Os presento el libro que he publicado sobre maquinaria y procedimientos de construcción. Se trata de una completa colección de 300 problemas resueltos, abarcando aspectos relacionados con la maquinaria, medios auxiliares y procedimientos de construcción. Su contenido se enfoca en la mecanización de las obras, costos, disponibilidad, fiabilidad y mantenimiento de equipos, estudio del trabajo, producción de maquinaria, sondeos y perforaciones, técnicas de mejora del terreno, control y abatimiento del nivel freático, movimiento de tierras, equipos de dragado, explosivos y voladuras, excavación de túneles, instalaciones de tratamiento de áridos, compactación de suelos, ejecución de firmes, maquinaria auxiliar como bombas, compresores o ventiladores, cables y equipos de elevación, cimentaciones y vaciados, encofrados y cimbras, fabricación y puesta en obra del hormigón, organización y planificación de obras.
Es un libro, por tanto, muy enfocado a los ámbitos de la ingeniería de la construcción, tanto en el ámbito de la edificación, de la minería o de la ingeniería civil. Además, se incluyen 27 nomogramas originales y 19 apéndices para apoyar tanto a estudiantes de ingeniería o arquitectura, como a profesionales que enfrentan desafíos similares en su práctica diaria en obra o proyecto. La colección se complementa con un listado de referencias bibliográficas que respaldan los aspectos teóricos y prácticos abordados en los problemas. Estos problemas son similares a los tratados durante las clases de resolución de casos prácticos en la asignatura de Procedimientos de Construcción del Grado en Ingeniería Civil de la Universitat Politècnica de València (España). Por tanto, el libro resulta adecuado tanto para estudiantes de grado como para cursos de máster relacionados con la ingeniería civil y la edificación.
Sobre el autor:Víctor Yepes Piqueras. Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Catedrático de Universidad del Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Civil de la Universitat Politècnica de València. Número 1 de su promoción, ha desarrollado su vida profesional en empresas constructoras, en el sector público y en el ámbito universitario. Ha sido director académico del Máster Universitario en Ingeniería del Hormigón (acreditado con el sello EUR-ACE®), investigador del Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH) y profesor visitante en la Pontificia Universidad Católica de Chile. Imparte docencia en asignaturas de grado y posgrado relacionadas con procedimientos de construcción y gestión de obras, calidad e innovación, modelos predictivos y optimización en la ingeniería. Sus líneas de investigación actuales se centran en la optimización multiobjetivo, la sostenibilidad y el análisis de ciclo de vida de puentes y estructuras de hormigón.
Figura 1. Gran Puente de Akashi Kaikyō, el puente colgante de mayor vano del mundo. Wikipedia.
El sistema de construcción de puentes colgantes tiene un impacto significativo en su estructura. Las fases principales en la ejecución de un puente colgante pasa por la construcción de las torres y contrapesos, el montaje de los cables principales y la ejecución del tablero.
Lo habitual es que el proceso constructivo comience con la ejecución de los anclajes y las torres. Los anclajes implican trabajos importantes de movimiento de tierras. Las torres o mástiles pueden ser de acero o de hormigón, presentando el desafío de la construcción en altura. En el caso del acero, se emplean técnicas bien desarrolladas de unión, como soldadura y tornillos de alta resistencia. Las torres de acero se montan por módulos prefabricados que se elevan mediante grúas trepadoras ancladas a la propia torre. En el caso del hormigón, se utilizan encofrados trepadores o deslizantes. En cualquier caso, se deben considerar los medios necesarios para elevar cargas de peso considerable a grandes alturas. Las grúas pueden ir creciendo a medida que las torres se elevan, estando ancladas a ellas.
Cuando los cables se anclan externamente, los contrapesos se vuelven indispensables y constituyen un elemento fundamental en la ejecución de la estructura. Los contrapesos requieren una precisa colocación de las piezas metálicas que servirán de anclaje al cable. En el caso de los puentes colgantes autoanclados, los cables principales se anclan al tablero, lo que elimina la necesidad de contrapesos. Por tanto, el tablero se convierte en el primer elemento a construir. Sin embargo, esta configuración conlleva la pérdida de una de las principales ventajas de la construcción de puentes colgantes, que es la capacidad de construir el tablero por etapas, sin importar la ubicación del puente.
