Optimización de estructuras de hormigón armado asistida por metamodelos considerando la interacción suelo-estructura

Acaban de publicarnos un artículo en Engineering Structures, revista indexada en el primer cuartil del JCR. El artículo propone una estrategia de optimización metaheurística asistida por metamodelos para minimizar las emisiones de CO₂ de las estructuras de armazón de hormigón armado, teniendo en cuenta la interacción suelo-estructura. El enfoque permite abordar problemas de optimización estructural de alta complejidad y, al mismo tiempo, lograr un ahorro computacional de alrededor del 90%. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

Las contribuciones de este trabajo son las siguientes:

  • El artículo propone una estrategia de optimización metaheurística asistida por metamodelos para minimizar las emisiones de CO₂ de las estructuras de armazón de hormigón armado, teniendo en cuenta la interacción suelo-estructura.
  • El enfoque sugerido permite abordar problemas de optimización estructural de alta complejidad y, al mismo tiempo, lograr un ahorro computacional de alrededor del 90%.
  • El estudio muestra que incluir la interacción suelo-estructura conduce a resultados de diseño diferentes a los obtenidos con los soportes clásicos, y que los cimientos también resultan importantes dentro del ensamblaje estructural.
  • El enfoque metaheurístico permite obtener resultados (de media) con una precisión de hasta el 98,24% en los suelos cohesivos y del 98,10% en los suelos friccionales, en comparación con los resultados de la optimización heurística.

Abstract:

It is well known that conventional heuristic optimization is the most common approach to deal with structural optimization problems. However, metamodel-assisted optimization has become a valuable strategy for decreasing computational consumption. This paper applies conventional heuristic and Kriging-based meta-heuristic optimization to minimize the CO2 emissions of spatial reinforced concrete frame structures, considering an aspect usually ignored during modeling, such as the soil-structure interaction (SSI). Due to the particularities of the formulated problem, there are better strategies than simple Kriging-based optimization to solve it. Thus, a meta-heuristic strategy is proposed using a Kriging-based two-phase methodology and a local search algorithm. Three different models of structures are used in the study. Results show that including the SSI leads to different design results than those obtained using classical supports. The foundations, usually ignored in this type of research, also prove significant within the structural assembly. Additionally, using an appropriate coefficient of penalization, the meta-heuristic approach can find (on average) results up to 98.24% accuracy for cohesive soils and 98.10% for frictional ones compared with the results of the heuristic optimization, achieving computational savings of about 90%. Therefore, considering aspects such as the SSI, the proposed metamodeling strategy allows for dealing with high-complexity structural optimization problems.

Keywords:

Structural optimization; Reinforced concrete; Frame structures; CO₂ emissions; Metamodel; Kriging; Soil-structure interaction

Reference:

NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2023). Metamodel-assisted meta-heuristic design optimization of reinforced concrete frame structures considering soil-structure interaction. Engineering Structures, 293:116657. DOI:10.1016/j.engstruct.2023.116657

Al tratarse de un artículo publicado en abierto, os dejo el mismo para su descarga. Espero que os sea de interés.

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Estribos cerrados de puentes

Figura 1. Esquema de estribo cerrado. Imagen: V. Yepes

El estribo cerrado es uno de los tipos más comunes de estribos utilizados en puentes. Consiste en un muro frontal, que constituye la estructura principal del estribo, aletas laterales (con o sin muro lateral), un murete guarda y una losa de transición. En la Figura 1 se puede ver el esquema de su sección transversal. El muro frontal se encarga de recibir la carga del tablero a través de los apoyos, los cuales permiten que el tablero se mueva de forma independiente a los movimientos ocasionados por las tierras circundantes. Además, el estribo cerrado se apoya en el terreno natural, en lugar de hacerlo sobre el terraplén, lo que ayuda a reducir los asientos a largo plazo. Esto es especialmente beneficioso para evitar asentamientos que podrían afectar al tablero si este fuera hiperestático.

