Toma de decisiones aplicada a la construcción de un puente mixto en cajón

Os dejo a continuación un ejemplo sencillo de aplicación de la técnica AHP de toma de decisiones dirigida a la selección de alternativas en la construcción de un puente mixto en cajón. Se trata de un caso que utilizamos con nuestros estudiantes para enseñar la técnica. Tratamos de evitar que, en los estudios de soluciones, los estudiantes recurran siempre a las matrices de valoración ponderada, donde los pesos de cada criterio siempre se ponen de forma más o menos arbitraria, o bien para justificar la solución preferida. Este tipo de problemas también suelen aparecer en los concursos de licitación de obras públicas.

Referencia:

YEPES, V.; MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; ATA-ALI, N.; MARTÍ, J.V. (2019). Multi-criteria decision analysis techniques applied to the construction of a composite box-girder bridge. 13th annual International Technology, Education and Development Conference (INTED 2019), Valencia, 11th, 12th and 13th of March, 2019, 1458-1467. ISBN: 978-84-09-08619-1

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Vigas armadas híbridas de acero

Figura 1. Viga armada de acero. https://www.renedometal.es/

Las vigas armadas son estructuras de acero están compuestas por placas soldadas entre sí que conforman sus alas y almas, añadiéndose rigidizadores transversales y longitudinales allí donde sea necesario. El uso de este elemento estructural es habitual en grandes luces o con cargas importantes, donde las vigas laminadas no pueden absorber las tensiones que se originan. Es habitual su empleo en edificación para grandes lucen y también en puentes metálicos para salvar vanos entre 18 y 300 m. En el caso de puentes de ferrocarril o siempre que existan grandes cargas, este tipo de vigas compiten económicamente para luces entre 15 y 45 m (Marco, 1997).

Un caso muy habitual es la construcción de puentes metálicos mediante las técnicas de lanzamiento o empuje. Durante estos procesos, la viga se encuentra sometida a altos niveles de esfuerzos cortantes y de cargas concentradas. Otra fase crítica en la construcción de puentes metálicos mixtos es el vertido de hormigón en los tableros, momento en el que las vigas soportan una carga elevada, hasta que el hormigón endurece y es capaz de soportar sus esfuerzos.

Figura 2. Viga de lanzamiento utilizada en la construcción de un puente sobre el río Colastiné. https://jornadasaie.org.ar/jornadas-aie-anteriores/2014/contenidos/trabajos/005.pdf

La geometría de estas vigas suele hacerse a medida, soldando chapas de acero, que dan lugar a secciones en doble T o en cajón. No obstante, la sección doble T suele ser la más habitual, pues normalmente es la más económica al requerir menos soldaduras, pudiéndose ejecutar éstas de forma automática. No obstante, la sección doble T presenta una menor resistencia a flexiones transversales y a la torsión, en comparación con las secciones en cajón. Además, si las alas son excesivamente esbeltas, se puede presentar una pérdida significativa de su eficacia.

Una forma de reducir el canto de las vigas armadas es emplear aceros de alta resistencia en las partes más solicitadas, que normalmente son las alas en la flexión de la viga. En el alma podría utilizarse un acero de un límite elástico menor, pues su misión principal es absorber el cortante. A este tipo de vigas que utilizan diferentes límites elásticas de acero en las chapas de alas y alma, se denominan vigas armadas híbridas.

El uso de aceros de alto o muy alto límite elástico deben cumplir con determinadas características de dureza ductilidad y soldabilidad para evitar roturas frágiles. En Europa se utilizan aceros de alto límite elástico (HSS) desde los 460 hasta los 690 MPa, que aunque no son ampliamente utilizados. No obstante, en otros países como Japón, Estados Unidos o Suecia, se utilizan estos aceros HSS desde hace varias décadas.

Según Chacón (2014), la investigación realizada sobre las vigas híbridas comenzó en la década de los 60-70 con el foco puesto en la investigación experimental. Durante la década de los 80-90 bajó el interés en este campo, pero en la década de los 2000, se relanzó la investigación, tanto experimental como numérica.

