

800

Eje de la Av. Angélica Gamarra (m) Población vulnerable

Figura 22: esquema de frecuencia

Ciclista

Figura 24: esquema de vulnerabilidad

Nótese que existe una alta frecuencia vehicular y peatonal hacia el inicio del proyecto (km 0, avenida Universitaria) y que hay un incremento hacia la progresiva 0+450, donde se encuentra el cruce con 12 de Octubre (Próceres), lo que aumenta la frecuencia vehicular. 8

La evaluación clásica del riesgo laboral considera matrices cualitativas en las que se evalúa, de un lado, la probabilidad de ocurrencia (o frecuencia del peligro), y de otro lado, la severidad o el nivel de daño probable.

Peligro (1 al 6)

6 5 4 3 2 1 0

En cuanto a la exposición, en la figura anterior se presenta la mayor frecuencia de personas vulnerables, que se contaron con mayor intensidad en el cruce de las avenidas Universitaria y 12 de Octubre (Próceres).

200

400

600

800

Eje de la Av. Angélica Gamarra (m) Estado Infraestructura

En el caso analizado, dado que la frecuencia de exposición de peatones al peligro de atropello era muy alto (más de 600 vehículos en hora pico), así como el nivel de daño, la matriz siempre hubiera dado como evaluación el valor de 25 (ver matriz de la figura 25); se requiere, por lo tanto, tomar una acción urgente e inmediata en todos los casos.

Señalética

Figura 23: esquema de peligro

8 Cubas Delgado, Carlos: «Cercanías de personas a equipos».

253

TRANSPORTE

Riesgo = Probabilidad x Severidad SEVERIDAD (NIVEL DE DAÑO) 1 Probabilidad (frecuencia)

Figura 25: matriz de evaluación de riesgos de seguridad y salud ocupacional

Para mejorar la precisión de la evaluación del riesgo se proponen las siguientes mediciones en una escala cuantitativa con los siguientes factores:

Riesgo Hora Pico 4000 3500

Riesgo=severidad×frecuencia Riesgo (incluyendo. vulnerabilidad.)=severidad× frecuencia×vulnerabilidad

Riesgo

3000 2500 2000 1500 1000 500 0

Figura 26: mediciones cuantitativas del riesgo

600

800

Riesgo Hora Pico (incluye vulnerabilidad) 250000 200000 150000 100000 50000 0

200

400

600

800

Eje de la Av. Angélica Gamarra (m) Riesgo, inc. Vuln (sev*frec*vuln)

Figura 27: esquema de riesgo del proyecto

Al hacer la evaluación única del riesgo en base a lo observado, considerando el peligro y la frecuencia tenemos valores estimados de entre 1300 y 4800;9 este

9 Valores numéricos relativos al riesgo que miden un mayor o menor grado de accidentabilidad.

254

400

Riesgo (sev*frec)

Riesgo

Donde: Severidad (5): se ha tomado el valor más alto de la figura 25 debido a que el atropello de una persona vulnerable sería catastrófico. Frecuencia (número vehículos en circulación): exposición de las personas a la frecuencia de circulación de vehículos en zona con deficiente señalización. Se plantea asociarlo a una escala abierta, es decir, al número de veces en la que los peatones son expuestos al riesgo de atropello. Vulnerabilidad (número de personas vulnerables/ hora pico * estado de la infraestructura): personas con menor capacidad de reacción y mayor daño potencial en caso de accidentes (niños, mujeres embarazadas, personas con movilidad reducida, ancianos). Por otro lado, la condición de la infraestructura o la mala señalética puede aumentar la vulnerabilidad. La vulnerabilidad se relaciona directamente con el estado de la infraestructura vial por la que se permite el tránsito de peatones, valor que varía entre 1 y 7.

200

Eje de la Av. Angélica Gamarra (m)

ACCIDENTALIDAD EN LA REMODELACIÓN DE UN EJE URBANO

valor aumenta notablemente cuando lo multiplicamos por la cantidad de personas vulnerables que son expuestas en una hora pico, en ese caso los valores pueden llegar a 43.000 en la intersección con la avenida

Universitaria y a más de 23.000 en la zona de intercambio vial con la avenida 12 de Octubre (Próceres), valores relativos que son mucho mayores a la simple evaluación del riesgo.