El diseño de la parte superior del estribo se determina según el tipo de carga y los movimientos del tablero. Por otro lado, la parte inferior está influenciada por las acciones del tablero y el empuje de las tierras, especialmente cuando el estribo es alto. En el caso de puentes ferroviarios, donde el empuje horizontal en la parte superior debido al frenado es significativo, el diseño de la parte inferior del estribo, incluyendo la variación de los espesores, el tamaño del cimiento, entre otros aspectos, también se ve afectado por este efecto. En los viaductos destinados a trenes de alta velocidad, es común utilizar anclajes tipo Gewi o cables de pretensado para sujetar el tablero a uno de los estribos. Este estribo se denomina estribo fijo, mientras que la junta de dilatación se ubica en el estribo opuesto.

El cierre lateral del estribo depende de si hay posibilidad de derrame de tierras por delante de él. En el caso poco frecuente de estribos cerrados donde se pueda producir derrame, se soluciona colocando una pequeña aleta triangular perpendicular al muro frontal del estribo. La altura y longitud de la aleta dependerán del grosor del tablero y la inclinación del derrame del terraplén. En el caso más frecuente, donde no hay derrame de tierras por delante del estribo, existen dos soluciones posibles. La primera es extender muros en continuación del muro frontal, conocidos como “aletas en prolongación”. La segunda es disponer muros adyacentes al propio muro frontal y perpendiculares a este, conocidos como “muros en vuelta”. En este último caso, dependiendo de la altura del estribo y la inclinación de las tierras, puede ser necesario construir verdaderos muros de contención para contener el terraplén.

Este tipo de estribo permite no verter tierras por delante de él, lo cual es especialmente útil cuando se desea evitar invadir la vía inferior. En caso de que haya edificaciones cercanas, se puede extender lateralmente el estribo mediante la construcción de un muro en vuelta, que puede prolongarse según sea necesario. Estos muros en vuelta pueden tener un ángulo de 90º con el estribo (Figura 2), siguiendo la disposición del vial en caso de que el estribo se desvíe, o pueden formar un ángulo (generalmente de 30º) siguiendo la inclinación del terraplén.

Figura 2. Paso elevado sobre la línea del ferrocarril en el término municipal de Lodosa. http://www.navarra.es/NR/rdonlyres/36F08D42-4369-4D8F-B831-194DE72E5827/103157/110408op61b2.JPG

En el caso de estribos de gran altura, generalmente a partir de unos 8 m, existen dos opciones alternativas en lugar de mantener un espesor constante, que suele ser significativo y solo necesario en los últimos metros inferiores, donde el cortante y el momento flector son más altos. La primera opción es establecer un espesor variable, en la cual se suele cambiar el espesor cada 4 m, que coincide con la altura típica de las capas de hormigonado. La segunda opción es utilizar un muro frontal nervado con rigidizadores verticales. En este caso, el muro frontal transmite el empuje de las tierras a través de la flexión horizontal a los nervios, y estos, a su vez, lo transmiten verticalmente a la cimentación.

La impermeabilización es un elemento esencial en un estribo, tanto para garantizar su funcionalidad como para reducir los empujes del trasdós. Por esta razón, todos los estribos deben contar con una capa de material filtrante en el trasdós, así como con un tubo de drenaje en el fondo que permita la evacuación de las aguas acumuladas detrás del muro frontal hacia el exterior.

Los asientos que ocurren en el terraplén de acceso son más significativos que los que se producen en el muro. En los puentes de carretera, se evita el resalto abrupto que se generaría en la unión entre ambos elementos mediante el uso de una losa de transición. Esta losa se apoya en las tierras de un lado y en el muro del otro, proporcionando una transición suave entre ambos extremos. El tamaño de esta losa dependerá de la diferencia de asientos entre el muro y el terraplén, así como de la altura y calidad del terraplén. Por lo general, una losa de transición de 4 a 5 m de longitud suele ser suficiente (Manterola, 2006).

Os dejo un pequeño vídeo donde se explican los estribos de los puentes, incluido el estribo cerrado. Espero que os sea de interés.

Referencias:

ARENAS, J.J.; APARICIO, A.C. (1984). Estribos de puente de tramo recto. Santander: Universidad de Cantabria.

DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (1994). Manual para el proyecto y ejecución de estructuras de suelo reforzado. Ministerio de Obras Públicas, Transportes y Medio Ambiente.

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.

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.

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Puente pórtico, entre el arco y las vigas

Figura 1. El puente sobre el río Arga de la A-12, en Puente la Reina (Navarra), de Javier Manterola, de 120 m de luz. https://www.hortacoslada.com/es/proyectos/puente-rio-arga/

El puente pórtico se caracteriza por ser un sistema estructural en el que el dintel trabaja en conjunto con las pilas, presentándose como un caso intermedio entre un puente arco y un puente viga. Estos puentes son reconocidos por su belleza estética. Al igual que los puentes de vigas, constan de un tablero y pilas, estando el tablero está sujeto a flexión. Sin embargo, a diferencia de los puentes de vigas, las pilas generan empujes horizontales significativos en los cimientos, lo que requiere un terreno resistente para minimizar los desplazamientos horizontales. En caso de que el terreno no cumpla con los requisitos adecuados, como en el caso de un terreno blando, las pilas pueden abrirse, colapsar o reducirse el empuje horizontal, lo que hace que la ley de momentos se asemeje nuevamente a la de una viga con dos apoyos.

El objetivo principal al emplear el sistema de aporticado es reducir los momentos flectores generados en el puente mediante el empotramiento parcial proporcionado por la rigidez de las pilas. Como resultado de esta configuración, se originan momentos negativos en la unión entre los pilares y el dintel. Al reducir los momentos máximos en el dintel, se pueden construir puentes con luces más amplias. No obstante, la unión rígida del tablero con los estribos o las pilas para formar pórticos plantea desafíos en términos de las fuerzas axiales generadas por las cargas térmicas y las reacciones horizontales que el sistema del pórtico ejerce sobre las cimentaciones.

Con el fin de evitar el desplazamiento horizontal de la base de las pilas, es esencial contar con un terreno capaz de soportar las reacciones horizontales. Este requisito implica que el dintel del puente esté sometido a compresión. Esta respuesta estructural se conoce comúnmente como efecto pórtico, que presenta ligeras diferencias respecto al efecto arco, donde todo el puente en arco se somete a compresión.

Figura 2. El viaducto Sfalassà es un viaducto de 254 metros de altura situado cerca de Bagnara Calabra, Calabria, Italia. https://es.wikipedia.org/wiki/Viaducto_Sfalass%C3%A0

Existen diferentes tipologías básicas de puentes pórtico, que se describen a continuación:

  1. Pórtico de dos o tres vanos con pilares verticales y apoyos deslizantes en los estribos. Este tipo de estructura se utiliza cuando se requiere un gálibo muy estricto. Las pilas pueden dividirse en dos elementos en forma de V, lo que logra un resultado estético agradable y mayor esbeltez en el vano (Figura 3).
  2. Pórtico en forma de “pi” de tres vanos con pilares inclinados y apoyos deslizantes en los estribos. Esta solución es típica para la construcción de pasos superiores de autopistas.
  3. Pilas altas y flexibles, desde las cuales parten dos dinteles construidos mediante voladizos simétricos. Estos dinteles se unen en el centro de los vanos para formar pórticos. Normalmente, se emplean apoyos deslizantes en los estribos.
Figura 3. Nuevo puente de Anyos (Andorra, 2002). https://www.cfcsl.com/portfolio/nuevo-puente-de-anyos-andorra-2002/

La inclinación de las pilas en un puente pórtico cumple dos funciones principales. En primer lugar, reduce la longitud del vano central del dintel y, al mismo tiempo, introduce una importante componente axial en esa sección. Además, busca un mejor empotramiento en el vano central, lo cual se compensa mediante la continuidad de los vanos laterales del dintel. Cuando las pilas están inclinadas, la respuesta estructural se asemeja a la de un puente en arco con un tablero conectado al arco sin montantes intermedios. En realidad, la forma en que estas dos estructuras soportan las cargas es muy similar, y la distinción entre ellas es en gran medida arbitraria.

