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Concepto de Sistema de Gesti贸n de Puentes (SGP)

Colapso puente en Cerde帽a. https://pxhere.com/es/photo/600583

En art铆culos anteriores ya hemos mencionado la necesidad de aumentar progresivamente los fondos para el mantenimiento y conservaci贸n de las infraestructuras. Estos fondos deben aplicarse de una manera eficiente, buscando la toma de decisiones basadas en los aspectos t茅cnicos y econ贸micos, teniendo tambi茅n en cuenta los factores sociales y ambientales. Aqu铆 vamos a prestar especial atenci贸n a los puentes.

La gesti贸n de puentes se define, por tanto, como el conjunto de acciones a llevar a cabo para garantizar la seguridad y calidad de servicio de las estructuras gestionadas y optimizar el uso de recursos disponibles. No obstante, esta gesti贸n no debe limitarse a la fase de servicio del puente, y debe establecerse tan pronto como sea posible, preferiblemente en la fase de dise帽o, proyecto y ejecuci贸n.

Los sistemas de gesti贸n de puentes, seg煤n se puede extraer de las aplicaciones desarrolladas en los diferentes pa铆ses que ya los tienen implementados, se plantean como herramientas cada vez m谩s desarrolladas como resultado de la evoluci贸n de las computadoras y su capacidad de procesamiento. Generalmente presentan una estructura modular, con una serie de elementos comunes, que forman los siguientes m贸dulos b谩sicos:

  • Inventario
  • Inspecci贸n y evaluaci贸n
  • Apoyo a las decisiones y la gesti贸n. Matrices de decisi贸n
  • Cat谩logo de da帽os

Componentes de un sistema de gesti贸n de puentes (Austroads, 2002)

Estos sistemas deben ayudar al gestor a tomar decisiones basadas en la informaci贸n recopilada durante las inspecciones y determinaci贸n de la condici贸n de los puentes, simulando varios escenarios de acci贸n para poder predecir el nivel de conservaci贸n futuro de cada elemento y optimizar los recursos econ贸micos para realizar acciones que prolonguen la vida 煤til de los puentes de la red y mantengan un nivel de servicio adecuado. En la siguiente figura se muestra esquem谩ticamente el planteamiento conceptual de los efectos de la aplicaci贸n de estrategias de conservaci贸n en mantenimiento, frente a pol铆ticas de no inversi贸n:

Concepto de vida 煤til y su gesti贸n. Le贸n Gonz谩lez (2008)

Los modelos de evoluci贸n del deterioro futuro de elementos plantean una previsi贸n de la degradaci贸n, bas谩ndose en diferentes teor铆as probabil铆sticas. Hay modelos deterministas, modelos seg煤n evoluci贸n planificada de da帽os o probabil铆stico, basado en el estado actual del elemento y probabilidad de una tasa predeterminada de deterioro en el tiempo y modelos de valoraci贸n de costes que tienen en cuenta un an谩lisis econ贸mico a lo largo del ciclo de vida de los puentes gestionados.

Los sistemas de gesti贸n de puentes deben aportar criterios objetivos para determinar en qu茅 momento compensa tomar la decisi贸n de llevar a cabo medidas de conservaci贸n, teniendo en cuenta los beneficios de la inversi贸n y los riesgos de que los deterioros puedan crecer con el tiempo y suponer costes de reparaci贸n mucho m谩s elevados.

Esquema de funcionamiento del sistema de gesti贸n de puentes (Ministerio de Fomento, 2012)

 

Por tanto, aunque no es tarea sencilla, pues siempre hay un cierto condicionamiento del contexto econ贸mico por el que pueda atravesar la administraci贸n gestora, que pudiera tener que restringir el gasto por debajo de l铆mites que garantizasen la optimizaci贸n de las labores de gesti贸n, se proponen las siguientes etapas generales descritas en diferentes metodolog铆as de sistemas de gesti贸n de puentes:

1潞. Definici贸n de los elementos est谩ndar en un puente

2潞. Inventario y creaci贸n de una base de datos de puentes y elementos existentes.

3潞. La identificaci贸n mediante labores de inspecci贸n de puentes de las anomal铆as de cada elemento y el desarrollo modelos para predecir el futuro deterioro.

4潞. Desarrollo de acciones de conservaci贸n y mantenimiento para cada conjunto de elementos y cada una de las tipolog铆as de anomal铆a detectadas.

5潞. Desarrollo de modelos de optimizaci贸n y toma de decisiones.

En general, existe un avance importante, llevado a cabo en los 煤ltimos a帽os en pa铆ses desarrollados, en lo que a las etapas de inventariado y creaci贸n de bases de datos se refiere, existiendo lagunas y l铆neas de acci贸n pendientes en lo que se refiere a las etapas finales de implementaci贸n de sistemas de gesti贸n (modelos de predicci贸n y toma de decisiones), siendo esta 煤ltima la l铆nea de investigaci贸n que ayudar谩 a la optimizaci贸n de los recursos disponibles, como culminaci贸n del desarrollo de la t茅cnica en cuanto a gesti贸n, conservaci贸n y聽mantenimiento de los puentes.

En las referencias os dejo algunos art铆culos de nuestro grupo de investigaci贸n relacionada con la gesti贸n de los puentes a lo largo de su ciclo de vida, con la optimizaci贸n multiobjetivo y la toma de decisi贸n multicriterio.

Referencias:

GARC脥A-SEGURA, T.; YEPES, V. (2016).聽Multiobjective optimization of post-tensioned concrete box-girder road bridges considering cost, CO2 emissions, and safety.Engineering Structures,聽125:325-336.聽DOI:聽10.1016/j.engstruct.2016.07.012.

