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Optimización sostenible de marcos prefabricados articulados

Acaban de publicarnos un artículo en Materials, revista indexada en el primer cuartil del JCR. En este caso, se han optimizado las emisiones de CO₂ de un marco prefabricado articulado de sección en U mediante varias metaheurísticas. El trabajo se enmarca en el proyecto de investigación HYDELIFE, que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

El desarrollo sostenible requiere mejorar el uso de los recursos naturales. El objetivo principal de este estudio es optimizar el uso de materiales en la construcción de pórticos articulados prefabricados de hormigón armado. Para ello, se desarrolló un software propio en Python. Esto permitió calcular, verificar y optimizar la estructura mediante técnicas metaheurísticas. El coste final es una representación directa del empleo de materiales. Para ello, se aplicaron tres algoritmos para resolver la optimización económica de la estructura. Gracias a los algoritmos de recocido simulado, de aceptación de umbrales y del solterón, se obtuvieron diseños sostenibles y no tradicionales. Estos aprovechan al máximo los recursos naturales, manteniendo un coste final muy bajo. Para evaluar la mejora del impacto ambiental, se estudiaron las emisiones de dióxido de carbono y se compararon con las de una estructura de hormigón armado in situ de referencia. Los resultados mostraron diseños con una losa superior y muros laterales de menor profundidad y un refuerzo pasivo denso. Con ellos, se consiguió reducir el coste final de la estructura hasta en un 24 %, así como las emisiones asociadas en más de un 30 %.

Marco prefabricado articulado. https://forte.es/productos/marcos-articulados/

Abstract:

Sustainable development requires improvements in the use of natural resources. The main objective of the present study was to optimize material use in the construction of reinforced concrete precast hinged frames. Proprietary software was developed in Python. This enabled the structure’s calculation, verification, and optimization through the application of metaheuristic techniques. The final cost is directly determined by the materials used. Thus, three algorithms were applied to optimize the frame’s economic design. By applying simulated annealing, threshold accepting, and old bachelor’s acceptance algorithms, sustainable, non-traditional designs were achieved. These make optimal use of natural resources while keeping final costs highly restricted. Carbon-dioxide-associated emissions were studied and compared with those of a reference cast-in-place reinforced concrete frame to evaluate improvements in environmental impact. The results showed that designs with reduced upper slab and lateral wall depths, and with dense passive reinforcement, were preferred. These reduced the final cost of the structure by up to 24% and the associated emissions by over 30%.

Keywords:

Reinforced concrete; precast; hinged frame; metaheuristic; optimization; sustainability.

Reference:

RUIZ-VÉLEZ, A.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2023). Optimal design of sustainable reinforced concrete precast hinged frames. Materials, 16(1):204. DOI:10.3390/ma16010204.

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Longitud de avance sin sostenimiento en un túnel

https://www.sulzer.com/es-es/spain/shared/campaign/keeping-the-water-where-you-want-it-in-tunnel-construction

Para definir el tamaño máximo de la galería estable frente a roturas en masa o completas, se pueden emplear métodos empíricos, el método de las curvas de confinamiento, el método de convergencia y el método de cálculo numérico con programas informáticos (por ejemplo, Plaxis o Abaqus, entre otros). No obstante, antes de comenzar los cálculos, sería interesante estimar el tamaño de la galería estable en función del sostenimiento (Gallo et al., 2016).

A continuación os paso un problema resuelto que utiliza el índice Q de Barton y relación con el RMR (Rock Mass Rating) para estimar la longitud de pase (longitud de avance sin sostenimiento). Además, os explico cómo estimar la carga de roca o presión sobre el sostenimiento y cómo se puede predimensionar el tipo de excavación y sostenimiento a realizar. Espero que os sea de utilidad.

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Referencias:

BIENIAWSKI, Z. T. (1989). Engineering rock mass classifications: a complete manual for engineers and geologists in mining, civil, and petroleum engineering. Wiley-Interscience, pp. 40–47.

GALLO, J.; PÉREZ, H.; GARCÍA, D. (2016). Excavación, sostenimiento y técnicas de corrección de túneles, obras subterráneas y labores mineras. Universidad del País Vasco. Bilbao, España, 277 pp.

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

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Fuerza de arranque en la excavación mecánica de túneles

Figura 1. Cabeza de una microtuneladora. https://sinducor.es/productos/marca/microtuneladoras-2/

Las máquinas de excavación mecánica de túneles, como las microtuneladoras, utilizan cabezales equipados con útiles de corte como rascadores, picas y discos de corte. Para evaluar el rendimiento del corte en la excavación mecánica de un túnel, necesitamos conocer la penetración específica (cociente entre la penetración y el empuje). De esta forma, el desgaste de un cortador se mide como el recorrido, en km, de un disco cortador o como el consumo de discos cortadores por m³ de material excavado.