Por otro lado, si las pilas del puente pórtico son altas y esbeltas en comparación con la longitud del vano central, se reduce el empotramiento entre las pilas y el dintel. En este caso, el tablero funciona más como una viga continua apoyada en las pilas. En esta configuración, el efecto pórtico se reduce considerablemente, lo que implica una pérdida de la eficacia buscada en la estructura.

Si la unión entre las pilas y el dintel es de articulación simple, la deformación del tablero bajo cargas verticales será similar a la de una viga simplemente apoyada. En cambio, si la unión es empotrada, la deformación seguirá el patrón indicado en la Figura 4, y esto dependerá de si el terreno ejerce o no empujes horizontales.

Figura 4. En la izquierda el terreno no resiste los empujes horizontales, en la derecha, sí (Jurado, 2016).

En el caso de un puente pórtico biarticulado, la deformación se asemeja a la de una viga continua con tres vanos. El vano central corresponde a la longitud del pórtico, mientras que las luces de los vanos laterales representan la altura de las pilas. Se puede visualizar como si se hubiera dividido el pórtico en una viga recta apoyada en los puntos de unión entre la viga y el pilar, y en los extremos, sometida a la carga presente en el vano central. En este tipo de puente, se producen interacciones constantes entre el suelo y la estructura, similar a los puentes en arco. A medida que el puente disminuye de tamaño, estas interacciones se vuelven más significativas.

Referencias:

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.

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Estribos abiertos de puente

Figura 1. Esquema de estribo abierto. Imagen: V. Yepes

Se recomienda utilizar el estribo oculto bajo el terraplén en los puentes tipo paso superior, ya que esto mejora la visibilidad de los conductores que transitan por la vía inferior, lo cual a su vez aumenta la comodidad y la funcionalidad de la infraestructura. Si el estribo permite el paso de tierras a través de él, se considera un estribo abierto; de lo contrario, se clasifica como cerrado. En el caso de puentes con alturas superiores a 4 o 5 m, el uso de un estribo abierto ahorra materiales en comparación con uno cerrado. Estas alturas suelen ser comunes en los pasos superiores de las carreteras.

En esencia, un estribo abierto o falso se compone de un dintel o cargadero que sirve de apoyo para el tablero del puente. Este dintel descansa sobre pantallas o diafragmas que transfieren las cargas a la cimentación. Una característica importante del estribo abierto es que permite el vertido de tierra sobre él, lo cual ayuda a reducir el empuje horizontal ejercido por el terraplén. Para lograr esto, se crea una transición entre la viga cabezal que sostiene el dintel y el suelo de cimentación mediante el empleo de pantallas, pilotes u otros elementos que permiten el paso de la tierra. En esta solución, las pantallas desempeñan un papel crucial al reemplazar en gran medida el muro frontal del estribo cerrado, lo que resulta en un ahorro significativo de hormigón.

Estos estribos suelen estar compuestos por tres elementos principales (ver Figura 1): una viga cabezal que alberga los neoprenos y sirve como soporte y protección del tablero contra las tierras del terraplén; un murete de guarda o tape colocado sobre la viga para evitar la entrada de tierra en la zona de apoyo, con una aleta en cada extremo para mayor protección; dos pantallas que sustentan la viga cabezal o cargadero y permiten el paso del terraplén frente a ellas; y una zapata corrida que distribuye las cargas provenientes de las pantallas hacia el terreno de cimentación. Además, se incluye una losa de transición entre el terraplén y el tablero, la cual se apoya en la viga cabezal. Es frecuente que las alturas totales de los estribos y las tensiones admisibles de cimentación se encuentren en un rango de 6 a 15 m y de 0,2 a 0,5 MPa, respectivamente.

Figura 2. Geometría del estribo abierto: variables y principales parámetros (Luz et al, 2015).

La cantidad de pantallas a utilizar, así como su espesor y altura en la base, dependerán del ancho total del tablero y la altura del estribo. Incluso es posible contar con estribos abiertos que requieran solamente dos pantallas para tableros de aproximadamente 20 m de ancho, aunque en casos de tableros más anchos podrían ser necesarios diafragmas adicionales.

