Revisión de los métodos de optimización aplicados al consumo de energía en ferrocarriles

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Journal of Cleaner Production, revista de ELSEVIER indexada en el primer decil del JCR. Se trata de un artículo de revisión del estado del arte donde se analizan 52 artículos científicos relacionados con el consumo energético en ferrocarriles. Se analizan dos áreas principales: las técnicas de modelización utilizadas para simular el movimiento de los trenes y el consumo de energía, y los métodos de optimización utilizados para conseguir una circulación ferroviaria más eficiente. Se describen brevemente los métodos más utilizados en cada caso y se analizan las principales tendencias encontradas. Además, se ha realizado un estudio estadístico para reconocer las relaciones entre los métodos y las variables de optimización. Se encontró que los modelos determinísticos basados en la ecuación de Davis son, con diferencia (85% de los trabajos revisados), los más comunes en términos de modelización. En cuanto a la optimización, los métodos meta-heurísticos son la opción preferida (57,8%), en particular los Algoritmos Genéticos. Este artículo forma parte de nuestra línea de investigación BRIDLIFE en la que se pretenden optimizar las infraestructuras atendiendo no sólo a su coste, sino al impacto ambiental y social que generan a lo largo de su ciclo de vida.

El artículo lo podéis descargar GRATUITAMENTE hasta el 3 de mayo de 2019 en el siguiente enlace: https://authors.elsevier.com/a/1YjHX3QCo9Uqa3

Abstract:

Railways are a rather efficient transport mean, and yet there is increasing interest in reducing their energy consumption and making them more sustainable in the current context of climate change. Many studies try to model, analyse and optimise the energy consumed by railways, and there is a wide diversity of methods, techniques and approaches regarding how to formulate and solve this problem. This paper aims to provide insight into this topic by reviewing up to 52 papers related to railways energy consumption. Two main areas are analysed: modelling techniques used to simulate train(s) movement and energy consumption, and optimisation methods used to achieve more efficient train circulations in railway networks. The most used methods in each case are briefly described and the main trends found are analysed. Furthermore, a statistical study has been carried out to recognise relationships between methods and optimisation variables. It was found that deterministic models based on the Davis equation are by far (85% of the papers reviewed) the most common in terms of modelling. As for optimisation, meta-heuristic methods are the preferred choice (57.8%), particularly Genetic Algorithms.

Keywords:

Railways
Energy efficiency
Modelling
Optimisation
Meta-heuristics

Reference:

MARTÍNEZ-FERNÁNDEZ, P.; VILLALBA-SANCHÍS, I.; INSA-FRANCO, R.; YEPES, V. (2019). A review of modelling and optimisation methods applied to railways energy consumption. Journal of Cleaner Production, 222:153-162. DOI:10.1016/j.jclepro.2019.03.037

 

 

Densidad de los suelos granulares

De Gsrdzl –  CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=9651626

El grado de compactación de los suelos granulares no suele comprobarse con la habitual curva de compactación. Como estos suelos son relativamente permeables, incluso cuando están compactados, no se encuentran afectados de forma significativa por su contenido de agua durante el proceso de compactación. Ello explica que no esté bien definido el máximo de la curva de compactación en las gravas y arenas limpias. Con un esfuerzo de compactación dado, la densidad seca obtenida es alta cuando se encuentra totalmente seco y alta cuando está completamente saturado, dándose densidades algo más bajas con cantidades de agua intermedias. Ello se debe al fenómeno de apelmazamiento, donde pequeñas tensiones capilares en el suelo parcialmente saturado tiende a resistir el esfuerzo de compactación. Este apelmazamiento no se presenta en arenas secas y desaparece cuando la arena está saturada.

Para estos suelos, donde el concepto de curva de compactación no es aplicable, el criterio de compactación normalmente aplicado es el índice de densidad (ID) definido como:

donde

emax = índice de huecos del suelo en su estado más suelto.

e = índice de huecos del suelo ensayado.

emin = índice de huecos del suelo en su estado más denso.

Se puede juzgar si una arena se encuentra en estado denso o suelto en base a su índice de densidad:

Se puede definir como compactibilidad (F):

En un terreno granular bien graduado como SW o GW, emax-emin es elevado y emin es pequeño, luego F es grande. Estos suelos se compactan con facilidad. En suelos uniformes como ciertos tipos de SP y GP, emax-emin es pequeño y emin es grande, por tanto F es pequeño y el suelo es compactable con mayor dificultad.

Referencias:

YEPES, V. (2014). Equipos de compactación superficial. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 187. Valencia, 113 pp.

 

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Control de calidad de la compactación de un suelo

Compactador vibratorio de rodillo liso. https://construction.trimble.com

En la ejecución de los terraplenes son objeto de control los suelos utilizados, la extensión, la compactación y la geometría. El control de la compactación consistirá en la comprobación de que el producto final cumple las condiciones especificadas. Ya vimos que no solo el peso específico, sino otras condiciones como la deformación o el asiento máximo bajo carga pueden medir si se ha logrado o no dicho objetivo.

La medida del porcentaje de compactación, o lo que es lo mismo, del peso específico “in situ” del suelo, puede hacerse mediante la extracción de una muestra del terreno, o bien mediante el uso de aparatos nucleares, más rápidos y con menores errores debidos al operador. Otros procedimientos suponen medir la deformabilidad del terreno, mediante el módulo de deformación o medidas de deflexiones del suelo al paso de cargas.

El control de calidad de esta unidad de obra puede realizarse mediante una comprobación del producto terminado, o bien por una verificación del proceso, teniendo ambos sistemas sus ventajas e inconvenientes.

Durante mucho tiempo, la filosofía subyacente en las relaciones cliente-proveedor se han basado en la desconfianza y las partes se consideraban adversarios. Resulta de interés lo que Juran y Gryna decían al respecto: “… algunos compradores veían a sus proveedores como criminales potenciales que podían tratar de que sus productos defectuosos pasaran la inspección al ser recibidos”.

En la actualidad, se va asumiendo la necesidad de que la relación entre compradores y proveedores -dirección técnica y contratista-, se base en el respeto mutuo y la cooperación, pues de esta forma se benefician las dos partes. El intercambio de información de todo tipo y la colaboración en la resolución de problemas son aspectos fundamentales en la consecución de componentes de calidad. En este sentido, el proveedor no solamente suministra productos de calidad sino que, además, facilita la información que evidencia que su Sistema de Calidad (por ejemplo, basado en ISO 9001) es eficiente, con lo que se garantiza y se asegura la calidad ganándose la confianza del comprador.

Control del producto terminado o de recepción

Es el clásico procedimiento contractual, en el cual sólo se comprueba la densidad final alcanzada en una serie de puntos. Se establecen lotes de control y el muestreo se hace de forma aleatoria. En este tipo de verificación, el constructor puede establecer el sistema de trabajo que considere adecuado, siempre que luego cumpla con las especificaciones.

El sistema está indicado cuando tanto los materiales como los métodos de compactación no son demasiado homogéneos. Ello suele coincidir con ritmos de obra de medios a bajos, permitiendo la realización de un número elevado de determinaciones de densidad.

Existen dos grandes grupos o tendencias en cuanto al control de calidad por “resultado” (remitimos a bibliografía específica la descripción de estos procedimientos de control de calidad):

1) Control por peso específico:

            1.1.- Métodos directos:

                        1.1.1.- Clásicos: Arena, membrana, aceite, grandes catas, etc.