GARC脥A-SEGURA, T.; YEPES, V.; FRANGOPOL, D.M. (2017).聽Multi-Objective Design of Post-Tensioned Concrete Road Bridges Using Artificial Neural Networks.Structural and Multidisciplinary Optimization, 56(1):139-150. doi:10.1007/s00158-017-1653-0

GARC脥A-SEGURA, T.; YEPES, V.; FRANGOPOL, D.M.; YANG, D.Y. (2017).聽Lifetime Reliability-Based Optimization of Post-Tensioned Box-Girder Bridges.Engineering Structures,聽145:381-391. DOI:10.1016/j.engstruct.2017.05.013聽OPEN ACCESS

NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MART脥, J.V. (2018).聽Life cycle cost assessment of preventive strategies applied to prestressed concrete bridges exposed to chlorides.Sustainability, 10(3):845. doi:10.3390/su10030845 (link).

NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MART脥, J.V. (2018).聽Social life cycle assessment of concrete bridge decks exposed to aggressive environments.Environmental Impact Assessment Review, 72:50-63.聽https://doi.org/10.1016/j.eiar.2018.05.003

NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MART脥, J.V.; GONZ脕LEZ-VIDOSA, F. (2018).聽Life cycle impact assessment of corrosion preventive designs applied to prestressed concrete bridge decks.Journal of Cleaner Production, 196:698-713.聽https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.06.110

PENAD脡S-PL脌, V.; GARC脥A-SEGURA, T.; MART脥, J.V.; YEPES, V. (2016).聽A review of multi-criteria decision making methods applied to the sustainable bridge design.Sustainability, 8(12):1295.聽DOI:10.3390/su8121295

PENAD脡S-PL脌, V.; GARC脥A-SEGURA, T.; MART脥, J.V.; YEPES, V. (2018).聽An optimization-LCA of a prestressed concrete precast bridge.Sustainability, 10(3):685. doi:10.3390/su10030685 (link)

PENAD脡S-PL脌, V.; MART脥, J.V.; GARC脥A-SEGURA, T.;聽 YEPES, V. (2017).聽Life-cycle assessment: A comparison between two optimal post-tensioned concrete box-girder road bridges.Sustainability, 9(10):1864. doi:10.3390/su9101864聽(link)

SIERRA, L.A.; PELLICER, E.; YEPES, V. (2017).聽Method for estimating the social sustainability of infrastructure projects.Environmental Impact Assessment Review, 65:41-53. DOI: 10.1016/j.eiar.2017.02.004

SIERRA, L.A.; YEPES, V.; GARC脥A-SEGURA, T.; PELLICER, E. (2018).聽Bayesian network method for decision-making about the social sustainability of infrastructure projects.聽Journal of Cleaner Production, 176:521-534.聽https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2017.12.140

SIERRA, L.A.; YEPES, V.; PELLICER, E. (2017).聽Assessing the social sustainability contribution of an infrastructure project under conditions of uncertainty.Environmental Impact Assessment Review, 67:61-72.聽DOI:10.1016/j.eiar.2017.08.003聽(link)

SIERRA, L.A.; YEPES, V.; PELLICER, E. (2018).聽A review of multi-criteria assessment of the social sustainability of infrastructures.Journal of Cleaner Production,聽187:496-513. DOI: 10.1016/j.jclepro.2018.03.022.

2 julio, 2018
 
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Valoraci贸n social del ciclo de vida de un puente en un ambiente agresivo

Acaban de publicarnos un art铆culo en la revista Environmental Impact Assessment Review聽(primer decil del JCR), de la editorial ELSEVIER, en el que se realiza una valoraci贸n del impacto social a lo largo del ciclo de vida de un puente de hormig贸n sometido a un ambiente costero, donde los clorh铆dricos suponen una agresi贸n que supone un mantenimiento de la infraestructura.

En el trabajo se analizan 15 alternativas diferentes durante el mantenimiento en relaci贸n con los impactos sociales. Los resultados indican que el uso de acero inoxidable en las armaduras y la adici贸n de humo de s铆lice son preferibles a otras alternativas convencionales. Os dejo a continuaci贸n el resumen y las conclusiones.

Adem谩s, la editorial ELSEVIER nos permite la聽distribuci贸n gratuita del art铆culo聽hasta el 11 de julio de 2018. Por tanto, os paso el enlace para que os pod谩is descargar este art铆culo:聽https://authors.elsevier.com/a/1X5QpiZ5swxFZ

Referencia:

NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MART脥, J.V. (2018).聽Social life cycle assessment of concrete bridge decks exposed to aggressive environments.Environmental Impact Assessment Review, 72:50-63.聽https://doi.org/10.1016/j.eiar.2018.05.003

Abstract:

Sustainable design of structures includes environmental and economic aspects; social aspects throughout the life cycle of the structure, however, are not always adequately assessed. This study evaluates the social contribution of a concrete bridge deck. The social performance of the different design alternatives is estimated taking into account the impacts derived from both the construction and the maintenance phases of the infrastructure under conditions of uncertainty. Uncertain inputs related to social context are treated through Beta-PERT distributions. Maintenance needs for the different materials are estimated by means of a reliability based durability evaluation. Results show that social impacts resulting from the service life of bridges are not to be neglected in sustainability assessments of such structures. Designs that minimize maintenance operations throughout the service life, such as using stainless steel rebars or silica fume containing concretes, are socially preferable to conventional designs. The results can complement economic and environmental sustainability assessments of bridge structures.

Keywords:

Social life cycle assessment;聽Chloride corrosion;聽Preventive measures;聽Guidelines;聽Concrete bridge;聽Sustainable design

Highlights:

  • Social Life Cycle Assessment of different design strategies for bridge decks in marine environments.
  • 15 design alternatives were studied and compared according to the Guidelines methodology.
  • Less maintenance results in better social performance.
  • Impacts during maintenance phase are main contributors to social performance
  • Stainless steel and the addition of silica fume are socially preferable to conventional designs.

 

 

 

Cimbra porticada en la construcci贸n de puentes

Cimbra porticada. Imagen V. Yepes (1991)

La cimbra di谩fana o porticada,聽se usa cuando se hace necesario ejecutar una cimbra de un paso superior sobre un obst谩culo, no siendo posible el uso de una cimbra cuajada. Como su nombre indica, est谩 formada por p贸rticos, que concentran y transmiten聽 las cargas al terreno. Las estructuras a cimbrar suelen ser arcos, acueductos y viaductos.