En este tipo de configuración, el dintel o cargadero se construye una vez completado el terraplén y los pilotes. Los pilotes, a su vez, se instalan después de finalizar los terraplenes para reducir en la medida de lo posible las presiones ejercidas por las tierras.

Sin embargo, este tipo de estribo no se considera apropiado para su uso en cauces fluviales debido a que la presencia de agua puede provocar la erosión del talud. Su utilización se limita a cruces de carreteras o vías férreas. Es imprescindible que el desbordamiento de tierras no cause inundaciones en la plataforma de tráfico inferior. Por lo tanto, el estribo debe estar adecuadamente separado de dicha plataforma, lo que implica que el tablero deba tener una longitud mayor.

Referencias:

ARENAS, J.J.; APARICIO, A.C. (1984). Estribos de puente de tramo recto. Santander: Universidad de Cantabria.

DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (1994). Manual para el proyecto y ejecución de estructuras de suelo reforzado. Ministerio de Obras Públicas, Transportes y Medio Ambiente.

LUZ, A., YEPES, V., GONZÁLEZ-VIDOSA, F., MARTÍ, J. V. (2015). Diseño de estribos abiertos en puentes de carretera obtenidos mediante optimización híbrida de escalada estocástica. Informes de la Construcción, 67(540): e114, doi: http://dx.doi.org/10.3989/ic.14.089.

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.

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Estribos de puente de tierra estabilizada mecánicamente

Figura 1. Estribo de tierra estabilizada mecánicamente. Fuente: http://www.tierra-armada.com/

En situaciones en las que no es factible verter tierra frente al alzado del estribo debido a un terreno con baja capacidad portante, deformable o no se pueden realizar excavaciones, se requiere utilizar técnicas de tierra estabilizada mecánicamente, conocido también como suelo reforzado o bajo el nombre comercial de Tierra Armada®. Estas técnicas también son aplicables en zonas urbanas, donde es necesario evitar el derrame del terraplén y aprovechar las características estéticas que ofrecen este tipo de muros. Consisten en reforzar el material del terraplén mediante pletinas o flejes presentes en las escamas, fabricadas generalmente con materiales galvanizados o de fibra de carbono, que se colocan en el frente del estribo. Estas pletinas absorben eficientemente los empujes horizontales al interactuar con el suelo a través de la fricción.

El muro se complementa con escamas prefabricadas de hormigón, a las cuales se fijan los refuerzos (Figura 1). Estas escamas se entrelazan entre sí, presentando diversas formas, colores y texturas. En el trasdós de estas escamas se alojan armaduras o flejes que contrarrestan el empuje de las tierras mediante el rozamiento. La longitud de las armaduras debe ser igual o mayor a 0,7 veces la altura H del muro. En el caso de estructuras hiperestáticas, que pueden ser muy sensibles a los movimientos del macizo de tierra reforzada, es común separar el apoyo extremo del tablero del muro de tierra reforzada mediante la disposición de lo que podría considerarse como una pila adicional. En la coronación del muro, es posible disponer de un cargadero o durmiente que brinda soporte al tablero. Es frecuente separar el apoyo del tablero del muro mediante la colocación de una pila-estribo ubicada delante de este (Figura 2). La ejecución debe realizarse con cuidado para prevenir patologías, como descensos significativos o abultamiento de la pared exterior, entre otros problemas.

Figura 2. Estribo de tierra estabilizada mecánicamente. Fuente: http://www.tierra-armada.com/

La construcción de este tipo de estribos se caracteriza por ser rápida, sencilla y económica, lo que resulta en ahorros significativos, del orden del 15% al 40%, en comparación con estribos de puente ejecutados mediante sistemas convencionales. No obstante, es fundamental que estos estribos se ejecuten con gran precisión para evitar problemas posteriores como la ruptura de las escamas o desplazamientos.

El cargadero o estribo flotante debe diseñarse de manera que la presión transmitida al macizo de tierra reforzada sea adecuada, evitando una carga excesiva que requiera un alto número de armaduras en los niveles inferiores de escamas. Como referencia, se recomienda dimensionar la planta del durmiente de tal manera que la presión transmitida al lecho no supere los 0,2 MPa.