                        1.1.2.- Isótopos radiactivos.

            1.2.- Métodos indirectos: medición de asientos.

2) Control de la capacidad portante:

            2.1.- Métodos estáticos: placa de carga.

            2.2.- Métodos dinámicos: deflexiones, dinaplaca, compactímetros.

Las recomendaciones españolas de la Dirección General de Carreteras para el control de la calidad de la compactación de terraplenes definen dentro del tajo a controlar lo siguiente:

Control de compactación. http://www.geoconstruye.com

Lote: Material que entra en 5.000 m2 de tongada, o fracción diaria compactada si ésta es menor, exceptuando las franjas de borde de 2 m de anchura. Si la fracción diaria es superior a 5.000 m2 y menor del doble se formarán dos lotes aproximadamente iguales.

Muestra: Conjunto de cinco unidades, tomadas en forma aleatoria de la superficie definida como lote. En cada una de estas unidades se realizarán ensayos de humedad y peso específico.

Franjas de borde: En cada una de las bandas laterales de 2 m de anchura adyacentes al lote anteriormente definido se fijará un punto cada 100 m. El conjunto de estos puntos se considerará una muestra independiente de la anterior, y en cada uno de los mismos se realizarán ensayos de humedad y peso específico.

Los pesos específicos secos obtenidos en la capa compactada deberán ser iguales o mayores que las especificadas en el Pliego de prescripciones técnicas en cada uno de los puntos ensayados. No obstante, dentro de una muestra, se admitirán resultados individuales de hasta un 2% menores que los exigidos, siempre que la media aritmética del conjunto de la muestra resulte igual o mayor que el valor fijado en el Pliego.

La humedad de las capas compactadas no será causa de rechazo, salvo cuando, por causa justificada, se utilicen suelos con características expansivas. En este caso, si no está previsto en el pliego de prescripciones técnicas, estos suelos deberán ser objeto de un estudio cuidadoso en laboratorio en el que se determinarán los valores de humedad y densidad a obtener en obra y los márgenes de tolerancia.”

Vemos que se trata de controles muestrales, de los que se pretenden inferir las características de la totalidad de la superficie ensayada. La inferencia estadística pretende obtener información de las muestras para conocer los parámetros poblacionales, cuantificando el riesgo de error en términos de probabilidad.

El lote es el conjunto del que se toma la muestra y sobre el que hay que tomar la decisión de aceptar o rechazar. Cada lote deberá haberse producido bajo condiciones homogéneas y durante un período de tiempo determinado.

Llegados a este punto es necesario hacer la siguiente consideración, basada en los fundamentos estadísticos de los planes de muestreo: no es justo realizar tamaños de muestra proporcionales a los tamaños del lote, ya que se varían las probabilidades de aceptar el lote, y ello puede ser utilizado injustamente en beneficio propio por la parte que toma la decisión. De esta forma, si quien decide el tamaño del lote es el contratista, tenderá a lotes de pequeño tamaño -y por tanto reducidos tamaños de muestra-, pues así, la casi totalidad de los lotes serán aceptados incluso -injustamente- los de baja calidad. Si, por el contrario, quien decide el tamaño es la administración, tenderá a pedir lotes de gran tamaño pues, así, se aceptarán solamente los muy buenos aunque también lotes de buena calidad serán -injustamente- rechazados. Por tanto, no es lo mismo determinar lotes de 1.000 m2 y una muestra de una unidad, que lotes de 5.000 m2 y muestras de 5 unidades, o lotes de 10.000 m2 y muestras de 10 unidades.

La muestra aleatoria simple es aquella que se toma de tal forma que todos los conjuntos de n determinaciones del lote tienen la misma probabilidad de constituir la muestra o, lo que es equivalente, que todas las determinaciones que se puedan tomar del lote tienen la misma probabilidad de formar parte de la muestra. Se deben evitar ir a los sitios “peores”, o a los que el operador que realiza los ensayos le parecen “representativos”.

Conviene tener en cuenta que un punto de porcentaje no es una cosa nimia, puesto que un material completamente suelto tiene ya una densidad del orden del 85% de la de referencia.

Los pesos específicos “in situ” y las diferencias entre humedades “in situ” y la óptima siguen una distribución normal. Para situaciones generales es corriente un coeficiente de variación inferior al 3% respecto al peso unitario e inferior al 1,5% respecto a la diferencia entre la población de humedades y la óptima. Es interesante el concepto de “homogeneidad” aplicado por la norma Suiza (SNV 640585a) en cuanto al peso específico aparente húmedo que establece un coeficiente de variación máximo del 5% para dicha variable.

Control del proceso

Con objeto de limitar el número de ensayos, que puede ser prohibitivo en algunos casos, se trata de aumentar el nivel de fiabilidad del producto introduciendo especificaciones en la forma de ejecutar la unidad de obra. Así, según el tipo de suelo, se pueden fijar unas máquinas a utilizar, unos espesores máximos de capa y delimitar el número mínimo de pasadas necesarias. Otro método sería establecer todos estos parámetros en función de los resultados obtenidos para un material en un tramo de prueba.

Su uso está indicado para fuertes ritmos de producción con materiales y sistemas de ejecución homogéneos. La rapidez de ejecución impide la realización de ensayos de producto terminado en número suficiente, y a veces hay que tomar decisiones con rapidez y agilidad, sin merma en la calidad.

El control de “proceso” requiere un conocimiento previo del comportamiento de cada material, un control exhaustivo de la capacidad de trabajo de las máquinas y un método de trabajo estrictamente controlado.

Este tipo de control, combinado con el de producto final, presenta ventajas evidentes, pero supone cierto “compromiso” por parte de la Administración contratante en el proceso de ejecución, que a veces es difícil de establecer de forma contractual.

Los nucleodensímetros como aparatos de medida

El empleo de ensayos tradicionales como el método de la arena han sido desplazados por el empleo de nucleodensímetros ya que éstos permiten la obtención de la densidad y la humedad de un forma casi instantánea. Son equipos que poseen una fuente radiactiva en el extremo de la sonda que se introduce en el terreno y dos detectores de radiación. La fuente se compone de Cesio 137, el cual emite fotones gamma. Estos fotones, antes de llegar a los detectores, chocan con los electrones de los átomos del suelo. Una alta densidad implica un alto número de choques, siendo menor el número de fotones que llegan a los detectores. La fuente radiactiva también posee Americio-241: Berilio, que emite neutrones. El detector de neutrones localiza  la cantidad de los mismos que, debido a la presencia de átomos de hidrógeno del agua del suelo, son termalizados. Este mecanismo permite la obtención de la humedad.

Los nucleodensímetros tienen dos modos de obtener las densidades: transmisión directa (la sonda penetra en el material) y retrodispersión (en caso contrario). El modo de transmisión directa se debe emplear siempre que sea posible introducir la sonda en el material que se desea ensayar. El operador realiza un orificio en el suelo ayudándose de una pica y un mazo. La profundidad a la que debe introducirse la sonda deber ser igual o ligeramente inferior al espesor de la capa que se ensaya, para obtener una medición representativa de toda la capa.

El modo retrodispersión sólo debe utilizarse cuando la dureza de la capa impide la penetración de la sonda, como sucede en el hormigón en las mezclas bituminosas. En este caso sólo se mide la densidad de material situado hasta unos 8 cm por debajo de la superficie, perdiéndose la representatividad.