La ventaja de las vigas armadas híbridas es la disminución del espesor de las chapas de mayor límite elástico, lo cual supone una reducción de peso por unidad de longitud de la sección transversal, sin que ello disminuya el canto de la pieza (Chacón, 2014). Sin embargo, la reducción del espesor puede acarrear la disminución de la capacidad de la sección ante otros fenómenos, como es el caso de la inestabilidad. Se debe garantizar un buen comportamiento de las vigas a cortante, estudiando su inestabilidad, a cargas concentradas y a pandeo lateral. Por tanto, nos encontramos ante un caso de optimización de gran interés.

En el siguiente vídeo podemos observar la fabricación de una viga carrilera de 50 toneladas.

En este otro vídeo podemos ver el resumen de una campaña de ensayos sobre vigas armadas híbridas de acero realizada en la UPC.

Referencias:

CHACÓN, R. (2014). Vigas armadas híbridas de acero. Estado del conocimiento. Revista Ciencia e Ingeniería, 35(2):95-102.

CHACÓN, R.; ROJAS-BLONVAL, J. E. (2015). Evaluación de la resistencia a abolladura por cortante de vigas armadas híbridas de acero según la norma venezolana COVENIN 1618:1998. Informes de la Construcción, 67(538): e075, doi: http://dx.doi.org/10.3989/ic.13.111.

MARCO, J. (1997). Fundamentos para el cálculo y diseño de estructuras metálicas de acero laminado. Comportamiento del material y esfuerzos básicos. McGraw Hill, Madrid.

TERREROS, A. (2014). Estudio de la interacción flector cortante en vigas híbridas de acero. Tesis de máster, Universitat Politècnica de Catalunya.

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Composición y propiedades del acero

Histórico horno Bessemer. Wikipedia

El término acero sirve comúnmente para denominar, en ingeniería metalúrgica, a una aleación de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,03% y el 1,075% en peso de su composición, dependiendo del grado. Si la aleación posee una concentración de carbono mayor al 2,0% se producen fundiciones que, en oposición al acero, son mucho más frágiles y no es posible forjarlas sino que deben ser moldeadas. El acero conserva las características metálicas del hierro en estado puro, pero la adición de carbono y de otros elementos tanto metálicos como no metálicos mejora sus propiedades físico-químicas.

A continuación os voy a pasar unos vídeos al respecto que espero os sean útiles.

Composición del acero. Tipos más comunes, Comercialización de algunos materiales hechos con acero

Propiedades físicas, térmicas y ópticas del acero.

Propiedades mecánicas y tecnológicas del acero, corrosión.

Propuesta de indicadores de sostenibilidad para el proyecto de puentes de pequeña luz

Acaban de publicarnos un artículo en la revista International Journal of Environmental Research and Public Health (revista indexada en el JCR) sobre la propuesta de indicadores de sostenibilidad para el proyecto de puentes de pequeña luz.

El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación DIMALIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

También es fruto de la colaboración con el profesor Moacir Kripka, de la Universidad de Passo Fundo, de Brasil.

En este trabajo se presenta la aplicación de técnicas que analizan la sostenibilidad en el ciclo de vida de las superestructuras de puentes de pequeña luz. El objetivo es obtener indicadores ambientales y económicos para su integración en el proceso de adopción de decisiones a fin de minimizar el impacto ambiental, reducir el consumo de recursos y  los costos del ciclo de vida. Se analizaron 27 configuraciones de puentes de pequeñas luces (6 a 20 m) de los siguientes tipos: puentes mixtos de acero y hormigón, puentes de hormigón armado in situ, puentes prefabricados y puentes de hormigón pretensado, que comprenden un total de 405 estructuras. Los impactos ambientales y los costos se cuantificaron mediante la evaluación ambiental del ciclo de vida y el análisis del costo del ciclo de vida siguiendo los límites de los sistemas desde la extracción de los materiales hasta el final de la vida del puente (“de la cuna a la tumba”). En general, los resultados indicaron que el rendimiento ambiental de los puentes estaba vinculado significativamente a la selección de los materiales y la configuración de los puentes. Además, el estudio permitió identificar los productos y procesos de mayor impacto a fin de subvencionar el diseño de estructuras y políticas gubernamentales más sostenibles.

