Obras portuarias en minería: Estructuras de utilidad

Reportaje Central P
Gentileza Empresa Constructora Belfi S.A.

Las obras portuarias se caracterizan por sus diferentes tamaños y tipos de proyectos a los que corresponden. En el caso de la minería, los más utilizados son los muelles, orientados principalmente 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 encuentran la 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, consistente en realizar un proceso de hincado, para luego montar las vigas de acero (u hormigonado de vigas en caso de ser estas de concreto), el hormigonado de la losa y luego el montaje del cargador de barcos por 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 cabo diferentes tipos de operaciones en el mar, para las que necesita contar con obras portuarias que permitan su adecuado desarrollo. Si bien hay construcciones relacionadas con ductos de aguas servidas y plantas desalinizadoras, 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 aquellos que sirven como obras de conectividad. De acuerdo a Franco Venegas, de PORTUS S.A., empresa de ingeniería y construcción asociada a Claro Vicuña Valenzuela y Puga Mujica Asociados, un aspecto a considerar en esta diferenciación, se relaciona con la envergadura y tipo de proyecto, ya que los puertos de gran tamaño generalmente reciben y despachan contenedores, por lo que requieren espacios planos que permitan su manipulación, mientras que en el caso de los puertos privados están orientados a la carga de graneles sólidos y líquidos. Estos últimos, que corresponden básicamente a muelles,  son los más utilizados en la industria de minería y energía. Se componen de un puente de acceso y un cabezo (área de operaciones 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 través del puerto. En el caso de Chile, somos exportadores de minerales (cobre, hierro, plata u otros que sacamos 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 normalmente hay equipamiento mecánico y eléctrico), están las obras de amarre para el buque consistentes en postes de amarre, boyas y sistemas de protección del puerto, que permiten que el buque no provoque daño al cabezo cuando se acerca. Sobre la plataforma de carga se monta la grúa (o cargador) que llena los barcos con el mineral, el que se traslada desde un acopio en tierra por medio de correas transportadoras. “En el caso de graneles líquidos, se consideran brazos de carga, sistemas de bombas y cañerías de conducción hasta el sistema de estanques”, agrega José Miguel Méndez, gerente de Estudios de empresa constructora Belfi S.A.

Etapas y estudios

Según se indica en la “Guía para el Diseño, Construcción, Operación y Conservación de Obras Marítimas y Costeras”, 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 de atraque y amarre, las que a su vez tienen por objetivo proporcionar a los buques condiciones “adecuadas y seguras para su permanencia en puerto y/o para que puedan desarrollarse las operaciones portuarias necesarias para las actividades de carga, estiba, desestiba, descarga y transbordo de pasajeros y vehículos y 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 lo cual se requiere contar con un levantamiento topográfico, geotécnico, climático del sector, además de la preocupación por las mareas y la batimetría (configuración física del fondo marino, medida de la profundidad del agua). Para esto se realizan diversos tipos de estudios, enfocados en temas de diseño propiamente tal y en 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 cuál es la mejor posición en planta respecto a norte-sur, etcétera”, detalla Venegas, agregando que todo esto es fundamental ya que un puerto mal orientado puede llegar a perjudicar su tasa de ocupación producto del efecto del viento o el oleaje. La guía de diseño del DOP menciona estudios geotécnicos, en los que se analizan las propiedades generales de los terrenos de fundación, “especificando los métodos de reconocimiento geofísicos, sondajes, calicatas, pozos, etcétera y con ello se especifican los ensayos de laboratorio y resultados que se deberán esperar de los análisis y los contenidos de un informe geotécnico que será utilizado posteriormente para el diseño”.

Con estas etapas avanzadas, se abordan los criterios, características y bases de diseño, definidos junto al mandante 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 necesita para la profundidad de agua donde atraca el buque. También hay algunos criterios mecánicos que tienen que ver con las capacidades para cuánto quiero recibir, a qué taza quiero embarcar (tonelada por hora, si es granel sólido o líquido, etcétera), o de qué diámetro ha de ser la correa para transportar, entre otros”, señala Venegas, agregando que luego de los estudios básicos (mecánica de suelo, viento, oleaje, etc.), en el proyecto de ingeniería se definen diámetros, espesores y separaciones entre pilotes, junto a todo el diseño estructural y mecánico propiamente tal.