Una vez ejecutadas las torres y los anclajes, es necesario proceder al montaje del cable principal, el cual constituye el elemento fundamental de la estructura resistente del puente colgante. El montaje de los cables principales es la fase más compleja, pues implica superar el vano existente entre las dos torres, lo que requiere tenderlo en el vacío. Se comienza lanzando unos cables guía, que son los primeros en abarcar la luz del puente y alcanzar los puntos de anclaje. En la mayoría de los puentes colgantes ubicados en áreas navegables, es posible pasar estos cables iniciales utilizando un remolcador. En la actualidad, este proceso ya no representa un problema gracias al uso de helicópteros e incluso drones.
Figura 2. Montaje de los cables en un puente colgante. https://www.ihi.co.jp/iis/en/technology/airspining/index.html
A partir del cable inicial, se instalan las pasarelas que se emplean para devanar los alambres del cable, ya sea mediante alambres individuales “in situ” (air spinning) o por cordones. Durante esta etapa, el viento representa el desafío más significativo, ya que puede ocasionar grandes desplazamientos laterales en la polea móvil. En algunas ocasiones, esto ha llevado a detener el proceso de montaje del puente, generando retrasos significativos en la construcción. Finalmente, se compacta el cable principal de manera discontinua por bandas de presión o de forma continua mediante recubrimiento de alambre.
En cuanto al montaje del tablero, se suele realizar por voladizos sucesivos, avanzando simétricamente desde una torre hacia el centro del vano y hacia los extremos. También es posible llevar las dovelas a su posición definitiva mediante flotación y elevarlas desde los cables principales con cabrestantes, colgándolas en su ubicación final con las péndolas.
Una vez se han montado los cables principales, adoptando la curva catenaria correspondiente a su propio peso, se procede al montaje del tablero. El proceso de montaje del tablero se suele realizar por voladizos sucesivos, avanzando simétricamente desde una torre hacia el centro del vano y hacia los extremos. Este método requiere el uso de grúas ubicadas sobre el tablero ya construido, capaces de elevar piezas de diferentes tamaños. También es posible llevar las dovelas estancas que se transportan flotando hasta su posición y se elevan elevarlas desde los cables principales con cabrestantes, colgándolas en su ubicación final con las péndolas. Este sistema de montaje resulta más económico que el anterior y, en este caso, la secuencia de montaje se ejecuta desde el centro del vano hacia las torres, de manera simétrica.
JURADO, C. (2016). Puentes (I). Evolución, tipología, normativa, cálculo. 2ª edición, Madrid.
MANTEROLA, J. (2006). Puentes II.Apuntes para su diseño, cálculo y construcción. Colección Escuelas. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Madrid.
Figura 1. Pavimento postesado. VSL Sistemas Especiales de Construcción Argentina S.A.
Con objeto de evitar fisuras en el pavimento, las losas de hormigón se tesan para contrarrestar la tracción provocada por el tráfico, la retracción y los gradientes térmicos. El principio de diseño de un pavimento de hormigón pretensado consiste en comprimir el pavimento mediante el tesado de cables de acero insertos en la losa de hormigón. El tesado puede ser unidireccional o bidireccional, siendo este último aconsejable para pavimentos industriales, en cuyo caso, se recomienda que el nivel de tensión sea similar en ambas direcciones.
De esta manera, el hormigón comprimido permite espesores de losa menores que los pavimentos de hormigón en masa o armado. Además, es posible diseñar grandes áreas sin juntas o con juntas que pasan desapercibidas debido a la compresión que recibe el hormigón. De esta forma, se pueden distanciar las juntas hasta 150 m y se reduce el espesor de la losa en un 50 %, debido a la disminución de tensiones. Para ello, se han ensayado diversos sistemas de pretensado, tanto internos —con cables o alambres (postesado)— como externos —con gatos planos hidráulicos y juntas neumáticas—. Las juntas utilizadas están especialmente diseñadas para adaptarse a cambios máximos de apertura, pero en algunos sistemas los estribos están dispuestos para resistir el empuje horizontal.