La prevención conlleva el reconocimiento de que la calidad debe generarse durante el proceso y no ser inspeccionada cuando el producto está acabado. Es mejor adelantarse a los acontecimientos en vez de reaccionar constantemente cuando los fallos se producen. Incluso desde el punto de vista de la eficiencia económica, es más barato dedicar parte de los recursos a la prevención que asumir sin más los costes de la no calidad.

A continuación dejo un vídeo sobre lo que es el densímetro nuclear.

Os dejo a continuación un vídeo sobre seguridad nuclear en el uso de medidores industriales nucleares, nucleodensímetros.

Referencias:

YEPES, V. (2014). Equipos de compactación superficial. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 187. Valencia, 113 pp.

 

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La teoría del color y la estética en ingeniería

Figura 1. Puente Juan Bravo, en Madrid. Crédito: Guillem Collell Mundet, http://www.dobooku.com/2017/10/el-puente-juan-bravo-en-madrid/

Existe un interés creciente por las obras de ingeniería, que no solo deben ser funcionales y económicas, sino también estéticas. Sin embargo, saber valorar la estética o la calidad visual de una obra plantea algunos interrogantes. Se trata de un tema controvertido para muchos ingenieros, no suficientemente tratado en los planes de estudios. Resulta llamativa la reflexión realizada por Modest Batlle (2005) en relación con un mecanismo de autodefensa del ingeniero: “si no soy capaz de diseñar bien, mi alternativa es plantear que el diseño no tiene importancia; que lo hagan los otros“.

Javier Manterola (2010) reflexionaba en “Saber ver la ingeniería” sobre el lenguaje propio de cada una de las manifestaciones artísticas como la pintura, la escultura, la música, la arquitectura, el cine, la fotografía o la ingeniería. Si bien la forma de entender el arte se ha configurado a lo largo del tiempo, no son lenguajes independientes, aunque un pintor no tenga porqué saber nada de ingeniería o viceversa. La ingeniería va creando y modificando el paisaje donde se inserta, y es el espectador el que puede calibrar el valor intrínseco de la obra si entiende su lenguaje propio. David P. Billington (2013) acuña el término “arte estructural” como manifestación del arte del ingeniero de estructuras, que se muestra con claridad en puentes, rascacielos y cubiertas de gran luz. Podría pensarse que en estas estructuras, o en cualquier manifestación de la ingeniería civil (carreteras, presas, etc.), la belleza es una función más. Pero, como bien indica Juan José Arenas (1995), “contraponer funcionalidad y belleza es tomar el camino equivocado“.

Estos planteamientos conducen a la búsqueda de la verdad estructural como base de los valores estéticos de una estructura. Como dice Billington, “La forma controla las fuerzas y, cuanto más claramente pueda el proyectista visualizarlas, tanto más seguro se sentirá de esa forma“. También Eduardo Torroja acuñó su célebre frase “La lógica de la forma“, en el sentido que era la función que ha de cumplir una estructura su guía de diseño. El arco o la catenaria serían bellos en sí mismo porque expresan en sí mismos cómo se transmiten las cargas. Por tanto, fuera cualquier adorno superfluo. La estética de Torroja surge “del deseo último de fundir en un mismo ser la forma artística con la resistente“, lo cual es independiente del paisaje, resultando su integración más de la economía y simplicidad de formas y materiales, que de unos deseos explícitos de relacionar la obra con el paisaje (Nárdiz, 2001).

Sin embargo, ¿es suficiente el rigor de la ciencia estructural para alcanzar el nivel de calidad de diseño y construcción que pueda considerarse como “arte”? Arenas lo niega con rotundidad al afirmar que los mejores ingenieros buscan una síntesis “entre arte y tecnología, entre forma y mecanismos resistentes, entre claridad de expresión externa y limpieza y eficiencia del comportamiento estructural interno“. Miguel Aguiló (1999), reflexionando sobre el paisaje construido, sostiene que “normalmente se construye con una finalidad pero, algunas veces, lo construido trasciende a su propio uso y adquiere significados“. Es ahí donde está la clave, ¿qué significado tienen las obras de ingeniería?, ¿cómo valora el observador la imagen construida?, ¿es necesario un lenguaje específico para valorar la estética o el arte en ingeniería?

Figura 2. Presa de Aldeadávila. Difícil no emocionarse ante este arco gravedad. Crédito: Raiden32 (Imagen cedida por onmeditquenosvies, miembro del foro embalses.net) – Trabajo propio, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=9884054

Es difícil entrar en este campo de la estética y de la calidad visual de las infraestructuras. Aspectos como la armonía con el entorno, la esbeltez, el orden o la proporción se unen a la eficiencia económica y estructural en la valoración de la belleza de la obra pública. Pero no todos los espectadores utilizan el mismo lenguaje para valorar lo bello. Además, la subjetividad se acrecienta con las modas y con el contexto histórico y cultural en un ámbito determinado. Se trata, por tanto, de una respuesta emocional del observador (Figura 2). Con todo, ¿podemos utilizar algunos aspectos del lenguaje de la pintura, la fotografía o la escultura para entender mejor por qué existen imágenes u objetos que nos emocionan más que otros? ¿Se puede hablar, por tanto, de emoción en las obras de ingeniería?

Una de las formas universales, aunque no la única, de aproximarse a la realidad es el lenguaje visual. Se trata de un lenguaje mucho más universal que las lenguas escritas, aunque dispone de sus propias normas gramaticales y ortográficas que conviene conocer para transmitir lo que deseamos. Este lenguaje está presente en el diseño gráfico, industrial o la arquitectura, trasciende las bellas artes, la pintura, la fotografía y llega a la publicidad o a las redes sociales. Estamos en inmersos en un universo visual al que no es ajeno la ingeniería civil. Por tanto, existe cierta labor de alfabetización visual necesaria para entender el valor o demérito de una infraestructura y su contexto. Se trata de que el espectador pase a observador, transite sucesivamente de ver a mirar, para llegar a observar lo que se le presenta. Un correcto lenguaje visual permite al espectador dirigir la vista al objeto y formarse un juicio sobre él, por tanto, depende tanto de lo que se mira como de la experiencia previa.

Gran parte del conocimiento actual sobre la percepción humana y cómo interactúa con el significado visual nació en Europa en el primer tercio del siglo XX con la psicología de la Gestalt. Se comprobó cómo el principio básico de la organización perceptual es que el todo supera a la suma de las partes. Nuestro cerebro aprehende de la realidad simplificándola, analiza los componentes y los organiza en estructuras como pueden ser formas, objetos o secuencias. Entre el sujeto y el fondo, el cerebro crea un contraste que exagera las diferencias. Distinguimos sensaciones en la luz como el brillo, el contraste o la degradación tonal, así como el tamaño, la textura, la masa estimada o la localización espacial de lo que vemos. Incluso cuando falta información, nuestro cerebro crea incluso realidad mediante ilusiones ópticas.