En su tesis doctoral (Gallo, 2011), Javier Gallo propuso un modelo empírico para estimar la fuerza de arranque en este tipo de excavación. La ventaja de esta propuesta es que puede aplicarse a todo tipo de útiles de excavación, tanto en suelos como en rocas. Permite obtener la fuerza normal que hay que aplicar sobre el útil para romper un fragmento, denominada penetración, que coincide con el avance de la máquina por la revolución del cabezal. La ecuación se obtuvo empíricamente para túneles excavados con diámetros entre 2 y 2,5 m, utilizando útiles de corte tipo disco de 280 y 305 mm de diámetro y rascadores de 60 mm de ancho. Una de las ventajas es que no es necesario conocer el área de contacto entre el útil y el terreno. El método se ajusta a una ecuación que el autor denomina función T:

Donde

F Fuerza (kN)

P Penetración (mm)

RC Resistencia a compresión (MPa)

RT Resistencia a tracción (MPa)

De esta forma, conocida la resistencia a la tracción y a la compresión del macizo rocoso y la penetración que se pretende realizar durante el avance, podemos determinar la fuerza que debe resistir el filo del cortador. Así, podemos seleccionar el cortador más adecuado según los datos del fabricante. Del mismo modo, si conocemos la fuerza, podemos determinar la penetración máxima con la que avanzaría la tuneladora. La penetración aumenta cuanto menor es la resistencia del terreno (Gallo et al., 2016).

Os paso un problema resuelto que espero os sea de interés.

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Referencias:

GALLO, J. (2011) Definición de un modelo para la estimación de la fuerza de arranque en la excavación mecánica de túneles en suelos y rocas. Tesis doctoral. Universidad del País Vasco. Bilbao, España.

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y GEOMINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Serie: Tecnología y Seguridad Minera. Segunda edición, Madrid, 541 pp.

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.

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Producción combinada de un equipo con varias tareas: el caso de un buldócer

Buldócer Caterpillar D9T. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:CatD9T.jpg

Es habitual encontrarnos con equipos que, aunque trabajen de forma aislada, deban realizar varios tipos de trabajo consecutivos para completar una tarea. Además, la producción de cada uno de estos trabajos es diferente. El problema radica en calcular la producción conjunta. Uno de los ejemplos usuales es la producción de un buldócer (bulldozer, en inglés), que primero debe escarificar un terreno y luego debe empujarlo hasta una distancia de transporte determinada.

A continuación, os voy a dar un problema de este tipo resuelto. Se trata de uno de los muchos casos que explicamos en el Curso de gestión de costes y producción de la maquinaria empleada en la construcción. Os animo a que, si estáis interesados, os informéis de este curso en línea.

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Referencias:

YEPES, V. (1995). Maquinaria de movimiento de tierras. Servicio de Publicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia. SP.UPV-264. 144 pp.

YEPES, V. (1997). Equipos de movimiento de tierras y compactación. Problemas resueltos. Colección Libro Docente n.º 97.439. Ed. Universitat Politècnica de València. 256 pág. Depósito Legal: V-4598-1997. ISBN: 84-7721-551-0.

YEPES, V. (2022). Gestión de costes y producción de maquinaria de construcción. Colección Manual de Referencia, serie Ingeniería Civil. Editorial Universitat Politècnica de València, 243 pp. Ref. 442. ISBN: 978-84-1396-046-3

Curso:

Curso de gestión de costes y producción de la maquinaria empleada en la construcción

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Desarrollo regional sostenible de la construcción basada en la teoría de la entropía

Acaban de publicarnos un artículo en Sustainability, revista indexada en el segundo cuartil del JCR. Se trata de aplicar la teoría de la entropía para evaluar el desarrollo sostenible de la construcción en una región determinada, en este caso, China. El trabajo se enmarca en el proyecto de investigación HYDELIFE, que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

La humanidad se enfrenta actualmente al problema cada vez más urgente de la contaminación medioambiental. Para gestionar el medioambiente de forma rigurosa, los distintos gobiernos nacionales deberían basarse en fundamentos científicos prácticos para ajustar y formular políticas y medidas legales basadas en el análisis de los datos existentes. En este trabajo se realiza un análisis basado en la teoría de la entropía de la innovación para evaluar el impacto de ocho provincias chinas, incluidos los impactos ambientales, económicos y sociales. Los resultados muestran que los impactos en China deberían crecer hasta aproximadamente 2044. A partir de 2045, se estabilizarían, con un crecimiento negativo en un corto plazo. La evaluación del ciclo de vida (ECV) y la del impacto social (EIS) siguen siendo positivas. No habrá crecimiento negativo en los datos agregados y, antes de 2108, las emisiones serán nulas o negativas. Los datos finales de la investigación se presentan en forma de emisiones anuales y proporcionan una base teórica sobre la que el Gobierno puede formular normativas y planes medioambientales a medio y largo plazo.

