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Trabajo Fin de Grado Estudio de la aplicabilidad de materiales prefabricados al diseño de estructuras para fortificaciones militares Autor CAC. Carlos Toledo Serrano Director/es Dra. Rosa María Tejedor Bielsa Cap. José Luís Carrasco Pulido Centro Universitario de la Defensa-Academia General Militar 2016 1 Resumen Dadas las actuales misiones de las Fuerzas Armadas, las Unidades de Ingenieros precisan medios de fortificación que puedan proyectarse al extranjero, rápidos y sencillos de instalar, y con un alto grado de protección frente a las nuevas amenazas, propias del combate asimétrico y la insurgencia. A partir de las necesidades de estas unidades y comparándolas con las debilidades de los medios actuales, se han definido los requisitos de los futuros medios de fortificación. Estos requisitos han sido los utilizados para llevar a cabo una prospectiva tecnológica y, así, proponer nuevos medios y materiales a incorporar en las Unidades de Ingenieros. Este trabajo propone materiales y medios alternativos para aumentar las prestaciones de las actuales barreras de hormigón, facilitar la estabilización mecánica de taludes y proteger contra impactos de bala o detonaciones los contenedores de vida. Además, se seleccionan nuevos implementos de elevación para las retroexcavadoras, que facilitarían el manejo de elementos pesados. Finalmente, se sugieren alternativas a los perfiles de acero y tablones de madera que se utilizan actualmente. Abstract Given the current missions of the Spanish Armed Forces, Combat Engineer Units require fortification assests that can be projected abroad. Such assets must be quickly and easily installed and they need a high degree of protection against new threats that are characteristic of today´s asymmetric combat and insurgency. From the analysis of the needs of these Units, and comparing them with the weaknesses of the current means, the requirements for the future means of fortification have been defined. These requirements have been used as a guide for a prospective technology review, with the aim of proposing new means and materials to be incorporated by the Combat Engineers Units.This End-Of-Degree Project proposes alternatives to increase the benefits of the current precast concrete barriers, to ease the mechanical stabilization of slopes, and to protect life containers agains bullet impacts and detonations. Moreover, new elevation equipment for backhoes is selected, which whould make heavy-loads handling easier. Finally, alternatives for currently-used steel profiles and wood planks are suggested. 2 Agradecimientos En primer lugar, quisiera expresar mi agradecimiento hacia mi Directora Académica, la Profesora Dª. Rosa María Tejedor Bielsa, y hacia mi Director Militar, el Capitán D. José Luis Carrasco Pulido, por su entusiasmo e interés durante la realización de este Trabajo de Fin de Grado. Por otro lado, agradezco a D. Carlos López Jiménez (Director Comercial de Betafence Corporate Services para España y Sudamérica) y a D. Adam Wilding Webb (Director del Área High Security Products de Betafence Corporate Services) la ayuda prestada para la realización de este trabajo, a través de su asesoría en lo relativo a gaviones y otros medios de fortificación. Reitero dicho agradecimiento hacia D. Emilio de la Red, Director Comercial de Eco-Haus, por su dirección técnica en lo referente a revestimientos para prevenir la fragmentación sobre las barreras de hormigón, y manifiesto mi deseo de llevar a cabo pruebas sobre el terreno cuando sea posible. A D. Ricardo González Recio, geólogo de Dragados S.A., por su asesoría sobre técnicas de estabilización del terreno y métodos de cálculo de mecánica de suelos. A D. Javier Ruíz Jurado, del área comercial de la empresa Tecnopol, por su asesoría y disponibilidad. Asimismo, manifiesto mi aprecio por la información y documentación facilitada por la Oficina de Asuntos Públicos del Centro de Investigación y Desarrollo del Arma de Ingenieros de los Estados Unidos. Finalmente, expreso mi gratitud hacia el personal del Batallón de Zapadores XII, en especial al de la 1ª Compañía de Zapadores, por su dedicación y apoyo durante las Prácticas Externas realizadas en dicha Unidad, y por su aportación a este proyecto a la hora de recabar experiencias sobre los medios analizados. 3 Índice 1. Introducción .................................................................................................................... 7 2. Objetivos y metodología ................................................................................................. 7 3. Situación actual de los medios de fortificación prefabricados ......................................... 8 3.1. Configuración de las obras de fortificación ....................................................................... 8 3.2. Materiales y medios prefabricados usados en fortificación ........................................... 9 3.2.1. Barreras de hormigón armado prefabricadas (protección perimetral) ................. 9 3.2.2. Gaviones (protección perimetral, elementos enterrados y elevados) ................ 10 3.2.3. Contenedores (elementos elevados) ....................................................................... 11 3.2.4. Refugio metálico (elementos enterrados) ............................................................... 12 4. Estudio de las necesidades de las Unidades en materia de fortificación .......................13 4.1. Entrevistas con el personal del BZ XII ............................................................................ 13 4.2. Estudio de la doctrina española y OTAN relativa a fortificación ................................. 14 5. Relación de necesidades de las Unidades deducidas a través de los problemas detectados............................................................................................................................15 6. Innovaciones propuestas ante los problemas detectados ..............................................17 6.1. Mejora de las barreras prefabricadas de hormigón ...................................................... 17 6.1.1. Revestimientos mixtos de alto coeficiente de absorción acústica ...................... 18 6.1.2. Fórmulas de hormigones de alta densidad y elevada ductilidad ........................ 19 6.1.3. Refuerzo superficial mediante polímeros reforzados con fibra de carbono ...... 19 6.1.4. Tratamientos de refuerzo anti-fragmentación en muros de bloque de hormigón prefabricado ................................................................................................................................. 20 6.2. Sistemas de refuerzo de taludes, compactación del terreno y mejora de obstáculos naturales mediante el uso de prefabricados .............................................................................. 21 6.2.1. Estabilización mecánica del terreno mediante medios fabricados en materiales compuestos ................................................................................................................................. 22 6.2.2. Aditivos para refuerzo de tierras en ambiente desértico ...................................... 27 6.3. Protección de superficies de contenedores mediante polímeros ............................... 28 6.4. Implementos para las máquinas en dotación destinados al manejo de elementos prefabricados pesados .................................................................................................................. 30 6.5. Empleo de perfiles estructurales de fibra de vidrio como sustitutivo de la madera . 31 7. Conclusiones .................................................................................................................32 8. Líneas futuras de trabajo ...............................................................................................33 Bibliografía ...........................................................................................................................34 ANEXO A. Cálculo de rendimiento en puesta en obra de un módulo MIL 1 5442 HESCO ...40 4 ANEXO B. Encuesta sobre la situación actual de los medios de fortificación .......................41 B.1. Modelo de encuesta planteada al personal del BZ XII ..................................................... 41 B.2. Análisis de datos .................................................................................................................... 42 B.3. Resultados extraídos de la encuesta al personal del BZ XII ........................................... 43 ANEXO C. Determinación de necesidades a través de problemas mediante herramientas gráficas de Ingeniería de Calidad .........................................................................................44 C.1. Diagrama Ishikawa................................................................................................................. 44 C.2. Herramienta TRIZ................................................................................................................... 45 ANEXO D. Tecnologías de compactación y apuntalamiento del terreno ..............................46 D.1. Tierra Armada ......................................................................................................................... 46 D.1.1. Proceso constructivo mediante la técnica de Tierra Armada ................................... 47 D.1.2. Principio de la Tierra Armada ....................................................................................... 47 D.2. Propuesta de empleo en obras de fortificación militar ..................................................... 49 D.3. Empleo de materiales compuestos en los medios de estabilización del terreno ......... 49 ANEXO E. Tratamiento de protección de superficies mediante poliurea ..............................54 E.1. Producto propuesto ................................................................................................................ 54 E.1.1. Características generales más destacadas ................................................................ 55 E.1.2. Limitaciones del producto .............................................................................................. 55 E.1.3. Certificaciones y ensayos de producto ........................................................................ 56 E.2. Procedimiento de aplicación sobre soporte metálico ....................................................... 59 E.2.1. Sistema de aplicación ..................................................................................................... 60 ANEXO F. Ampliación de funciones de la retroexcavadora para su uso como grúa .............61 F.1. Carga de trabajo admisible ................................................................................................... 61 F.2. Implementos para el izado de cargas ................................................................................. 64 F.3. Resultados de experimentación en el BZ. XII .................................................................... 67 ANEXO G. Perfiles estructurales ..........................................................................................69 G.1. Simulación por software para la comparación entre perfiles .......................................... 69 G.2. Perfiles de aluminio ............................................................................................................... 79 G.3. Perfiles de PVC reforzado con fibra de vidrio .................................................................... 81 ANEXO H. Investigación y uso de prefabricados en fortificación por otros Ejércitos .............84 H.1. Estados Unidos ...................................................................................................................... 84 H.1.1. Barreras de protección modulares ............................................................................... 84 H.1.2. Hormigones de alta resistencia .................................................................................... 85 H.1.3. Sistemas de confinamiento celular de arena .............................................................. 86 H.1.4. Refugios y búnkeres prefabricados.............................................................................. 89 H.2. Federación Rusa .................................................................................................................... 90 5 H.2.1. Búnkeres prefabricados ................................................................................................. 90 H.2.2. Gaviones de la Federación Rusa ................................................................................. 90 H.3. Reino Unido ............................................................................................................................ 91 H.3.1. Estructuras modulares ................................................................................................... 92 H.3.2. Gaviones de Reino Unido .............................................................................................. 92 Acrónimos y abreviaturas ASTM American Society for Testing and Materials MAVIS Magnetic Velocity Induction System BRI Brigada NOC Número OTAN de Clasificación BSI British Standard Institution NOP Norma Operativa BZ Batallón de Zapadores ORTE Organización del Terreno CERL Construction Engineering Research Lab OTAN Organización del Tratado del Atlántico Norte CFRP Carbon Fiber Reinforced Polymer PPT Pliego de Prescripciones Técnicas CMC Conglomerado Madera Cemento PVC Policloruro de Vinilo COP Combat Outpost RDFW Rapid Deployment Fortification Wall ERDC Engineer Research and Development Center RPC Reactive Powder Concrete FAS Fuerzas Armadas STANAG Standardization Agreement FCSE Fuerzas y Cuerpos de Seguridad del Estado TFG Trabajo de Fin de Grado FV Fibra de Vidrio TIG Tungsten Inert Gas GSL Geothecnical and Structures Lab TRIZ Tieoriya Riesheniya Izobrietatielskij Zadach GU Gran Unidad UFC Unified Facilities Criteria HRWRA High-Range Water-Reducing System UHPC Ultra High Performance Concrete HVM Hostile Vehicle Mitigation USA United States of America I+D+i Investigación, Desarrollo e Innovación UV Ultravioleta ITM Instituto Tecnológico de la Marañosa VIED Vehicle Improvised Explosive Device KVS Komplekta Volnistoy Stali WES Waterways Experiment Station LITE Lightweight Individual Tactical Emplacement ZO Zona de Operaciones MAGCC Marine Corps Air Ground Combat Center 6 Figuras Figura 1: Barreras de hormigón. Fuente: www.militarymodelling.com 11 Figura 2: Gaviones. Fuente: www.gabionbarrier.com, elaboración propia 12 Figura 3: Contenedor de vida. Fuente: www.google.es 13 Figura 4: Refugio metálico. Fuente: Revista Ejército. Número extraordinario sobre Armamento y Material. 