Abstract:

The application of techniques to analyze sustainability in the life cycle of small-span bridge superstructures is presented in this work. The objective was to obtain environmental and economic indicators for integration into the decision-making process to minimize the environmental impact, reduce resource consumption and minimize life cycle costs. Twenty-seven configurations of small-span bridges (6 to 20 m) of the following types were analyzed: steel–concrete composite bridges, cast in situ reinforced concrete bridges, precast bridges and prestressed concrete bridges, comprising a total of 405 structures. Environmental impacts and costs were quantified via life cycle environmental assessment and life cycle cost analysis following the boundaries of systems from the extraction of materials to the end of bridge life (“from cradle to grave”). In general, the results indicated that the environmental performance of the bridges was significantly linked to the material selection and bridge configuration. In addition, the study enabled the identification of the products and processes with the greatest impact in order to subsidize the design of more sustainable structures and government policies.

Keywords:

bridges; sustainability; design; life cycle assessment

Reference:

MILANI, C.J.; YEPES, V.; KRIPKA, M. (2020). Proposal of sustainability indicators for the design of small-span bridges. International Journal of Environmental Research and Public Health, 17(12):4488. DOI:10.3390/ijerph17124488

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Cimentaciones para estructuras prefabricadas

Cimentación con cálices realizados in situ para pilares prefabricados. http://prefabricadoseguro.com/

La Norma UNE-EN 14991:2008 contempla los requisitos y los criterios básicos de prestaciones y especifica, donde sea aplicable, los valores mínimos de los elementos prefabricados para cimentaciones (comprende pilares con elementos de cimentación integrados, elementos de cimentación en cáliz, cálices, etc.) fabricados con hormigón armado de peso normal para estructuras de edificaciones de acuerdo con la Norma Europea EN 1992-1-1.

A continuación os dejo un Polimedia del profesor Enrique J. Miró Pérez relacionado con las cimentaciones para estructuras prefabricadas. Os recomiendo también la “Guía específica de marcado CE para productos prefabricados de hormigón ‘elementos de cimentación‘”, de ANDECE.

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Referencias:

YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

Puentes mixtos: diseño, análisis de ciclo de vida, mantenimiento y toma de decisiones

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Advances in Civil Engineering,  revista indexada en el JCR. Se trata de un artículo de revisión del estado del arte de los puentes mixtos de hormigón y acero desde los puntos de vista del diseño, análisis del ciclo de vida, mantenimiento y toma de decisiones. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación DIMALIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

Los puentes mixtos de acero y hormigón se utilizan como alternativa a los puentes de hormigón debido a su capacidad de adaptar su geometría a las limitaciones de diseño y a la posibilidad de reutilizar algunos de los materiales de la estructura. En esta revisión del estado del arte, informamos de la investigación realizada sobre el diseño, el comportamiento, la optimización, los procesos de construcción, el mantenimiento, la evaluación del impacto y las técnicas de toma de decisiones de los puentes mixtos para llegar a un enfoque de diseño completo. Además de un análisis cualitativo, se utiliza un análisis multivariante para identificar las lagunas de conocimiento relacionadas con el diseño de los puentes y para detectar las tendencias de la investigación. Un objetivo adicional es hacer visibles las lagunas en el diseño sostenible de los puentes mixtos, lo que permite centrar los futuros estudios de investigación. Los resultados de esta labor muestran cómo la investigación se ha centrado en el diseño preliminar de puentes con un enfoque principalmente económico, mientras que a nivel mundial la preocupación se dirige a la búsqueda de soluciones sostenibles. Se ha comprobado que las estrategias de evaluación del impacto del ciclo de vida y de adopción de decisiones permiten a los gestores de los puentes mejorar la adopción de decisiones, en particular al final del ciclo de vida de los puentes mixtos.