La cimbra porticada se utiliza en los siguientes casos:

  • Cuando la estructuras a cimbras se encuentra a una altura superior a 16 metros con respecto a la superficie de apoyo de la cimbra, con lo que se tendr铆a demasiados elementos que montar, con el consiguiente coste de dinero y tiempo de montaje.
  • Cuando la superficie de apoyo no tiene la suficiente capacidad, y es necesario concentrar las cargas en zonas de apoyo predeterminadas que est茅n en buenas condiciones portantes.
  • Cuando existan servidumbres a respetar en la zona de instalaci贸n de la cimbra, y haya que sortearlas.
  • Cuando es necesario permitir el paso de tr谩fico preexistente, o tambi茅n el tr谩fico propio de la obra.
  • Cuando existan accidentes orogr谩ficos (r铆os, r铆as, vaguadas, arroyos, zonas escarpadas鈥)
  • Cuando la estructura tiene un n煤mero m煤ltiple de vanos, que hacen posible la reutilizaci贸n de los m贸dulos de cimbra mediante cambio, ripado, etc鈥

Cimbra porticada. Imagen: V. Yepes (1992)

Estas cimbras permiten salvar luces de 6 a 16 m con unos soportes que trasladan la carga al terreno. Estos soportes permiten cargas de 120 a 450 kN, aunque en algunos casos especiales pueden llegar a soportar 2000 kN. Estas cimbras se componen de pilas y vigas articuladas, con secci贸n triangular o cuadrangular. Se utilizan elementos de acero de alta resistencia desmontables. Los pilares se ensamblan con m贸dulos planos formados por tubos de perfil circular. De esta forma, el pilar se forma con acoplamiento de elementos planos unitarios, formando m贸dulos entre 0,75 y 2,50 m. Adem谩s, su altura se regula en sus extremos mediante husillos roscados. Las vigas se montan con m贸dulos de perfiles tubulares ensamblados mediante bulones. Adem谩s de vigas articuladas, se pueden utilizar j谩cenas, donde se a帽ade un atirantado a las vigas para aumentar el canto resistente.

La cimbra es una estructura provisional que requiere su propio proyecto y c谩lculo, con una especial atenci贸n a las hip贸tesis de carga, a su cimentaci贸n y los detalles de dise帽o y montaje. No son extra帽os los accidentes, especialmente con las cimbras di谩fanas, al carecer de un proyecto adecuado. Dicho proyecto y las operaciones de montaje y desmontaje de estos elementos suele depender de una empresa especializada. Se debe exigir que la cimbra sea estable, especialmente a pandeo, y que las deformaciones previstas se compensen con las contraflechas necesarias.

Os paso a continuaci贸n un v铆deo donde pod茅is ver este tipo de cimbra utilizada en la construcci贸n de puentes.

Referencias:

MART脥, J.V.; YEPES, V.; GONZ脕LEZ, F. (2004). Temas de procedimientos de construcci贸n. Cimbras, andamios y encofrados. Editorial de la Universidad Polit茅cnica de Valencia. Ref. 2004.441.

 

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11 mayo, 2018
 
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Elementos de una cimbra autolanzable

Figura 1. Autocimbra bajo tablero. https://civilengineer-online.com

En este post vamos a describir los elementos que constituyen una autocimbra, la funci贸n de cada elemento dentro del sistema y analizaremos las conexiones entre cada uno de dichos elementos. Remitimos al lector a otros posts anteriores donde se clasificaba este medio auxiliar de construcci贸n de puentes y se comparaba respecto a otros procedimientos constructivos.

Vigas longitudinales

Son las estructuras longitudinales que conforman la autocimbra (Figura 1). Sirven para apoyar (autocimbras bajo tablero) o suspender (autocimbras sobre tablero) el encofrado de un vano. Normalmente est谩n conformadas por vigas en celos铆a met谩licas, aunque tambi茅n pueden ser vigas de alma llena con luces de mayor dimensi贸n. Al tratarse de una estructura m贸vil, se hace necesario examinar con mucho detenimiento las posiciones m谩s cr铆ticas de cada elemento.

Vigas transversales y encofrado del tablero

El encofrado se soporta por una estructura de vigas transversales, que a su vez, se apoya sobre la estructura longitudinal. Uno de los puntos a tener en cuenta es el paso de estas vigas transversales a trav茅s de las pilas del puente. El encofrado exterior sirve de soporte y molde a la superficie exterior del tablero de hormig贸n. Este encofrado debe disponer de juego en las juntas para absorber ligeras modificaciones geom茅tricas. Este encofrado, por razones econ贸micas, debe soportar m谩s de 12 puestas, aunque en algunos casos se llega a m谩s de 50. En el caso de secciones en caj贸n, existe un encofrado interior. En este caso, el hormigonado puede realizarse en una o dos fases. Si se realiza en una fase, el encofrado debe replegarse o transportarse para salvar el paso del diafragma de la pila. Si se hormigona en dos fases, se debe retirar este encofrado interior por medios de elevaci贸n.

Figura 2. Paso de autocimbra sobre tablero por pila. www.alpisea.com

Apoyos en las pilas y en el tablero

La estructura longitudinal de la autocimbra descansa sobre apoyos a m茅nsulas colocados en las pilas del puente. En las cimbras autolanzables bajo tablero el apoyo sobre la pila delantera se realiza sobre m茅nsulas (Figura 1), aunque tambi茅n podr铆a utilizarse torres auxiliares (Figura 3). En el caso de autocimbra sobre tablero, el apoyo sobre la pila delantera se realiza sobre una estructura met谩lica. El apoyo trasero de la autocimbra sobre tablero se realiza sobre el voladizo del tablero ya construido o bien sobre la pila. El apoyo trasero de la autocimbra bajo tablero se realiza mediante una viga de cuelgue.