El diseño puede considerarse como la expresión visual de una idea. Esta idea se transmite en forma de composición. Las formas (sus tamaños, posiciones y direcciones) constituyen la composición en la que se introduce un esquema de color. El lenguaje visual presenta, por tanto, unos elementos básicos como el punto, la línea, las superficies y el volumen. Todo ello crea formas, volúmenes, que en la obra pública se integran en el paisaje, transformándolo. Cómo disponer de estos elementos básicos forma parte de lo que se denomina “composición”, todo un arte dentro de la pintura o la fotografía, pero cuyos principios básicos también forma parte de la visión subjetiva del espectador del paisaje y sus infraestructuras.

Figura 3. Círculo cromático en la teoría tradicional del color

La forma ha sido un clásico en la estética, fundamentalmente en las estructuras, tal y como hemos visto anteriormente. Sin embargo, en este artículo vamos a centrarnos solamente en uno de los aspectos básicos de la calidad visual, que es la materia prima fundamental: la luz. Es la visión el sentido de la percepción del sujeto que consiste en la habilidad de detectar la luz e interpretarla. El espectro electromagnético visible por el ojo humano comprende longitudes de onda entre los 380 nm hasta los 780 nm, es decir, desde el violeta hasta el rojo. El color como tal no existe, son las células sensibles de la retina las que reaccionan de forma distinta con la longitud de onda de la luz reflejada por los objetos y que permite distinguir los colores. El ojo humano presenta tres tipos de células que transforman las longitudes de onda en los colores azul, rojo y verde, y de esta combinación se percibe el resto de gama de colores. Estos tres colores constituyen los colores primarios, de cuya combinación se puede producir la luz blanca, se trata del modelo de color RGB. Sin embargo, también existe el modelo CMYK formado por los pigmentos cian, magenta y amarillo, de cuya combinación se produce el negro. No obstante, la tradición del arte y en especial de la pintura, nos lleva al modelo de color RYB, donde los colores primarios son el rojo, el amarillo y el azul (Figura 3). Al conjunto de reglas básicas en la mezcla de colores para conseguir el efecto deseado se le denomina teoría del color.

En la Figura 3 se muestra el círculo cromático tradicional. En él los colores primarios (rojo, amarillo y azul) se combinan en la misma proporción para obtener los colores secundarios (violeta, naranja y verde). Incluso se obtienen los colores terciarios como combinación de primarios y secundarios (rojo violáceo, rojo anaranjado, amarillo anaranjado, amarillo verdoso, azul verdoso y azul violáceo). Los colores tienen tres atributos básicos: el matiz o tono, que es el propio color, la luminosidad, que es la mayor o menor cercanía al blanco o al negro, y la saturación o pureza del color, que es la concentración de gris. Por ejemplo, en el caso de mezclar colores opuestos en el círculo cromático, se obtienen grises.

Si bien el color se ha usado con maestría en la pintura, la fotografía, la arquitectura, no se podría decir lo mismo con la ingeniería, donde existe un desconocimiento absoluto sobre el fenómeno perceptivo con inagotables posibilidades espaciales. La fascinación por el blanco llegó a considerar el color como algo “casi delictivo”. Incluso no faltan los que opinan que el color en la obra pública es un ornato innecesario cuando se cambian los tonos naturales de los materiales, incluso se tacha de decoración. Le Corbusier argumenta al respecto en torno a tres ideas que quedan respaldadas con ejemplos de sus propios edificios construidos: “el color modifica el espacio”, “el color clasifica los objetos” y “el color actúa psicológicamente sobre nosotros y reacciona fuertemente sobre nuestros sentimientos”. El color tenía una gran importancia en la docencia de los primeros cursos de la Bauhaus, escuela que sentó las bases normativas y patrones de lo que hoy conocemos como diseño industrial y gráfico. El color interfiere en las propiedades visuales de la forma (puente, edificio, etc.) para mimetizar o singularizar las estructuras con el paisaje urbano o para integrar o desintegrar sus elementos componentes, para describir aspectos relacionados con la función o la composición de la forma, para vincularse con la cultura local de un contexto determinado, para incorporar un valor artístico añadido, etc. (Serra, 2013). No tiene sentido proyectar una obra y luego pensar cómo la pintaremos.

Por tanto, ¿tiene sentido colorear una obra de ingeniería? ¿No sería mejor dejar los colores naturales de los materiales? ¿Qué importancia tiene el código de color en la restauración? En el caso de las estructuras metálicas, el coloreado es casi obligatorio para su protección; en hormigones o aglomerados asfáticos se pueden agregar pigmentos; incluso el color puede conseguirse por biofilia, incorporando especies vegetales a la obra creada. Si bien cada individuo tiene una forma diferente de ver el mundo, en el fondo todos tenemos muchísimo en común. Los colores influyen en la emoción del observador, pues unos son fríos (tranquilos, estáticos, introvertidos) y otros más cálidos (energéticos, extrovertidos, dinámicos). Los colores neutros (gris, negro, blanco) son muy versátiles. El peso visual tiene un fuerte componente emotivo: se valora como más pesado el objeto de mayor tamaño, las superficies con textura pesan más que las lisas y homogéneas, los colores cálidos, saturados o claros se perciben como más densos que los fríos, desaturados y oscuros. Además, la investigación y la experiencia en la pintura a lo largo de la historia del arte permite disponer conjuntos de colores que armonizan de una forma especial entre ellos o bien contrastan. Ambas, armonía y contraste, son las dos formas compositivas del color.

  • Los colores complementarios son los que se encuentran en puntos opuestos en el círculo cromático, es decir, proporcionan el máximo contraste. Por ejemplo, el amarillo y el azul. Los complementarios son colores que se refuerzan mutuamente, de forma que un mismo color parece más vibrante si se asocia a su complementario. Son una buena herramienta para llamar la atención y para aquellos proyectos donde se quiera un fuerte impacto. Pero hay que tener cierta precaución, pues el resultado puede ser caótico si se usa la misma cantidad de cada color, por lo que se aconseja que un color sea el dominante.
  • La armonía doble de complementarios consiste en utilizar dos colores y sus complementarios, es decir, dos pares de colores contrastados. También puede ser algo arriesgada, sobre todo si se eligen porcentajes iguales de cada color.
  • Los complementarios divididos o adyacentes constituye una variante de los colores complementarios, pero con un menor contraste. En lugar de utilizar el complementario al color dado, se usan los situados en posiciones inmediatamente adyacentes. Por ejemplo, el azul y el rojo naranja y amarillo naranja. A veces basta utilizar dos de los colores. Esta armonía se utiliza mucho para acabados decorativos.
  • La armonía de análogos son los colores próximos en la rueda del color. Como son parecidos, armonizan muy bien entre sí. Estas combinaciones son muy habituales en la naturaleza. Por tanto, obras de ingeniería que intenten armonizar con el paisaje del entorno casan bien con colores armónicos.
  • Las tríadas o armonías de tres colores son aquellos que son equidistantes en el círculo cromático. Se podrían utilizar incluso figuras más complejas de cuatro o cinco lados, siempre con colores equidistantes entre sí.
  • La armonía monocromática es la basada en un solo color y sus diferentes tonos, con adición de blanco, negro y gris, es decir, variando su saturación y luminosidad. Es muy simple, y da sensación de sobriedad y elegancia, dando un efecto unificador y armonioso. Aunque a veces puede ser “excesivamente armónica”, monótono y aburrida, lo cual se puede evitar con alguna pizca de color complementario. Una forma de no fallar es utilizar el blanco, pues funciona de forma armónica, pero siempre que el resto de colores de la familia tonal correspondiente. Muchos de los puentes modernos puentes actuales acaban siendo blancos por este motivo.
Figura 4. Formas compositivas del color. Crédito: V. Yepes
Figura 5. Puente de La Vicaria, en Yeste. Crédito: Jesús from Albacete, España – Líneas (Puente de la Vicaría), CC BY 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=14935472

En las obras de ingeniería, el color es lo más económico y lo más visible (Batlle, 2005). El color cumple su función en la composición de una construcción. Puede integrar por mimetismo la obra con su entorno; por contra puede llamar la atención usando colores saturados o claros (por ejemplo en los puentes destaca el color el flujo de fuerzas). Sirve para ocultar elementos, como puede ser la imposta de un puente para aparentar mayor esbeltez. O incluso puede servir como signo identitario de un ámbito geográfico o sectorial, como es el caso del color azul del TGV en España.