Abstract

Steel-concrete composite bridges are used as an alternative to concrete bridges because of their ability to adapt their geometry to design constraints and the possibility of reusing some of the materials in the structure. In this review, we report the research carried out on the design, behavior, optimization, construction processes, maintenance, impact assessment, and decision-making techniques of composite bridges in order to arrive at a complete design approach. In addition to a qualitative analysis, a multivariate analysis is used to identify knowledge gaps related to bridge design and to detect trends in research. An additional objective is to make visible the gaps in the sustainable design of composite steel-concrete bridges, which allows us to focus on future research studies. The results of this work show how researchers have concentrated their studies on the preliminary design of bridges with a mainly economic approach, while at a global level, concern is directed towards the search for sustainable solutions. It is found that life cycle impact assessment and decision-making strategies allow bridge managers to improve decision-making, particularly at the end of the life cycle of composite bridges.

Reference:

MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2020). Steel-concrete composite bridges: design, life cycle assessment, maintenance and decision making. Advances in Civil Engineering, 2020, 8823370. DOI:10.1155/2020/8823370

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Construcción de estructura mixta: Torre BBVA Bancomer

Torre durante su construcción. https://es.wikipedia.org/wiki/Torre_BBVA_(M%C3%A9xico)#/media/Archivo:TorreBancomer_21-03-2014.JPG

La Torre BBVA Bancomer se ubica en un área de 6.600 m2 en la esquina que forman Paseo de la Reforma y la calle de Lieja, en la Colonia Juárez de la Ciudad de México. Su altura es de 235 metros hasta el helipuerto y 250 m hasta la punta de las antenas, sin embargo, la altura oficial llega a 235 m debido a que las antenas son decorativas. Cuenta con 60 pisos de 4,30 metros de altura cada uno en los pisos de oficinas y 3,7 m en los niveles de estacionamiento. La Torre aloja a 4.500 empleados, aproximadamente. El inmueble cuenta con certificación LEED ORO, amigable con el ambiente, ahorra un 40% de agua y 25% de energía.

El diseño del proyecto es de Legorreta + Legorreta y Rogers Stirk Harbour + Partners, la cimentación la realiza Cimesa y la gerencia de construcción corre a cargo de Turner y Marhnos. La construcción comenzó a principios del año 2008,  y se inauguró en el año 2016. Esta torre es la sede central en México del BBVA Bancomer, donde se ubican las oficinas principales.

Torre terminada, en 2016. https://es.wikipedia.org/wiki/Torre_BBVA_(M%C3%A9xico)#/media/Archivo:Torre_Bancomer_2016_3.jpg

Aquí os paso un par de vídeos de la construcción de esta torre, diseñada en estructura mixta. Espero que os guste.

Izado defectuoso de pasarela metálica

Las operaciones de izado de grandes cargas son, en ocasiones, los procedimientos más complicados en determinadas construcciones. En el vídeo que os paso a continuación podemos ver cómo una pasarela metálica de 40 toneladas, valorada en más de un millón de euros, se ha deformado por haber cambiado el sistema de izado previsto en proyecto. En efecto, la estructura se iba a levantar con una única grúa de 500 toneladas, pero en el último momento, se cambió el procedimiento de izado a dos grúas más pequeñas, una de 350 toneladas y otra telescópica. Lo que ocurrió es que la estructura levantada en tándem introdujo esfuerzos no previstos en el proyecto y provocó la deformación del puente. Por cierto, el vídeo se grabó el 21 de febrero de 2013 en Omagh, Irlanda del Norte. Espero que os guste. Agradezco a Enrique Montalar el enlace.

Comportamiento elastoplástico y pandeo de barras a compresión de acero con bajo contenido de carbono

En la fotografía, de izquierda a derecha, los profesores Gizo Partskhaladze, Julián Alcalá y Víctor Yepes, que forman parte del equipo que ha desarrollado este trabajo

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Advances in Civil Engineering (revista indexada en el JCR) fruto de la colaboración con profesores de Georgia. Esta colaboración se gestó con distintas visitas del profesor Gizo Partskhaladze, que también es el Decano de la Facultad de Tecnología de la Shota Rustaveli State University, en Georgia. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación DIMALIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

Este trabajo presenta nuevos enfoques para resolver un problema de estabilidad de las barras comprimidas en la zona de trabajo elastoplástica. Es bien conocido que los pilares de los edificios, los soportes estructurales en puentes, las barras de perforación de petróleo y la industria de extracción de gas pueden estar sujetos a un riesgo significativo de pérdida de estabilidad.