Sistemas de pilotes

Generalmente los muelles usados en minería están sustentados sobre pilotes hechos de acero, de alta resistencia, de tamaños variables incluso dentro del mismo proyecto y con normas asociadas y especificadas 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 de la 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 pilotes verticales y/o inclinados y, en el caso de que exista un relleno adosado, puede complementarse con una estructura 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 con el objeto de mejorar la capacidad resistente de la obra ante cargas horizontales. Las solicitaciones verticales son resistidas en este tipo de muelle por los pilotes, los cuales se apoyan en el suelo transmitiendo su carga por intermedio de la presión de punta, el roce del pilote enterrado o una combinación de ambos. Las solicitaciones horizontales pueden ser resistidas por momento en los pilotes en el caso de muelles de pilotes verticales o a través de esfuerzos de tracción y compresión en el caso de muelles que presenten cuplas de pilotes inclinados”.

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

De acuerdo a la Guía del DOP hay distintos sistemas de pilotes: verticales, inclinados, una combinación de ambos e inclinados con aislación sísmica. En el caso de los primeros, donde el muelle se soporta solo por pilotes verticales, las cargas laterales son resistidas por el “efecto marco”, donde los pilotes y la viga cabezal forman un marco rígido y resisten la carga lateral principalmente por la rigidez a flexión de los pilotes. En el texto se indica que para estructuras angostas, “la deflexión lateral puede ser elevada incluso para las cargas laterales pequeñas. Además, no se impide el desplazamiento lateral, lo que aumenta la longitud efectiva del pilote como una columna. Si los pilotes varían en longitud no soportada, los pilotes cortos concentrarán una mayor porción de la carga lateral. Mientras que para estructuras relativamente anchas con un gran número de pilotes, la rigidez total del sistema puede justificar una longitud efectiva reducida”. En un muelle de pilotes inclinados, en tanto, estos en general se distribuyen en sistemas de cuplas, encargadas de resistir principalmente las fuerzas horizontales que actúan sobre el muelle como las fuerzas sísmicas, de reacción de las defensas y de amarre. Según se señala en la Guía, “los pilotes que constituyen las cuplas se encuentran normalmente inclinados con una pendiente de 1:3 y resistente a los esfuerzos horizontales del muelle a través de esfuerzos de tracción y compresión”. En el caso del sistema de pilotes verticales e inclinados, es un sistema de término medio entre los anteriores, en donde todas las cargas verticales son principalmente resistidas por los pilotes verticales y las cargas laterales son resistidas especialmente por los pilotes inclinados. Por su parte, el sistema de pilotes inclinados con aislación sísmica incorpora aisladores calibrados o fusibles sísmicos entre la cubierta del muelle y los pilotes inclinados. En la Guía se señala además que “se debe considerar que la magnitud de fuerzas de atraque lateral y fuerzas de amarre 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 cabezo o plataforma de carga, realizar el proceso de hincado de los pilotes de acero, para luego montar las vigas de acero (u hormigonado de vigas en caso de ser estas de concreto), el hormigonado de la losa y luego el montaje del cargador de barcos por partes o completo. De acuerdo a Méndez, en el caso del puente de acceso, que es la estructura que une el cabezo con la tierra y es el que sustenta la correa transportadora que lleva el mineral o las cañerías de conducción en el caso de los graneles líquidos, se utiliza la siguiente secuencia constructiva: hincado de pilotes, montaje de vigas, montaje de enrejado, montaje de correa transportadora, 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 el cargador de barcos y viceversa y su proceso de instalación puede iniciarse cuando ya esté instalado parte del puente de acceso”, explica el ingeniero, agregando que esta se va montando por partes, instalando primero las estaciones de polines, poleas y motores, para finalmente instalar la cinta de la correa propiamente tal junto con sus elementos de limpieza, pesómetro, electroimanes, detectores de metales y muestreadores. “En el caso de los puertos, como se trabaja en espacios reducidos los montajes se hacen en 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, Méndez señala que la secuencia de construcción incluye hincado de pilotes, hormigonado de estructura y montaje de bitas. “Por último, para los duques de alba, que son estructuras que permiten el amarre y el atraque del barco, 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 pueden utilizar pontones flotantes que van apoyando la construcción por el costado. También puedes ir construyendo desde el mismo puente. Sobre la estructura metálica se hacen obras de hormigonado y luego se 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 el sitio de construcción, donde se descarga en balsas auxiliares para ser instalada posteriormente por los trabajadores de obra. “Estas cargas y descargas se realizan con ayuda de grúas. Además, las balsas tienen capacidades suficientes para colocar elementos pesados ya que están diseñadas para este tipo de actividades. Las dimensiones de estos proyectos varían dependiendo de la necesidad de cada uno y en caso de no contar con el tipo de maquinaria antes mencionada, que es la tecnología y sistema más utilizado para el desarrollo de este tipo de obras, se puede usar el sistema de hinca sobre cabeza; esto significa avanzar 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 las condiciones del fondo marino y en general, se recomienda la utilización del método de empotramiento virtual para la modelación de los pilotes. “Para pilotes ubicados en sobrecarga, donde esta supere los 3 m de profundidad del estrato, se deberá calcular la longitud de empotramiento. Los pilotes anclados sobre roca se considerarán rotulados. Para pilotes que se encuentren sometidos solo a cargas de compresión y que el espesor del estrato sea menor a 3 m, se considerarán rotulados”, especifica el texto. “Cuando hay mecánica de suelo involucrada se usan plataformas para perforar y obtener muestras y estas son las que permiten diseñar en función de lo encontrado”, agrega Venegas, quien a modo de resumen explica que lo más importante en estos proyectos son las condiciones del suelo, especialmente por el hecho de tener que realizar el proceso de hincado, mientras que otro desafío constructivo a considerar es la logística y el trabajo de apoyo con balsas, estructuras provisorias y/o embarcaciones que permitan contar con un lugar de trabajo seguro para la disposición de materiales.