Vamos a comentar algunas fotografías para descubrir la armonía o el contraste entre los colores. En la Figura 5 (puente de La Vicaría) se pueden observar los colores rojo anaranjado del arco y del suelo, los azules de la barandilla y el cielo, junto con los verdes del paisaje. Se trata de una armonía de dobles complementarios que funciona bien en el paisaje. Este rojo anaranjado es característico del acero Corten, muy utilizado en estructura mixta, tal y como se puede ver (Figura 1) en el puente Juan Bravo, en Madrid, diseñado por los ingenieros José Antonio Fernández OrdóñezJulio Martínez Calzón y Alberto Corral López-Dóriga. En este caso, el color del acero autopatinable y el blanco proporcionan una sensación de ligereza visual al tablero que resulta atractiva. Este material es especialmente interesante en cuanto a su integración paisajística, pues presenta tonos análogos a los tostados y marrones propios de la naturaleza.

Otro caso es la deliberación en el uso del color para destacar la singularidad de una obra. Un puente rojo o amarillo puede destacar sobre un paisaje natural, o bien mimetizarse en él si el color es verde o gris. Existe un gran riesgo de equivocación en el caso de una fuerte atracción visual. Por ejemplo, el rojo ligeramente anaranjado característico del Golden Gate, en San Francisco, funciona perfectamente destacando la singularidad de la estructura. Se trata de un color cálido que sintoniza bien con el entorno natural, con colores cálidos del terreno y que contrasta con los colores fríos del cielo y el mar. Además, proporciona una buena visibilidad a los busques en tránsito, pues el puente se encuentra cubierto de una espesa niebla muchos días al año. La propuesta de este icónico color fue de Irving Morrow, arquitecto asociado al proyecto, que pensó que la primera capa de pintura protectora presentaba una estética radical frente a los colores grises aluminio que se barajaban al principio. Este color (69% magenta, 100% amarillo y 6% negro), denominado como “Naranja Internacional” no pasa desapercibido, ya sea conduciendo, caminando o mirando la estructura desde la lejanía. Es simplemente maravilloso. Lo cual no significa que este color sirva en cualquier otro contexto y situación. ¡Qué suerte que la Armada estadounidense no impuso su opinión de pintar el puente de negro y amarillo para que fuera más visible! En la Figura 6 se ve la diferencia.

Figura 6. Puente colgante Golden Gate, en San Francisco. La segunda imagen corresponde al color que quería la Armada estadounidense. Crédito: Joan Campderrós-i-Canas/CC BY 2.0; Golden Gate Bridge, https://www.californiasun.co/stories/6-fascinating-facts-about-california-avocado-and-bumble-bee-bridge-edition/

También se puede utilizar el color en la iluminación ornamental de las infraestructuras. En ese sentido, tuve la experiencia personal de participar, desde la Generalitat Valenciana, en diversas iluminaciones como el Puente de San Jorge (Alcoy), tal y como puede verse en la Figura 7. Otras experiencias fueron la iluminación del casco urbano de Bocairent (Valencia), o las murallas de Xàtiva o Morella. En estos casos, la coloración puede ser más atrevida, ser cambiante y buscar efectos dinámicos, puesto que los cambios no son permanentes. Incluso en ocasiones se utilizan los fondos de determinados monumentos o fachadas como telón de fondo de actividades festivas o artísticas. Es, por ejemplo, el caso de las Torres de Serrano con motivo de la Crida, invitación a las Fallas de Valencia (Figura 8).

Figura 7. Iluminación ornamental del puente de San Jorge (Alcoy). Créditos: Waliwali21222324 – Trabajo propio, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=66216027

 

Figura 8. Iluminación de las Torres de Serrano con motivo de la Crida fallera

Otras veces el color juega un papel deliberado de integración de una estructura en su territorio. Es el caso del puente Fernando Reig de Alcoy (Alicante). De este puente y de los derechos de autor de las obras de ingeniería, ya hablamos en un artículo anterior. En este caso, el proyecto lo suscribieron los ingenieros de caminos José Antonio Fernández OrdóñezJulio Martínez Calzón, Manuel Burón Maestro y Ángel Ortíz Bonet. Tal y como se dice en su memoria: “La pila central es el elemento fundamental del puente y, sin ella, todo el concepto estructural y estético perdería  su sentido“. El material de la pila está cuidadosamente descrito para alcanzar su objetivo: un hormigón especial formado por un cemento portland gris muy claro con áridos y arenas rojas, y posteriormente tratado al chorro de arena. Con ello se consigue un color rosa, muy parecido al de la piedra de sillería del cercano puente de María Cristina, lo cual añade aún más singularidad a lo que ya son las enormes dimensiones y potente forma de la pila. Además, se eligió pintar en color gris la parte inferior de los tirantes hasta la altura de la barandilla para no distorsionar la línea horizontal del tablero. En la Figura 9 se puede apreciar el aspecto del puente antes de su última reparación.

Figura 9. Puente Fernando Reig de Alcoy, antes de la remodelación. Crédito: RafaMiralles – http://taxialcoy.net, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=42608270

Tras la renovación, el puente luce “prácticamente nuevo”, con una capa de pintura blanca en pilas, tirantes y tablero que desgarra la idea y concepción estética buscada por su autor. Se podrán argumentar razones técnicas, de durabilidad o de cualquier otro tipo. Pero estoy convencido de que se podría haber respetado la obra según la concibió su creador. Dejo la imagen del nuevo puente en la Figura 10. Como he dicho anteriormente, es el espectador el que tiene que valorar la obra pública, aunque en este caso, no tendrá ocasión de comprobar si lo que el autor quería transmitir se consiguió o no. Esa oportunidad de entender el significado de la obra se ha robado para las siguientes generaciones.

Figura 10. Puente Fernando Reig de Alcoy, tras su remodelación. Imagen: V. Yepes (2019)

Referencias:

AGUILÓ, M. (1999). El paisaje construido. Una aproximación a la idea de lugar. Colección de Ciencias, Humanidades e Ingeniería, nº 56. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Madrid.

ARENAS, J.J. (1995). El arte y la estética en el diseño de puentes: ¿Puentes monumento u obra civil funcional?. Revista de Obras Públicas, 3344: 27-34.

BATLLE, M. (2005). Diseño y funcionalidad visual en la obra pública. Colección de Ciencias, Humanidades e Ingeniería, nº 78. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Madrid.

BILLINGTON, D.P. (2013). La torre y el puente. El nuevo arte de la ingeniería estructural. Cinter Divulgación Técnica, Madrid.