En el caso de estribos de altura moderada, la distancia mínima requerida entre el borde del durmiente y el paramento es de 10 cm. Por el contrario, para muros de 10 m de altura, dicha distancia no debe ser inferior a 15 cm. Es importante garantizar que el espacio entre el eje de los apoyos del tablero y el borde exterior del paramento no sea inferior a 1 m.

Al considerar las características geométricas de un estribo de tierra estabilizada mecánicamente, es fundamental tener en cuenta varios aspectos clave. Primero, la anchura B del macizo de suelo reforzado, determinada por la longitud de los flejes, debe ser mayor al 70% de H siempre que H sea inferior a 20 m, y mayor al 60 % de H más 2 m en el caso de muros más bajos. Además, la profundidad D del muro en el terreno debe ser de al menos 0,40 m, a menos que esté cimentado sobre un terreno compacto no susceptible a heladas, y generalmente supera el 10 % de H en estribos normales. Asimismo, la presión transmitida por el durmiente debido a las cargas permanentes debe ser inferior a 0,2 MPa, y la distancia entre el eje de los apoyos del tablero y el borde exterior del paramento debe ser de al menos 1 m. Es relevante que el estribo flotante se asiente sobre una capa de suelo tratado con un 3% a 5% de cemento, con un espesor mínimo de 0,50 m. La parte frontal del durmiente debe separarse al menos 10 cm del paramento, y en el caso de estribos con una altura superior a 10 m, se requiere una distancia mínima de 15 cm. Además, el durmiente debe contar con un resguardo mínimo de suelo tratado en su parte trasera de 30 cm.

En algunas ocasiones, se separa la función de contener las tierras de la de soportar el dintel. En este caso, el dintel estará pilotado y se ubicará por delante del muro. Sin embargo, es importante considerar que la carga del muro puede generar rozamientos negativos en los pilotes, lo que podría hacer que trabajen en tracción. Para evitar esta situación, se recomienda construir primero el muro y posteriormente ejecutar el pilotaje del durmiente. Es preferible pilotar lo más tarde posible para permitir que se produzca la mayor parte del asiento del muro antes de su ejecución.

Os dejo algunos vídeos de interés:

También os paso el manual de la Dirección General de Carreteras para el proyecto y ejecución de estructuras de suelo reforzado.

Descargar (PDF, 93.29MB)

Referencias:

DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (1994). Manual para el proyecto y ejecución de estructuras de suelo reforzado. Ministerio de Obras Públicas, Transportes y Medio Ambiente.

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.

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Repercusión en prensa de nuestra investigación en optimización de aerogeneradores

Es de agradecer al área de comunicación de la Universitat Politècnica de València, y en especial, a Luis Zurano, su labor en la difusión del trabajo de investigación realizado en nuestra universidad.

En este caso, se ha hecho eco de uno de nuestros trabajos relacionados con la optimización de la cimentación de aerogeneradores mediante metamodelos tipo kriging. Os paso la noticia, tal y como ha salido en la web de nuestra universidad, así como en otros medios de prensa.

UPV Study Revolutionizes Wind Turbine Design

También tenéis un corte de la noticia emitida por Radio Nacional de España:

Y en este otro corte, podéis ver la noticia en la SER:

 

Diseño revolucionario

Un estudio de la Universitat Politècnica de València revoluciona el diseño de los aerogeneradores

Un estudio realizado por investigadores de la Universitat Politècnica de València (UPV), pertenecientes al Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH), en colaboración con la Universidad Tecnológica Chalmers de Goteborg (Suecia), promete revolucionar el diseño estructural de los aerogeneradores. Su trabajo ofrece soluciones entre un 8 y un 15 % más sostenibles que los diseños tradicionales de estas infraestructuras,

Este estudio presenta un método innovador y eficiente para optimizar el diseño de cimentaciones de aerogeneradores, mejorando así la eficiencia energética en su construcción. Los resultados obtenidos en el estudio, publicados en la revista Structural and Multidisciplinary Optimization, demuestran su aplicabilidad en proyectos grandes y complejos y su potencial para ser utilizado en otras estructuras civiles.