En cuanto a los trabajos realizados bajo el agua, algunos de las más importantes son los dragados y rellenos masivos; faenas que permiten ganar terreno al mar para mejorar la condición del proyecto. “El dragado es una acción mecánica de retiro de sedimentos del fondo marino que se realiza cuando por criterios de diseño se requiere cierta profundidad de agua, por lo que se excava el fondo para alcanzar la cota 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 de Magallanes. Este proyecto cuenta con un muelle de 411 m que fue construido con la utilización de cuatro frentes de trabajo: dos equipos de construcción que avanzaban desde el mar hacia tierra mediante el uso de plataformas 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 al puente de acceso, está compuesto por una infraestructura de 80 pilotes de acero inclinados, hincados en el fondo marino alcanzando los 21 m de profundidad, mientras que las estructuras que componen el frente de atraque están ejecutadas en base a pilotes de acero hincados en el fondo marino (62 unidades), vigas metálicas 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 plataforma marina de trabajo para bajarla, hacerla flotar y trasladarla a otro lugar, revisando que el fondo marino estuviera libre de obstáculos, evitando riesgos innecesarios. De acuerdo a constructora Belfi S.A., dentro de los principales desafíos en el diseño estructural, estuvieron: la coordinación de los especialistas de diseño y construcción de manera que la ingeniería considerara desde su concepción la implementación de métodos constructivos específicos, así como el cuidado trabajo de logística para poder transportar hasta el lugar de la faena, los elementos prefabricados que se utilizaron (más detalles de todo el proceso de montaje del terminal, en Construcción Minera Nº4, p.12).