13 Figura 5: Objetivos de innovación. Fuente: elaboración propia 18 Figura 6: Spalling. Fuente: elaboración propia 19 Figura 7: Placas de material compuesto. Fuente: Jara Mori, G. (2008). Estudio de la aplicabilidad de materiales compuestos al diseño de estructuras de contención de tierras. Universidad Politécnica de Madrid. 23 Figura 8: Flejes de material compuesto. Fuente: Jara Mori, G. (2008). [Ídem] 24 Figura 9: Transporte manual de placas. Fuente: Castro, A. Á., Rojas, F. B., Granda, J. L., Muñoz, B. O., & Cisneros, D. G. (2006). 25 Figura 10: Presión activa y presión pasiva. Fuente: www.enriquemontalar.com 26 Figura 11: Composición de la poliurea. Fuente: www.tecnopol.es 30 Figura 12: Comparación de daños sobre metales. Fuente: Inndeo Engineering 30 Figura 13: Comparación de impacto en bloque sin/con poliurea. Fuente: Inndeo Engineering 31 Tablas Tabla 1: Elementos prefabricados en cada categoría. Fuente: elaboración propia 10 Tabla 2: Comparativa entre Hesco y Defencell. Fuente: elaboración propia 12 Tabla 3: Publicaciones estudiadas. Fuente: elaboración propia 15 Tabla 4: Problemas, propuestas de solución y requisitos. Fuente: elaboración propia 17 Tabla 5: Masa de fragmentos y valores medios de daño en muro tras detonación. Fuente: Dena Arto, Á. (2014). II Congreso Nacional de i+d en Defensa y Seguridad, DESEi+d 2014. Ed. Centro Universitario de la Defensa, 22 Tabla 6: Datos necesarios para aplicar el método. Fuente: elaboración propia 25 Tabla 7: Ángulo de rozamiento interno. Fuente: NBE AE-88 Acciones en la Edificación (derogado) 27 Tabla 8: Comparativa entre perfiles. Fuente: elaboración propia 32 7 Introducción La presente memoria corresponde a un Trabajo Fin de Grado del Grado en Ingeniería de Organización Industrial que se imparte en el Centro Universitario de la Defensa, centro adscrito a la Universidad de Zaragoza, ubicado en la Academia General Militar. Su propósito es el de proponer innovaciones en el campo de los materiales prefabricados de fortificación, alineadas con los intereses de las Fuerzas Armadas (FAS). En el ámbito de la Alianza Atlántica se considera la fortificación como una de las tareas de Ingenieros que contribuyen a la supervivencia dentro del modelo OTAN de Protección de Fuerzas (1). El término fortificación se define como la planificación, diseño, construcción y mantenimiento de infraestructuras e instalaciones, incluyendo la protección balística y contra explosiones. Por su parte, la fortificación de campaña se define como un emplazamiento o refugio de naturaleza temporal, que se puede construir con una razonable facilidad por las unidades y que requiere una participación menor de Ingenieros en cuanto a supervisión y equipamiento (2). La moderna concepción de la fortificación de campaña, en cuanto a organización, funciones y materiales y equipos a emplear, se ha visto necesariamente influida por la evolución de la doctrina de la OTAN en el Arma de Ingenieros. La sustitución del enfoque estratégico basado en la defensa colectiva del territorio de la Alianza, de carácter estático, por el de operaciones expedicionarias, en teatros alejados, requiere de organizaciones más flexibles y medios y materiales más sencillos, ligeros y fáciles de transportar. Por ello, la tendencia actual es el empleo cada vez mayor de medios prefabricados de fortificación. Estos elementos permiten la instalación rápida y sencilla de asentamientos fortificados, reduciendo los tiempos de ejecución y el personal necesario, y aumentando el grado de protección y supervivencia de las tropas. La creciente investigación en el sector hace que surjan continuamente nuevas tecnologías, técnicas y productos que se pueden utilizar y que se deberían evaluar con el fin de conocer las mejores opciones disponibles en el mercado y, si procede, actualizar los medios y materiales en uso. Objetivos y metodología El objetivo de este trabajo es el de identificar tecnologías emergentes o productos novedosos que puedan sustituir o complementar a los medios actuales, aumentando las capacidades de las Unidades de Ingenieros en tareas de fortificación. Para tal fin, se ha realizado un análisis de la situación actual de los medios de fortificación, mediante la revisión de los manuales y documentación técnica a disposición de las FAS, y del contacto con las empresas proveedoras del Mando de Apoyo Logístico del Ejército. Posteriormente, se han definido las carencias y necesidades de las Unidades, extraídas de los problemas detectados en las obras de fortificación, para lo cual se ha explotado la amplia 8 experiencia del personal del Batallón de Zapadores XII. Las herramientas empleadas en este proceso han sido la lluvia de ideas, el planteamiento de encuestas, y el análisis de problemas específicos mediante el Diagrama de Ishikawa 1 y la herramienta TRIZ 2 . Además, para completar la información extraída de la citada Unidad, se ha realizado una búsqueda y análisis de varias publicaciones doctrinales nacionales y extranjeras. Una vez conocidas las debilidades y fortalezas de los medios actuales, así como las necesidades de la Unidad, pueden definirse requisitos a satisfacer por los nuevos medios, tecnologías o técnicas. La metodología seguida para identificar las innovaciones que mejor satisfagan los requisitos de las Unidades se basa en una prospectiva tecnológica centrada en las bases de datos militares de los principales centros de investigación de diversos ejércitos extranjeros, así como en una revisión de las actuales líneas de investigación de las FAS, mediante el estudio de las publicaciones de diversos centros nacionales de I+D+i. Asimismo, se ha estudiado la posible aplicación de tecnologías de uso civil y su adaptación a los objetivos del Ejército de Tierra. Como producto final, se obtiene una relación de tecnologías y productos novedosos que permiten cubrir carencias existentes y aumentar las prestaciones de los medios en dotación. En un principio, se ha considerado la posibilidad de realizar un análisis coste-calidad de los materiales. Sin embargo, debido a que las adquisiciones de estos medios se llevan a cabo a través de los organismos de la OTAN, y el carácter clasificado de esta documentación, se ha descartado. Situación actual de los medios de fortificación prefabricados En este punto se identificarán los medios prefabricados de uso común. Para tal fin, se dividirá una obra de fortificación tipo en áreas, según la función que cumplen (protección perimetral, elementos elevados y enterrados) y se definirán los materiales empleados en cada categoría. Aquellos materiales que se repitan entre dichas categorías se considerarán como comunes en obras de fortificación. 1.1. Configuración de las obras de fortificación Debido al carácter cambiante de las misiones de las FAS, cada obra tiene una configuración única y se emplean medios específicos. Sin embargo, es posible identificar características comunes entre ellas. Las obras de fortificación actuales se dividen, de forma general, en los siguientes trabajos (3): a. Protección perimetral: muro de protección contra explosiones adyacentes, que podrá coronarse con una valla anti-granadas. Los materiales empleados en este trabajo son 1 Diagrama de espina de pez. Permite desgranar un problema general, del cual no es posible distinguir una solución clara, en causas específicas, a las cuales se puede encontrar una solución técnica. 2 También llamada “Teoría para Resolver Problemas de Inventiva”. Partiendo de la premisa de que los problemas se repiten en diversas áreas de la ciencia y la industria, el escritor G. Altshuller (1999) creó un sistema de identificación de soluciones técnicas generales, cuyas entradas son problemas de carácter general. 15 Relación de necesidades de las Unidades deducidas a través de los problemas detectados Una vez detectados los principales problemas, se proponen soluciones a los mismos. De estas propuestas han derivado uno o más requisitos de innovación, que han sido la guía para la prospectiva tecnológica llevada a cabo en este trabajo. Se ha analizado el caso concreto del deterioro de elementos prefabricados mediante la aplicación de un diagrama Ishikawa, llegando a la conclusión de que es debido al uso de maquinaria no específica. La herramienta TRIZ arroja la posibilidad de ampliar las funcionalidades de una máquina de excavación en dotación para emplearla como grúa. El Anexo C de esta memoria desarrolla dicho análisis. 16 PROBLEMA DETECTADO PROPUESTA DE SOLUCIÓN REQUISITO DE LA INNOVACIÓN PROPUESTA Las barreras de hormigón provocan proyecciones en caso de detonaciones próximas Mejorar las barreras prefabricadas de hormigón Reducción de las proyecciones Mantener o mejorar la resistencia al punzonamiento6 Se trabaja en excavaciones con taludes sin apuntalar y terrenos inestables, lo que conlleva falta de seguridad Buscar técnicas de estabilización del terreno y apuntalamiento sencillas y con materiales reducidos, que sea posible realizar con personal no especializado Sin necesidad de análisis de suelos en laboratorio Prestación complementaria: estabilización de terreno arenoso frente al viento Los contenedores de vida están desprotegidos frente a los impactos de bala o metralla Definir un tratamiento de protección aplicable sobre los actuales contenedores Aplicable sin necesidad de sustituir piezas de los actuales contenedores No debe modificar las condiciones actuales de vida ni el aspecto interior Los elementos prefabricados sufren deterioros al manipularse en las obras Ampliar las funciones de la maquinaria actual, de forma que permita, de manera complementaria, realizar tareas de elevación y manipulación de cargas Acoplable a la retroexcavadora en dotación sin necesidad de realizar modificaciones en la misma Disponible en el mercado Problemas derivados del uso de la madera, como fallos estructurales, problemas con la humedad y elevado peso Sustitución de los tablones de madera por perfiles comerciales de materiales de menor peso y mejores características mecánicas Menor peso de los perfiles Características mecánicas iguales o superiores Mejor comportamiento frente a la humedad Tabla 4: Problemas, propuestas de solución y requisitos. Fuente: elaboración propia 6 Tiene lugar cuando se producen esfuerzos axiales excesivamente concentrados sobre el elemento flexionado, y produce fisuras en el mismo. En las barreras de hormigón, tiene lugar frente a impactos de proyectiles. Los elementos de hormigón armado sometidos a punzonamiento suelen contar con una armadura específica para soportar este tipo de solicitaciones. 17 Innovaciones propuestas ante los problemas detectados Las innovaciones a continuación señaladas se han centrado en resolver los problemas detectados. A fin de guiar la prospectiva realizada, se han seleccionado aquellas tecnologías, técnicas y productos que mejor satisfacen las necesidades expresadas con anterioridad, cumpliendo los requisitos planteados en este TFG. En la Figura 5 se presenta un esquema de este apartado que recoge las innovaciones propuestas para cada uno de los problemas detectados. Figura 5: Objetivos de innovación. Fuente: elaboración propia 1.5. Mejora de las barreras prefabricadas de hormigón El análisis de documentos OTAN destaca la importancia de los prefabricados de hormigón en la protección perimetral de las posiciones defensivas. Se ha detectado como principal carencia en los mismos el llamado spalling, o proyección de fragmentos de hormigón a gran velocidad. Este fenómeno consiste en la ruptura de la superficie del muro contraria a la detonación, y la proyección de pequeños fragmentos. Las proyecciones de fragmentos primarios tras una explosión pueden ser potencialmente tan peligrosas como la propia onda de choque de la detonación, y es un efecto documentado en diversas normas y reglamentos españoles 7 (15). Se proponen las siguientes soluciones. 7 El Real Decreto 563/2010, por el que se aprueba el Reglamento de Artículos Pirotécnicos y Cartuchería, establece normativa para las instalaciones de almacenaje de artículos explosivos. En él se determina que los materiales de las defensas de dichas instalaciones serán ligeros, que minimicen las proyecciones de forma que se reduzca el mínimo posible los lanzamientos de fragmentos primarios de una explosión. 18 1.5.1. Revestimientos mixtos de alto coeficiente de absorción acústica El spalling es consecuencia de la propagación de la onda de choque a través del hormigón, cuyo bajo coeficiente de absorción y elevada inelasticidad 8 impiden la absorción de la onda por el propio material. Las ondas incidentes sobre la superficie exterior se propagan sin apenas disiparse hacia la cara interior. Cuando alcanzan la superficie opuesta, la energía transmitida por la onda provoca que las partículas que componen dicha cara interior resulten fragmentadas y adquieran elevada velocidad (16). Dado este principio, se ha determinado que el empleo de un recubrimiento que absorba la onda de sobrepresión, e impida su transmisión a la barrera, disminuirá la fragmentación de la misma. Al objeto de hallar el material idóneo para dicho recubrimiento, se ha equiparado el coeficiente absorción de dicha onda de presión con la absorción de una onda acústica. Esta asimilación es posible desde un punto de vista mecánico, pues ambas ondas son similares, dado que las dos generan una variación local de presión o densidad y se transmiten de forma esférica. (17) Se ha centrado la prospectiva tecnológica sobre materiales empleados en revestimientos acústicos en obra civil. Entre ellos, se ha seleccionado el Conglomerado Madera-Cemento (CMC), por haber sido empleado con anterioridad para la protección de instalaciones de las FCSE. Este trabajo propone revestir las barreras de hormigón de CMC, cuya composición incluye viruta de madera reciclada mineralizada. El CMC surge como medio para crear barreras acústicas, por lo que su coeficiente de absorción sonora es elevado. Se propone emplear una capa central de hormigón armado estructural, seguida de una capa de paneles prefabricados de CMC, debido a que su resistencia mecánica no es tan elevada como la del hormigón armado 9 . Este absorbe la onda de sobrepresión, como lo haría si se tratase de una onda sonora, reduciendo el efecto de la misma sobre la barrera. Se estima como necesaria una presión puntual de 1,21 MPa para romper el hormigón. En ensayos donde se ha revestido la citada estructura con CMC, dicha cifra se eleva hasta los 2,75 MPa. (18) Para este trabajo, se ha contactado con la empresa Eco Haus, especializada en edificación con prefabricados compuestos de madera mineralizada y hormigón, con el nombre comercial de Cimablock. Su proceso constructivo emplea placas de CMC como encofrado perdido para la construcción de muros de hormigón y como base de encofrado para el forjado. 