Figura 3. Apoyo delantero de la viga longitudinal de autocimbra sobre tablero. www.crsic.cn

Sistemas hidr谩ulicos, mec谩nicos y el茅ctricos

Estos sistemas permiten realizar los distintos movimientos de la autocimbra: longitudinal para avanzar de un vano a otro, vertical para la puesta a cota y descimbrado, y transversal y/o abatimiento de encofrado para permitir el paso de 茅ste por la pila delantera.

A continuaci贸n se muestra un esquema general de elementos, tanto para una cimbra bajo tablero (Figura 4) como sobre tablero (Figura 5).

Figura 4: Esquema general de elementos para una autocimbra bajo tablero. www.avensi.es/

 

Figura 5: Esquema general de elementos para una autocimbra sobre tablero. www.avensi.es/

Todo lo que os he descrito en el post os lo cuento en el siguiente Polimedia, que espero os guste.

Referencias:

MART脥, J.V.; YEPES, V.; GONZ脕LEZ, F. (2004). Temas de procedimientos de construcci贸n. Cimbras, andamios y encofrados. Editorial de la Universidad Polit茅cnica de Valencia. Ref. 2004.441.

SEOPAN (2015). Manual de cimbras autolanzables. Tornapunta Ediciones, Madrid, 359 pp.

 

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10 mayo, 2018
 
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Optimizaci贸n de la energ铆a necesaria para construir puentes losa postesados

Acaban de publicarnos en la revista Technologies un art铆culo que aplica el algoritmo de recocido simulado a la optimizaci贸n del coste y de la energ铆a empleada en un puente losa postesado con tablero aligerado. Se resuelve un problema complejo de optimizaci贸n de 33 variables de dise帽o. Como resultados interesantes cabe se帽alar que, en ocasiones, las soluciones de menor coste no son necesariamente las que menos energ铆a consumen. El art铆culo se ha publicado en abierto y se puede descargar en la web. Aqu铆 ten茅is la referencia y el art铆culo completo.

 

Referencia:

ALCAL脕, J.; GONZ脕LEZ-VIDOSA, YEPES, V.; MART脥, J.V. (2018).聽Embodied energy聽optimization of prestressed concrete slab bridge decks.Technologies,聽6(2):43.聽doi:10.3390/technologies6020043聽(link)

Descargar (PDF, 1.88MB)

Clases de dise帽o de cimbras seg煤n la norma UNE-EN 12812

By 小孝袗袥肖袨袪袦 袠薪卸懈薪懈褉懈薪谐 [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], from Wikimedia Commons

La norma UNE-EN 12812:2008 define los requisitos de comportamiento y dise帽o general de las cimbras.

Esta norma no solo recoge las acciones t铆picas a considerar en los c谩lculos, sino que adem谩s cataloga y diferencia dos tipos de cimbra, las denominadas como clase A y clase B.

 

 

 

 

 

Clase de dise帽o A: es aquella cimbra cuya estabilidad est谩 avalada por la experiencia y buenas pr谩cticas ya establecidas y que se puede considerar que satisface los requisitos de dise帽o. Son cimbras de utilizaci贸n est谩ndar y con limitaciones de altura y cargas. Las m谩s habituales son puntales para forjados de edificaci贸n y las torres cuajadas en puentes. El proyecto de la cimbra debe incluir una copia de los ensayos y c谩lculos realizados por el proyectista del material est谩ndar con las limitaciones de uso y montaje que deben respetarse. Esta documentaci贸n deber谩 estar firmada por el suministrador del material y por el laboratorio que haya realizado el ensayo. Estos montajes requieren un an谩lisis simplificado basado en los materiales de los elementos que conforman la cimbra (puntales, bases, cabezales de cimbra y arriostramientos). Su utilizaci贸n se basa normalmente en la aplicaci贸n de tablas de uso y manuales de uso generales y no suelen requerir de c谩lculos ni ensayos espec铆ficos. Habitualmente s贸lo entran dentro de esta clasificaci贸n los apeos con puntal. Seg煤n la norma, la clase A se puede adoptar solo cuando:

  1. las losas tengan un 谩rea de secci贸n transversal inferior a 0,3 m2 por metro de anchura de losa
  2. las vigas tengan un 谩rea de secci贸n transversal inferior a 0,5 m2
  3. la luz libre de las vigas y las losas no supere los 6,0 m
  4. la altura de la estructura permanente en la cara inferior no supere los 3,5 m

Clase de dise帽o B: la estabilidad y el dise帽o se deben estudiar de acuerdo con los Euroc贸digos (EN 1990, EN 1991 hasta EN 1999) y con los apartados de la UNE-EN 12812, debido a que se debe realizar un dise帽o estructural completo.聽 Por tanto, se deben comprobar los estados l铆mites 煤ltimos y de servicio, as铆 como las uniones y detalles. Adem谩s, se deben incluir planos que determinen la cimbra en planta para poder realizar el replanteo, los alzados y las secciones, as铆 como los detalles importantes. Dentro de esta clase se incluyen todas las cimbras realizadas con material a medida y todas aquellas de material est谩ndar pero con usos que se salen de sus condiciones de utilizaci贸n. La clase B2 permite un c谩lculo m谩s simplificado que la clase B1 para determinar la distribuci贸n de la carga, basado en las 谩reas de influencia que recoge cada vertical o montante de la cimbra. Este c谩lculo simplificado alcanza el mismo nivel de seguridad. En la clase B1 se supone que el montaje se lleva a cabo con un nivel de destreza apropiado para la construcci贸n permanente (ver normas EN 1090-2 y EN 1090-3 para estructuras met谩licas).

Fuera de estas dos clases de dise帽o, mencionaremos las cimbras especiales, destinadas a la construcci贸n de grandes estructuras (cimbras autolanzables, lanzadores de vigas y dovelas o carros de voladizos sucesivos). se caracterizan por ser cimbras-m谩quina, es decir, con movimiento, por lo que se precisa de un c谩lculo muy detallado en todas las posiciones de trabajo.

By STALFORM Engineering [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], from Wikimedia Commons

Referencias:

MART脥, J.V.; YEPES, V.; GONZ脕LEZ, F. (2004).聽Temas de procedimientos de construcci贸n. Cimbras, andamios y encofrados.聽Editorial de la Universidad Polit茅cnica de Valencia. Ref. 2004.441.