Otro ejemplo de obra es el concentraducto construido en mina Cerro Negro Norte (tercera región) que lleva el mineral desde la mina hasta el puerto de Totoralillo. “El ducto se diseñó para transportar un tonelaje nominal de 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” del Sistema de transporte concentrado (STC), más la cañería de 18” del acueducto y el monoducto para el cable de fibra óptica del sistema de comunicaciones. Esta zanja tiene una profundidad variable dependiendo de 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 cañería de acero de 10 pulgadas API 5L X65M PSL2,  con revestimiento externo de tricapa de polietileno extruido y sin revestimiento interno y forma parte del programa de proyectos de Cerro Negro Norte, como son las obras de la planta desalinizadora, línea de alimentación eléctrica, plantas de procesos e infraestructura. “El STC es controlado y operado preferentemente desde estaciones de operación localizadas en la Sala de Control CNN (Mina). Alternativamente, pueden ser operados desde Puerto Totoralillo”, detalla Vera, agregando que las estaciones del STC cuentan con controladores (PLC) dedicados al control y monitoreo de la estación de bombeo y las estaciones de válvulas y que en caso de corte de fibra y pérdida de comunicación, el sistema puede operarse desde la Sala de Control Mina hasta el punto de corte. “La operación para el otro segmento debe hacerse desde Puerto Totoralillo”, puntualiza.

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

Desde la empresa indican que, si bien, el puerto Totoralillo fue diseñado para embarcar concentrado, fue necesario construir una estación de llegada del concentrado del proyecto Cerro Negro Norte, prácticamente duplicar 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, que tiene una capacidad actual de producción de 34.560 m³/día y que permite la aportación de agua para el proyecto minero Cerro Negro Norte, Tierra Amarilla y Caldera para abastecimiento minero, humano y agrícola. “La captación de agua de mar se realiza a través de una torre cilíndrica sumergida de hormigón armado de 3,4 m de diámetro interior y una altura de 6,525 m incluida la rejilla de coronación. La torre se conecta al inmisario que está constituido por una tubería de HDPE de 1.600 mm de diámetro y una longitud de 276 m que comunica la torre con la sentina del edificio de bombeo”, detalla el gerente de Nuevos Proyectos. La impulsión de agua de mar ya filtrada se realiza con 5 (4+1R) equipos de bombeo de 808 m³/h de capacidad unitaria impulsando el agua a 73 metros de columna de agua (mca). Estas bombas centrífugas verticales tienen una potencia instalada total de 2.000 kW. “La conducción de impulsión de agua de mar hasta la planta desalinizadora se realiza mediante una tubería de 1.000 mm de diámetro en HDPE PN10 PE100 y una longitud de 1.305 m desde el edificio de bombeo hasta la cámara de llegada en la zona de pre tratamiento”, señala Vera.

Normativa

Si bien la guía desarrollada por la Dirección de Obras Portuarias pretende facilitar el trabajo aportando información 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 su parte, cuenta con algunos artículos donde se hace mención a puertos de embarque de minerales. Por ejemplo, en su artículo 589, indica que “las empresas mineras que posean puertos de embarque de minerales propios o que hagan usufructo de instalaciones de terceros, deben poseer un reglamento interno de seguridad, el que será revisado y aprobado por el Servicio (Sernageomin)”. Dicho reglamento debe contener normas sobre perforación de pozos terrestres o costa fuera, motores, equipos e instalaciones eléctricas, delimitación de zonas peligrosas, sistemas de alumbrado, uso de material explosivo, sistema de seguridad de instalaciones, elementos de protección personal y primeros auxilios, así como también sobre prevención y control de incendios, procedimientos en casos de emergencias, código de señales y manual de 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 forma posible con sus criterios de diseño y construcción para fomentar la productividad de las operaciones. Como revisamos en el artículo, tanto los muelles como el resto de los ejemplos, resultan estructuras de gran utilidad.

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 el diseño, construcción, operación y conservación de proyectos marítimo-portuarios públicos y privados. La guía presenta un conjunto de recomendaciones y normativas vigentes, con el fin de ordenar los criterios técnicos de diseño para orientar a proyectistas y constructores en el alcance de objetivos comunes de funcionalidad y calidad de las obras marítimas y costeras. Según consta en el sitio web del MOP, para la elaboración de este texto se constituyeron diversos comités (General, Ambiental; Operación y Maniobras; Geotécnico; Construcción; Hidráulico-Marítimo y Estructural), conformados por especialistas de cada área. No obstante, el documento no tiene carácter normativo y solo pretende facilitar el trabajo aportando información relevante para la consideración de la realidad de las obras y el entorno donde se construyen.

Post Author: Fabiola Garcia Sanders