Los pavimentos pretensados evitan las grietas de retracción y flexión, eliminando las juntas de contracción y reduciendo su mantenimiento. Además, minimizan el alabeo de las losas, ofrecen un comportamiento elástico cuando se sobrecargan y reducen espesores, a la vez que mejoran la planeidad con el tiempo. Sin embargo, su construcción requiere más cuidado y personal más especializado, además de una mayor supervisión para garantizar la adecuada colocación y tesado de los cables. En caso de que falle una zona, hay que sustituir toda el área construida unitariamente, por lo que resulta poco rentable en superficies pequeñas. La rentabilidad de los pavimentos pretensados requiere una longitud de pavimento superior a los 100 m o cuando los suelos tienen unas características mediocres. Se pueden conseguir pavimentos de 10 000 m² sin juntas.
Los requisitos de la plataforma de apoyo o superficie de subrasante son similares a los de los pavimentos de hormigón convencionales. Sin embargo, dado que los pavimentos postesados son más finos, el sistema es más flexible y se generan mayores esfuerzos verticales en la base. Por lo tanto, la calidad y resistencia de la base es aún más importante en este tipo de pavimentos que en los convencionales. Por esta razón, normalmente se especifica que el módulo de reacción de la base o la constante de balasto no sea inferior a 54 MPa/m.
Generalmente, los cables se postesan y anclan después de que el hormigón haya alcanzado una resistencia suficiente para soportar la fuerza del anclaje. El postesado puede ser adherido o no adherido. A pesar de lo anterior, el diseño de este tipo de pavimentos plantea algunas dificultades relacionadas con la reparación en caso de daños. Además, el diseño de las juntas entre las áreas donde se realiza el postesado no es un asunto trivial. Normalmente, se recomienda que el espaciamiento entre los cables longitudinales sea de entre 2 y 4 veces el espesor de la losa y de entre 3 y 6 veces el espesor de la losa para los cables transversales.
Figura 2. Sección de un pavimento de hormigón pretensado
Durante los años 60, varios países europeos desarrollaron técnicas de construcción mediante el pretensado en carreteras. Sinembargo, la geometría de las carreteras provoca más dificultades que ventajas, sobretodopor la dificultad de introducir el pretensado. En España se experimentó en 1963 en el tramo de pruebas de la N-II, pero no se continuó con el uso de esta técnica. Después de unos años de intenso tráfico, se dejó descomprimir y se reforzó con mezclas bituminosas.
Figura 3. Hormigonado de un pavimento postesado. VSL Sistemas Especiales de Construcción Argentina S.A.
La tecnología del hormigón pretensado se emplea sobre todo en pistas de aeropuertos y zonas industriales, donde se pueden encontrar grandes superficies continuas y casi horizontales, sin curvas en planta ni en alzado, como en las carreteras. Esto permite un menor espesor de la losa y una organización diferente de la conservación. La primera aplicación en un pavimento aeroportuario tuvo lugar en Francia, en la pista de Orly. Sin embargo, esta pista falló después de seis años en servicio debido a la rotura de los aceros pretensados por oxidación. Por otro lado, en el aeropuerto de Schiphol, en Ámsterdam, se construyeron más de 700 000 m² de pavimento pretensado a lo largo de 15 años con excelentes resultados.
Una alternativa viable es la construcción de pavimentos con losas pretensadas prefabricadas. En algunos países, especialmente en regiones con condiciones ambientales adversas, como el norte de la antigua Unión Soviética, se ha adoptado el método de las losas prefabricadas para evitar la complejidad de la colada «in situ» y los posibles errores asociados. De este modo, se logra industrializar el proceso, asegurar la calidad y reducir los plazos de obra. Además, esta técnica permite trabajar en cualquier época del año, incluso en condiciones de bajas temperaturas, donde no es posible utilizar hormigón o mezcla bituminosa debido a su enfriamiento instantáneo.
Figura 4. Losas prefabricadas pretensadas para pavimentos. https://www.concrete.org/portals/0/files/pdf/webinars/ws_2021_Snyder_Precast.pdf
Existen dos tipos de losas prefabricadas: las que tienen un pretensado longitudinal y transversal y las que solo tienen un pretensado longitudinal. Las dimensiones de las primeras pueden alcanzar los 3,50 m x 6,00 o 7,00 m. Para el pretensado se emplea acero de 3 a 5 mm en dos capas cercanas a cada cara. Los cantos resultantes varían de 14 a 22 cm y se requieren entre 2 y 3 MPa de tensión inicial. El tamaño está limitado por el peso para el posterior traslado y colocación. Por otro lado, las losas pretensadas axialmente son más sencillas y tienen menores dimensiones, de 1,75 o 2,00 m x 6,00 o 7,00 m. En este caso, se opta por un acero de diámetro mayor (14 a 16 mm) y un refuerzo transversal con armadura de barras de 5 a 7 mm. Además, los bordes llevan un armado suplementario.