8 La velocidad de propagación de una onda longitudinal en un sólido depende del módulo de Young del material y de su densidad. 9 La EHE-2008 (Instrucción de Hormigón Estructural) establece como resistencia mínima de proyecto una fck superior a 2*107 N/m2, mientras que los proveedores de CMC (ej: Climablock®) plantean una resistencia mecánica del mismo inferior a 104 N/m2. Figura 6: Spalling. Fuente: elaboración propia 19 1.5.2. Fórmulas de hormigones de alta densidad y elevada ductilidad Existen hormigones de altas prestaciones en el mercado con potencial para mejorar la resistencia de las barreras de hormigón, tanto frente a detonaciones como ante impactos de proyectiles, conocidos como Ultra High Performance Concrete (UHPC). Uno de ellos es el RPC (Reactive Powder Concrete). Desarrollado en Francia en 1990 (19), este material contiene cemento, arena, polvo de cuarzo y microsílice, así como fibras de acero y aditivo superplastificador. Esta composición da como resultado una microestructura optimizada con una alta densidad (empleo de arena de granulometría inferior a 600 µm y de microsílice como relleno o filler). Este tipo de formulaciones presentan resistencia a la tracción de entre un 20% a un 50% superior a las fórmulas convencionales. El uso de plastificantes permite obtener los mejores resultados (20). En el proceso de elaboración de los prefabricados mediante RPC se somete el material a alta presión y temperatura, acelerando así la reacción puzolánica. Por último, se le añaden fibras metálicas para incrementar su ductilidad. Sus aplicaciones actuales son diversas, fundamentalmente en construcción y como contenedor de residuos radiactivos, debido a su baja permeabilidad. Con estas formulaciones de alta calidad, puede alcanzarse una resistencia a la compresión de incluso 200 MPa. (21) Se trata de un material con un gran potencial en obras de fortificación. En primer lugar, posee una gran resistencia a la penetración, lo cual lo hace óptimo ante ataques mediante armas de tiro tenso. En un reciente estudio de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Nanjing (China), se llevó a cabo la búsqueda experimental de un modelo para predecir la penetración de un proyectil en el RPC en diversas condiciones de temperatura, velocidad o masa del mismo. Como resultado, se obtuvo la conclusión de que la resistencia a la penetración del RPC es tres veces superior a la del hormigón de uso general. (22) Por otro lado, es de interés la investigación llevada a cabo por el Engineer Research and Development Center de los Estados Unidos sobre hormigones de altas prestaciones. Las fórmulas empleadas por este centro presentan una resistencia a la compresión superior a 150 MPa, y contienen altas proporciones de aglutinantes, con un ratio de agua/cemento muy bajo. Pueden además contar con un aporte en su interior de fibras como refuerzo a tracción (23). Existen desarrollos civiles de esta tecnología, como el Ductal®, así como ensayos militares con estos hormigones. En el Anexo H.2 de la presente memoria se presenta un desarrollo en mayor profundidad de estos productos. La fabricación de barreras tipo Bremer mediante este material aportaría mayor seguridad ante ataques explosivos o con arma de fuego. En combinación con la tecnología de recubrimiento expuesta en el punto anterior da lugar a una barrera de protección de altas prestaciones. Por otro lado, encontramos que la limitación fundamental del RPC es su alto coste, por lo cual puede priorizarse su uso en zonas de especial riesgo, o emplearse como alternativa la tecnología de revestimiento mediante CMC citada anteriormente. 1.5.3. Refuerzo superficial mediante polímeros reforzados con fibra de carbono Existen una amplia variedad de aditivos para hormigón basados en fibras de diversos materiales (fibra de vidrio, de polipropileno, nylon, Kevlar®, etc.). Su uso está relativamente extendido en la actualidad, tanto en el ámbito civil como militar, y no tiene un carácter innovador. Sin embargo, existen tecnologías emergentes relacionadas con las fibras como 20 refuerzo a tracción que resultan de interés para este estudio por no ser empleadas como aditivo, sino como recubrimiento, posterior al forjado del hormigón. Por tanto, pueden aplicarse sobre las barreras existentes. Una de ellas es el refuerzo externo de estructuras mediante polímero reforzado con fibra de carbono. Se trata de una técnica basada en introducir anclajes en pequeñas perforaciones en la barrera, unidos entre sí mediante hilos pretensados y una lámina en íntimo contacto con la misma, empleando como material CFRP (polímeros reforzados de fibra de carbono). En Chile ya se ha empleado CFRP aplicado de forma externa (como láminas y cordones) en zonas de riesgo sísmico, para reforzar o reparar muros de albañilería ante esfuerzos cíclicos de corte en el plano del muro, propios de un terremoto (24). Se diferencia del revestimiento de CMC en que basa su eficacia en su resistencia a tracción. Por tanto, no busca minimizar la transferencia de la onda de presión a la barrera, sino mantener cohesionada la superficie de la barrera, impidiendo que los fragmentos escindidos sean proyectados. Recientemente, el Instituto de Ingeniería de Missouri, en colaboración con el U.S. Army Engineer Research and Development Center (ERDC), ha planteado la posibilidad de emplearlo como refuerzo exterior para la superficie de edificios amenazados por ataques con artefactos explosivos. Esta colaboración ha engendrado una tecnología para aumentar la resistencia del hormigón ante detonaciones. El proceso completo consta de la aplicación de un polímero CFRP sobre la superficie del hormigón, en forma de lámina, cuya adherencia a la estructura aumenta mediante el uso de anclajes diseñados específicamente para este fin (25). En artículos posteriores, se definen las consideraciones de diseño de dichos anclajes para mejorar la resistencia de la unión entre ambos materiales ante grandes tensiones. Los ensayos muestran que el empleo de numerosos anclajes de reducido tamaño distribuidos sobre la superficie produce mejores resultados (26) que las técnicas de unión tradicionales (adhesivos, remaches, etc.). Como refuerzo adicional, plantea el añadido de placas metálicas sobre la estructura, para mejorar el desempeño del conjunto. Esta tecnología tiene amplias aplicaciones militares, como método de refuerzo de estructuras ya existentes en ZO, o como sistema de reparación de prefabricados de hormigón dañados. 6.1.4. Tratamientos de refuerzo anti-fragmentación en muros de bloque de hormigón prefabricado El uso más común del hormigón en prefabricados es en forma de bloques, unidos con mortero para levantar muros. Este material también produce el anteriormente mencionado problema ante detonaciones próximas, provocando la proyección de fragmentos a alta velocidad que actúan como metralla. Este efecto se intensifica en caso de existir alicatados o revestimientos estéticos. A diferencia de las barreras prefabricadas, en las cuales se puede incluir de fábrica una capa exterior de protección contra fragmentos, los muros de bloque de hormigón son construidos sobre el terreno mediante bloques, como si de un muro de ladrillo se tratara, y es necesario hallar un tratamiento que pueda aplicarse con posterioridad a su construcción. Es decir, la técnica mencionada en el punto anterior, que precisa de perforaciones precisas y de una gran superficie de lámina de protección, es demasiado compleja para llevarse a cabo 21 sobre el terreno por personal no especializado. En su lugar, se escoge un tratamiento basado en los mismos principios, pero mucho más sencillo de aplicar. Se plantea como solución la aplicación de mallas de revestimiento. En el Instituto Tecnológico La Marañosa se ha ensayado un revestimiento exterior con malla metálica perforada, con una luz del 7,5% (Modelo Ambasciata de Italfilm), y un revestimiento exterior adhesivo de fibra de vidrio (Mape Wrap de Mapei) o de fibra de basalto. Para los ensayos planteados, se construyeron muros con bloque de hormigón prefabricado 40x20x20 cm y se sometieron al efecto de cargas moderadas en detonación próxima (27). Se observó que en el caso de cargas moderadas, en el que no peligra la integridad del muro, la principal causa de daños personales es el spalling o ruptura de la superficie. En el ensayo se evaluó tanto el daño sufrido por la pared expuesta (mediante medidas puntuales de la variación del índice de rebote del hormigón antes y después de la detonación) como la cantidad de fragmentos proyectados. La Tabla siguiente muestra los resultados: Tabla 5: Masa de fragmentos y valores medios de daño en muro tras detonación. Fuente: Dena Arto, Á. (2014). II Congreso Nacional de i+d en Defensa y Seguridad, DESEi+d 2014. Ed. Centro Universitario de la Defensa, (Ensayo de soluciones constructivas para mejorar la seguridad de muros de fábrica frente a explosiones), 183–191. Retrieved from cud.unizar.es Los experimentos, realizados en el Instituto Tecnológico de la Marañosa (ITM) muestran que los revestimientos interiores, como la malla de fibra de basalto adherida al muro, reducen la proyección de fragmentos potencialmente peligrosos para el personal. 1.6. Sistemas de refuerzo de taludes, compactación del terreno y mejora de obstáculos naturales mediante el uso de prefabricados Tal y como se ha podido deducir del estudio de las publicaciones doctrinales de Ingenieros, es común en las obras de fortificación el enterramiento parcial o total de vehículos, refugios y puestos de mando. Unas condiciones deficientes del terreno, el tránsito de vehículos pesados, el desplome de los taludes durante la construcción, o el impacto de proyectiles explosivos en las inmediaciones de estas excavaciones pueden suponer un grave riesgo para el personal y los medios. Por ello, han de considerarse las ventajas de disponer de sistemas que permitan la estabilización y apuntalamiento del terreno. Su uso está intrínsecamente relacionado con los medios prefabricados, dado que gran parte de los mismos se emplean enterrados total o parcialmente. 22 1.6.1. Estabilización mecánica del terreno mediante medios fabricados en materiales compuestos En la actualidad, debido al empleo poco habitual de apuntalamientos en obras de fortificación, no existe material en dotación para este fin, y no se instruye al personal en lo relativo a técnicas de apuntalamiento. Este TFG propone, a partir del método de la Tierra Armada, el empleo de medios fabricados en materiales compuestos para construir “muros armados”. Dado que las obras de Zapadores tienen un carácter expedito y no se dispone de medios de análisis de suelos, necesarios para realizar cálculos geotécnicos complejos, se ha desarrollado en este trabajo un método de cálculo de muros armados simplificado. 1.6.1.1. Tierra armada La tecnología de la Tierra Armada consiste en la estabilización mecánica de un terraplén por medio de la inclusión de tiras metálicas, las cuales refuerzan el suelo por el efecto de interacción que se genera entre ambas superficies debido al rozamiento, aumentando significativamente su resistencia (28). Las tiras van unidas en su extremo a un muro de revestimiento, que sirve principalmente para prevenir el escape del relleno y que está constituido por diversas placas, pudiendo emplearse también malla metálica o geotextil como material de refuerzo (29). Este método de estabilización mecánica permite crear muros mediante sucesivas capas de material compactado procedente del terreno, y la inclusión de refuerzos de forma periódica entre dichos estratos. Para un conocimiento más detallado de la misma, se recomienda consultar el Anexo D.1 del presente TFG. 1.6.1.2. Prefabricados realizados en materiales compuestos como material de armado de muros Como evolución de la técnica existente para construcción de muros armados, se pueden diseñar medios de sujeción de tierras fabricados en materiales compuestos, que permitan realizar estas construcciones con las mismas o superiores prestaciones, y tengan un peso menor. Se plantea como material de sustitución del acero un polímero reforzado con fibra de vidrio o fibra de carbono. Debido a su menor coste y similares propiedades, se ha optado por la fibra de vidrio. No obstante, puede estudiarse el empleo futuro de otros materiales. La aplicación propuesta consiste en el empleo de un sistema tradicional de estabilización mecánica, fabricado en materiales innovadores. El prototipo descrito se ha fabricado y probado en el Centro Tecnológico de I+D+I de Acciona, construido en terrenos propiedad de la misma (30). En esta técnica intervienen dos categorías de elementos prefabricados diferenciados: elementos de refuerzo (flejes) y elementos de revestimiento (placas). Dada la preferencia por la fibra de vidrio expresada con anterioridad, se propone emplear como placas estructuras tipo sándwich mediante núcleos de poliuretano, formando placas Figura 7: Placas de material compuesto. Fuente: Jara Mori, G. (2008). Estudio de la aplicabilidad de materiales compuestos al diseño de estructuras de contención de tierras. Universidad Politécnica de Madrid. 