Método ICOM : compensación optimizada de masas en obras lineales

Villar Suárez, Yago (2018). Método ICOM : compensación optimizada de masas en obras lineales. Tesis (Doctoral), E.T.S.I. de Minas y Energía (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.51677.

Descripción

Título: Método ICOM : compensación optimizada de masas en obras lineales
Autor/es:
  • Villar Suárez, Yago
Director/es:
  • Mazadiego Martínez, Luis Felipe
  • Llamas Moya, Bernardo
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2018
Materias:
Escuela: E.T.S.I. de Minas y Energía (UPM)
Departamento: Energía y Combustibles
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

El movimiento de tierras supone una de las partidas más importantes en el presupuesto de una obra lineal, e influye de forma relevante tanto en el proceso de planificación como en el de construcción de la obra. El estudio detallado y la optimización de estas operaciones son aspectos importantes que considerar durante su ejecución. En este trabajo se desarrolla el Método iCom (Método inteligente de Compensación Optimizada de Masas), una nueva metodología para la optimización del movimiento de tierras en obras lineales, en el cual se tienen en cuenta, como criterios fundamentales, los exigidos en la normativa vigente con respecto a la calidad de los materiales en función de su composición. El procedimiento permite obtener una compensación de tierras más eficaz en cuanto a la reducción de las distancias de transporte, volúmenes de material acarreado, tiempo de ejecución, emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) y los costes generados. Además de lo anterior se dará cumplimiento a las premisas de calidad impuestas por la normativa en materia de construcción de carreteras. Con este objetivo se plantea esta tesis doctoral, enfocada al desarrollo de una sistemática que mejore la empleada hasta ahora en los que denominaremos a partir de ahora “métodos tradicionales” de cálculo de la compensación de tierras. Estos se basan en el diagrama de masas, dividiendo en un eje una serie de perfiles con un volumen asignado. Estos perfiles se encontrarán incluidos bien en excavaciones o bien en terraplenes, introduciendo como perfiles unitarios dentro de ese eje préstamos y vertederos según necesidades. Este planteamiento, además de escueto, es rígido y la inclusión de otra variedad de áreas como enlaces, variantes, desvíos, vertederos o préstamos a distancias muy dispares del eje principal, resultan un inconveniente a la hora del cálculo. Los métodos tradicionales analizan el conjunto de volúmenes de desmontes y terraplenes sin reparar en el tipo de material que se puede o no depositar en los diferentes tipos de relleno según las exigencias de la normativa vigente al respecto. Esto supone un hándicap importante a la hora de ejecutar el movimiento de tierras, ya que no discriminan entre si el material es válido o no según las prescripciones técnicas para cada uno de los rellenos. Esto nos obliga a realizar como mínimo una segunda compensación teniendo en cuenta el destino final dónde podemos transportar cada uno de los materiales existentes en la obra. Sin embargo, el Método iCom emplea, además de los datos anteriores, los criterios de selección de materiales descritos en la normativa, lo que simplifica y optimiza los resultados obtenidos, permitiendo ejecutar el movimiento de tierras desde un principio garantizando el cumplimiento de las exigencias de calidad y sin necesidad de recalcular de nuevo la compensación. Hemos de añadir dos derivadas que resultan de una prioridad absoluta en el momento en el que se encuentra nuestra sociedad: la mejora del resultado económico y la protección del Medio Ambiente. Esto viene derivado de una reducción de parámetros como el plazo de ejecución, material a transportar, residuos generados, consumo de combustible, emisiones de gases nocivos, etc. Es por esta razón que el Método iCom propone el desarrollo sostenible de estas actividades, que comprende tres aspectos fundamentales, definidos en el Triángulo de Gestión de Proyectos: coste, ámbito y tiempo. En otras palabras, factores económicos, medioambientales y plazos de ejecución. Como datos iniciales, el Método iCom parte de los volúmenes de desmonte y relleno en cada perfil transversal, tipología de cada suelo y características de las explanadas a ejecutar, pudiendo realizar diferentes hipótesis incluyendo posibles préstamos o vertederos. Además, este método proporciona los informes, planos y diagramas necesarios para la completa definición del movimiento de tierras a realizar. Para poder comprender mejor los criterios de selección de materiales en el movimiento de tierras de una obra lineal, debemos identificar los diferentes tipos de rellenos, donde se pueden distinguir: (i) terraplén, (ii) relleno localizado, (iii) explanada. Además de estos destinos, es posible que el material no cumpla con las condiciones requeridas por la norma y sea necesario su tratamiento, transformación o descarte, para lo que determinaremos estos otros dos destinos: (a) acopio: empleado cuando el material procedente de la excavación no es posible utilizarlo inmediatamente, bien porque requiere de un tratamiento o bien porque su puesta en obra se debe realizar con posterioridad y, (b) Vertedero: recurso cuando el material de la excavación no cumple con las condiciones requerida por la norma o en caso de que haya superávit de tierra en el cómputo global excavaciones-rellenos. Como adelanto a lo que trataremos en el estudio, se clasifican los diferentes tipos de materiales existentes en las excavaciones en cuanto a la tipología, desde el punto de vista de sus características intrínsecas en cinco tipos: (1) suelos seleccionados, (2) suelos