21/3/2016 Obras portuarias en minería: Estructuras de utilidad | Construccion Minera

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Gentileza Empresa Constructora Belfi S.A.

Las obras portuarias se caracterizan por sus diferentes tamaños y tipos de proyectos a los quecorresponden. En el caso de la minería, los más utilizados son los muelles, orientadosprincipalmente a la carga de graneles sólidos y líquidos.

Para desarrollar obras de este tipo se llevan a cabo una serie de etapas entre las que se encuentranla definición del lugar, la realización de diversos tipos de estudios (de diseño, ambientales, etcétera),definición de criterios de diseño y de la ingeniería, entre otros.

Un sistema constructivo utilizado para muelles es mediante el uso de pilotes de acero, consistenteen realizar un proceso de hincado, para luego montar las vigas de acero (u hormigonado de vigas encaso de ser estas de concreto), el hormigonado de la losa y luego el montaje del cargador de barcospor partes o completo.

Alfredo Saavedra L.Periodista Construcción Minera

Así como hay diversas actividades mineras que se realizan en tierra, la industria también lleva a cabodiferentes tipos de operaciones en el mar, para las que necesita contar con obras portuarias que permitan suadecuado desarrollo. Si bien hay construcciones relacionadas con ductos de aguas servidas y plantasdesalinizadoras, las principales obras portuarias, se refieren precisamente a puertos. En términos generales,hay distintos tipos: de gran tamaño (por ejemplo, puertos estatales concesionados), privados y/o aquellosque sirven como obras de conectividad. De acuerdo a Franco Venegas, de PORTUS S.A., empresa deingeniería y construcción asociada a Claro Vicuña Valenzuela y Puga Mujica Asociados, un aspecto aconsiderar en esta diferenciación, se relaciona con la envergadura y tipo de proyecto, ya que los puertos degran tamaño generalmente reciben y despachan contenedores, por lo que requieren espacios planos quepermitan su manipulación, mientras que en el caso de los puertos privados están orientados a la carga degraneles sólidos y líquidos. Estos últimos, que corresponden básicamente a muelles, son los másutilizados en la industria de minería y energía. Se componen de un puente de acceso y un cabezo (área deoperaciones de un puerto) donde se reciben buques de combustibles, de carbón o despachos de productos(cobre, granos, etcétera). “Estas obras relacionadas con minería (o con cualquier otro sector productivo),tienen que ver con los insumos requeridos para poder producir y con cómo sacar ese producto obtenido a

Obras portuarias en minería: Estructuras de utilidadmarzo 1, 2016 ­ 16 Obras portuarias en minería, Reportaje central

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través del puerto. En el caso de Chile, somos exportadores de minerales (cobre, hierro, plata u otros quesacamos como cátodos o concentrados) y dependiendo cómo se exporten, es la estructura a utilizar”,explica Venegas.

Además del puente de acceso y cabezo (que es donde se va a realizar la operación y donde normalmentehay equipamiento mecánico y eléctrico), están las obras de amarre para el buque consistentes en postes deamarre, boyas y sistemas de protección del puerto, que permiten que el buque no provoque daño al cabezocuando se acerca. Sobre la plataforma de carga se monta la grúa (o cargador) que llena los barcos con elmineral, el que se traslada desde un acopio en tierra por medio de correas transportadoras. “En el caso degraneles líquidos, se consideran brazos de carga, sistemas de bombas y cañerías de conducción hasta elsistema de estanques”, agrega José Miguel Méndez, gerente de Estudios de empresa constructora BelfiS.A.

Etapas y estudios

Según se indica en la “Guía para el Diseño, Construcción, Operación y Conservación de Obras Marítimas yCosteras”, encargada a la empresa consultora WorleyParsons por la Dirección de Obras Portuarias (DOP)dependiente del Ministerio de Obras Públicas (MOP), los muelles son un tipo de clasificación de obras deatraque y amarre, las que a su vez tienen por objetivo proporcionar a los buques condiciones “adecuadas yseguras para su permanencia en puerto y/o para que puedan desarrollarse las operaciones portuariasnecesarias para las actividades de carga, estiba, desestiba, descarga y transbordo de pasajeros y vehículosy que permitan su transferencia entre buques, o entre estos y tierra u otros medios de transporte”.