 

21 abril, 2018
 
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Revisi贸n de los procedimientos de optimizaci贸n heur铆stica de las estructuras

Figura 1. Dise帽o tradicional de estructuras por prueba y error (Yepes, 2017)

El dise帽o de las estructuras se ha basado fundamentalmente en la experiencia del ingeniero proyectista. La topograf铆a y las condiciones de tr谩fico, entre otros, determinan el dise帽o de un puente. A partir de ah铆, las dimensiones de la secci贸n transversal, el tipo de hormig贸n y la disposici贸n general de las armaduras se definen atendiendo a la experiencia profesional y a las recomendaciones y criterios de dise帽o (Figura 1). A continuaci贸n, se ajustan el resto de variables, tras comprobar el cumplimiento de los estados l铆mite 煤ltimo y de servicio. Si el proyectista quiere mejorar el dise帽o propuesto, normalmente se realiza un proceso de prueba y error, de forma que tras varios tanteos, se intenta reducir el consumo de materiales, y por tanto, el coste de la estructura. Frente a este planteamiento, los m茅todos heur铆sticos emplean t茅cnicas basadas en la inteligencia artificial para seleccionar un dise帽o, analizar la estructura, controlar las restricciones y redise帽ar la estructura modificando las variables hasta conseguir optimizar la funci贸n objetivo.

Cohn y Dinovitzer (1994) revisaron la investigaci贸n realizada en su momento en relaci贸n con la optimizaci贸n de las estructuras y se帽alaron la brecha existente entre los estudios te贸ricos y la aplicaci贸n en problemas estructurales reales. Sarma y Adeli (1998) analizaron a帽os m谩s tarde los estudios relacionados con la optimizaci贸n matem谩tica de las estructuras, complementada m谩s recientemente por Hare et al. (2013) que estudiaron la aplicaci贸n de los algoritmos heur铆sticos en la optimizaci贸n estructural. Los algoritmos heur铆sticos difieren en cuanto a planteamiento y aplicabilidad de los m茅todos matem谩ticos exactos. De hecho, la optimizaci贸n heur铆stica resulta muy efectiva pues, aunque no garantiza la obtenci贸n del 贸ptimo global del problema, proporciona soluciones casi 贸ptimas en tiempos de c谩lculo razonables. Esta ventaja cobra importancia en la optimizaci贸n de estructuras reales, donde el n煤mero de variables crece extraordinariamente de forma que desborda el tiempo de c谩lculo de los m茅todos exactos de optimizaci贸n. Adem谩s, la programaci贸n matem谩tica requiere el c谩lculo de gradientes de las restricciones, mientras que la optimizaci贸n heur铆stica incorpora las restricciones de dise帽o de una manera directa (Lagaros et al., 2006).

Las t茅cnicas metaheur铆sticas utilizan estrategias de b煤squeda para localizar 贸ptimos locales en grandes espacios de soluciones de forma efectiva. Un ejemplo de ello son los Algoritmos Gen茅ticos (Genetic Algorithms, GAs), que son procedimientos de b煤squeda poblacionales inspirados en la evoluci贸n natural (Holland, 1975). As铆, los GAs generan soluciones de alta calidad a trav茅s del cruce gen茅tico con otros individuos de una poblaci贸n y la mutaci贸n de algunas de sus caracter铆sticas a lo largo de generaciones. Los padres suelen seleccionarse atendiendo a su aptitud (Coello, 1994) y los hijos mantienen ciertas caracter铆sticas de sus padres. En cada generaci贸n sobreviven los hijos con mayores aptitudes. Adem谩s, para evitar la convergencia prematura del algoritmo, se utiliza un operador de mutaci贸n, al igual que ocurre en la Naturaleza, que cambia aleatoriamente de vez en cuando alguna de las caracter铆sticas de las nuevas soluciones. Una variante a esta t茅cnica son los Algoritmos Mem茅ticos (Moscato, 1989), donde cada individuo de la nueva generaci贸n se mejora mediante una b煤squeda local con el objetivo de mejorar los genes para que los padres obtengan mejores resultados en las siguientes generaciones. Esta t茅cnica, por tanto, aplica los GAs a poblaciones de 贸ptimos locales.

La inteligencia de enjambre (swarm intelligence) es una metaheur铆stica poblacional empleada en los problemas de optimizac贸n. Estos algoritmos imitan el comportamiento colectivo de los sistemas descentralizados y auto-organizados, tales como algunas colonias de insectos, bas谩ndose en la interacci贸n entre los vecinos, pero que siguen un patr贸n global. Los algoritmos de enjambre difieren en filosof铆a de los algoritmos gen茅ticos porque utilizan la cooperaci贸n en lugar de la competencia (Dutta et al., 2011). Entre los algoritmos pertenecientes a este grupo, basados en el comportamiento biol贸gico, destaca la optimizaci贸n de colonias de hormigas (Ant Colony Optimization, ACO), la optimizaci贸n de enjambre de part铆culas (Particle Swarm Optimization, PSO), las colonias de abejas artificiales (Artificial Bee Colony, ABC), la optimizaci贸n en enjambres de luci茅rnagas (Glowworm Swarm Optimization, GSO), entre otros. ACO basa su estrategia en el comportamiento de las hormigas, que dejan un rastro de feromonas para encontrar alimento de forma efectiva (Colorni et al., 1991); PSO simula un sistema social simplificado (Kennedy y Eberhart, 1995); ABC imita el comportamiento alimentario forrajero de las abejas (Karaboga y Basturk, 2008); GSO imita un movimiento de las luci茅rnagas hacia los vecinos m谩s brillantes (Krishnanand y Ghose, 2009).