adecuados, (3) suelos tolerables, (4) suelos marginales y (5) suelos inadecuados. Adicionalmente, el método iCom distingue otros dos tipos de materiales: roca y tierra vegetal, ya que, debido a características especiales de excavación o utilización, se hace necesaria su diferenciación. Entendemos por roca en una obra lineal, aquel material que por su dureza no es posible excavarlo con medios mecánicos habituales, teniendo que recurrir a voladuras o ripado y, una vez excavado, presenta una granulometría generalmente superior, siendo recomendable diferenciarlo por este motivo. Por otra parte, la tierra vegetal (suelos con contenido en materia orgánica superior al 5%) estaría recogida dentro del grupo de Suelos Inadecuados, pero debido a su uso en restauraciones y revegetaciones de taludes, vertederos, préstamos y otros, es recomendable darle un tratamiento diferenciado. Por otro lado, en la normativa referente a la construcción de carreteras (PG-3), se especifican los materiales para la formación de las explanadas. Se establecen tres categorías de explanada, denominadas respectivamente E1, E2 y E3, dependiendo del tipo y espesor de suelo que lo forme. Una vez caracterizados los materiales existentes en los desmontes, y teniendo definidos los diferentes tipos de relleno, terraplén y explanadas, estaremos en disposición de realizar una compensación de tierras en la que los movimientos resulten óptimos, tanto en términos de distancias de transporte, como en plazos de ejecución, cumpliendo estrictamente con los criterios de calidad exigidos en la normativa vigente. Como datos iniciales partiríamos de los volúmenes de desmonte y relleno en cada perfil transversal, tipología de cada suelo y características de las explanadas a ejecutar, pudiendo realizar diferentes hipótesis incluyendo posibles préstamos o vertederos. También tenemos la posibilidad de influir en la compensación optando por diferentes configuraciones, como el tipo de compensación (considerando o no préstamos y vertederos), el sentido de esta (izda.-dcha. o viceversa), delimitar una distancia máxima de transporte, considerar el esponjamiento del material, excluir determinados suelos en la compensación, prioridad en finalizar en primer lugar desmontes, terraplenes, tronco, etc. En la siguiente sección de esta tesis, tomaremos como ejemplo la obra: “AUTOVIA RUTA DE LA PLATA A-66. BENAVENTE-ZAMORA”. En ella, vamos a realizar el estudio de sus tres tramos: tramo 1 entre la A-6 y Santovenia del Esla, tramo 2 entre Santovenia del Esla y Fontanillas de Castro y tramo 3 entre Fontanillas de Castro y Zamora. Inicialmente se realizan los cálculos de compensación con métodos tradicionales y posteriormente utilizando el Método iCom, pasando a la comparación de los resultados entre ambos métodos. Para demostrar la optimización conseguida por el Método iCom en la compensación de masas de obras lineales se detallan los resultados obtenidos mediante la aplicación de este método en movimiento de tierras de un total de 24 obras lineales. Finalmente, la traducción de estos hallazgos se verá plasmada en el objetivo final: la creación de una aplicación informática que desarrolle el Método iCom. ----------ABSTRACT---------- Earthworks represents one of the most important factors in the budget of roadworks, relevantly and influences both the planning process and the work itself. The detailed study and optimization of these operations are important aspects to consider during the performance of roadworks. This study describes the iCom Method (Intelligent Method of Optimized Mass Compensation). A new methodology to optimize the compensation of land under road construction has been developed taking into account the fundamental criteria required by current regulations with regard to the quality of the materials according to their composition. The procedure allows to obtain more efficient land compensation in terms of reducing transport distances, volumes of material carried, performance time, greenhouse gas (GHG) emissions and costs generated. In addition to the above mentioned, the quality premises imposed by the regulations on road construction are complied with. With this aim, this doctoral thesis has been proposed focusing on the development of a system which improves the one used denominated as "traditional methods" up to now for the calculation of land compensation. These methods are based on the mass diagram dividing a series of profiles into an axis with an assigned volume. These profiles are included either in excavations or in embankments, introducing as unitary profiles within these axis loans and landfills according to the needs. This approach, in addition to being terse, is also rigid and the inclusion of a variety of other areas such as links, variants, detours, landfills or loans at very different distances from the main axis are inconvenient at the time of calculation. The traditional methods analyse the set of volumes of clearings and embankments without paying attention to the type of material that may or may not be deposited in the different types of fill following the requirements of current regulations. This is an important handicap when performance earthworks since they do not discriminate between whether the material is valid or not depending on the technical requirements for each of the fillings. This makes us make at least a second compensation taking into account the final destination where each of the existing materials in the work can be transported. However, the iCom Method uses, in addition to the data previously mentioned, the material selection criteria described in the regulations which simplifies and optimizes the results obtained and thus allowing for the earth movement to be performed from the