Una de las primeras etapas para calcular una obra marítima es definir el lugar donde se realizará, para locual se requiere contar con un levantamiento topográfico, geotécnico, climático del sector, además de lapreocupación por las mareas y la batimetría (configuración física del fondo marino, medida de la profundidaddel agua). Para esto se realizan diversos tipos de estudios, enfocados en temas de diseño propiamente tal yen aspectos ambientales. “Los relacionados con el diseño tienen que ver con estudios de oleaje, viento,mecánica de suelo (tanto terrestres como submarinos), estudios de orientación del buque para definir cuáles la mejor posición en planta respecto a norte­sur, etcétera”, detalla Venegas, agregando que todo esto esfundamental ya que un puerto mal orientado puede llegar a perjudicar su tasa de ocupación producto delefecto del viento o el oleaje. La guía de diseño del DOP menciona estudios geotécnicos, en los que seanalizan las propiedades generales de los terrenos de fundación, “especificando los métodos dereconocimiento geofísicos, sondajes, calicatas, pozos, etcétera y con ello se especifican los ensayos delaboratorio y resultados que se deberán esperar de los análisis y los contenidos de un informe geotécnicoque será utilizado posteriormente para el diseño”.

Con estas etapas avanzadas, se abordan los criterios, características y bases de diseño, definidos junto almandante del proyecto donde se deben considerar variables como los tamaños de los buques y las cargas(graneles líquidos o sólidos). “Al definir el tamaño del buque se determina también el calado que se necesitapara la profundidad de agua donde atraca el buque. También hay algunos criterios mecánicos que tienen quever con las capacidades para cuánto quiero recibir, a qué taza quiero embarcar (tonelada por hora, si esgranel sólido o líquido, etcétera), o de qué diámetro ha de ser la correa para transportar, entre otros”, señalaVenegas, agregando que luego de los estudios básicos (mecánica de suelo, viento, oleaje, etc.), en elproyecto de ingeniería se definen diámetros, espesores y separaciones entre pilotes, junto a todo el diseñoestructural y mecánico propiamente tal.

Sistemas de pilotes

Generalmente los muelles usados en minería están sustentados sobre pilotes hechos de acero, de altaresistencia, de tamaños variables incluso dentro del mismo proyecto y con normas asociadas yespecificadas para pilotes hincados. La estructura de un muelle piloteado puede ser clasificada como rígida(en base a cuplas de pilotes) o flexible (en base a pilotes verticales) y el grado de flexibilidad dependerá dela configuración general, marcos y rigidez relativa de los miembros y sus soportes.

En los muelles de pilotes, la estructura resistente está formada por una plataforma sustentada en pilotesverticales y/o inclinados y, en el caso de que exista un relleno adosado, puede complementarse con unaestructura de contención de tierras y de unión con la plataforma en la coronación del talud.

La Guía del DOP explica que “también pueden disponerse anclajes que unan la plataforma a los pilotes conel objeto de mejorar la capacidad resistente de la obra ante cargas horizontales. Las solicitacionesverticales son resistidas en este tipo de muelle por los pilotes, los cuales se apoyan en el suelotransmitiendo su carga por intermedio de la presión de punta, el roce del pilote enterrado o una combinaciónde ambos. Las solicitaciones horizontales pueden ser resistidas por momento en los pilotes en el caso demuelles de pilotes verticales o a través de esfuerzos de tracción y compresión en el caso de muelles quepresenten cuplas de pilotes inclinados”.

Los muelles pilotados son generalmente más aptos en circunstancias donde el suelo está compuesto de unestrato superior débil cubriendo un estrato más fuerte, cuando el suelo inmediatamente bajo el fondo marinoes apto para el hincado de pilotes, en gran profundidad del agua o cuando se quiere absorber energíaaprovechando la flexibilidad de la estructura, entre otros.

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De acuerdo a la Guía del DOP hay distintos sistemas de pilotes: verticales, inclinados, una combinación deambos e inclinados con aislación sísmica. En el caso de los primeros, donde el muelle se soporta solo porpilotes verticales, las cargas laterales son resistidas por el “efecto marco”, donde los pilotes y la vigacabezal forman un marco rígido y resisten la carga lateral principalmente por la rigidez a flexión de lospilotes. En el texto se indica que para estructuras angostas, “la deflexión lateral puede ser elevada inclusopara las cargas laterales pequeñas. Además, no se impide el desplazamiento lateral, lo que aumenta lalongitud efectiva del pilote como una columna. Si los pilotes varían en longitud no soportada, los pilotescortos concentrarán una mayor porción de la carga lateral. Mientras que para estructuras relativamenteanchas con un gran número de pilotes, la rigidez total del sistema puede justificar una longitud efectivareducida”. En un muelle de pilotes inclinados, en tanto, estos en general se distribuyen en sistemas decuplas, encargadas de resistir principalmente las fuerzas horizontales que actúan sobre el muelle como lasfuerzas sísmicas, de reacción de las defensas y de amarre. Según se señala en la Guía, “los pilotes queconstituyen las cuplas se encuentran normalmente inclinados con una pendiente de 1:3 y resistente a losesfuerzos horizontales del muelle a través de esfuerzos de tracción y compresión”. En el caso del sistemade pilotes verticales e inclinados, es un sistema de término medio entre los anteriores, en donde todas lascargas verticales son principalmente resistidas por los pilotes verticales y las cargas laterales son resistidasespecialmente por los pilotes inclinados. Por su parte, el sistema de pilotes inclinados con aislación sísmicaincorpora aisladores calibrados o fusibles sísmicos entre la cubierta del muelle y los pilotes inclinados. En laGuía se señala además que “se debe considerar que la magnitud de fuerzas de atraque lateral y fuerzas deamarre sean tales que no excedan el umbral de resistencia lateral del aislador”.