Las metaheur铆sticas poblacionales presentan una amplia capacidad de b煤squeda en paralelo y una fuerte robustez. Sin embargo, para mejorar la intensificaci贸n de la b煤squeda, estos algoritmos suelen combinarse con otras heur铆sticas de b煤squeda local. Esta hibridaci贸n consigue explotar la diversificaci贸n en la b煤squeda poblacional con la intensificaci贸n de la b煤squeda local. Luo y Zhang (2011) comprobaron que el algoritmo h铆brido presenta una convergencia m谩s r谩pida, una mayor precisi贸n y es m谩s efectivo en la optimizaci贸n de problemas ingenieriles. Blum et al. (2011) estudiaron las ventajas de la hibridaci贸n de las metaheur铆sticas en el caso de la optimizaci贸n combinatoria.

El recocido simulado (Simulated Annealing, SA), propuesto por Kirkpatrick et al. (1983), constituye uno de los algoritmos utilizados en la optimizaci贸n estructural. Este algoritmo se basa en el fen贸meno f铆sico del proceso de recocido de los metales. La energ铆a de un sistema termodin谩mico se compara con la funci贸n de coste evaluada para una soluci贸n de un problema de optimizaci贸n combinatoria. En ambos casos se trata de evolucionar de un estado a otro de menor energ铆a o coste. El acceso de un estado metaestable a otro se alcanza introduciendo 鈥渞uido鈥 con un par谩metro de control al que se denomina temperatura. Su reducci贸n adecuada permite, con una elevada probabilidad, que un sistema termodin谩mico adquiera un m铆nimo global de energ铆a. SA presenta la ventaja de admitir soluciones de peor calidad al principio de la b煤squeda, lo cual permite eludir 贸ptimos locales de baja calidad. La aceptaci贸n por umbrales (Threshold Accepting, TA), propuesto por Dueck y Scheuer (1990), tolera tambi茅n opciones de peor calidad para eludir los 贸ptimos locales. La diferencia entre SA y TA es que el criterio de aceptaci贸n de una soluci贸n peor es probabilista en el primer caso y determinista en el segundo. Los algoritmos gen茅ticos se han hibridado con el recocido simulado en el dise帽o 贸ptimo de puentes prefabricados de hormig贸n pretensado (Mart铆 et al., 2013; Mart铆 et al., 2016) y vigas en I de hormig贸n armado (RC) (Yepes et al., 2015a). Otras estrategias de hibridaci贸n tambi茅n han demostrado su eficiencia con PSO (Shieh et al., 2011, Valdez et al., 2011, Wang et al., 2013) y ACO (Behnamian et al, 2009, Chen et al., 2012).

Qu et al. (2011) se帽alaron la lentitud en la convergencia de los algoritmos GSO; del mismo modo Zhang et al. (2010) apuntaron ciertas deficiencias de estos algoritmos en la b煤squeda del 贸ptimo global. Es por ello que se ha hibridado SA con GSO (Garc铆a-Segura et al., 2014c, Yepes et al., 2015b) para combinar la diversificaci贸n de la b煤squeda de GSO con la intensificaci贸n de la b煤squeda de SA para encontrar de forma efectiva un 贸ptimo de elevada calidad. Garc铆a-Segura et al. (2014c) mostraron c贸mo un algoritmo h铆brido de optimizaci贸n de enjambre de luci茅rnagas (SAGSO) obtuvo resultados considerablemente mejores en cuanto a calidad y tiempo de c谩lculo. SAGSO super贸 al GSO en t茅rminos de eficiencia, precisi贸n y convergencia. Sin embargo, se requiere una buena calibraci贸n para garantizar soluciones de alta calidad con un tiempo de c贸mputo corto.

La b煤squeda de la armon铆a (Harmony Search, HS) constituye una heur铆stica propuesta por Geem et al. (2001) inspirada en el jazz, donde se trata de armonizar u construir sucesiones de acordes razonables. Las notas, los instrumentos y la mejor armon铆a representan los valores, las variables y el 贸ptimo global. Alberdi y Khandelwal (2015) compararon ACO, GA, HS, PSO, SA y TS en la optimizaci贸n del dise帽o de marcos de acero, comprobando que los mejores resultados se obten铆an con HS. La b煤squeda de la armon铆a se ha utilizado para optimizar columnas rectangulares de hormig贸n armado (de Medeiros y Kripka, 2014), forjados compuestos (Kaveh y Shakouri Mahmud Abadi, 2010) y p贸rticos planos de hormig贸n armado (Akin y Saka, 2015). Alia y Mandava (2011) recogieron en su trabajo las variantes utilizadas para hibridar con HS. Garc铆a-Segura et al. (2015) emplearon un algoritmo de b煤squeda de la armon铆a hibridada con la aceptaci贸n por umbrales para encontrar dise帽os 贸ptimos sostenibles de puentes peatonales de hormig贸n postesado.

La optimizaci贸n de los puentes atrajo la atenci贸n de los ingenieros a partir de la d茅cada de los a帽os 70, incluyendo los puentes viga de acero, (Wills, 1973), el refuerzo de los puentes losa (Barr et al., 1989), los puentes viga de hormig贸n pretensado (Aguilar et al., 1973, Lounis y Cohn, 1993), y los puentes en caj贸n postesados construidos 鈥渋n situ鈥 (Bond, 1975; Yu et al., 1986). Desde la aparici贸n de la inteligencia artificial, se ha puesto mayor 茅nfasis en el uso de t茅cnicas de optimizaci贸n heur铆stica para optimizar las estructuras. Srinivas y Ramanjaneyulu (2007) usaron redes neuronales artificiales y algoritmos gen茅ticos para optimizar el coste de un puente de vigas en T. Rana et al. (2013) propusieron una optimizaci贸n evolutiva para minimizar el coste de una estructura de puente continuo de hormig贸n pretensado de dos tramos. Mart铆 et al. (2013) implementaron un algoritmo de recocido simulado h铆brido para encontrar las soluciones m谩s econ贸micas de puentes prefabricados de hormig贸n pretensado de vigas artes. El uso de refuerzos de fibra de acero en ese tipo de puente se estudi贸 posteriormente con algoritmos mem茅ticos (Mart铆 et al., 2015). Se propusieron algoritmos gen茅ticos para optimizar las cubiertas polim茅ricas reforzadas con fibras h铆bridas y los puentes atirantados (Cai y Aref, 2015).