23 laminares de fibra de vidrio y resina de poliéster sobre tela. Se emplea fibra de vidrio FV 0/90 con un gramaje de 500 g/m2, y resina de poliéster; y la posterior superposición de dichas telas hasta alcanzar una placa laminar del espesor deseado. Cuentan con un núcleo de poliuretano con una densidad de 40 y 70 kg/m3. Se debe controlar la rugosidad superficial de las placas, siguiendo la regla planteada por Frost y Han (1999) que relaciona de forma inversamente proporcional el tamaño medio de las partículas del suelo con la rugosidad de la placa para un óptimo coeficiente de rozamiento. (27) Como tirantes de refuerzo se han fabricado unos flejes de configuración laminar, formados por un compuesto de resina de poliéster reforzada con fibra de vidrio unidireccional 10 (FVUD) con un gramaje de 600 g/m2. El diseño de los flejes, coincidentes con la orientación longitudinal de las fibras, responde a la optimización de la resistencia a tracción, dado que la carga en el plano paralelo a las fibras es absorbida por las mismas. Sin embargo, se advierte que la conexión con las placas, donde el esfuerzo es máximo, debe reforzarse para evitar su desgaste. Finalmente, se propone como elementos conectores entre las placas y los flejes piezas en forma de L, fabricadas empleando fibras de vidrio con una configuración de 0/90 11 . Tras la construcción del prototipo, una de las primeras impresiones ha sido la facilidad de manejo de las placas, debido a su bajo peso, no siendo necesario el uso de maquinaria elevadora, como ocurriría en caso de emplearse hormigón o acero. Además, debido a esta reducida masa, no existe límite de altura en el apilamiento vertical de las placas. 10 En los tejidos FVUD las fibras son todas paralelas entre sí, diferenciándose así de los tejidos multiaxiales (e.g. FV 0/90) 11 Cuando se habla de tejido de fibra de vidrio, se designa como 0/X la orientación de una capa de fibras sobre la otra, siendo X un valor que representa el ángulo formado entre las fibras de las capas. En caso de ser fibra cuatriaxial (cuatro capas superpuestas) la configuración más habitual es de 0/90/+45/-45, siendo las capas perpendiculares dos a dos. Figura 8: Flejes de material compuesto. Fuente: Jara Mori, G. (2008). Estudio de la aplicabilidad de materiales compuestos al diseño de estructuras de contención de tierras. Universidad Politécnica de Madrid. 24 El principal inconveniente del empleo de materiales compuestos es su elevado precio. El Anexo D desarrolla en profundidad el proceso de fabricación de los medios necesarios para construir un muro mediante la técnica de Tierra Armada, empleando tanto los medios tradicionales como materiales compuestos. Además, incluye una comparativa de precios de materiales compuestos. 1.6.1.3. Método de cálculo simplificado para muros mecánicamente estabilizados Para el correcto dimensionamiento de los elementos de refuerzo es necesario un cálculo complejo, así como un análisis geotécnico y de composición del suelo, que no es práctico para ser realizado por una Unidad de Zapadores. Por ese motivo, este TFG expone un método de cálculo simplificado, cuya base teórica se fundamenta en el cálculo de la presión lateral ejercida por el terreno a partir de la presión vertical, fruto del peso del propio material y de las estructuras que soporta. A partir de ese dato, y conociendo el coeficiente de rozamiento entre la superficie de los refuerzos y el terreno, se calcula una estimación de la tracción soportada por los elementos de refuerzo. Su principal ventaja radica en la posibilidad de aplicar este método de cálculo sin necesidad de disponer de un laboratorio de suelos. Para emplear este método, se establecen las siguientes hipótesis sobre composición del terreno: suelo homogéneo, empuje lateral normal al muro, pared lisa y perfectamente vertical y coronamiento horizontal (Rankine, 1857). Además, se supone un suelo de carácter granular, se desprecia la influencia de la cohesión del terreno 12 , y se supone un nivel freático por debajo del límite inferior del muro. El método propuesto precisa de los siguientes datos como entradas. Nótese que dichos datos pueden ser estimados o medidos de forma sencilla y sin material analítico complejo. Características de las bandas de refuerzo Límite de fluencia Ángulo de los flejes Características de las placas de revestimiento Superficie Número de anclajes de flejes por placa Características del terreno Densidad media Características de elementos fijos suportados por el terreno Masa estimada Superficie estimada Tabla 6: Datos necesarios para aplicar el método. Fuente: elaboración propia 12 El valor del empuje activo, en un caso general, disminuye si se toma en cuenta la cohesión del terreno. Por tanto, al despreciarse la misma, se tiende a incrementar su valor, lo cual redunda en un dimensionamiento de mayores elementos de refuerzo, y mayor seguridad. Figura 9: Transporte manual de placas. Fuente: Castro, A. Á., Rojas, F. B., Granda, J. L., Muñoz, B. O., & Cisneros, D. G. (2006). Muro de Tierra Armada Mecánicamente Estabilizado Realizado en Material Compuesto. España. 31 1.9. Empleo de perfiles estructurales de fibra de vidrio como sustitutivo de la madera La doctrina recoge el empleo de tablones de madera como método tradicional para elaborar cubiertas en refugios subterráneos y con fines estructurales en asentamientos enterrados. Si bien posee numerosas ventajas (trabajabilidad, coste reducido, disponibilidad en gran parte del mundo, etc.), sus inconvenientes hacen necesario estudiar opciones que permitan reemplazar la misma por otros materiales tecnológicamente más avanzados. Entre dichos inconvenientes cabe citar: escasa resistencia a la humedad, vulnerabilidad al fuego, necesidad de mantenimiento y masa elevada cuando se emplea en grandes volúmenes. Este trabajo presenta como propuesta de sustitución los perfiles estructurales de aluminio, o los de PVC reforzado con fibra de vidrio. El aluminio se presenta como opción de sustitución para los perfiles IPE de acero. La densidad del aluminio es de 2700 kg/m3, aproximadamente un tercio de la del acero, 7830 kg/m3. Además, las características mecánicas de sus aleaciones de alta resistencia son óptimas para su uso en fortificación. Como inconveniente, destaca su elevado coeficiente de dilatación térmica lineal, de 23x10-6 °C-1., y que la soldadura del aluminio es más compleja que la del acero. A fin de obtener criterios comparativos precisos entre las opciones mencionadas, se ha llevado a cabo una simulación mediante el software TwoDFrame® de simulación estructural en dos dimensiones, en el cual se ha diseñado la estructura necesaria para construir un refugio enterrado de 90 m3 en tres casos diferentes: 1. Caso 1: estructura y cubierta en vigas de madera de sección cuadrada de 0,2 m. 2. Caso 2: estructura portante en perfiles IPE 200 de acero S235 con cubierta de madera, de los perfiles cuadrados anteriores. 3. Caso 3: estructura de perfiles IPE 200 en aluminio AlMgSiO con cubierta de madera Para conocer las solicitaciones que actúan sobre la estructura, se ha supuesto una capa de tierra seca no compactada cubriendo el refugio, y se ha modelado la misma como una carga uniformemente distribuida, de valor 7595 N/m2. Para este análisis se ha tomado un solo pórtico en cada caso, compuestos por dos pilares y un dintel. Se ha calculado la masa total de cada uno de los tres pórticos analizados, así como la distribución de esfuerzos y la deformación de la estructura. Para evaluar la deformación, se ha medido el desplazamiento lineal del punto medio de cada uno de los perfiles. Los resultados obtenidos se reflejan en la Tabla 8. Desp. pilar Desp. dintel Desp. pilar Desp. dintel Caso 1 0,01 mm 0,85 mm Caso 2 0 mm 0,74 mm Caso 3 0,03 mm 1,12 mm Caso 3 0,03 mm 1,12 mm Relación 300% 131% Relación - 151% ΔMasa 80,1 kg ΔMasa 56,54 kg Tabla 8: Comparativa entre perfiles. Fuente: elaboración propia 32 Los resultados concluyen que, si bien la deformación del tercer pórtico es superior a la de los dos casos anteriores, la reducción de masa respecto de la tradicional opción de empleo de madera es sustancial (dada una masa del pórtico de madera de 224 kg, se logra una reducción del 36% en la masa total). El proceso completo de preparación de la simulación, así como los resultados obtenidos y el análisis de los mismos se desarrolla en el Anexo G del presente TFG. En el caso del PVC reforzado con FV, se han analizado los productos de varias casas comerciales (Strongwell, Siesa, Fibergate y Tecnipul). Finalmente, se ha seleccionado como fuente de datos para este estudio la marca Dynaform de la empresa Fibergrate, pues ofrece perfiles estructurales pultruidos en diversas formas y tamaños. Una de las ventajas de la adquisición de perfiles estructurales de plástico reforzado con fibra de vidrio comerciales frente al empleo de tableros de madera cortados en obra radica en la estandarización de los mismos. Todos los perfiles analizados han sido evaluados para determinar sus propiedades físicas conforme a procedimientos estandarizados de la Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales (ASTM). Dado que dichos perfiles son sometidos a ensayo y se conocen con precisión sus propiedades y características, los cálculos de dimensionamiento de las estructuras son más sencillos que con madera. Ambas opciones de perfiles propuestos se detallan en mayor profundidad en el Anexo G. Conclusiones Este estudio surge debido a la creciente necesidad de disponer de fortificaciones más rápidas de construir, con materiales fáciles de transportar a grandes distancias y con un alto grado de protección frente a las nuevas amenazas en ZO, en especial los ataques con explosivos desde el perímetro de la base. Además, debido al carácter cambiante de las recientes misiones de las FAS, se hace necesario actualizar los medios de fortificación, diseñados para responder a las necesidades de los anteriores escenarios de actuación, y orientados al combate convencional. Por este motivo, se ha realizado un análisis mediante la consulta de las publicaciones más recientes y la asesoría del personal militar que ha participado en las últimas misiones, el cual ha servido para definir requisitos con los que orientar la prospectiva tecnológica, objeto de este TFG. Las tecnologías, técnicas y productos seleccionados, además de cumplir estos requisitos, aumentan el grado de protección de la Fuerza y hacen más sencillo y rápido el trabajo de fortificación. La principal mejora expuesta pasa por aumentar la resistencia de las barreras de hormigón frente a detonaciones, mediante el empleo combinado de revestimientos anti-fragmentación con láminas de polímero reforzado, junto con las formulaciones de hormigón de altas prestaciones. Por otro lado, se ha detectado que no existe una tecnología moderna de estabilización del terreno, ante lo cual se propone implementar un sistema mecánico mediante materiales ligeros fabricados con composites. Finalmente, se propone emplear productos existentes en el mercado, de uso civil, en el ámbito de la fortificación. Entre ellos, destaca la 33 poliurea como tratamiento para mejorar la protección de superficies frente a impactos de bala o metralla, así como la adquisición de implementos tipo grúa para la retroexcavadora en dotación, o la sustitución de los tablones de madera por perfiles estructurales ligeros, de aluminio o PVC reforzado. Líneas futuras de trabajo Durante la realización del presente TFG, se ha llevado a cabo una prospectiva tecnológica enfocada en los principales centros de investigación extranjeros, así como en centros españoles, como el Instituto Tecnológico La Marañosa, o en diversas Universidades de todo el mundo. Fruto de todo ello, se han seleccionado las tecnologías expuestas en la Memoria. No obstante, diversas tecnologías y productos analizados durante la realización de este proyecto no figuran en la misma, por no cumplir con los requisitos definidos, o por considerarse inferiores en sus prestaciones a las seleccionadas. Se propone mantener una vigilancia tecnológica sobre las fuentes empleadas para este estudio, así como llevar a cabo periódicamente análisis como el reflejado en esta Memoria, a fin de mantener los medios de fortificación en un estado lo más actualizado posible. En el Anexo H se nombran tanto centros de investigación como tecnologías concretas, que sirven de punto de partida para futuras prospectivas. Asimismo, tal y como se menciona en la propuesta del presente TFG, es necesario llevar a cabo un estudio económico para garantizar la aplicabilidad de las tecnologías y medios descritos. En último término, una vez localizados los materiales o las soluciones más adecuadas técnicamente, será necesario un estudio económico para tener la justificación completa de la inversión. 34 Bibliografía 1. Nato Standardization Office. (2015). Allied Joint Doctrine for Force Protection. In AJP-3.14 (A Version). 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Cálculo de rendimiento en puesta en obra de un módulo MIL 1 5442 HESCO Volumen total = 13,85 m3 Rendimiento por hombre en movimiento de tierra suelta = 0,4 m3/h Tiempo estimado manual =13,8/(0,4*9)= 3,84 h *Se considera que, debido al método de trabajo usualmente empleado (un trabajador dentro de cada celda) solo podrán trabajar 9 hombres por módulo. Rendimiento de retroexcavadora = 60 m3/h Tiempo estimado maquinaria=13,8/60=0,23h Figura 14: Gavión Hesco. Fuente:www.hesco.com 47 material de relleno con propiedades concretas, y específicas para cada caso particular, y la corrosión de las bandas de refuerzo. D.1.1. Proceso constructivo mediante la técnica de Tierra Armada Para compactar el terreno, o construir un muro, se colocan de forma ordenada en un terraplén bandas de acero de refuerzo, en planos horizontales, que se unen a unas placas prefabricadas que conforman el paramento del muro. Las bandas o armaduras suelen ser de chapa metálica de varios metros de longitud (aproximadamente un 80% de la altura del muro), de 2 a 12 cm de anchura y de 3 a 5 mm de espesor. Con esta técnica se construyen muros verticales de 25 a 30 m de altura (42). De forma expedita, puede construirse un muro con esta técnica mediante la inclusión de cualquier tipo de material de refuerzo laminar en posición horizontal entre estratos sucesivos de tierra. Sin embargo, en caso de emplearse un sistema de contención (e.g. paramento de placas de hormigón), un sistema de drenaje o aportar material para mejorar la granulometría o las propiedades físicas del terreno, aumenta de forma drástica la efectividad de esta técnica. La secuencia constructiva de un muro de Tierra Armada es la siguiente: 1. Excavación de la caja en el terreno. En caso de contemplarse la instalación de un sistema de drenaje, se tomará en consideración para el dimensionamiento de dicha excavación. 2. Montaje de la primera línea del sistema de contención en los laterales del muro. 3. Primera tongada de material y compactación de la misma. 