Proceso constructivo

Considerando las distintas partes de las que se compone un muelle, su construcción incluye para el cabezoo plataforma de carga, realizar el proceso de hincado de los pilotes de acero, para luego montar las vigas deacero (u hormigonado de vigas en caso de ser estas de concreto), el hormigonado de la losa y luego elmontaje del cargador de barcos por partes o completo. De acuerdo a Méndez, en el caso del puente deacceso, que es la estructura que une el cabezo con la tierra y es el que sustenta la correa transportadoraque lleva el mineral o las cañerías de conducción en el caso de los graneles líquidos, se utiliza la siguientesecuencia constructiva: hincado de pilotes, montaje de vigas, montaje de enrejado, montaje de correatransportadora, montaje de tuberías y montaje de canalizaciones y cables eléctricos y de comunicación.“Las correas transportadoras tienen la función de llevar el mineral desde su acopio en tierra hasta elcargador de barcos y viceversa y su proceso de instalación puede iniciarse cuando ya esté instalado partedel puente de acceso”, explica el ingeniero, agregando que esta se va montando por partes, instalandoprimero las estaciones de polines, poleas y motores, para finalmente instalar la cinta de la correapropiamente tal junto con sus elementos de limpieza, pesómetro, electroimanes, detectores de metales ymuestreadores. “En el caso de los puertos, como se trabaja en espacios reducidos los montajes se hacenen forma manual o con la ayuda de tecles”, comenta.

Por su parte, para los postes de amarre, que son estructuras que permiten el amarre del barco, Méndezseñala que la secuencia de construcción incluye hincado de pilotes, hormigonado de estructura y montajede bitas. “Por último, para los duques de alba, que son estructuras que permiten el amarre y el atraque delbarco, la secuencia de construcción es similar a la de los postes de amarre”, detalla.

La construcción de un muelle puede hacerse por parte, ya sea desde tierra hacia el mar o viceversa,dependiendo el equipamiento con el que se cuente para el proyecto. “Para ir armando el muelle se puedenutilizar pontones flotantes que van apoyando la construcción por el costado. También puedes irconstruyendo desde el mismo puente. Sobre la estructura metálica se hacen obras de hormigonado y luegose usa la misma estructura metálica para llegar con hormigón a los postes de amarre”, explica Venegas,quien además señala que la enfierradura se puede cargar sobre un pontón desde la orilla y llevarse hasta elsitio de construcción, donde se descarga en balsas auxiliares para ser instalada posteriormente por lostrabajadores de obra. “Estas cargas y descargas se realizan con ayuda de grúas. Además, las balsas tienencapacidades suficientes para colocar elementos pesados ya que están diseñadas para este tipo deactividades. Las dimensiones de estos proyectos varían dependiendo de la necesidad de cada uno y encaso de no contar con el tipo de maquinaria antes mencionada, que es la tecnología y sistema más utilizadopara el desarrollo de este tipo de obras, se puede usar el sistema de hinca sobre cabeza; esto significaavanzar con los equipos de construcción sobre los pilotes de Proyecto, sin utilizar artefactos navales(pontones o plataformas)”, explica Venegas.

Para el empotramiento del pilote, la guía del DOP indica que la base de este se diseña dependiendo de lascondiciones del fondo marino y en general, se recomienda la utilización del método de empotramiento virtualpara la modelación de los pilotes. “Para pilotes ubicados en sobrecarga, donde esta supere los 3 m deprofundidad del estrato, se deberá calcular la longitud de empotramiento. Los pilotes anclados sobre roca seconsiderarán rotulados. Para pilotes que se encuentren sometidos solo a cargas de compresión y que elespesor del estrato sea menor a 3 m, se considerarán rotulados”, especifica el texto. “Cuando hay mecánicade suelo involucrada se usan plataformas para perforar y obtener muestras y estas son las que permitendiseñar en función de lo encontrado”, agrega Venegas, quien a modo de resumen explica que lo másimportante en estos proyectos son las condiciones del suelo, especialmente por el hecho de tener querealizar el proceso de hincado, mientras que otro desafío constructivo a considerar es la logística y eltrabajo de apoyo con balsas, estructuras provisorias y/o embarcaciones que permitan contar con un lugar detrabajo seguro para la disposición de materiales.