Nuestro método permite diseñar estructuras de manera más sostenible y facilitar su construcción, a través de un software que puede analizar diferentes condiciones y optimizar así el producto final. Utiliza metamodelos, como Kriging, para mejorar la eficiencia y reducir el costo computacional del proceso de optimización del diseño”, explica Víctor Yepes, investigador del Instituto ICITECH de la Universitat Politècnica de València.

En su estudio, el equipo de la Universitat Politècnica de València y la Universidad Tecnológica Chalmers aplicaron el método a un ejemplo real de cimientos para turbinas eólicas en Suecia. “Comprobamos que con nuestra propuesta se pueden obtener mejores diseños, analizando solo veinte en lugar de mil diseños diferentes. Además, constatamos que estos diseños son más sostenibles que los diseños convencionales”, destaca Víctor Yepes, investigador del Instituto ICITECH de la Universitat Politècnica de València.

Entre las ventajas de este “revolucionario método” destaca también una significativa reducción de los costes – tanto económicos como computacionales— y tiempos a la hora de diseñar las cimentaciones de los aerogeneradores.

Otras aplicaciones

Aunque este estudio se centra en el diseño de cimientos para turbinas eólicas, el método propuesto por los investigadores españoles y suecos puede ser aplicado a otras estructuras empleadas en la ingeniería civil o en la edificación. Además, la técnica de metamodelado de Kriging es ampliamente utilizada en la industria y puede ser aplicada a una amplia variedad de proyectos de diseño estructural.

Nuestro trabajo puede ser de gran utilidad para la optimización de otras estructuras de ingeniería civil como puentes o edificios. Además, el método propuesto podría ser aplicado en otros campos como la optimización de procesos de fabricación o el desarrollo de nuevos materiales. En definitiva, se trata de una novedosa técnica con un gran potencial para afrontar y resolver una amplia variedad de problemas de diseño de ingeniería”, concluye Víctor Yepes.

El desarrollo de este método se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE, financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación y el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER).

Referencia

MATHERN, A.; PENADÉS-PLÀ, V.; ARMESTO BARROS, J.; YEPES, V. (2022). Practical metamodel-assisted multi-objective design optimization for improved sustainability and buildability of wind turbine foundations. Structural and Multidisciplinary Optimization, 65:46. DOI:10.1007/s00158-021-03154-0

https://link.springer.com/article/10.1007/s00158-021-03154-0

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Cálculo de la profundidad de la hinca de una tablestaca para evitar el sifonamiento

Figura 1. Sifonamiento en la base de una tablestaca o pantalla.

La inestabilidad del fondo o sifonamiento ocurre cuando existe un flujo ascendente, un terreno granular no consolidado puede perder completamente su resistencia a corte y comportarse como un fluido (arenas movedizas, partículas sueltas, como en ebullición), por lo que al fenómeno también se le conoce como fluidificación. Ello ocurre cuando un incremento de la presión intersticial anula la presión efectiva, o dicho de otra forma, cuando las fuerzas producidas por la filtración superan el peso sumergido del suelo. Este fenómeno podría aparecer en pantallas o tablestacas con un empotramiento reducido (Figura 1). En un artículo anterior al que denominamos “El efecto Renard, o por qué un suelo parece que entra en ebullición: Sifonamiento”, explicamos con cierto detalle este fenómeno y resolvimos cuál debería ser la profundidad a la que debería hincarse una tablestaca para evitar que un suelo sin cohesión pierde completamente su resistencia al corte y pasa a comportarse como un fluido.

A este respecto, ya avisamos que una cosa es la profundidad mínima de empotramiento para evitar el sifonamiento y otra bien diferente es calcular el empotramiento necesario de una tablestaca para soportar los esfuerzos de empuje a los que está sometido. Por tanto, el empotramiento real será el mayor de los dos valores. Se recomienda siempre efectuar con detalle los cálculos geotécnicos y estructurales necesarios. Y sobre todo, utilizar el sentido común.