Hoy en día, existen métodos de diseño basados en los resultados de las pruebas que definen las relaciones (por ejemplo, tensiones críticas-esbeltez) para evitar este riesgo debido a la pérdida de estabilidad, pero no siempre se conocen de forma precisa sus límites. Los principales objetivos de este estudio han sido desarrollar nuevos enfoques que permitieran especificar los valores de las tensiones críticas de los elementos comprimidos más allá del límite proporcional. El problema de estabilidad de los elementos comprimidos en la región elastoplástica se ha estudiado de acuerdo con la teoría de estabilidad. En el artículo se ha sugerido un enfoque original del tema; en particular, la determinación de los valores de las tensiones críticas y el hallazgo de los puntos de la bifurcación se llevaron a cabo mediante la tangente establecida por los resultados experimentales y por la aproximación del llamado doble módulo. El análisis comparativo mostró la ventaja del enfoque propuesto, particularmente que las nuevas curvas críticas estaban ubicadas por debajo de las curvas de Engesser-Karman y Shanley y por encima de las curvas críticas establecidas por los códigos de construcción. Se desarrolló en el trabajo un enfoque novedoso para la determinación de las tensiones críticas en la región elásticoplástica, mediante el cual se aumentó la fiabilidad estructural y la eficiencia económica en casi un 12% en comparación con los enfoques existentes.

A continuación os dejo la referencia y el artículo completo para su descarga, puesto que se ha publicado en la versión de acceso abierto, siendo posible su descarga y distribución sin restricciones.

Referencia:

PARTSKHALADZE, G.; MSHVENIERADZE, I.; MEDZMARIASHVILI, E.; CHAVLESHVILI, G.; YEPES, V.; ALCALÁ, J. (2019). Buckling Analysis and Stability of Compressed Low Carbon Steel Rods in Elasto-Plastic Region of Material. Advances in Civil Engineering, 2019: 7601260. DOI:10.1155/2019/7601260

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El acero como material estructural

Se define como acero estructural al producto de la aleación de hierro, carbono y pequeñas cantidades de otros elementos tales como silicio, fósforo, azufre y oxígeno, que le aportan características específicas. Tal y como indica el Real Decreto 751/2011 de 27 de mayo, por el que se aprueba la Instrucción de Acero Estructural (EAE), “las estructuras destinadas a obras de ingeniería civil y de edificación construidas en acero, junto con las realizadas en hormigón y las ejecutadas conjuntamente en acero y hormigón, constituyen la inmensa mayoría de las estructuras existentes construidas en el último siglo y de las nuevas que se proyectan actualmente en nuestro país“.

El acero se obtiene a través de un proceso industrial complejo. Existen, por tanto, en el mercado una gran variedad de aceros disponibles para su empleo en las estructuras, definidos por su forma y calidad, y su transformación por las técnicas habituales de corte y unión. Por ello es importante que el ingeniero estructural tenga en cuenta cómo se fabrica el material, los requisitos para su uso en proyecto y sus aplicaciones. Además de las propiedades mecánicas, tales como el esfuerzo de fluencia y la resistencia a la tensión, es importante considerar la ductilidad y la resistencia a la fractura, así como la composición química, la metalurgia y la soldabilidad. Con carácter general, las clases de acero utilizables en estructuras para perfiles y chapas, son aceros laminados en calientes, aceros con características especiales y aceros conformados en frío.

A continuación os dejo un vídeo educativo de la profesora Arianna Paola Guardiola, de la Universitat Politècnica de València, donde se explica en 9 minutos las clases y tipos de acero estructural, las secciones de acero laminado y su uso y se indican aplicaciones prácticas. Espero que os sea de interés.