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En cuanto a los trabajos realizados bajo el agua, algunos de las más importantes son los dragados yrellenos masivos; faenas que permiten ganar terreno al mar para mejorar la condición del proyecto. “Eldragado es una acción mecánica de retiro de sedimentos del fondo marino que se realiza cuando porcriterios de diseño se requiere cierta profundidad de agua, por lo que se excava el fondo para alcanzar lacota de agua necesaria. “El método a emplear para dragar se define en función del tipo de suelo,profundidad y la cantidad”, explica Venegas.

Ejemplos de obras

Un caso de obra portuaria es el terminal Otway de mina Invierno, ubicado en Isla Riesco en el estrecho deMagallanes. Este proyecto cuenta con un muelle de 411 m que fue construido con la utilización de cuatrofrentes de trabajo: dos equipos de construcción que avanzaban desde el mar hacia tierra mediante el uso deplataformas jack up (duques de alba, postes de amarre y boyas), otro que iba desde tierra hacia el mar(puente de acceso al área del frente de atraque) y el último dedicado a ejecutar las obras terrestres(chancadores, correas transportadoras, pesómetro, muestrera, edificio de oficinas, entre otras). En cuanto alpuente de acceso, está compuesto por una infraestructura de 80 pilotes de acero inclinados, hincados en elfondo marino alcanzando los 21 m de profundidad, mientras que las estructuras que componen el frente deatraque están ejecutadas en base a pilotes de acero hincados en el fondo marino (62 unidades), vigasmetálicas y losetas de hormigón sobre ellas.

Como la obra se desarrolló en el mar, contó con la ayuda de buzos (personal preparado y acondicionado)para ejecutar las fundaciones, quienes además, fueron parte de las fases de movimiento de una plataformamarina de trabajo para bajarla, hacerla flotar y trasladarla a otro lugar, revisando que el fondo marinoestuviera libre de obstáculos, evitando riesgos innecesarios. De acuerdo a constructora Belfi S.A., dentro delos principales desafíos en el diseño estructural, estuvieron: la coordinación de los especialistas de diseño yconstrucción de manera que la ingeniería considerara desde su concepción la implementación de métodosconstructivos específicos, así como el cuidado trabajo de logística para poder transportar hasta el lugar dela faena, los elementos prefabricados que se utilizaron (más detalles de todo el proceso de montaje delterminal, en Construcción Minera Nº4, p.12).

Otro ejemplo de obra es el concentraducto construido en mina Cerro Negro Norte (tercera región) que lleva elmineral desde la mina hasta el puerto de Totoralillo. “El ducto se diseñó para transportar un tonelaje nominalde cuatro millones TSPA de concentrado de hierro en un rango de concentración de sólidos en peso de 63%a 67 por ciento. Su trazado considera el diseño de una zanja común para el tendido de la cañería de 10” delSistema de transporte concentrado (STC), más la cañería de 18” del acueducto y el monoducto para elcable de fibra óptica del sistema de comunicaciones. Esta zanja tiene una profundidad variable dependiendode las condiciones del terreno”, explica Daniel Vera, gerente de Nuevos Proyectos de CAP Minería,agregando que el proyecto consideró la ejecución de una pista de construcción para materializar el desfile,soldadura, bajada y tendido de las cañerías en la zanja. El concentraducto está conformado por una cañeríade acero de 10 pulgadas API 5L X65M PSL2, con revestimiento externo de tricapa de polietileno extruido ysin revestimiento interno y forma parte del programa de proyectos de Cerro Negro Norte, como son las obrasde la planta desalinizadora, línea de alimentación eléctrica, plantas de procesos e infraestructura. “El STCes controlado y operado preferentemente desde estaciones de operación localizadas en la Sala de ControlCNN (Mina). Alternativamente, pueden ser operados desde Puerto Totoralillo”, detalla Vera, agregando quelas estaciones del STC cuentan con controladores (PLC) dedicados al control y monitoreo de la estación debombeo y las estaciones de válvulas y que en caso de corte de fibra y pérdida de comunicación, el sistemapuede operarse desde la Sala de Control Mina hasta el punto de corte. “La operación para el otro segmentodebe hacerse desde Puerto Totoralillo”, puntualiza.