Tambi茅n se han optimizado otro tipo de estructuras con algoritmos heur铆sticos, como los forjados prefabricados (de Albuquerque et al., 2012), columnas de hormig贸n armado (Park et al., 2013; Nigdeli et al., 2015), columnas de acero (Kripka y Chamberlain Pravia, 2013), marcos espaciales de acero (Degertekin et al., 2008), marcos de hormig贸n armado (Camp y Huq, 2013), p贸rticos de hormig贸n armado (Pay谩-Zaforteza et al., 2010), vigas en I de hormig贸n armado (Garc铆a-Segura et al., 2014c; Yepes et al., 2015a), p贸rticos de carreteras (Perea et al., 2008), pilas altas de viaductos (Mart铆nez et al., 2011; 2013), muros de contenci贸n (Gandomi et al., 2015; Pei y Xia, 2012; Yepes et al., 2008, 2012; Molina-Moreno et al., 2017a), zapatas de hormig贸n armado (Camp y Assadollahi, 2013; Camp y Huq, 2013), b贸vedas de pasos inferiores en carreteras (Carbonell et al., 2011) y estribos de puentes (Luz et al., 2015).

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16 abril, 2018
 
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La perspectiva del ciclo de vida de los puentes

Fotograf铆a: Xos茅 Manuel L贸pez Gallego

La sostenibilidad en el 谩mbito de la construcci贸n constituye una l铆nea de trabajo importante en este momento (Yepes et al., 2016; Torres-Mach铆 et al., 2017; Zastrow et al., 2017). Los puentes se proyectan para ser funcionales durante muchos a帽os, por lo que deben considerarse todos los aspectos relacionados con su ciclo de vida: proyecto, construcci贸n, operaci贸n y desmantelamiento. Es por ello que la inversi贸n debe contemplar el deterioro del puente y su mantenimiento para mantener la estructura en buenas condiciones el m谩ximo tiempo posible. Una revisi贸n reciente de la aplicaci贸n de los m茅todos de decisi贸n multicriterio a los puentes puede consultarse en el trabajo de Penad茅s-Pl脿 et al. (2016).

Sarma y Adeli (1998) revisaron los estudios realizados sobre la optimizaci贸n de estructuras de hormig贸n y detectaron cierta carencia en cuanto a la investigaci贸n en el 谩mbito de la optimizaci贸n de las estructuras que considere el coste de todo el ciclo de vida, y no solo el coste inicial de su construcci贸n. Frangopol y Kim (2011) tambi茅n reivindicaron la importancia de extender la vida 煤til de las estructuras, pues muchas de ellas empiezan a mostrar se帽ales significativas de deterioro antes de lo esperado. Para prolongar la vida de las estructuras deterioradas, se pueden aplicar medidas de mantenimiento que retrasen la propagaci贸n de los da帽os, o bien reducir el grado de dicho da帽o (Kim et al., 2013). Frangopol y Soliman (2016) describieron las acciones necesarias para la planificaci贸n eficaz del mantenimiento para maximizar las prestaciones de la estructura durante el ciclo de vida bajo restricciones presupuestarias. Garc铆a-Segura et al. (2017) han optimizado las labores de mantenimiento de puentes pretensados desde el punto de vista de sostenibilidad econ贸mica, social y ambiental partiendo de dise帽os optimizados con m煤ltiples objetivos (econ贸mico, durabilidad y seguridad).

El mantenimiento de los elementos de los puentes de grandes luces situados en zonas costeras deteriorados por corrosi贸n representa la mayor parte del coste del ciclo de vida de estas estructuras (Cheung et al., 2009). Kendall et al. (2008) propusieron un modelo que integraba el an谩lisis del ciclo de vida y los costes asociados desde la perspectiva de la sostenibilidad. Lee et al., (2006) evaluaron la fiabilidad de un puente cuando la corrosi贸n y el tr谩fico de camiones pesados afectan a la estructura. Propusieron una metodolog铆a realista de los costes a lo largo del ciclo de vida, incluyendo los costes iniciales, los de mantenimiento, los esperados en la rehabilitaci贸n, las p茅rdidas por accidentes, los costes del usuario de la carretera y las p茅rdidas socioecon贸micas indirectas. Penad茅s-Pl脿 et al. (2017, 2018) han estudiado el ciclo de vida de puentes de secci贸n en caj贸n y puentes de vigas artesa. Navarro et al. (2018) han analizado en un trabajo reciente el coste del ciclo de vida de las estrategias de mantenimiento en puentes pretensados expuestos al ataque de clorh铆dricos.

Neves y Frangopol (2005) indicaron c贸mo la evaluaci贸n de la seguridad de una estructura constituye un indicador b谩sico para medir su rendimiento, pues el estado de la estructura no es un indicador preciso para evaluar la seguridad y la funcionalidad de un puente. Liu y Frangopol (2005) estudiaron la mejor planificaci贸n del mantenimiento de un puente durante su ciclo de vida mediante una optimizaci贸n multiobjetivo de la vida 煤til, el nivel de seguridad y el coste del mantenimiento. Como se puede ver, los objetivos de rendimiento estructural y de econom铆a se han a帽adido a los aspectos sociales y ambientales de las acciones de mantenimiento de las estructuras (Dong et al., 2013; Sierra et al., 2016; Garc铆a-Segura et al., 2017).

Referencias:

Cheung, M. M.; Zhao, J.; Chan, Y. B. (2009). Service life prediction of RC bridge structures exposed to chloride environments. Journal of Bridge Engineering, 14(3), 164鈥178.

Dong, Y.; Frangopol, D.M.; Saydam, D. (2013). Time-variant sustainability assessment of seismically vulnerable bridges subjected to multiple hazards. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 42(10), 1451鈥1467.

Frangopol, D.M.; Kim, S. (2011). Service life, reliability and maintenance of civil structures. In L. S. Lee; V. Karbari (Eds.), Service Life Estimation and Extension of Civil Engineering Structures (pp. 145鈥178). Elsevier.