Conclusiones y recomendaciones Se han podido establecer las interrelaciones entre los principales factores de la accidentabilidad, es decir, la infraestructura vial, los peatones y los vehículos. En ese sentido: Se demuestra que existen zonas de alto riesgo; a su vez, esto aumenta por el grado de vulnerabilidad de las personas, principalmente peatones. Se demuestra que el plan de desvíos es insuficiente para poder prevenir y disminuir la exposición al riesgo, tanto para los casos de atropello como para caídas o choques entre vehículos.

Se recomienda que las municipalidades consideren dentro del plan de desvíos un estudio de adecuación al entorno que involucre un análisis de la vulnerabilidad de las personas que están expuestas al flujo vehicular, no descuidando la adecuación geométrica y el nivel de servicio (confort) de la infraestructura existente para minimizar la exposición al peligro. Pese a que estos aspectos se citan explícitamente en los objetivos de los planes de desvíos, lo cierto es que no se han podido identificar soluciones en ese sentido en los casos analizados.

Se ha evidenciado que la tasa de conflictos de flujos es muy alta. El flujo vehicular, dominado por el transporte público, no permite un ordenamiento adecuado debido al comportamiento caótico y el incumplimiento normativo de los conductores.

Se propone hacer una matriz de riesgos con valores numéricos que deba ser evaluada bajo la misma metodología en los proyectos de desvíos de todo el país. Esto puede hacerse en coordinación entre los ministerios de Transportes y Comunicaciones, de Vivienda, Construcción y Saneamiento y de Trabajo y Promoción del Empleo.

Se observa que los peatones tampoco demuestran educación vial al no respetar las señales del plan de desvío.

Se recomienda realizar una evaluación ex post (posterior al proyecto) de la señalética para reorientar los flujos vehiculares durante la fase de ejecución de las obras.

Se pudo verificar que los vecinos de la zona se sienten disconformes con la ejecución de la obra, en particular con el plan de desvíos; una de las razones esgrimidas es que el plan de comunicaciones no fue suficientemente claro y que no fue planteado con una adecuada antelación.

Finalmente, recomendamos que la comunidad pueda organizarse y solicitar una evaluación técnica o el apoyo de expertos, como el Colegio de Ingenieros, para que puedan dar una opinión sobre la situación de los planes de desvíos que tienda a reducir el impacto social de los accidentes causados por el desorden vehicular.

255

TRANSPORTE

Referencias bibliográficas AASHTO (2011). A Policy on Geometric Design of Highways and Streets. Meza, Alberto, Paredes, Ynga (2016). «Accidentabilidad y vulnerabilidad ocasionada en los alrededores de la obra de rehabilitación de pavimentos ubicada a la altura de la intersección de la Av. Angélica Gamarra con la Av. Universitaria, distrito de San Martín de Porres.» Trabajo de investigación del curso Gestión Integrada de la Construcción, UNI. Cubas Delgado, Carlos. «Cercanías de personas a equipos.» Ministerio de Transportes y Comunicaciones, Secretaría Técnica del Consejo de Transporte de Lima y Callao (2009). La vulnerabilidad de los peatones en la vialidad del Área Metropolitana de Lima y Callao.

Ministerio de Transportes y Comunicaciones (octubre 2010). El transporte urbano metropolitano de Lima y Callao en números. Ministerio de Transportes y Comunicaciones y Consejo de Transporte de Lima y Callao (2007). Estudio de accidentes de tránsito en 27 comisarías de Lima y Callao - Año 2005. Ministerio de Transportes y Comunicaciones, Secretaría Técnica del Consejo Nacional de Seguridad Vial (enero 2015). Plan Nacional de Seguridad Vial 2015-2024. ONU (2011). Plan Mundial para el Decenio de Acción para la Seguridad Vial 2011-2020. PIARC (2012). Human Factors in Road Design. Review of Designs Standards in Nine Countries.

Agradecemos a Marcos Vidal Fuertes, superintendente de prevención de riesgos de GyM, por su apoyo en la revisión y comentarios.

256

Libro del

conocimiento Vol. 7

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