beginning guaranteeing compliance with the requirements of quality and without the need to recalculate the compensation again. Two derivatives have to be added which result from an absolute priority: the improvement of the economic result and the protection of the environment. This is derived from a reduction of parameters such as the execution period, material to be transported, waste generated, fuel consumption, harmful gas emissions and so on. This is the reason why the iCom Method proposes the sustainable development of these activities which make up three fundamental aspects, defined in the Project Management Triangle: cost, range and time: in other words, economic aspects, environmental factors and performance times. As initial data, the iCom Method starts from the volumes of clearing and filling in each transversal profile, typology of each soil and characteristics of the level ground area to be carried out, being able to make different hypotheses including possible loans or landfills. This method also provides the reports, plans and diagrams necessary for the complete definition of the movement of lands to be carried out. In order to better understand the criteria for material selection in the earthwork of a linear work, we must identify the different types of fillings where we can distinguish: (i) embankment, (ii) fill located, (iii) level ground area. In addition to these destinations, it is possible that the material does not meet the conditions required by the standards and their application, transformation or disposal when necessary, for which we have determined these another two destinations: (a) stockpiling: used when the material from the excavation cannot be used immediately either because it requires a treatment or because its implementation must be carried out later on and (b) landfill: resource when the material of the excavation does not meet the conditions required by the standards or in if there is a surplus of land in the overall excavation-fill calculations. As an advance to what we have discussed in this study, the different types of materials existing in the excavations are classified in terms of typology, from the point of view of their intrinsic characteristics into five types: (1) selected soils, (2) soils adequate, (3) tolerable soils, (4) marginal soils and (5) inadequate soils. The iCom method also distinguishes two other types of materials: rock and topsoil, since, due to special characteristics of excavation or use, their differentiation is necessary. We understand by rock in a linear work as that material which due to its hardness is not possible to excavate with using the usual mechanical means and having to resort to blasting or ripping and, once excavated, it generally has a superior granulometry recommended to differentiate it for this reason. On the other hand, topsoil (soils with organic matter content greater than 5%) have been collected from the group of inadequate soils, but due to its use in restorations and revegetation of slopes, landfills, loans and others, it is advisable to have it treated differently. On the other hand, in the regulations concerning the construction of roads (PG-3) the materials for the formation of the level ground areas are specified. Three categories of level ground areas are established, denominated respectively E1, E2 and E3, depending on the type and thickness of soil which forms it. Once the existing materials are characterized in the clearings, and different types of fill, embankment and level ground areas have been defined, we will be in a position to make land compensation in which the movements are optimal, both in terms of transport distances and in meeting deadlines strictly complying with the quality criteria required by current regulations. As initial data we start with the volumes of clearing and filling in each transversal profile, typology of each soil and characteristics of the level ground areas to be performed, thus being able to make different hypotheses including possible loans or landfills. We also have the possibility of influencing the compensation by opting for different configurations, such as the type of compensation (considering or not considering loans and dumps), the direction of this (left-right or vice versa), limiting a maximum distance of transport, considering the swelling of the material, excluding certain loans in the compensation, priority to finishing the first clearing, embankments, trunk and so on. In the following section of this thesis, we take the work: “AUTOVIA RUTA DE LA PLATA A-66. BENAVENTE-ZAMORA”, as an example. We carry out the study of its three sections: section 1 between the A-6 and Santovenia del Esla, section 2 between Santovenia del Esla and Fontanillas de Castro and section 3 between Fontanillas de Castro and Zamora. Initially, the compensation calculations are carried out with traditional methods and later using the iCom Method, comparing the results of both methods. In order to show the optimization achieved by the iCom Method in the compensation of masses of linear works, the results obtained by applying this method in earth movement of a total of 24 linear works have been detailed. Finally, the transferring of these findings is shown in the final aim: the creation of a computer application that which has developed the iCom Method.

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ID de Registro: 51677
Identificador DC: http://oa.upm.es/51677/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:51677
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.51677
Depositado por: Archivo Digital UPM 2
Depositado el: 12 Sep 2018 05:13
Ultima Modificación: 12 Sep 2018 05:14
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