4. Instalación de la primera línea de refuerzos (unión de los mismos a las placas de paramento del sistema de contención). 5. Segunda tongada y compactación. 6. Montaje de la segunda línea del sistema de contención. Este proceso continúa de forma iterativa hasta lograrse un muro de la altura deseada. De esta forma, la tensión desarrollada dentro de la masa de tierra se transmite a las bandas de refuerzo por medio de la fricción que esta masa ejerce sobre ellas. Los refuerzos trabajan a tracción a través de las fuerzas de tensión ejercidas por el suelo. D.1.2. Principio de la Tierra Armada Si se deja caer una cierta cantidad de arena seca sobre una superficie horizontal, dicha arena tiende a formar un cono. La pared de este cono responderá a su ángulo de talud natural. En este caso, este ángulo depende de las propiedades y composición tanto del material arenoso depositado, como de las características de la superficie. La teoría de Coulomb (1776) Figura 18: Detalle de las bandas y del paramento de un muro de Tierra Armada. .Fuente http://www.terre-armee.com/ 48 establece como criterios el grado de cohesión del suelo 17 , la homogeneidad de su composición, su grado de isotropía 18 y el drenaje existente. Estas variables determinan el grado de fricción interna del terreno. A mayor fricción interna, mayor será el ángulo del talud natural del terreno. Esta afirmación puede comprobarse de forma intuitiva mediante el sencillo experimento de arrojar sobre una superficie dos muestras de material: la primera compuesta por material pulido (como el extraído del lecho de un río) y la segunda, por material de superficie rugosa (por ejemplo, procedente de machaqueo). La primera muestra formará un cono de menor altura y base mayor que la segunda, pues el rozamiento entre las partículas que la componen es interior a la segunda. Además, tanto Coulomb (1776) como Rankine (1857) determinan que la distribución de las fuerzas que actúan en el interior de una masa de tierra (como un muro de contención vertical, sometido exclusivamente a la acción de la gravedad) es triangular y paralela al suelo. Es decir, el empuje vertical de la gravedad se traduce en un vector horizontal hacia el exterior de la masa de tierra, que aumenta su módulo con la proximidad al suelo. La Tierra Armada basa su funcionamiento en el incremento del rozamiento interno, mediante la inclusión de elementos en su interior. El principio fundamental en que se basa esta técnica es el de la sustentabilidad del terreno a través de la fricción entre los elementos de refuerzo y el propio terreno. Las fuerzas horizontales antes mencionadas se transmiten a las bandas de refuerzo a través del rozamiento entre su superficie y el propio terreno. Estas fuerzas transmitidas a los refuerzos se traducen en esfuerzos de tracción sobre los mismos. Por tanto, esta distribución de fuerzas triangular incremental antes mencionada pasa a ser una distribución en forma de sierra, pues los esfuerzos se distribuyen entre las diferentes capas de flejes instalados. El conjunto se comporta como si tuviera una cohesión proporcional a lo largo de la dirección de los refuerzos. Sin embargo, suponiendo un muro de contención con una cara apoyada en el talud natural y otra libre, la tensión es diferente en el extremo del refuerzo más cercano al talud natural (es cero) respecto al extremo donde éste se une al paramento (dependiente de la cantidad de refuerzos que contenga cada pieza del paramento). Ello demuestra que los elementos más importantes en estas estructuras son las bandas de refuerzo, pues son las 17 Depende fundamentalmente del grado de material arcilloso en su composición. 18 Un material isótropo tiene las mismas propiedades en todo su volumen y en todas direcciones. Figura 19: Distribución de fuerzas. Fuente: www.enriquemontalar.com 49 que soportan los esfuerzos principales. Esta interacción entre terreno y refuerzos permite que dicha masa de tierra se comporte como un material elástico con una gran mejora en la resistencia a la fractura. D.2. Propuesta de empleo en obras de fortificación militar Desde el punto de vista de la fortificación militar, uno de las ventajas más importantes de los muros de Tierra Armada está en su gran flexibilidad. Esta estructura es capaz de soportar deformaciones sin presentar problemas estructurales de entidad, debido al comportamiento elástico del terreno estabilizado. Esta elasticidad del terreno viene determinada por la de los flejes empleados como refuerzo. En función del material empleado en los mismos, y de su límite de fluencia, el muro podrá soportar mayores deformaciones antes de sufrir daños estructurales. En el campo de la construcción, la naturaleza flexible de los muros de Tierra Armada hace que esta estructura sea adecuada para los casos en que, por propia naturaleza del terreno, se esperen asentamientos diferenciales en la cimentación. También ha tenido un gran resultado su uso en áreas de gran actividad sísmica. Por ello, se trata de un método de fortificación a considerar en despliegues militares donde sean necesarios movimientos de vehículos pesados en las inmediaciones de la fortificación o sobre las propias estructuras, debido a que la presión ejercida por estos vehículos sobre el terreno tiende a producir depresiones en el mismo, lo cual perjudica las construcciones con cimentaciones poco flexibles. 19 La construcción de muros con esta técnica en el ámbito civil ha sido objeto de diversas normalizaciones. Los muros de Tierra Armada tienen una vida útil próxima a los 50 años, y precisan para su construcción de un estudio detallado del terreno, realizado en un laboratorio de suelos con material especializado (43). No obstante, y debido al carácter temporal de las obras de fortificación militares, y a la limitada disponibilidad de medios de análisis de suelos, el diseño de muros mediante la técnica que nos ocupa puede realizarse de forma expedita. Dado que las obras de fortificación se encuentran estandarizadas hasta cierto grado, se debe contemplar el diseño y configuración de módulos de estabilización del terreno. Con vistas a una logística optimizada, se propone comenzar dotando a las Unidades de Zapadores de un "Módulo Básico" de componentes para apuntalar terrenos y realizar estructuras elementales de fortificación. D.3. Empleo de materiales compuestos en los medios de estabilización del terreno El principal problema que presenta el empleo de materiales compuestos frente al acero es su elevado coste. La fibra de vidrio unidireccional (FVUD) ha sido seleccionada para este trabajo, por su menor coste respecto de la fibra de carbono, y sus propiedades similares. 19 Como ejemplo, en la Base Militar “El Goloso”, donde es habitual el tráfico de vehículos pesados (TOA M-113, CC “Leopardo”, CZ “Alacrán”, etc.) se prohíbe la circulación de los mismos cerca de los muros exteriores de ciertas edificaciones, y deben guardar una distancia de seguridad respecto de los bordillos de las carreteras adoquinadas. 50 Figura 20: Coste materiales compuestos. Fuente: elaboración propia. En España, la Universidad Politécnica de Madrid ha realizado un estudio experimental de la fricción superficial entre materiales compuestos y dos tipos de suelos característicos de la ciudad de Madrid. Los ensayos de rozamiento realizados en laboratorio indican que la rugosidad de las placas del material compuesto es el factor que más influye para cada tipo de suelo. Tanto la arena tosquiza como la arena de miga, presentan un rozamiento adecuado con los materiales compuestos empleados en el ensayo y ambos tipos de tierra pueden ser empleados en estructuras de tierra mecánicamente estabilizada (44). Además de la adecuada interacción con el terreno que acabamos de mencionar, los materiales compuestos presentan características de ligereza, robustez y resistencia, mecánica y química, muy adecuadas para su utilización en esas estructuras de tierra. Aunque su empleo en construcción y obra civil está suficientemente documentado, su utilidad para fabricar componentes de tales estructuras de tierra parece un campo bastante innovador. Una simulación por software de una estructura de tierra mecánicamente estabilizada, comparando el comportamiento de la estructura realizada con elementos típicos, revestimiento de hormigón y bandas de refuerzo de acero, y de una estructura en base a materiales compuestos, muestra que los materiales compuestos se comportan con algo menos rigidez que los materiales típicos, pero dentro de las tolerancias admitidas para este tipo de construcción. No obstante, se propuso realizar mediciones sobre un prototipo de estructura real con materiales compuestos para verificar los resultados de la simulación. Dicho prototipo fue fabricado e instalado por el Centro Tecnológico de I+D+i de la empresa Acciona. Figura 21: Malla de elementos finitos definida para análisis de muro de tierra mecánicamente estabilizada. Fuente: Jara Mori, G. (2008). Estudio de la aplicabilidad de materiales compuestos al diseño de estructuras de contención de tierras. Universidad Politécnica de Madrid. 51 La estructura elegida se dimensionó con una altura de 4 m y una longitud máxima de 19,50 m, un revestimiento cubierto por placas de 1,50 x 1,50 m (en 3 filas, la primera de un metro de altura), y bandas de refuerzo de 3,20 m de longitud, separadas verticalmente entre sí 0,75 m . En el prototipo se contempló la utilización de paneles tipo "sandwich", con núcleo de poliuretano y láminas de fibra de vidrio y resina de poliéster sobre tela, así como bandas de refuerzo también de fibra de vidrio con poliéster. Estos compuestos fueron elegidos para el prototipo por sus buenas propiedades mecánicas y químicas y su precio de fabricación no elevado. Cada panel "sandwich", de 10 cm de espesor y 33,75 Kg de peso, del prototipo estaba formado por un alma de dos capas de poliuretano con una densidad de 70 Kg/m3, revestida con dos láminas de compuesto a base de fibra de vidrio (gramaje 500 g/m2) y resina de poliéster. El compuesto de las bandas de refuerzo comprende un laminado de dos capas de fibras de vidrio dispuestas unidireccionalmente (gramaje 600 g/m2) y de resina de poliéster, laminado que se reforzó en la zona de unión de la banda de refuerzo al panel "sandwich" con cuatro capas adicionales de fibra de vidrio 0/90 y la resina de poliéster (28). De los resultados de las pruebas, se deduce que el empleo de los materiales compuestos en estructuras de contención de tierras es una alternativa técnicamente viable y sujeta a un desarrollo importante, dada las ventajas comparativas de estos materiales respecto a los de uso tradicional. Por ello, aparte de conocer los estudios teóricos en el campo de los materiales compuestos, nos hemos propuesto analizar los productos, basados en dichos materiales, que actualmente se encuentran en el mercado para levantar estructuras de contención de tierras. Al igual que en el estudio que ya hemos llevado a cabo sobre la técnica de Tierra Armada, el objetivo que ahora perseguimos es deducir la posibilidad del uso de productos comerciales fabricados en materiales compuestos por parte de las Unidades de Zapadores. Siguiendo con el prototipo anteriormente mencionado, se han buscado diversas formas de resolver el problema de la unión entre los paneles y los flejes. En una primera versión, el panel incluye los conectores en un sistema de machihembrado horizontal, con una parte macho y una parte hembra del conector conformando el panel, formando así ambas partes una única pieza. En una segunda versión, los conectores son piezas independientes de los paneles; así, la conexión entre las bandas de refuerzo y los paneles se realiza mediante dichos conectores y dichas bandas se fijan a los conectores mediante los perfiles conectores. 52 Un producto de reciente aparición en el mercado, reemplaza los clásicos paneles de hormigón de los revestimientos por piezas plásticas de pequeño tamaño. Al igual que en la invención que acabamos de ilustrar, estas piezas se unen entre sí mediante perfiles de conexión. El elemento interno de la pieza de revestimiento tiene un hueco que se rellena de tierra. A su vez, la pieza interna se une a un panel que formará la cara externa de la estructura, y que puede adoptar diversas formas según las necesidades. Por otro lado, estas piezas se unen a elementos de refuerzo embebidos en el terreno, que se va compactando tras colocar cada fila de paneles y refuerzos. Este producto se ha utilizado en EE.UU. para construir estribos de puentes. Gracias a los avances de la investigación, también las bandas de refuerzo fabricadas en nuevos materiales poliméricos han comenzado a tener amplia difusión en el mercado, sobre todo por sus características de baja elongación, baja tendencia al deslizamiento, buen comportamiento en términos de resistencia mecánica y química, así como baja sensibilidad a los ciclos seco-húmedo. Figura 22: Vista en perspectiva del panel. Primera Versión. Con el nº 6 se señalan los conectores a las bandas de refuerzo Fuente: Patente E11382366 Figura 23: Vista en perspectiva de realización del muro con los paneles curvados. Fuente: Patente E11382366 53 Normalmente, estas bandas de refuerzo se componen de canales compactos de fibras de material polimérico dispuestos ordenadamente en una matriz de polímero más simple, que actúa de envuelta del producto. El material es especialmente resistente a la presencia de sales en el terreno y muy adecuado para emplear donde el material de relleno de las estructuras de suelo estabilizado sean muy alcalinas. Dos tipos de bandas de refuerzo son los de mayor empleo en contención de terrenos actualmente: los refuerzos compuestos por fibras de alcohol de polivinilo (PVA) envueltas por una vaina de polietileno y los refuerzos a base de fibras de poliéster envueltas, también envueltas por una vaina de polietileno. (45) 54 ANEXO E. Tratamiento de protección de superficies mediante poliurea E.1. Producto propuesto La poliurea es un tipo de polímero sintético obtenido de la reacción de un diisocianato con una diamina, en una reacción de polimerización por condensación similar a la del poliuretano, excepto porque en el caso que nos ocupa el enlace formado corresponde al enlace urea. La poliurea puede alcanzar grandes elongaciones y alta resistencia a la abrasión, por lo que su uso como recubrimiento de protección se encuentra muy extendido. Dentro de la familia de las poliureas existen diferentes polímeros, diferenciados