Abstract:

Human beings are now facing the increasingly urgent problem of global environmental pollution. To verify the scientific nature of environmental governance by governments of various countries, researchers need to provide a scientific basis and practical support for governments to adjust and formulate new policies and regulatory measures at any time through data analysis. This paper applies visual literature, aggregate analysis, engineering data programming, advanced mathematical science algorithms, and innovation entropy theory, and through this study, obtains sustainable impact data from eight Chinese provinces in the 21st century, including environmental, economic, and social impacts. The results show that China’s sustainable data should grow from 2021 to about 2044. After 2045, it will be stable, and there will be negative growth in a short period. The overall life cycle assessment (LCA) and social impact assessment (SIA) remain positive. There will be no negative growth in aggregate data and zero or negative emissions before 2108. The final research data are accurately presented in the form of annual emissions, which provide a scientific and theoretical basis for the government to formulate medium— and long-term ecological regulations and plans.

Keywords:

life cycle cost (LCC); life cycle assessment; social impact assessment; environment; bridge; carbon emissions

Reference:

ZHOU, Z.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2022). Research on Sustainable Development of the Regional Construction Industry Based on Entropy Theory. Sustainability, 14(24): 16645. DOI:10.3390/su142416645

Como el artículo está publicado en abierto, os lo podéis descargar aquí mismo:

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¿Cuántas obras puede atender un jefe de grupo? ¿Y cuántos tajos un encargado?

https://www.flickr.com/photos/prefecturaguayas/15207218668

Si a un jefe de grupo experimentado le preguntamos cuántas obras puede llevar simultáneamente, obtendremos respuestas de todo tipo. Dirá que es función del tipo de obra, de la experiencia de los equipos que trabajan en cada una de ellas, de los costes y de los plazos. Incluso te contestaría que depende de su capacidad de aguante y de las horas que dedique a esta tarea. La misma pregunta se podría plantear en el caso de un encargado de obra y el número de tajos que puede supervisar sin que la obra llegue a ser un caos.

Se trata de un problema complejo que algunos incluso considerarían subjetivo. No obstante, me gustaría presentar un esquema conceptual que permita abordar el problema teniendo en cuenta la necesidad de supervisión de cada obra, las horas de trabajo diarias, la producción de cada sección y los costes económicos de la dirección de equipos. Veamos entonces cómo plantearlo.

A veces es necesario dar servicio a un equipo que se ha quedado fuera de servicio de forma imprevista y aleatoria. En estos casos, no se sabe cuándo se debe proporcionar el servicio ni cuánto tiempo debe durar. Debemos utilizar las leyes de probabilidad para determinar el número de unidades de servicio de apoyo necesarias para evitar esperas innecesarias.

La probabilidad de que 0, 1, 2, …, n equipos se queden fuera de servicio puede estimarse con la distribución binomial. De esta forma, la probabilidad de que se queden m equipos fuera de servicio de un conjunto de n, siendo p la probabilidad de estar fuera de servicio y q = 1 – p, la de que estén en operación, sería la siguiente:

De esta forma, se puede determinar el porcentaje del tiempo durante el cual algunos equipos permanecerán fuera de servicio y el tiempo perdido resultante.

Para aclarar estos conceptos, os resuelvo un problema en el que se trata de averiguar si es rentable, para un caso determinado, contratar a más encargados de obra para que un conjunto de equipos de encofradores se encuentre trabajando lo máximo posible. Este es uno de los casos estudiados en el “Curso de gestión de costes y producción de la maquinaria empleada en la construcción”. Espero que os sea de interés.

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Referencias:

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Diseño de una pista para unidades de acarreo en una explotación minera

https://www.ipe.org.pe/portal/mineria-generara-impacto-positivo-de-us-17000-mllns/

En una explotación minera o en obras civiles de gran envergadura deben circular unidades de acarreo por caminos provisionales. Lo importante es que el diseño de estas pistas permita la circulación de forma segura sin que se pierda el ritmo de producción. Para ello, hay que cuidar los aspectos relacionados con el firme, la pendiente, la anchura de la pista, los radios, los peraltes, los sobreanchos en curvas, la visibilidad en las curvas y en los cambios de rasante y el bombeo. Se obtienen los mejores rendimientos y condiciones de seguridad con pendientes en torno al 8 %, siempre que la resistencia a la rodadura se considere normal.