MANTEROLA, J. (2010). La obra de ingeniería como obra de arte. Fundación Arquitectura y Sociedad. LAETOLI, Pamplona.

NÁRDIZ, C. (2001). El paisaje de la ingeniería, la estética, la historia, el análisis y el proyecto. OP ingeniería y territorio, 54:4-13.

NAVARRO, J.R. (editor) (2009). Pensar la ingeniería. Antología de textos de José Antonio Fernández Ordóñez. Colección ciencias, humanidades e ingeniería. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Madrid.

SERRA-LLUCH, J. (2013). Three color strategies in architectural composition. Color Research and Application, 38, pp. 238-250.

YEPES, V. (2018). El derecho de autor en las obras de ingeniería: El puente Fernando Reig en Alcoy. https://victoryepes.blogs.upv.es/2018/05/17/el-derecho-de-autor-en-las-obras-de-ingenieria-el-puente-fernando-reig-en-alcoy/ 

 

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Puente del Barranco de la Batalla, en Alcoy (Alicante)

Puente del Barranco de la Batalla. Imagen: V. Yepes (2019)

En esta entrada vuelvo a contar algunas anécdotas sobre las infraestructuras que rodean Alcoy, cuna de muchos ingenieros de caminos, entre los que me incluyo. Este puente ferroviario, de la malograda línea de ferrocarril entre Alicante y Alcoy, forma parte de un valioso conjunto de viaductos realizados a finales de los años veinte.

El puente que describimos a continuación, recibe varios nombres, como el puente del Barranco de la Batalla, del Barranco de San Antonio, e incluso, puente de las Siete Lunas. Sin embargo, ésta última acepción lo confunde con el verdadero puente formado por siete arcos que se encuentra dispuesto paralelo al que vamos a describir, a 20 m aguas abajo, en la carretera N-340 entre Alcoy y Alicante. Asimismo, también se llama “de las Siete Lunas” el viaducto más espectacular de todo el trazado ferroviario, que es el situado sobre el río Polop. Es sugerente el nombre de “Barranco de la Batalla”, pues rememora la revuelta entre mudéjares y cristianos en la que el caudillo andalusí Al-Azraq quiso reconquistar la ciudad de Alcoy y que, según la leyenda, tuvo lugar la aparición de San Jorge. De esta tradición surge la famosa fiesta de Moros y Cristianos, declarada de Interés Turístico Internacional. Pero eso es otra historia.

La idea de una linea de ferrocarril entre Alcoy y Alicante tuvo su primer impulso con la Primera República, que el 10 de mayo de 1873 adjudicó el proyecto. Posteriormente, hubo diferentes iniciativas en 1900 y 1902, así como otra del Ayuntamiento de Alcoy en 1908. Tendría que llegar el gobierno de Primo de Rivera, y su ministro de Obras Públicas el conde de Guadalhorce, para que este proyecto se declaró prioritario en un plan nacional.

Este puente, al igual que todos los de la  línea férrea, tuvo sus orígenes el la R.O. de 5 de marzo de 1926, en el “Plan preferente de ferrocarriles de urgente construcción“, el conocido como Plan Guadalhorce. Se trataba de 66,200 km de trazado que comprendía la explanación general, obras de fábrica y túneles, y cuyo proyecto lo redactó el ingeniero de caminos D. José Roselló Martí en 1927, puesto que estaba destinado en la 3ª jefatura de Estudios y Construcciones de Ferrocarriles del Sureste de España. Roselló se basó en un proyecto previo de D. Próspero Lafarga, que incluía viaductos metálicos de tramos rectos de 50 m de luz, pero que cambió por viaductos en arco de hormigón armado, más baratos. Aunque la obra empezó y se construyeron túneles y puentes, la crisis de la época paralizó la mayoría de obras en curso, incluida ésta. Nunca más se retomó la obra, aunque hoy día tenemos una fantástica Vía Verde para el disfrute de todos los aficionados. Ya hablamos de este tema en una entrada anterior de este blog.

Puente del Barranco de la Batalla. Imagen: V. Yepes (2019)

Centrándonos en este puente, diremos que tiene una longitud de 69 m y una altura máxima de 20 m sobre el cauce. Se trata de un arco rebajado de 44 m de cuerda y 8,80 m de flecha. En los arranques su espesor es de 1,50 m que se reduce a 1,10 m en la clave, siendo su ancho de 3,60 m. La rasante tiene una pendiente ascendente del 2,1%. Se trata de una obra que salva la dificultad del estrecho paso entre dos túneles de 900 y 1200 m de longitud. El entorno es de roca caliza competente, lo cual permitió esta tipología de arco. Se utilizó un procedimiento constructivo basado en dos castilletes de celosía y poleas diferencias para el montaje de las cimbras y cerchas metálicas. Las cimbras que se utilizaron aquí fueron modificadas de las que se usaron en el viaducto del Cint, en la misma línea. El lector que se interese mayor documentación sobre éste y otros acueductos de esta línea ferroviaria, puede consultar la Revista de Obras Públicas año 1929, páginas 349, 365 y 381.

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Selección de puentes sostenibles de vanos pequeños en Brasil

Nos acaban de publicar en la revista Sustainaibility (segundo cuartil en Web of Science) un artículo donde se aplica la toma de decisiones multicriterio (AHP y Vikor) para seleccionar el tipo de puente de vano corto más idóneo desde el punto de vista de la sostenibilidad en el contexto de Brasil.

Se trata del fruto del trabajo conjunto desarrollado por el profesor Moacir Kripka, catedrático de estructuras en la Universidade de Passo Fundo, que estuvo de estancia en nuestra universidad hace unos meses.

Este artículo forma parte de nuestra línea de investigación DIMALIFE en la que se pretenden optimizar estructuras atendiendo no sólo a su coste, sino al impacto ambiental y social que generan a lo largo de su ciclo de vida.

Como se trata de una publicación en abierto, os dejo a continuación el artículo completo para su descarga.

 

Referencia:

KRIPKA, M.; YEPES, V.; MILANI, C.J. (2019). Selection of sustainable short-span bridge design in Brazil. Sustainability, 11:1307. DOI: 10.3390/su11051307

Descargar (PDF, 1.28MB)

Tesis doctoral: Vulnerabilidad urbana, nueva caracterización y metodología para el diseño de escenarios óptimos

Ayer 1 de marzo de 2019 tuvo lugar la defensa de la tesis doctoral de D. Jorge Salas Herranz denominada “Vulnerabilidad urbana, nueva caracterización y metodología para el diseño de escenarios óptimos”, dirigida por Víctor Yepes Piqueras. La tesis recibió la calificación de “Sobresaliente cum laude” por unanimidad. Presentamos a continuación un pequeño resumen de la misma.

Resumen:

La vulnerabilidad urbana es un problema a cuya solución la planificación estratégica urbana puede realizar una importante contribución, y cuya evaluación ha despertado un interés creciente en diferentes países. En España, este interés ha cristalizado en forma de Observatorio de Vulnerabilidad Urbana, donde se ofrece una evaluación que clasifica barrios en vulnerables o no vulnerables de acuerdo a tres indicadores básicos. Esta evaluación, sin embargo, no se ajusta aún a los requisitos actuales en materia de planificación estratégica, dificultando así su implementación en este tipo de procesos y haciendo necesaria su actualización.