por el número y tipo de grupos presentes. Cada uno de los mismos reúne propiedades y características concretas, que lo hacen apto para aplicaciones específicas. La poliurea, en función de su estructura química, puede ser de dos tipos: alifática o aromática. La poliurea aromática es más tenaz, aunque no resiste a la exposición de los rayos UV, produciéndose cierta decoloración y pérdida de brillo, lo que no la hace recomendable para aplicaciones “cara vista”. Por el contrario la poliurea alifática es resistente a la radiación UV por lo que es excelente como capa de acabado. (46) Existen múltiples marcas comerciales que distribuyen tratamientos con poliurea para usos de protección de superficies. En este anexo se hará una exposición breve de un producto recomendado, así como de un posible método de aplicación. La casa a la que se ha consultado ha sido Tecnolopol Sistemas S.L. Se trata de una empresa situada en Parets del Vallès, especializada en maquinaria para proyección e inyección de poliuretano de alta y baja presión, así como en tratamientos de protección superficial mediante sistemas líquidos empleando polímeros de alta tecnología. Se ha recurrido a los asesores de la mencionada casa comercial para definir qué tipo de poliurea es más adecuada para estas aplicaciones. Los requisitos que se han planteado han sido: I. Se busca un producto resistente a la abrasión. Dado que los actuales Teatros de Operaciones de las FAS se sitúan en escenarios desérticos, donde es habitual la abrasión de las superficies expuestas a la acción del viento debido al arrastre de material arenoso por el mismo, se busca un producto que garantice la resistencia a dicha contingencia con una pérdida de masa mínima y una pérdida de espesor reducida. II. El producto solicitado debe aumentar la protección frente a proyecciones de metralla, detonaciones próximas de pequeña y mediana entidad e impactos de bala. III. El tratamiento recomendado debe poder aplicarse con medios reducidos y sencillos, permitiendo la reparación de desperfectos sobre el terreno, sin necesidad de evacuar los materiales tratados. Dadas las mencionadas prescripciones técnicas, se ha recomendado el tratamiento mediante poliurea TECNOCOAT P-2049. Entre sus ventajas, destaca la de ser un tratamiento único: además de protección frente a impactos, ofrece impermeabilización de la superficie tratada y sellado de la misma. Se trata de un producto líquido, suministrado en dos contenedores separados. El recubrimiento se forma con dos componentes altamente 55 reactivos en formato líquido, isocianatos y aminas, pulverizados a través de un equipo reactor de proyección, para formar una membrana sólida, completamente continua, sin juntas ni solapes. (47) Sus principales propiedades, de acuerdo al fabricante, se enuncian a continuación. Tabla 9: Características poliurea Tecnocoat. Fuente: Corporativa, R. I., Manzano, Z., Fuente, A., & Humano, C. (2016). Ficha técnica Tecnocoat P-2049. Barcelona: Tecnopol. Retrieved from www.tecnopol.es E.1.1. Características generales más destacadas Entre las características presentadas por el fabricante en la ficha técnica de producto, merecen especial mención las siguientes: La empresa Tecnopol garantiza la durabilidad del tratamiento, hasta un periodo de 25 años para un espesor mínimo de 1,4 mm. Además, se certifica su adherencia sobre cualquier superficie limpia y firme, citando entre ellas: hormigón, cerámica, metales, espuma de poliuretano, madera, láminas asfálticas/bituminosas, materiales cementosos y pinturas acrílicas. Conforme al Código Técnico de la Edificación, y según el documento básico DB SUA 1, Clase 3 ENV 12633:2003, ofrece la posibilidad de formación de acabados anti deslizantes añadiendo partículas sólidas. En este Documento Básico se establece la normativa referente a resbalacidad de los suelos, o resistencia al deslizamiento (Rd) de una superficie. E.1.2. Limitaciones del producto A continuación se enuncian las principales limitaciones que presenta este tratamiento, deducidas de la ficha técnica de producto: El sistema TECNOCOAT P-2049 necesita de una protección a la radiación solar (rayos UV) para mantener sus propiedades físico-mecánicas, ya que se trata de una membrana aromática. Por este motivo, la marca ofrece un sistema en el que figura la aplicación final de una resina de poliuretano alifático (recomendada TECNOTOP 2C/2CP) en los casos de no existir protección con otros elementos físicos. Además, su periodo de caducidad es de 12 meses, y precisa de unas condiciones de temperatura de entre 5ºC a 25ºC en ubicaciones secas para obtener un acabado en condiciones óptimas. 56 E.1.3. Certificaciones y ensayos de producto El producto TECNOCOAT P-2049 se encuentra certificado por numerosas instituciones internacionales. Entre las mismas, destacan: certificación de producto por el British Board of Agrement (BBA) con número de certificado 16/5340, certificación con 25 años de garantía por la Organización Europea de Asesoría Técnica (EOTA), sello de Conformidad Europea y cumplimiento de la norma UNE-EN 1504-2 de productos y sistemas para la protección y reparación de estructuras de hormigón emitida por la Asociación Española de Normalización y Certificación (AENOR). Por otro lado, la Fundación Cidaut, especializada en investigación y desarrollo en el sector del transporte y la energía, ha llevado a cabo un ensayo de resistencia a impacto sobre una superficie metálica tratada con poliurea. (48) El mencionado ensayo refleja el excelente comportamiento de la poliurea como recubrimiento protector frente a impactos de proyectiles. Para tal ensayo, se empleó un proyectil esférico de 80g, proyectado a una velocidad de 83 m/s. La muestra se colocó en un ángulo de incidencia no superior a 30º. Figura 24: Ensayo de resistencia a impacto. Muestra inicial. Fuente: Centro de Investigación y Desarrollo en Automoción. (2014). Informe de Esayo de Impacto de Balasto IE-E14_1579. Retrieved from www.cidaut.es Figura 25: Ensayo de resistencia a impacto. Muestras finales. Fuente: Centro de Investigación y Desarrollo en Automoción. (2014). Informe de Esayo de Impacto de Balasto IE-E14_1579. Retrieved from www.cidaut.es 63 Tabla 11: Cazos JCB. Fuente: JCB. (n.d.). Manual del operador JCB 3CX. Retrieved from www.jcb.com Como se ha observado, los cazos pueden alcanzar masas del orden de los 200 kg. Esta cifra, sumada a la masa del propio enganche de izado, que ronda los 80 kg; ha de sustraerse de la carga máxima admisible de izado del brazo hidráulico. Por ello, se obtiene una carga de izado efectiva escasamente superior a los 700 kg. En caso de reemplazarse este cazo por un implemento específico, además de obtenerse funcionalidades y características adicionales (posibilidad de manejo vertical mediante la recogida de un cable, mayor seguridad para el personal, no es necesario disponer de eslingas o cadenas, etc.), la carga máxima de izado se ve incrementada. De esta información se deduce que la capacidad de izado y amplitud de movimientos quedan limitados si la máquina se emplea en su configuración actual. Para obtener la potencia y capacidad de transporte adecuada, así como la posibilidad de movimiento tridimensional, será necesario añadir accesorios específicos. 64 Por ejemplo, actualmente para utilizar cadenas de izado, sin otros accesorios, y con el cazo correspondiente montado, deben unirse esas cadenas al gancho situado en el extremo del balancín. El movimiento de elevación de la carga se consigue subiendo el balancín y para trasladar la carga hacia dentro o hacia fuera, de forma limitada, habrá que recoger o abrir el cazo. F.2. Implementos para el izado de cargas Para comenzar a obtener mayor funcionalidad, el accesorio más sencillo es el gancho de grúa mecánico que puede instalarse en el extremo del balancín, una vez retirado el cazo para excavar. Si se combina este gancho con el balancín extensible, se posibilita un mayor alcance de los movimientos hacia arriba y hacia delante en modo grúa, teniendo en cuenta que para manipular cargas grandes la máquina queda fija sobre el terreno y sus estabilizadores han de estar desplegados. Por su parte, la pluma articulada permite pivotar el brazo hasta 30 grados a cada lado de la línea central de la máquina, lo que permite una mayor facilidad y precisión para colocar las cargas en el lugar deseado. La capacidad de carga máxima del gancho de grúa es de 1 Tm si se monta en el balancín. En caso de que el gancho se instale sobre las horquillas adicionales, que pueden añadirse a los brazos de la pala, en la parte delantera de la máquina, la capacidad máxima llega a 4 Tm: Figura 32: Empleo de cadena para izado. Fuente: JCB. (n.d.). Telescopic Handler Attachments Guide Construction & Industrial. Retrieved from www.jcb.com Figura 33: Gancho-grúa. Fuente: JCB. (n.d.). Telescopic Handler Attachments Guide Construction & Industrial. Retrieved from www.jcb.com Figura 34: Implemento balancín. Fuente: JCB. (n.d.). Telescopic Handler Attachments Guide Construction & Industrial. Retrieved from www.jcb.com 65 Tabla 12: Capacidad de carga por implemento. Fuente: JCB. (n.d.). Telescopic Handler Attachments Guide Construction & Industrial. Retrieved from www.jcb.com El montaje del gancho de grúa sobre la pala permite, por tanto, cargar pesos mayores, aunque se pierde la versatilidad y precisión de movimientos que proporciona el montaje sobre el balancín. Para obtener un mayor alcance y poder manejar cargas voluminosas y componentes prefabricados, JCB propone la utilización de un brazo de extensión (52) provisto de un gancho giratorio. Dado que se incrementa el momento que ejerce la carga a manipular, aun ganando en alcance, la capacidad máxima que se indica para este accesorio se queda en 400 Kg. Figura 35: Izado de tubo prefabricado de hormigón. Fuente: www.jcb.es Figura 36: Implemento carretilla elevadora. Fuente: JCB. (n.d.). Telescopic Handler Attachments Guide Construction & Industrial. Retrieved from www.jcb.com Figura 37: Extensor grúa. Fuente: JCB. (n.d.). Telescopic Handler Attachments Guide Construction & Industrial. Retrieved from www.jcb.com Figura 38: Implemento extensor grúa. Fuente: JCB. (n.d.). Telescopic Handler Attachments Guide Construction & Industrial. Retrieved from www.jcb.com 66 Si por alguna circunstancia se debe trasladar una carga utilizando la máquina en movimiento, el fabricante ha diseñado un equipo de elevación para la parte delantera en dos versiones, mecánica e hidráulica. Las dos piezas triangulares de la parte anterior del equipo, junto con unos grilletes, sirven para inmovilizar la carga durante el movimiento. La versión mecánica del equipo pesa 230 Kg y la versión hidráulica, 320 Kg. La carga máxima para ambas versiones no debe sobrepasar los 300 Kg. Vistas las opciones disponibles, se considera que esta máquina JCB debería ser equipada, al menos, con el gancho grúa anteriormente descrito. La Unidad cuenta también con una retroexcavadora del fabricante turco Hidromek y dos retrocargadoras, modelo RC-5, de la empresa española AUSA. Estos modelos no contemplan los implementos específicos para el empleo del modo grúa. Por ello, sólo se ha considerado para este propósito el modelo de JCB, tal como se ha venido describiendo detalladamente. Figura 39: Empleo del extensor grúa. Fuente: JCB. (n.d.). Telescopic Handler Attachments Guide Construction & Industrial. Retrieved from www.jcb.com Figura 40: Implementos para retroexcavadora. Fuente: JCB. (n.d.). Telescopic Handler Attachments Guide Construction & Industrial. Retrieved from www.jcb.com 67 F.3. Resultados de experimentación en el BZ. XII Se ha llevado a cabo un ensayo en la Base Militar “El Goloso” (Madrid), empleando una retroexcavadora JCB 3CX, con un cazo de 0,12 m3 de masa 112 kg. El objeto desplazado es un cilindro de hormigón armado con peldaños interiores de PVC, para uso en conducciones y drenajes de agua, de medidas 0,16 x 0,6 x 1,2 m. Se ha estimado la masa del elemento suponiendo que se trata de un hormigón convencional HA-25 con clase de exposición IIb, con una densidad (53) de 2350 kg/m3. El volumen total del elemento prefabricado es de 0,6269 m3, simplificando la forma del mismo equiparándola a un cilindro hueco (no se tiene en cuenta la forma irregular del borde). Por tanto, la masa total estimada del elemento es de 1473 kg. 20 Como elemento de amarre entre el tubo de hormigón y el cazo de la retroexcavadora, se ha empleado una cuerda dinámica de poliamida, de masa 0,054 kg/m con una fuerza de choque 21 de 7,8 kN. El alargamiento estático de esta cuerda es del 9,2%. Sin embargo, dada la corta distancia entre los puntos de amarre sobre el tubo y el cazo de la retroexcavadora, se considera despreciable dicha elongación, por lo cual se tratará la cuerda como estática. El ensayo consiste en el desplazamiento del elemento prefabricado hacia el interior de un pozo, de cota 5 m bajo el nivel del suelo. El elemento prefabricado parte de una posición inicial cercana al límite del pozo, girado 90º respecto de su eje vertical en la posición final deseada. Para la correcta ejecución del trabajo, es necesario elevar el elemento, desplazarlo horizontalmente hasta situarlo sobre la vertical de la posición final deseada, realizar un giro de 90º respecto del eje vertical del elemento, y colocarlo 20 Se desprecia, a efectos de cálculo, la masa de los escalones de PVC, así como de la armadura de acero B500S interior. 21 La fuerza de choque corresponde al esfuerzo transmitido por una masa a una cuerda en una caída. No es representativa de los esfuerzos que realmente se generan, pues intervienen diversos factores relativos a los elementos de unión (eslingas de unión entre el tubo y la cuerda, protecciones colocadas en el cazo, etc). Figura 41: Tubo de hormigón. Fuente: elaboración propia Figura 42: Método expedito de colocación de elemento prefabricado. Fuente: elaboración propia. 