En las losas se dejan abrazaderas para unirlas mediante soldadura in situ. Las juntas se rellenan dos tercios con un mortero pobre de arena y se sellan con un mástico anticarburante. Cada dos o tres juntas se dejan libres para permitir la dilatación, lo cual depende de la gama de temperaturas ambiente. Las bases en este tipo de pavimento son las tradicionales en los pavimentos rígidos, aunque se recomienda tratarlas con cemento. A veces, se extiende una capa de 3 a 6 cm de arena y cemento para asegurar una mejor superficie de apoyo, en función del tipo de base empleado.
Os dejo un artículo sobre pavimentos prefabricados de hormigón.
CALO, D.; SOUZA, E.; MARCOLINI, E. (2015). Manual de diseño y construcción de pavimentos de hormigón. Instituto del Cemento Portland Argentino (ICPA).
IECA (2012). Firmes de hormigón en carreteras. Guías técnicas. Firmes y explanadas.
KRAEMER, C. (1965) Pavimentos de hormigón normal y pretensado. Experiencia española en el tramo de ensayo. Publicación n.º 18 del Laboratorio de Transporte y Mecánica del Suelo. Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX). Madrid
KRAEMER, C.; PARDILLO, J.M.; ROCCI, S.; ROMANA, M.G.; SÁNCHEZ, V.; DEL VAL, M.A. (2010). Ingeniería de carreteras II. McGraw-Hill, Madrid.
RECUENCO, E. (2014). Firmes y pavimentos de carreteras y otras infraestructuras. Garceta grupo editorial, Colección Escuelas, Madrid.
Acaban de publicarnos un artículo en Materials, revista indexada en el primer cuartil del JCR. En este caso se ha optimizado, mediante un algoritmo de optimización heurística, un nuevo tipo de cercha metálica pretensada. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. En este caso, se trata de una colaboración entre nuestro grupo de investigación e investigadores de Georgia.
Este artículo presenta nuevos enfoques para el cálculo, el diseño y la optimización de cerchas pretensadas con un elemento de unión. Los sistemas estructurales con grandes luces, como cerchas, vigas, pórticos, etc., están sometidos a un riesgo considerable de pérdida de capacidad de carga debido a los diferentes tipos de cargas utilizadas. Algunos métodos de diseño tradicionales definen los valores del pretensado en el elemento de unión y las fuerzas internas en los elementos de la celosía para evitar esta pérdida de capacidad de carga. Sin embargo, la precisión y los límites de la determinación de las fuerzas no son necesariamente conocidos. Los autores proponen un nuevo tipo de celosía pretensada y algunos nuevos enfoques en el proceso de diseño y cálculo para resolver estos inconvenientes. Los principales objetivos del estudio fueron diseñar una innovadora y nueva forma geométrica de celosía arqueada pretensada, que permite el desarrollo de una fuerza de pretensado de alto valor, para optimizar una nueva celosía para reducir el peso propio, aumentando la capacidad de carga en comparación con sus análogos. Durante el estudio se empleó el recocido simulado. Un nuevo avance en la optimización de la celosía arqueada pretensada sugerido por los autores reduce el peso propio y mejora la capacidad de carga de la celosía entre un 8 y un 17%, dependiendo de la luz.
Abstract:
This paper represents new approaches for calculating, designing, and optimizing prestressed arched trusses with a tie member. Structural systems with long spans, such as trusses, beams, frames, etc., are subjected to a considerable/substantial risk of losing load-carrying capacity because of the different types of loads used. Some traditional design methods define the values of prestressing force in the tie member and internal forces in the truss elements to avoid this load capacity loss. However, the accuracy and limits of the determination of the forces are not necessarily known. The authors offer a new type of prestressed arched truss and some new approaches in the design and calculation process to solve these disadvantages. The study’s main objectives were to design an innovative and new geometric form of prestressed arched truss, which allows the development of high-value prestressing force, to optimize a new truss for reducing self-weight, increasing load-carrying capacity compared to its analogs. The force, stiffness matrix, and simulated annealing methods were used during the study. A new advance to the optimization of prestressed arched truss suggested by the authors reduces the self-weight and improves the load capacity of the truss by 8–17%, depending on the span.