CAP Minería ya había realizado un concentraducto de características similares en el mismo sector paratransportar el concentrado producido en la Planta de Magnetita hasta el puerto de Totoralillo, por tantocontaba con experiencia de construir en el sector. “Los principales desafíos consistieron en la mayoritariapresencia de roca en las cercanía de la costa, los grandes volúmenes de excavación debido al terreno, losrequerimientos de programación y planificación exhaustiva de la construcción, las condiciones de linealidadde la construcción y la continua movilidad del sector de trabajo, con los consiguientes requerimientos deservicios (alimentación, baños, transporte, etcétera)”, detalla Vera.

Desde la empresa indican que, si bien, el puerto Totoralillo fue diseñado para embarcar concentrado, fuenecesario construir una estación de llegada del concentrado del proyecto Cerro Negro Norte, prácticamenteduplicar la capacidad de filtrado existente y construir canchas de almacenamiento de concentrado.

También dentro de este proyecto, otra obra que utiliza recursos del mar es su planta desalinizadora, quetiene una capacidad actual de producción de 34.560 m³/día y que permite la aportación de agua para elproyecto minero Cerro Negro Norte, Tierra Amarilla y Caldera para abastecimiento minero, humano yagrícola. “La captación de agua de mar se realiza a través de una torre cilíndrica sumergida de hormigónarmado de 3,4 m de diámetro interior y una altura de 6,525 m incluida la rejilla de coronación. La torre seconecta al inmisario que está constituido por una tubería de HDPE de 1.600 mm de diámetro y una longitudde 276 m que comunica la torre con la sentina del edificio de bombeo”, detalla el gerente de NuevosProyectos. La impulsión de agua de mar ya filtrada se realiza con 5 (4+1R) equipos de bombeo de 808 m³/hde capacidad unitaria impulsando el agua a 73 metros de columna de agua (mca). Estas bombascentrífugas verticales tienen una potencia instalada total de 2.000 kW. “La conducción de impulsión de agua

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de mar hasta la planta desalinizadora se realiza mediante una tubería de 1.000 mm de diámetro en HDPEPN10 PE100 y una longitud de 1.305 m desde el edificio de bombeo hasta la cámara de llegada en la zonade pre tratamiento”, señala Vera.

Normativa

Si bien la guía desarrollada por la Dirección de Obras Portuarias pretende facilitar el trabajo aportandoinformación relevante para la consideración de la realidad de las obras y el entorno donde se construyen,esta no tiene carácter normativo. El Reglamento de Seguridad Minera (Decreto Supremo N°132), por suparte, cuenta con algunos artículos donde se hace mención a puertos de embarque de minerales. Porejemplo, en su artículo 589, indica que “las empresas mineras que posean puertos de embarque deminerales propios o que hagan usufructo de instalaciones de terceros, deben poseer un reglamento internode seguridad, el que será revisado y aprobado por el Servicio (Sernageomin)”. Dicho reglamento debecontener normas sobre perforación de pozos terrestres o costa fuera, motores, equipos e instalacioneseléctricas, delimitación de zonas peligrosas, sistemas de alumbrado, uso de material explosivo, sistema deseguridad de instalaciones, elementos de protección personal y primeros auxilios, así como también sobreprevención y control de incendios, procedimientos en casos de emergencias, código de señales y manualde procedimientos de evacuaciones terrestres, en caso de tormentas, incendios o maremotos.

Así, el desarrollo de obras portuarias consta de varias etapas que deben velar por cumplir de la mejor formaposible con sus criterios de diseño y construcción para fomentar la productividad de las operaciones. Comorevisamos en el artículo, tanto los muelles como el resto de los ejemplos, resultan estructuras de granutilidad.

Guía para diseño, construcción, operación y conservación de obras marítimas y costeras

Este documento fue desarrollado para generar un estándar nacional que sirva de soporte para eldiseño, construcción, operación y conservación de proyectos marítimo­portuarios públicos y privados.La guía presenta un conjunto de recomendaciones y normativas vigentes, con el fin de ordenar loscriterios técnicos de diseño para orientar a proyectistas y constructores en el alcance de objetivoscomunes de funcionalidad y calidad de las obras marítimas y costeras. Según consta en el sitio webdel MOP, para la elaboración de este texto se constituyeron diversos comités (General, Ambiental;Operación y Maniobras; Geotécnico; Construcción; Hidráulico­Marítimo y Estructural), conformados porespecialistas de cada área. No obstante, el documento no tiene carácter normativo y solo pretendefacilitar el trabajo aportando información relevante para la consideración de la realidad de las obras y elentorno donde se construyen.

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