68 con precisión sobre la superficie inferior del pozo. Para tal fin, fue necesaria la intervención de personal adicional. En primer lugar, y tal como se ha enunciado con anterioridad, esta masa supera la carga máxima admisible de la retroexcavadora en su empleo como grúa. En segundo lugar, el resultado no fue óptimo. Si bien se logró girar la pieza, fue necesario emplear amarres adicionales para tal fin, anudados a los escalones interiores. Este esfuerzo sobre los escalones de PVC llevó a la rotura de uno de ellos. Además, al depositar el elemento prefabricado sobre el terreno, se produjo una fisura en el borde inferior, y un cierto deterioro de la superficie del mismo, debido al rozamiento con las paredes del pozo. Finalmente, y como efecto más grave, para un amarre seguro del tubo por medio de cuerdas, fue necesario realizar cuatro orificios pasantes en la pared del cilindro. Posteriormente, una vez colocado, se rellenaron con mortero de cemento. Sin embargo, en al menos uno de ellos se detectó con certeza la exposición de la armadura al realizar la perforación. Además, al llevar a cabo esta operación, la característica principal del elemento, la impermeabilidad, se ve disminuida. En definitiva, si bien puede llevarse a cabo la tarea, esta experiencia muestra daños sobre el elemento, y puede acarrear un deterioro de la maquinaria empleada. 69 ANEXO G. Perfiles estructurales Como uno de los objetivos del presente TFG, se ha propuesto el encontrar perfiles estructurales disponibles en el mercado, fabricados en materiales livianos y resistentes, como sustitución de los perfiles de acero y las vigas de madera utilizadas en la actualidad en el área de la fortificación. A continuación se expone brevemente cada una de las opciones contempladas para este estudio. G.1. Simulación por software para la comparación entre perfiles A fin de obtener criterios comparativos entre los actuales perfiles de acero y vigas de madera empleadas en fortificación, y los perfiles de aluminio o PVC reforzado con fibra de vidrio, propuestos en este trabajo, se ha llevado a cabo una simulación por ordenador del comportamiento de los mismos. La simulación realizada ha planteado la construcción de un refugio enterrado, empleando diferentes materiales, tanto los utilizados actualmente (madera y acero) como los propuestos en esta memoria (aluminio y PVC reforzado con fibra de vidrio). 22 Para este análisis, se ha tomado como caso de estudio la construcción de un refugio enterrado para personal, con un volumen total de 90 m3. Las dimensiones del mismo (9 x 4 x 2,5 m) no varían en los diferentes casos, planteados en la Tabla 14. Se han contemplado dos casos. En primer lugar, la construcción del refugio con una estructura portante de madera y una cubierta del mismo material. En segundo lugar, se ha considerado una estructura de perfiles de acero con cubierta de madera. CASO 1 CASO 2 CASO 3 Estructura portante Viga de madera de sección cuadrangular Perfil IPE 200 de acero S235 Perfil IPE 200 de aleación AlMgSiO Cubierta Viga de madera de sección cuadrangular Viga de madera de sección cuadrangular Viga de madera de sección cuadrangular Tabla 13: Casos estudiados. Fuente: elaboración propia 22 http://www.aluminco.com/media/155961/ALUMINIUM-ALLOY-EN-AW-6060_MATERIAL-DATASHEET_ALUMINCO.pdf 70 Figura 43: excavación para refugio. Fuente: elaboración propia Las características de los materiales de los casos 1 y 2 se muestran en la Tabla 15. Acero S235 Madera Módulo de elasticidad (kN/m2) 2,1 × 108 1,7 × 107 Coeficiente de expansión (1/K) 1,2 × 10−5 6 × 10−6 Densidad (kg/m3) 7850 700 Fyk (t<40 mm) (MN/m2) 235 - Fyk (t>40 mm) (MN/m2) 215 - Fmk (MN/m2) - 60 Ftk (MN/m2) - 36 Fck (MN/m2) - 32 Módulo de cizalladura (kN/m2) 8,1 × 107 1,06 ×106 Coeficiente de Poisson 0,3 0,9 Tabla 14: características del acero y la madera. Fuente: base de datos TwoDFrame 71 Para ambos casos, se define una altura desde el suelo del refugio a la cubierta de 2 m. Por tanto, y despreciando el ancho de la madera empleada en la cubierta, se considera una carga de tierra de 0,5 m de altura, distribuida uniformemente sobre toda la superficie del refugio. Se supone que la tierra está seca y no apisonada, con una densidad de 1550 kg/m3. (54) 0,5 × 1500 =775 𝑘𝑔/𝑚2 Dado que en todos los casos de estudio se emplea una cubierta de madera, para todos ellos se modela una carga linealmente distribuida de idéntico valor, calculada a partir del lado del perfil empleado. 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒 𝑒𝑙 𝑝ó𝑟𝑡𝑖𝑐𝑜 = 0,2 𝑚 × 775 𝑘𝑔 𝑚2=155 𝑘𝑔 𝑚× 9,8 𝑚 𝑠2=1519 𝑁/𝑚 G.1.1. Caso 1. Empleo de perfiles de madera Se ha empleado viga de madera de sección cuadrada de 0,2 x 0,2 m (similar a la empleada en la obra llevada a cabo en la Base Militar “El Goloso”). Se ha modelado una estructura porticada, con dos vigas verticales y un dintel horizontal, que soportan una parte de la carga total distribuida. Se supone que las vigas empleadas como soporte estructural han sido hundidas ligeramente en el terreno. Por ese motivo, no se ha modelado dicho apoyo como un empotramiento. En caso de emplearse una zapata o similar, debe realizarse otra simulación con este supuesto. El dintel se encuentra clavado a los pilares. Por tanto, la unión entre ambos no es articulada. Figura 44: Caso1. Estructura de madera. Fuente: TwoDFrame 72 La representación gráfica de las deformaciones responde a lo esperado (ver Figura 45). Figura 45: Caso 1. Deformada. Fuente: TwoDFrame Figura 46: Caso 1. Momento flector. Fuente: TwoDFrame 79 Los resultados muestran que el momento flector en el centro del dintel es máximo en caso de emplear perfiles de aluminio. Sin embargo, es mínimo en el nexo de unión entre el dintel y el pilar. Se atribuye dicho efecto a la elevada deformación que sufre el aluminio (Tabla 17) que provoca una elevada flexión sobre el dintel, pero una transmisión de la misma reducida hacia los nexos de unión con los pilares. Debido a este efecto, debe dimensionarse los dinteles conociendo dicho incremento en el momento flector, especialmente en caso de emplearse para grandes luces. II. Comparación de deformaciones Se puede apreciar una deformación claramente superior cuando se emplean perfiles de aluminio. La Tabla 17 refleja dicha diferencia. Desp. pilar Desp. dintel Desp. pilar Desp. dintel Caso 1 0,01 mm 0,85 mm Caso 2 0 mm 0,74 mm Caso 3 0,03 mm 1,12 mm Caso 3 0,03 mm 1,12 mm Tabla 16: Comparación de deformaciones. Fuente: elaboración propia La simulación muestra una superior deformación de los perfiles de aluminio respecto del resto de opciones. Si bien puede suponer un problema a priori en determinadas situaciones, el superior límite de fluencia del aluminio evita que se llegue al régimen plástico. III. Comparación de masas totales La principal ventaja del empleo de aluminio frente al acero es su inferior densidad, lo que facilita la manipulación de los elementos, debido a su menor masa. Los pórticos sometidos a estudio tienen una masa total reflejada en la Tabla 18. La Tabla 17 muestra la diferencia de masas entre las diferentes opciones analizadas. Caso 1 Caso 2 Caso 3 224 kg 200,44 kg 143,9 kg Tabla 18: Masa de cada estructura. Fuente: TwoDFrame G.2. Perfiles de aluminio Se trata de un metal no ferromagnético y muy abundante en la corteza terrestre, que se extrae del mineral conocido como bauxita a través de procesos industriales. Sus propiedades hacen que sea un material con amplias aplicaciones en el campo de la ingeniería, por ejemplo, su baja densidad (2700 kg/m³) y su alta resistencia a la corrosión. Mediante aleaciones adecuadas se puede aumentar sensiblemente su resistencia mecánica (hasta los 690 MPa). Además, es muy sencillo de mecanizar y relativamente barato. (55) Caso 1 Caso2 Caso 2 23,56 kg - Caso 3 80,1 kg 56,54 kg Tabla 17: Diferencias de masa. Fuente: TwoDFrame 80 Presenta enormes ventajas frente al acero, tradicionalmente empleado en las obras de fortificación militar. La densidad del aluminio es aproximadamente un tercio de la del acero, 7830 kg/m3. Dado que en el ámbito de la fortificación militar es habitual trabajar sin medios mecánicos de transporte de material, o con limitaciones en el uso de los mismos, es fundamental que los elementos constructivos sean manejables. A modo de ejemplo, en la construcción del Puesto de Mando enterrado de la Base Militar “El Goloso” se han empleado perfiles IPE-200 de acero, como el descrito en la figura: Figura 58: Perfil IPE 200. Fuente: Norma UNE 36526:1994 De acuerdo con los datos de la norma UNE 36526:1994-Productos de Acero Laminados en Caliente, donde se expresan las masas lineales de los perfiles IPE, al igual que sus medidas, este tipo de perfil estructural de acero tiene una masa de 22,4 kg/m. Se han empleado un total de cuatro perfiles electrosoldados, con una longitud de dos metros cada uno, dando como resultado una estructura de 179,2 kg. Dada su masa, es necesario un número de trabajadores elevado para su transporte, siendo reducido en caso de emplearse aluminio. Si bien la resistencia mecánica del aluminio es menor que la del acero, las obras de fortificación realizadas por las Unidades de Zapadores no se caracterizan por soportar elevadas cargas de uso. Por razón de dicha característica, serán infrecuentes los casos en los cuales los perfiles de aluminio no puedan reemplazar a sus homólogos de acero por no soportar los esfuerzos aplicados sobre ellos. En la Tabla 19 puede apreciarse las diferencias en las características mecánicas y físicas de ambos materiales. 81 Tabla 19: Comparativa entre acero y aluminio. Fuente: Gustavo Maffia, E. (2013). Estructura y Propiedades del Aluminio y sus aleaciones. Buenos Aires: Universidad de la Plata. Entre las desventajas del aluminio con respecto al acero, destaca su elevado coeficiente de dilatación térmica lineal, de 23x10-6 °C-1, duplicando al del acero (11x10-6 °C-1). Además de esto, hallamos el inconveniente de que el método más habitual para unir vigas metálicas en este tipo de trabajos es la electrosoldadura. De hecho, los zapadores disponen en su dotación de equipos de soldadura de este tipo. Sin embargo, la resistencia que opone el aluminio al paso de la corriente es unas 5 veces inferior a la que opone el acero. Esta circunstancia condiciona el proceso de soldadura por puntos de resistencia, pues el calor necesario para llevar las chapas o vigas a estado pastoso para unirlas depende directamente de la resistencia al paso de la corriente que éstas opongan. Los equipos de soldadura empleados normalmente en reparación se hallan muy limitados para este tipo de soldadura en aluminio, pues no permiten alcanzar intensidades tan altas como las que serían necesarias para contrarrestar su baja resistencia. En definitiva, para realizar una soldadura por puntos es necesario el empleo de equipos de electrosoldadura de alta intensidad, de los cuales carecen la mayor parte de las Unidades. La solución planteada es el empleo de otro tipo de soldadura. Entre los métodos más comunes para soldar aluminio se halla el soldador TIG (Tungsten Inert Gas). Este tipo de soldador utiliza electrodos de tungsteno y gas inerte para proteger la zona de soldadura, y su uso se encuentra generalizado, por lo cual existe una amplia variedad de equipos de soldadura TIG disponibles en el mercado. G.3. Perfiles de PVC reforzado con fibra de vidrio En los últimos años, los avances en el área de los materiales compuestos han hecho posible la comercialización de perfiles estructurales fabricados en diferentes tipos de resinas, fibra de vidrio, fibra de carbono y plásticos, o de una combinación de todos ellos. Para este trabajo se ha planteado como opción de sustitución de los perfiles de madera y acero los perfiles comerciales de PVC reforzados con fibra de vidrio. Dentro de la categoría de Plásticos Reforzados con Fibras (PRF) se localizan todos aquellos materiales compuestos por dos elementos: una matriz resinosa (en este caso, PVC) y un agente de refuerzo, como son las fibras o tejidos de vidrio o carbono. 82 Presentan múltiples ventajas frente a los materiales actualmente en uso. Tal y como afirma Minguzzi (2009), la principal de ellas es su baja masa, lo cual hace posible una manipulación más sencilla. A modo de ejemplo, el PVC comercial tiene una densidad del orden de 1400 kg/m3, mientras que el acero, tal y como se ha mencionado con anterioridad, presenta una densidad de 7830 kg/m3. Es decir, nos encontramos ante un material que es alrededor de un 80% menos pesado que su homólogo para un mismo volumen. (56) Los perfiles de PVC reforzados con fibra de vidrio considerados se comercializan bajo la marca Dynaform®, de la casa FiberGrate, en multitud de formatos. Sus características mecánicas principales son las siguientes. Módulo de elasticidad (kN/m2) 1,93 ×107 Coeficiente de expansión (1/K) - Densidad (kg/m3) 1716,154092 Módulo de cizalladura (kN/m2) 3 × 107 Coeficiente de Poisson 0,3 Tabla 20: Características mecánicas perfiles Dynaform. Fuente: http://www.fibergrate.com/media/38293/dynaform_structural_shapes_brochure_es_0913.pdf Sus características mecánicas, tanto si se considera una relación masa-resistencia como si se comparan por separado, superan ampliamente a las de su competidor. El siguiente cuadro muestra sus principales propiedades, comparadas con un acero de uso común, y con el aluminio, estudiado con anterioridad. Tabla 21:Comparativa entre FRP, acero y aluminio, Fuente: Fibergate Composite Structures. (2013). Catálogo de Perfiles Estructurales Dynaform. Como ventajas adicionales, y dada su naturaleza no metálica, los perfiles de PVC reforzado no se oxidan, lo cual reduce su mantenimiento. Además, su conductividad eléctrica es inferior a la del acero o el aluminio. Ello es una ventaja, pues a menudo los Puestos de Mando o asentamientos enterrados, en caso de ser perfeccionados o establecidos con carácter de permanencia, contarán con instalación eléctrica, con lo cual se incrementa la seguridad. (57) Otra de sus grandes ventajas, relativa a su inflamabilidad, es que el PVC es un material autoextinguible, según la norma UNE 53.315. Así, se trata de un material clasificado como M1, que corresponde a un material no inflamable o difícilmente inflamable. El PVC solo sigue 83 ardiendo si se mantiene una llama aplicada en él; al retirarle la llama se extingue inmediatamente. En caso de producirse una combustión, libera ácido clorhídrico (HCl) en forma de gas, que produce la irritación de la mucosa de la nariz, boca y ojos. Ello constituye una ventaja si se considera que una combustión puede detectarse de forma precoz a través del olfato. 