En esta ocasión os paso un problema resuelto donde se calcula la profundidad mínima a la que debe hincarse una tablestaca para evitar el sifonamiento. Este es uno de los casos estudiados en el “Curso de Procedimientos de Construcción de cimentaciones y estructuras de contención en obra civil y edificación”. Espero que os sea de interés.

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REFERENCIAS:

  • PÉREZ VALCÁRCEL, J.B. (2004). Excavaciones urbanas y estructuras de contención. Ediciones Cat, Colegio Oficial de Arquitectos de Galicia, 419 pp.
  • POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W., DYER, M.R. (2004). Groundwater control: design and practice. CIRIA C515, London.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • 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.
  • YEPES, V. (2021). Procedimientos de construcción para la compactación y mejora del terreno. Colección Manual de Referencia, 1ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 426 pp. Ref. 428. ISBN: 978-84-9048-603-0.

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Cálculo de la máxima profundidad de excavación frente al taponazo

Figura 1. Rotura de fondo o taponazo.

En una entrada anterior, donde se describían los problemas del agua en las excavaciones, ya se habló del levantamiento de fondo o taponazo: El fondo de la excavación se puede volver inestable cuando el peso del terreno no es capaz de equilibrar al empuje del agua (Figura 1). Es típico de un estrato de baja permeabilidad (como una arcilla o roca de baja permeabilidad sin fisuras) situado sobre un acuífero confinado de mayor conductividad hidráulica (como una grava, muy permeable). Suele resolverse el problema con pozos de alivio.

En esta ocasión os paso un problema resuelto donde se calcula la máxima profundidad de excavación frente al taponazo. Este es uno de los casos estudiados en el “Curso de procedimientos de contención y control del agua subterránea en obras de Ingeniería Civil y Edificación”. Espero que os sea de interés.

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REFERENCIAS:

  • PÉREZ VALCÁRCEL, J.B. (2004). Excavaciones urbanas y estructuras de contención. Ediciones Cat, Colegio Oficial de Arquitectos de Galicia, 419 pp.
  • POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W., DYER, M.R. (2004). Groundwater control: design and practice. CIRIA C515, London.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • 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.

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Problema resuelto sobre el caudal a bombear en la excavación de un solar

En una entrada anterior a este artículo se utilizó la Ley de Darcy y la línea de flujo más corta (de mayor gradiente crítico) para establecer una aproximación al caudal que habría que evacuar de una excavación en un solar. No obstante, para un estudio en detalle del flujo hidráulico en un medio poroso deberíamos acudir a la ecuación de Laplace y proceder a la integración de este tipo de ecuación en derivadas parciales atendiendo a las condiciones de contorno. En el siguiente vídeo que os he preparado tenéis una breve explicación. Este vídeo pertenece al curso de procedimientos de contención y control del agua subterránea en obras de ingeniería civil y edificación.

Con todo, lo mejor es presentar un problema resuelto que, espero, os sea de interés.

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Referencias:

PÉREZ VALCÁRCEL, J.B. (2004). Excavaciones urbanas y estructuras de contención. Ediciones Cat. Colegio Oficial de Arquitectos de Galicia.

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.

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La comunicación multicanal de la geotecnia y sus procedimientos constructivos

Hoy, 2 de octubre, pero del año 1883, nació en Praga Karl von Terzaghi que fue un ingeniero, reconocido como el padre de la mecánica de suelos. Para celebrar esta efeméride, se ha organizado un Encuentro Profesional Geololotecnia 2022.

Mi agradecimiento a los organizadores de este evento, tanto a Germán Sánchez (@ingeodo) como a Manuel Romana (@MRGdeviaje).

En dicho encuentro tuve la ocasión de presentar una comunicación denominada “La comunicación multicanal de la geotecnia y sus procedimientos constructivos“. Se trata de una reflexión muy personal respecto a la forma que tengo de comunicar con mis estudiantes y dejar en abierto el conocimiento en las redes sociales. Os dejo el vídeo completo por si os puede resultar de interés.