La tendencia actual en planificación estratégica urbana se caracteriza por una serie de atributos que han sido objeto de desigual interés por parte de la comunidad científica, dando lugar a diferentes grados de avance en los métodos con los que implementarlos. Estos métodos tienen por objetivo posibilitar el empleo de enfoques cognitivos, e incorporar procesos participativos en el diseño de estrategias como medio de legitimarlas y para captar las preferencias de los diferentes interesados. También persiguen modelizar la naturaleza dinámica y multi-escala de los aspectos tanto temporales como político-administrativos que afectan a los problemas de planificación propios de este campo. La capacidad estratégica es, así mismo, otra cualidad demandada, para lo cual el empleo de enfoques multi-objetivo ofrecen una alternativa válida a la hora de localizar estrategias con las que hacer frente a los diversos problemas que acucian a nuestra sociedad.

Flamante doctor junto con el tribunal (Montserrat Zamorano, Javier Ordóñez y Eugenio Pellicer) y el director de la tesis

Toda estrategia, además, cifra buena parte de sus posibilidades de éxito en una correcta apreciación de las circunstancias que la rodean lo cual, por otro lado, la hace dependiente de las incertidumbres asociadas. En el ámbito de la planificación estratégica urbana, la creciente necesidad de incorporar estas incertidumbres a los procesos decisionales ha marcado la evolución que ha experimentado dicho campo, dando lugar al desarrollo de diferentes métodos de evaluación basados en la generación de escenarios y el análisis de alternativas bajo estos supuestos. Estos métodos analizan el comportamiento de diferentes estrategias a lo largo de un conjunto de escenarios que pueden ser óptimos o pésimos, pero no ambos. Esta laguna supone una limitación a la hora de identificar estrategias a la vez robustas frente a los escenarios más adversos, y sensibles frente a los más favorables. Entre estas técnicas, además, no figura ningún intento por incorporar la incertidumbre relacional, característica en sistemas de infraestructura implementados a lo largo de diferentes escalas político-administrativas.

Esta investigación propone solucionar dichas carencias mediante un sistema de soporte decisional integrado por diversos módulos que, en sintonía con los atributos actualmente exigibles a toda herramienta de planificación estratégica, cubra el proceso decisional completo. Partiendo de la selección de un modelo apropiado de evaluación de vulnerabilidad urbana, el sistema propuesto genera alternativas de planificación con las que hacerla frente, y permite seleccionar aquella que ofrezca un balance adecuado de riesgos y oportunidades. Así mismo, al final del proceso se ofrece un conjunto óptimo de medidas, en forma de sistema relacional, con las que acompañar la implementación de la alternativa elegida a través del tejido político-administrativo de un territorio.

Como consecuencia, es de esperar que la aplicación de la metodología propuesta contribuya a una mejor distribución de los importantes recursos movilizados para reducir la vulnerabilidad urbana y mejorar la resiliencia. Además, el sistema decisional está compuesto por una serie de métodos de caracterización, propuesta de alternativas y evaluación de incertidumbres, aplicables a problemas similares que puedan resultar de interés en el campo de la planificación estratégica urbana.

Referencias:

SALAS, J.; YEPES, V. (2019). MS-ReRO and D-ROSE methods: assessing relational uncertainty and evaluating scenarios’ risks and opportunities on multi-scale infrastructure systems. Journal of Cleaner Production, 216:607-623. DOI:10.1016/j.jclepro.2018.12.083

SALAS, J.; YEPES, V. (2018). Urban vulnerability assessment: Advances from the strategic planning outlook. Journal of Cleaner Production, 179:544-558. DOI:1016/j.jclepro.2018.01.088

SALAS, J.; YEPES, V. (2018). A discursive, many-objective approach for selecting more-evolved urban vulnerability assessment models. Journal of Cleaner Production, 176:1231-1244. DOI:1016/j.jclepro.2017.11.249

 

 

 

Coeficiente de esponjamiento en movimiento de tierras

Figura 1. Retroexcavadora

Uno de los problemas habituales, pero fáciles de resolver en el cálculo de costes y producciones de los movimientos de tierras es no tener en cuenta los cambios de volumen que experimenta el terreno cuando se excava, transporta y compacta. A continuación os voy a contar algunos de estos conceptos.

El “peso específico de un suelo“, como relación entre el peso y su volumen, es un valor dependiente de la humedad, de los huecos de aire y del peso específico de las partículas sólidas. Para evitar confusiones, las determinaciones de los ensayos de laboratorio facilitan por un lado el “peso específico seco” y por otro la humedad. Fijémonos que este término es diferente de la “densidad del suelo“, que establece una relación entre la masa y el volumen. Por tanto, en las siguientes definiciones, aunque hablemos de densidad, en propiedad deberíamos hablar de peso específico. Sin embargo, a efectos prácticos no hay problemas en los cálculos (uso de kilogramos-masa frente a kilogramos-fuerza o Newtons en el Sistema Internacional).

La densidad de un terreno, esto es, la masa por unidad de volumen, es una característica dependiente del estado del suelo o de las rocas. Los componentes sólidos del terreno, su ordenación, humedad, grado de compactación, índice de huecos, granulometría, son rasgos que alteran la densidad de un terreno, siendo por tanto necesario, referir en cada momento, qué tipo de densidad estamos tratando.

Se denomina densidad aparente a la masa de una porción de terreno por unidad de volumen. Dicha masa estaría constituida por las partículas sólidas más el agua.

Se define densidad en banco o “in situ” dB a la densidad aparente del terreno en su estado natural, antes de su extracción. El movimiento de tierras va a provocar, mediante acciones mecánicas sobre los terrenos, una reordenación de sus elementos integrantes, y por tanto, una variación de dicha densidad aparente, bien sea aumentando el volumen de los mismos (excavación), o bien disminuyéndolos (compactación). Si no existieran incrementos o disminuciones de humedad durante la manipulación del terreno, se mantendría constante el producto del volumen por la densidad aparente, es decir, la masa de la porción del terreno considerado.

Figura 2. Esponjamiento y factores de conversión

La excavación de un material va a provocar un aumento de volumen, y por tanto una disminución de su densidad aparente, que llamaremos densidad del material suelto dL. Esta circunstancia debe ser considerada en los cálculos de producción tanto de excavación como de transporte. Se denomina factor de esponjamiento FW -también llamado “Factor Volumétrico de Conversión FVC”, al cociente entre los volúmenes aparentes en banco y del material suelto. Dicho factor, es evidentemente, menor a la unidad. También se denomina en la bibliografía Factor de Conversión de Esponjamiento (F.C.E.).

donde,

FW = Factor de esponjamiento.

VB = Volumen que ocupa el material en banco.

VL = Volumen que ocupa el material suelto.

Si os interesa, podéis consultar una entrada previa donde os dejé un Laboratorio virtual para el cálculo del peso específico de un suelo.

Otra relación sería el porcentaje de esponjamiento SW, que expresaría el tanto por ciento entre el incremento de volumen y el del material en banco. Ambos conceptos se podrían referir a las densidades aparentes en banco y suelta, siempre que no hubiese variación de humedad en la manipulación, al no variar la masa total.

donde,

SW = Porcentaje de esponjamiento.

VB = Volumen que ocupa el material en banco.

VL = Volumen que ocupa el material suelto.