A continuación, os presento un vídeo explicativo y un problema resuelto. Nos hemos basado en el Manual de áridos, una publicación de 1998 que encontraréis en las referencias. Espero que os resulte interesante.

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Referencias:

LÓPEZ JIMENO, C. (ed.) (1998). Manual de áridos. Prospección, explotación y aplicaciones. E.T.S. de Ingenieros de Minas de Madrid, 607 pp.

MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2005). Temas de procedimientos de construcción. Extracción y tratamiento de áridos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2005.165. Valencia, 74 pp.

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Cálculo de la altura crítica de un suelo cohesivo a corto plazo

En un artículo anterior resolvimos el caso de la altura crítica de una excavación sin entibación a largo plazo, es decir, en condiciones drenadas. Sin embargo, a continuación veremos un caso particular, en el que tenemos un suelo puramente cohesivo en condiciones no drenadas (C = Cu y φ = 0), que corresponde a la estabilidad a corto plazo.

Se trata de un caso muy simple que permite resolver de manera sencilla la rotura del suelo. La realidad es más compleja, por lo que es necesario utilizar métodos de análisis más generales que permitan considerar superficies de rotura curvas, perfiles del terreno más complejos y regímenes hidráulicos determinados. Para ello se remite al lector al estudio de los métodos de equilibrio límite.

Por cierto, este tipo de problemas también puede resolverse gráficamente mediante un nomograma. Os paso uno elaborado en colaboración con el profesor Pedro Martínez Pagán. En este caso, a modo de ejemplo, se ha considerado la resolución de un caso con un coeficiente de seguridad de 2.

En esta ocasión, os paso un problema resuelto en el que se calcula la máxima altura que podría alcanzar una excavación a corto plazo en un terreno arcilloso. Para este problema se ha empleado un coeficiente de seguridad de 1 (caso estricto), que habría que particularizar según el problema concreto de la obra, con un coeficiente de seguridad de, por ejemplo, 1,5. No obstante este valor, hay que ser prudentes cuando la altura sin entibar suponga un peligro para el enterramiento de personas, especialmente en zanjas o pozos. Téngase en cuenta que el valor de la cohesión depende de la humedad del suelo, que disminuye con el tiempo. En dicho caso, en terrenos coherentes y sin solicitud de cimentación, o próximos a vial (o acopio equivalente), la altura máxima sin entibar será de 1,30 m en un corte vertical.

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:

http://www.osalan.euskadi.eus/contenidos/libro/seguridad_201210/es_doc/adjuntos/Seguridad%20en%20zanjas.pdf

http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/FichasTecnicas/NTP/Ficheros/201a300/ntp_278.pdf

http://www.lineaprevencion.com/ProjectMiniSites/Video5/html/cap-2/db-prl-mt/seccion-2-desmonte-y-vaciado-a-cielo-abierto/seccion2desmonteyvaciadoacieloabierto.html

http://www.cepymearagon.es/WebCEPYME%5Cdatos.nsf/0/BB3A397513D24B57C1257DFE0031A982/$FILE/2014-DGA-02.pdf

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.

Cursos:

Curso de estructuras auxiliares en la construcción: andamios, apeos, entibaciones, encofrados y cimbras.

Curso de Procedimientos de Construcción de cimentaciones y estructuras de contención en obra civil y edificación.

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Cálculo de la máxima profundidad de excavación frente al taponazo

En una entrada anterior, en la que se describían los problemas del agua en las excavaciones, ya se habló del levantamiento de fondo o taponazo: el fondo de la excavación puede volverse inestable cuando el peso del terreno no es capaz de equilibrar el empuje del agua (Figura 1). Es típico de un estrato de baja permeabilidad (como una arcilla o roca 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 en el que 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.
YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

Cursos:

Curso de procedimientos de contención y control del agua subterránea en obras de Ingeniería Civil y Edificación

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¿Es rentable contratar un servicio de mantenimiento para el parque de maquinaria?

El mantenimiento y la reparación de los equipos representan un coste importante para los parques de maquinaria de las empresas constructoras. Una posibilidad que tienen los parques es acordar un acuerdo con un proveedor para realizar las labores de mantenimiento.

Sin embargo, para que ello sea rentable, el parque debe hacer sus números. Este es uno de los casos estudiados en el “Curso de gestión de costes y producción de la maquinaria empleada en la construcción”.

Os paso un ejemplo de problema en el que se puede ver cómo se puede ejecutar dicho cálculo. Espero que les sea de interés.

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Referencias:

Curso:

Curso de gestión de costes y producción de la maquinaria empleada en la construcción

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