84 ANEXO H. Investigación y uso de prefabricados en fortificación por otros Ejércitos En este Trabajo de Fin de Grado, además de proponer tecnologías concretas, existentes en la actualidad, para su aplicación por las FAS, busca plantear una serie de líneas futuras de investigación. Para ello, en el presente Anexo se citan los principales centros de investigación sobre la materia, de los países que más I+D+i llevan a cabo. El objetivo es mantener sobre ellos una vigilancia tecnológica, a fin de esta al día de la aparición de nuevos productos, técnicas o tecnologías. Igualmente, se describen algunos de sus proyectos, que considero de alto interés para el Ejército de Tierra. H.1. Estados Unidos La doctrina del ejército estadounidense considera incluidos en la fortificación de campaña todos aquellos elementos, naturales o artificiales, que aportan protección y pueden ser empleados como refugios para el personal y las armas, como obstáculos defensivos y como posiciones de fuego protegidas (58). En este país, el desarrollo de elementos prefabricados para fortificación se beneficia en gran medida de los trabajos de unas instalaciones conocidas como Waterways Experiment Station (WES), sitadas en Viksburg, en el estado de Missisipi. Se trata de las principales instalaciones para la investigación de las que dispone el Army Corps of Engineers. En su campus se localiza el llamado ERDC (Engineers Research and Development Center). El ERDC es el mayor de los cuatro laboratorios de investigación y desarrollo al servicio del cuerpo de ingenieros. Actúa como cuartel general de estos cuatro laboratorios y de varios centros de ensayo y experimentación. También realiza trabajos de interés para la sociedad civil. En el ámbito de nuestro trabajo, resultan de especial interés las tareas que realizan los laboratorios de Geotecnia y Estructuras y de Investigación para la Ingeniería de Construcción: Geotechnical and Structures Lab (GSL), Construction Engineering Research Lab (CERL). H.1.1. Barreras de protección modulares Un campo de investigación de estos laboratorios que debemos resaltar es el relacionado con el desarrollo de barreras ligeras contra proyectiles, explosiones y fragmentos, de bajo coste y aplicables a zonas grandes. Dichas barreras se basan en paneles que puedan ser colocados en soportes robustos. Tanto las secciones modulares de los soportes, como los paneles han de ser lo suficientemente ligeros para ser transportados por un solo hombre. Esta actividad ha dado lugar patentes como la relativa a una estructura protectora basada en elementos portables. Un módulo, semejante a una caja sin paredes, sostiene los paneles sobre un lado de la estructura. Los Figura 59: Barrera modular estadounidense. Fuente: ERDC 85 módulos se pueden interconectar para construir una barrera protectora como, por ejemplo, un muro. La interconexión es tanto horizontal, como vertical, para hacer posible aumentar la altura de la barrera. (59) H.1.2. Hormigones de alta resistencia Resultan igualmente de interés las patentes del ERDC relativas a hormigones de alta resistencia, conocidos como UHPC (Ultra High Performance Concrete). Se consideran UHPC aquellos hormigones con una resistencia a la compresión mayor de 150 MPa, y que contienen altas proporciones de aglutinantes, con un ratio de de agua/cemento muy bajo y alto contenido de reductores de agua. En los últimos años, se les suele añadir un refuerzo interno a base de fibras (23). Los hormigones UHPC fueron desarrollados por la industria civil dando lugar a productos comerciales como el Ductal®, fabricado actualmente de forma principal por la empresa francosuiza LafargeHolcim. Estos hormigones están siendo mejorados por las investigaciones del ERDC para aumentar su capacidad de absorber energía ante una explosión y su resistencia balística. El Laboratorio de Geotecnia y Estructuras ha desarrollado, probado y patentado una familia de fórmulas de UHPC a la que ha denominado "Cor-Tuf", y sobre la que continúa realizando modificaciones y ensayos. La fórmula inicial está compuesta por cemento (finura de 280-360 m2/kg), arena en una relación de masa de 0,75 a 1,25, humo de sílice en una proporción en masa de 0,15 a 0,4, harina de sílice en una proporción en masa de 0,15 a 0,3 del cemento, y micro-inclusiones en una relación de masa de hasta 0,35 del cemento; una mezcla de segundos constituyentes que comprende una cantidad especificada de HRWRA (High-Range Water-Reducing Admixture, un tipo de aditivo súper-plastificante) y una cantidad de agua en una proporción en masa del cemento de 0,2 hasta 0,35; a la pasta de cemento resultante, se añade una cantidad de macro-fibras en una relación en masa de hasta el 0,35 del cemento para producir un producto uniforme. Se añaden también nano-inclusiones para mejorar la resistencia al agrietamiento y aumentar la densidad (60). Estas fórmulas están permitiendo producir paneles de hormigón de pequeño grosor y gran resistencia a la penetración de fragmentos. La inclusión en la fórmula de fibras de acero con los extremos terminados en gancho les proporciona más resistencia a la tensión. Por su parte, el empleo adicional de micro-esferas de vidrio en la mezcla les proporciona ligereza y un aumento de la resistencia a la compresión. Se han realizado diferentes experimentos comparativos de impactos balísticos sobre muestras de Ductal®, en su composición original y también añadiéndole fibras, y sobre Figura 60: Muestras de UHPC. Fuente: ERDC 86 muestras de Cor-Tuf. En el test realizado por los Sandia National Laboratories, pertenecientes a Lockheed Martin, se han sometido las muestras a una serie de disparos por parte de un arma de 12,70 mm en diferentes condiciones (con una velocidad de impacto media de 930 m/s). Las velocidades de impacto de los proyectiles en el hormigón y la velocidad residual post-penetración se han medido a través de técnicas electrónicas (Magnetic Velocity Induction System, MAVIS) y radiográficas, y las imágenes pre y post-penetración se han obtenido mediante cámaras de alta velocidad. (61) Los resultados de las pruebas indican que las muestras de Cor-Tuf disipan la mayor parte de la energía cinética del proyectil M33 de 12,70 mm (18,1 kJ en el pre-impacto y 2,6 kJ después de atravesar el hormigón). Las muestras de Ductal® sin fibras poseen la menor resistencia a la penetración (4,9 kJ de energía cinética del proyectil después de ser atravesadas) y permiten la mayor velocidad residual post-penetración. Las muestras con fibras se encuentran entre los dos tipos anteriores (4,3 kJ después de la penetración). También se ha estudiado en detalle el comportamiento del Cor-Tuf ante la penetración de proyectiles por medio de modelos computacionales y el papel que juegan las fibras en esta familia de hormigones. Estas simulaciones muestran, por ejemplo, que las fibras que contiene la composición aumentan su robustez y reducen el área del cráter de impacto y post-impacto, aunque tienen sólo un efecto secundario para conseguir la disminución de la velocidad residual del proyectil tras la penetración. Igualmente, se ha demostrado que un contenido en fibras por encima del 3% no produce una mejora apreciable en el comportamiento del panel (62). H.1.3. Sistemas de confinamiento celular de arena La llamada Cuadrícula de Arena Compacta, conocida comercialmente como Sistema de Confinamiento Celular Presto GEOWEB®, fue desarrollada inicialmente por el WES en Vicksburg a finales de la década de 1970 mediante un proyecto de investigación dual entre el Cuerpo de Ingenieros y la empresa Presto Products de Appleton, Wisconsin. El concepto original consistía en confinar y compactar arena y terrenos arenosos en elementos celulares interconectados, llamados cuadrículas, para crear la capa base de un pavimento con distribución de carga. El resultado de aquel diseño original tenía aspecto de panal de abejas, relleno de la tierra de alrededor, que se usaba para pavimentar el terreno de forma expedita. Las secciones de la Cuadrícula de Arena se normalizaron, codificaron y pasaron a formar parte de los suministros de Clase IV en el Cuerpo de Ingenieros del ejército de EE.UU. Estas secciones desmontables median 3,35 x 0,20 x 0,13 m, con un peso de 50 Kg cada una. Se agrupaban en pallets estándar, que contenían 25 secciones, aptos para su transporte táctico. Según indica el WES, el revestimiento con este material es un 28% más barato que el realizado con sacos terreros, ocupa un 50% menos de espacio, es más duradero (resiste hasta 3 años en buen estado) y requiere entre un 40 y un 70% menos de mano de obra que los sacos textiles. Como inconveniente, su peso es un 15% mayor. Empleando este sistema, en 1994 se construyeron asentamientos para una batería de 4 obuses de 105 mm en el campo de tiro nº 2 para cadetes de artillería, con un tiempo de trabajo 87 de 14 horas por asentamiento, un equipo de 7 soldados, una mini-excavadora y dos compactadoras manuales (63). En los últimos años, el sistema y sus componentes para su uso dual se han ido perfeccionando, mediante el uso de nuevas fórmulas de polietileno para aumentar su robustez y mediante el diseño de diferentes accesorios. La idea del confinamiento de arena o tierra con estructuras de polímeros ha sido también desarrollada por otras empresas estadounidenses, como Geocell, con sede en San Francisco (California). Este producto ha sido denominado Rapid Deployment Fortification Wall (RDFW). En 2003, la Cámara de Representantes concedió fondos específicos (un millón de dólares) al Cuerpo de Marines para pruebas con nuevas tecnologías, que incluían el RDFW de Geocell, lo que ha facilitado que el sistema se perfeccione, y que incluso se plantee que pueda sustituir a los gaviones Hesco-Bastion en un futuro próximo. Las unidades básicas del RDFW vienen en cajas de a 100, que caben en un vehículo táctico medio. Sus medidas plegadas son 1,22 x 1,22 m x 1,28 cm. Se precisan dos hombres para levantar cada unidad desde la caja, expandirla (su altura pasa a 20,32 cm) y situarla sobre el terreno donde se construirá el muro. Sobre la primera fila de unidades RDFW se van conectando otras unidades, lateral y verticalmente, para ir levantando el muro. Para la unión de las filas en vertical se emplean unos conectores específicos. En los extremos del muro se insertan unas piezas para cerrarlo antes de proceder al relleno con arena (64). La arena queda confinada en celdas de 17,80 x 17,80 x 20,32 cm, que cuentan con unos refuerzos internos. De esta forma, se pueden construir muros continuos reforzados estructuralmente. El material con el que se fabrica el RDFW es copoliéster, obtenido mediante extrusión de polímeros fundidos. El proveedor de este material para Geocell es la compañía Eastman Chemmical Inc, con sede en Kingsport (Tennessee). De las pruebas sobre los primeros RDFW, más tarde denominados Joint Expeditionary Field Fortifications RDFW, cabe destacar las pruebas iniciales realizadas por el BZ de la Primera División de Marines en su base de Camp Pendleton, California, durante el verano de 2005. Los marines, ya habituados a utilizar HESCO en Iraq, deseaban comprobar la facilidad de alineamiento vertical del RDFW para construir muros, la rapidez de su instalación, si se producían roturas en el producto, si las piedras aisladas en el relleno podrían actuar como proyectiles, si los rayos UV afectan a este material y si era fácil su reparación o sustitución. Estos marines consiguieron desplegar 27 m de muro sin relleno en 17 minutos. El relleno de la estructura con dos retroexcavadoras se prolongó 18 minutos, por lo que en 35 minutos el muro básico quedó terminado. Según indicó Geocell, las primeras pruebas fueron satisfactorias. Cabe destacar el informe, fechado el 3 de febrero de 2006, del Bon. de Zapadores dirigido al mando de la Primera División de Marines, acerca del uso potencial del RDFW por parte de la mencionada unidad durante su despliegue en la operación Iraqi Freedom, una de las más importantes en las que participaba el Cuerpo (65). La Tabla 23 compara el material actual (Hesco-Bastion) con el RDFW. 88 La carga de un camión con HESCO permite construir 199 metros lineales por un metro de alto. La carga de un camión con RDFW permite construir 640 metros lineales por 0,80 metros de alto. El gavión HESCO es inflamable El material plástico del RDFW se derrite en contacto directo con calor o llama y no alimenta el fuego. El gavión HESCO se deteriora con rapidez bajo los rayos ultravioleta El RDFW puede estar desplegado y expuesto directamente al sol durante un periodo acumulado de tres años. El gavión HESCO no es reutilizable. El RDFW puede reutilizarse hasta 6 veces. Para reparar el HESCO, es necesario reemplazar los gaviones completos El RDFW se repara sustituyendo las partes, o las celdas, de los componentes dañados. Adquirir materiales para un búnker a base de HESCO (el propio HESCO, madera, ferretería y sacos terreros) tiene un coste medio de $8.600 (hay que tener en cuenta una media de 10% de desperdicio). El material en un kit de búnker del RDFW cuesta $12.600, aunque no hay desperdicio y el sobrante se puede emplear para otras tareas. Tabla 22: Comparativa entre gaviones Hesco y RDFW. Fuente: elaboración propia. Más adelante, se estuvieron realizando diferentes pruebas de resistencia ante explosiones de estructuras de RDFW. En la base denominada Marine Cops Air Ground Combat Center (MAGCC), junto al pueblo de Twentynine Palms, California, se llevaron a cabo ensayos, detonando sucesivamente dos bloques de 18 Kg de C4, a una distancia de 1,22 m de una misma estructura de RDFW. En esta ocasión, la cara externa del muro se revistió con paneles rellenos de sustancias reductoras de efectos de las explosiones, que se debían pulverizar al recibir la detonación (pólvora piroxilada). Estos paneles sólo se utilizaron en la primera de las dos explosiones sucesivas para comprobar la diferencia de resultados, con y sin panel. La primera explosión inclinó el muro, respecto al eje vertical, 0,305 m hacia atrás y, respecto al eje horizontal, el centro de muro fue empujado 0,3556 m, quedando la estructura suavemente curvada. Los paneles delanteros protegieron las celdas de la estructura, que resultaron prácticamente intactas. La segunda explosión sobre el mismo muro, ahora sin paneles, provocó una deformación máxima de 0,4826 m, la destrucción parcial de dos filas de celdas y pérdida parcial de su relleno, con lo que el grosor de 1,10 m se redujo a 80 cm. Las ondas de choque se midieron con sensores de presión colocados al frente y detrás del muro. Igualmente, se realizaron pruebas de resistencia balística frente a disparos, desde distintas distancias, con proyectiles de 7,62 mm y de 5,56 mm. De las 7 celdas de anchura del muro de prueba, los proyectiles no pasaron de la segunda.