Para la máxima duración de un cable, interesa que las solicitaciones se aproximen al límite de fatiga, pero se alejen del límite elástico, evidentemente, para conseguir una mayor seguridad. Que se cumplan ambos requisitos a veces es complicado.
Por eso, para estimar la vida útil de un cable, Gustav Niemann proporciona la siguiente expresión (Larrodé y Miravete, 1996) que intenta aunar estos dos criterios:
Donde W es el número de flexiones sufridas por el cable hasta su rotura (plegado sobre la polea y desplegado); D es el diámetro de la polea (m); d es el diámetro del cable (m); σe es el esfuerzo de extensión (MPa). Este valor suele variar entre 30.000 flexiones para el caso de polipastos y 150.000 en el caso de grandes grúas.
El coeficiente n presenta los siguientes valores:
1 flexión en el mismo sentido
1,5 flexión en sentido contrario, cable cruzado
2 flexión en sentido contrario, cable Lang
El coeficiente b1 depende de la forma de la garganta
para radio de garganta, r = 0,54 d
b1 = 1 cable cruzado y Lang
para radio de garganta, r = ∞
b1 = 0,72 cable cruzado
b1 = 0,65 cable Lang
para garganta en V a 45º
b1 = 0,72 cable cruzado
b1 = 0,60 cable Lang
El coeficiente b2 depende de la forma del cable
b2 = 1,04 cable cruzado 6 x 37, 1600 MPa
b2 = 1,11 cable Lang 6 x 37, 1600 MPa
Os dejo un problema resuelto por si os resulta de interés.
PROBLEMA. Se quiere estimar la vida de un cable de un puente grúa que tiene que elevar una carga total de 120 kN. El diámetro de las poleas es de 1200 mm, el cable es cruzado, su resistencia es de 1770 N/mm2 y su diámetro es de 30 mm. Se supone que la flexión siempre se realiza en el mismo sentido.
Solución:
Utilizamos la fórmula de Niemann,
donde D = 1200 mm; d = 30 mm, h1 = 1 (para un radio de garganta r = 0,54d), b2 = 1,04.
Por otra parte, el esfuerzo de extensión σe (MPa) se calcula de la siguiente forma (son dos ramales):
Por tanto,
Este valor es muy superior al límite inferior de 150.000 flexiones requerido para las grandes grúas.
Referencias:
LARRODÉ, E.; MIRAVETE, A. (1996). Grúas. Servicio de Publicaciones, Centro Politécnico Superior, Universidad de Zaragoza, 554 pp.
YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.
Mecanismos tales como el freno de cinta o las bandas transportadoras utilizan el rozamiento entre la correa y el disco sobre el que giran. La tensión fundamental que describe la tensión de la correa sobre una polea se denomina ecuación de Euler-Eytelwein.
A continuación os paso la demostración de esta ecuación y la resolución de un problema. Son apuntes sobre este tema que suelo impartir a mis estudiantes de la asignatura de Procedimientos de Construcción. Además, os dejo un vídeo de canalfdet para obtener las condiciones de carga que sacan a un sistema del equilibrio. Espero que todo os sea de interés.
Os presento el libro que he publicado sobre maquinaria y procedimientos de construcción. Se trata de una completa colección de 300 problemas resueltos, abarcando aspectos relacionados con la maquinaria, medios auxiliares y procedimientos de construcción. Su contenido se enfoca en la mecanización de las obras, costos, disponibilidad, fiabilidad y mantenimiento de equipos, estudio del trabajo, producción de maquinaria, sondeos y perforaciones, técnicas de mejora del terreno, control y abatimiento del nivel freático, movimiento de tierras, equipos de dragado, explosivos y voladuras, excavación de túneles, instalaciones de tratamiento de áridos, compactación de suelos, ejecución de firmes, maquinaria auxiliar como bombas, compresores o ventiladores, cables y equipos de elevación, cimentaciones y vaciados, encofrados y cimbras, fabricación y puesta en obra del hormigón, organización y planificación de obras.