Frangopol, D.M.; Soliman, M. (2016). Life-cycle of structural systems: recent achievements and future directions. Structure and Infrastructure Engineering, 12(1), 1鈥20.

Garc铆a-Segura, T.;聽 Yepes, V.; Frangopol, D.M.; Yang, D.Y. (2017).聽Lifetime Reliability-Based Optimization of Post-Tensioned Box-Girder Bridges.聽Engineering Structures,聽145:381-391.

Kendall, A.; Keoleian, G.A.; Helfand, G. E. (2008). Integrated life-cycle assessment and life-cycle cost analysis model for concrete bridge deck applications. Journal of Infrastructure Systems, 14(3), 214鈥222.

Kim, S.; Frangopol, D.M.; Soliman, M. (2013). Generalized probabilistic framework for optimum inspection and maintenance planning. Journal of Structural Engineering, 139(3), 435鈥447.

Lee, K.M.; Cho, H.N.; Cha, C.J. (2006). Life-cycle cost-effective optimum design of steel bridges considering environmental stressors. Engineering Structures, 28(9), 1252鈥1265.

Liu, M.; Frangopol, D. M. (2005). Multiobjective maintenance planning optimization for deteriorating bridges considering condition, safety, and life-cycle cost. Journal of Structural Engineering, 131(5), 833鈥842.

Navarro, I.J.; Yepes, V.; Mart铆, J.V. (2018).聽Life cycle cost assessment of preventive strategies applied to prestressed concrete bridges exposed to chlorides.聽Sustainability, 10(3), 845.

Neves, L.C.; Frangopol, D.M. (2005). Condition, safety and cost profiles for deteriorating structures with emphasis on bridges. Reliability Engineering & System Safety, 89(2), 185鈥198.

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Penad茅s-Pl脿, V.; Mart铆, J.V.; Garc铆a-Segura, T.;聽 Yepes, V. (2017).聽Life-cycle assessment: A comparison between two optimal post-tensioned concrete box-girder road bridges.聽Sustainability, 9(10):1864.

Penad茅s-Pl脿, V.; Garc铆a-Segura, T.; Mart铆, J.V.; Yepes, V. (2016).聽A review of multi-criteria decision making methods applied to the sustainable bridge design.聽Sustainability, 8(12):1295.

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Sierra, L.A.; Pellicer, E.; Yepes, V. (2016).聽Social sustainability in the life cycle of Chilean public infrastructure.聽Journal of Construction Engineering and Management ASCE, 142(5):聽 05015020.

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Yepes, V.; Torres-Mach铆, C.; Chamorro, A.; Pellicer, E. (2016).聽Optimal pavement maintenance programs based on a hybrid greedy randomized adaptive search procedure algorithm.聽Journal of Civil Engineering and Management, 22(4):540-550.

Zastrow, P.; Molina-Moreno, F.; Garc铆a-Segura, T.; Mart铆, J.V.; Yepes, V. (2017).聽Life cycle assessment of cost-optimized buttress earth-retaining walls: a parametric study.聽Journal of Cleaner Production,聽140:1037-1048.

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Construcci贸n de puentes mediante autocimbra bajo tablero

Viaductos en la nueva autov铆a de Mascara (Argelia). Imagen: A. Azor铆n

La cimbra autolanzable bajo tablero constituye, hoy en d铆a, el proceso constructivo de autocimbra m谩s habitual. Entre sus ventajas se encuentra la facilidad a la hora de variar el peralte o adaptarse a acuerdos verticales y curvas en planta; adem谩s, se libera la parte superior, lo que permite la introducci贸n de ferralla prefabricada y el resto de materiales. Alguno de sus inconvenientes pasan por necesitar cierta altura libre m铆nima (7-12 m) bajo cabeza de pilas y que son m谩s deformables que las cimbras autolanzables sobre tablero.

Os dejo a continuaci贸n un peque帽o v铆deo explicativo de este tipo de procedimiento constructivo. Espero que os sea de inter茅s.

En el siguiente v铆deo de Mecanotubo se puede ver, con todo detalle, una animaci贸n en 3D que describe con claridad el procedimiento.

A continuaci贸n podemos ver un v铆deo realizado por voxelestudios del proceso constructivo del tablero de los viaductos de Contreras, que con autocimbras se ejecutaron tramos de luces de 66 m.

Referencias:

MART脥, J.V.; YEPES, V.; GONZ脕LEZ, F. (2004). Temas de procedimientos de construcci贸n. Cimbras, andamios y encofrados. Editorial de la Universidad Polit茅cnica de Valencia. Ref. 2004.441.

SEOPAN (2015). Manual de cimbras autolanzables. Tornapunta Ediciones, Madrid, 359 pp.

 

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12 marzo, 2018
 
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Construcci贸n de puentes mediante cimbra autolanzable sobre tablero

A.T. AVE NORTE-NOROESTE: NUDO VENTA BA脩OS 01. http://www.ar2v.com

Las cimbras autolanzables, tambi茅n llamadas autocimbras o cimbras de avance, se utilizan para el hormigonado de tableros de puentes o viaductos vano a vano. Son capaces de trasladarse a lo largo del puente por sus propios medios (“cimbras-m谩quina”). En el caso de las cimbras autolanzables sobre tablero, se solucionan algunos problemas como los g谩libos estrictos o la posibilidad de utilizar la cimbra como carril de rodadura de un p贸rtico gr煤a que lleve los materiales y medios auxiliares. Sin embargo es una estructura m谩s pesada y compleja, de mayor coste y dificultad de montaje y maniobra, por lo que no es tan habitual su uso como en el caso de autocimbras bajo tablero.

A continuaci贸n os dejo un Polimedia explicativo sobre este medio auxiliar, que espero que os sea de inter茅s.

Referencias:

SEOPAN (2015). Manual de cimbras autolanzables. Tornapunta Ediciones, Madrid, 359 pp.

6 marzo, 2018
 
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