 

De la Tabla 1 pueden tomarse valores característicos de peso específico en banco y factor volumétrico de conversión, aconsejándose la determinación real para casos donde precisemos afinar mediciones o productividades.

MATERIAL   gB (t/m3) FW
CALIZA 2,61 0,59
ARCILLA estado natural 2,02 0,83
seca 1,84 0,81
húmeda 2,08 0,80
ARCILLA Y GRAVA seca 1,66 0,86
húmeda 1,84 0,84
ROCA ALTERADA 75% Roca-25% Tierra 2,79 0,70
50% Roca-50% Tierra 2,28 0,75
25% Roca-75% Tierra 1,06 0,80
TIERRA seca 1,90 0,80
húmeda 2,02 0,79
barro 1,54 0,81
GRANITO FRAGMENTADO 2,73 0,61
GRAVA natural 2,17 0,89
seca de 6 a 50 mm. 1,90 0,89
húmeda de 6 a 50 mm. 2,26 0,89
ARENA Y ARCILLA 2,02 0,79
YESO FRAGMENTADO 3,17 0,57
ARENISCA 2,52 0,60
ARENA seca 1,60 0,89
húmeda 1,90 0,89
empapada 2,08 0,89
TIERRA Y GRAVA seca 1,93 0,89
húmeda 2,23 0,91
TIERRA VEGETAL 1,37 0,69

Tabla 1.- Peso específico en banco y factor de esponjamiento para distintos materiales.

La compactación consiste en someter al terreno a esfuerzos de compresión que produzcan movimientos de sus partículas, de modo que le lleven a posiciones de mayor compacidad. Ello, evidentemente, comporta una disminución del volumen aparente del material. Se denominará factor de compresibilidad FC a la relación entre el volumen del material compactado y en banco.

donde,

FC = Factor de compresibilidad.

VC = Volumen que ocupa el material compactado.

VB = Volumen que ocupa el material en banco.

Otro tipo de definiciones usadas para expresar la relación entre los componentes de un terreno, serían las siguientes:

  • Contenido de humedad, : relación entre la masa del agua y de los sólidos.
  • Grado de saturación, Sr: relación entre el volumen de agua y el volumen de huecos.
  • Índice de poros, e: relación entre el volumen de huecos y el volumen de sólidos.
  • Porosidad, n: volumen de huecos referida a la totalidad del volumen.

Os dejo un vídeo donde se explican estos conceptos. Espero que os sea útil.

Referencias:

YEPES, V. (2014). Maquinaria de movimiento de tierras. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 204. Valencia,  158 pp.

 

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Muro de fábrica

Figura 1. Muro de mampostería. Fuente: http://www.generadordeprecios.info/

Los muros de fábrica están constituidos por piedras naturales, ladrillos o bloques de hormigón, que se construyen de forma manual.

Se denominan muros de sillería aquellos formados por piedras labradas finamente, de forma que las piedras se sostienen mutuamente por yuxtaposición, asentándose sobre otras mediante mortero.

Los muros de mampostería están formados por piedras sin labrar o labradas toscamente, que se colocan en dos paramentos, realizándose posteriormente su relleno (Figuras 1 y 2). La forma en la que se disponen las piezas se denomina aparejo. Los mampuestos pueden unirse mediante una argamasa o mortero o bien sin ella, en los llamados muros secos.

Figura 2. Arquitectura popular. Muro de mampostería de granito, La Torre (Ávila). Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mamposter%C3%ADa_1.JPG

Os dejo a continuación un vídeo corto sobre cómo se construye un muro de piedra.

Aquí os dejo cómo se hace un muro de piedra en Los Pedroches. Destaca este oficio que se pierde en el tiempo.

Hay intentos de industrialización de este tipo de muros, pero no acaban de generalizarse. Os dejo un artículo al respecto, pero en este caso, restringido a la técnica del tapial.

Descargar (PDF, 2.44MB)

Referencias:

VON MAG, A.; RAUCH, M. (2011). Paredes de tapial y su industrialización (encofrados y sistemas de compactación). Informes de la Construcción, 63:523, 35-40.

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Perforación rotativa por corte

Figura 1. Secuencia de corte

La perforación rotativa por corte tuvo su máximo desarrollo en la década de los 40 en las minas de carbón americanas. Hoy día su uso se limita a las rocas blandas y de pequeños diámetros, aunque en los trabajos a cielo abierto este sistema entra en competencia con el arranque directo y en los trabajos subterráneos con la perforación rotopercusiva.

Con este sistema, la fuerza de avance trata de mantener en contacto el útil de corte con la roca, de forma que el filo sea el encargado de realizar los sucesivos cortes.

El corte se realiza con bocas que presentan elementos de carburo de tungsteno u otros materiales como los diamantes sintéticos, pudiéndose distinguir varios tipos:

  • Bocas bilabiales o de tenedor, en diámetros de 36 a 50 mm
  • Bocas trialetas o multialetas, en diámetros de 50 a 115 mm
  • Bocas de labios reemplazables, con elementos escariadores y perfil de corte escalonado, en diámetros de 150 a 400 mm
Figura 2. Tipos de bocas para perforación por corte

El ángulo de ataque α del útil de corte varía entre 110º y 140º, siendo más obtuso cuanto más dura sea la roca. El ángulo del labio de corte β varía entre 75º y 80º. El ángulo de corte γ oscila entre -6º y 4º, siendo positivo en rocas blandas y negativo en las duras.

Figura 3. Ángulos característicos de un útil de corte

 

Figura 4. Trayectoria de un punto de la boca

Existe una relación empírica entre el diámetro de perforación, la velocidad de penetración y el tipo de roca:

donde

Vp = Velocidad de penetración

μ = Coeficiente de fricción de la roca

E = Empuje sobre la boca

Vr = Velocidad de rotación

re = Radio efectivo de la roca

Ev = Energía específica de la roca

Ar = Área de la sección transversal del barreno

 

Sin embargo, en la práctica existe una desviación importante de los datos, pues el coeficiente de fricción depende del empuje y la velocidad de rotación se limita por el desgaste continuo que se produce en las bocas al aumentar el número de revoluciones.

Figura 5. Relación entre el empuje y la velocidad de penetración

En la práctica, se pueden definir dos campos claros de operatividad de este sistema de perforación rotativa:

  • Aquellas rocas de resistencia a compresión menor a 80 MPa
  • Rocas con contenido en sílice menor al 8%, para evitar un desgaste excesivo

La eliminación del detrito de perforación suele realizarse con un fluido de barrido que puede ser aire, en los trabajos a cielo abierto o agua o aire húmedo en los trabajos de interior. Emplear aire con inyección de agua no sólo facilita la evacuación del detritus y favorece la velocidad de avance, sino que también refrigera las bocas de perforación y disminuye su desgaste. Además, evita el colmatado de la perforación y elimina el polvo. Se necesita aproximadamente de 1000 a 1500 l/min de aire y por cada perforadora unos 250 cm3/min de agua.

En rocas muy blandas (30 a 40 MPa) puede emplearse varillaje helicoidal, de paso mayor cuanto más grande sea la velocidad de penetración, para evacuar el residuo de la perforación.

Figura 6. Varilla helicoidal y bocas de perforación

Os dejo a continuación un vídeo donde explico, en general, la perforación rotativa de rocas. Espero que os complemente la información anterior.

Referencias:

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y MINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Ed. IGME. Madrid, 500 pp.

YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209.

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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