Viga armada de acero. https://www.renedometal.es/vigas-armadas-la-rioja/
El desarrollo de estructuras de acero ha sido un pilar fundamental en la ingeniería civil desde el siglo XIX. Obras emblemáticas como el puente de Brooklyn y la torre Eiffel son ejemplos tempranos de su aplicación con éxito. La evolución tecnológica ha dado lugar al desarrollo de conceptos avanzados como las vigas híbridas de acero, que permiten un mejor aprovechamiento del material y reducen los costes de manera significativa. Las vigas híbridas de acero son una solución avanzada en el ámbito de la construcción que permite optimizar el uso de materiales, reducir costes y mejorar la eficiencia estructural. Estas vigas combinan diferentes tipos de acero en sus componentes para maximizar la resistencia y minimizar el peso, por lo que constituyen una alternativa eficaz a las vigas homogéneas tradicionales.
Históricamente, han dominado el mercado las vigas de acero convencionales, en las que tanto el alma como las alas tienen la misma resistencia a la fluencia. Sin embargo, esta configuración puede llevar a un uso ineficiente del material, ya que las alas soportan la mayor parte de las tensiones de flexión. La incorporación de diferentes resistencias en las partes de la viga es una solución innovadora para optimizar el empleo del acero.
El concepto de viga híbrida implica el uso de acero de alta resistencia en las alas, donde se producen tensiones de tracción y compresión máximas, y de acero de resistencia moderada en el alma, que soporta tensiones menores. Esta configuración permite reducir el peso total de la viga, disminuir costes y mejorar la sostenibilidad mediante una utilización más eficiente de los recursos.
La investigación sobre vigas híbridas ha seguido tres enfoques principales: estudios experimentales, simulaciones computacionales y revisiones bibliográficas. Los ensayos experimentales evalúan el comportamiento estructural bajo diversas condiciones de carga. Las simulaciones computacionales permiten modelar situaciones complejas mediante el método de elementos finitos. Las revisiones bibliográficas consolidan el conocimiento existente y permiten identificar lagunas en la investigación.
Las estructuras híbridas son objeto de nuestros proyectos de investigación HYDELIFE y RESILIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. En las referencias se encuentran tres de los artículos publicados al respecto, los cuales se pueden descargar por estar publicados en abierto. Además, ya publicamos varias entradas sobre estos trabajos hace unos meses.
En un artículo anterior (Terreros-Bezoya et al., 2023), ya hicimos referencia a un estudio del estado del arte al respecto. En dicha investigación se revisaron 128 publicaciones sobre diseño de vigas y se utilizó un análisis de correspondencia para identificar patrones en variables como la resistencia de alas y alma, las condiciones de carga y los métodos de cálculo. Se sistematiza el conocimiento existente y se destacan enfoques de diseño eficaces. Se identifican ratios híbridos ideales, con un equilibrio entre resistencia y economía de material, que oscilan entre 1,3 y 1,6. Además, el estudio destaca las ventajas ambientales y económicas de las vigas híbridas, ya que al reducir el peso de las estructuras, disminuyen los costes de transporte, instalación y materiales, y, por tanto, las emisiones de CO₂. Esta estrategia se alinea con los objetivos de la Unión Europea para lograr la neutralidad climática en 2050 y mejora la viabilidad de proyectos a gran escala al reducir los costes de fabricación y montaje.
Estudios recientes han demostrado que las vigas híbridas son superiores en términos de resistencia y eficiencia económica. Ensayos experimentales muestran que pueden soportar cargas hasta un 40% mayores que las vigas convencionales debido a su capacidad para distribuir tensiones de manera más efectiva. Además, su uso puede reducir los costos de construcción en un 20%, considerando ahorros en materiales, transporte e instalación.
En términos de distribución geográfica, la investigación sobre vigas híbridas está dominada por Estados Unidos, China y Europa, con un crecimiento notable en Asia debido a su desarrollo infraestructural. Los estudios se centran en tres áreas principales: comportamiento estructural, desarrollo de metodologías de diseño y optimización económica.
Las investigaciones sobre flexión pura revelan que una resistencia a la fluencia de 300 MPa en el alma y 500 MPa en las alas mejora significativamente el rendimiento estructural. En términos de corte puro, se ha logrado mejorar la resistencia en un 25% mediante el desarrollo de campos de tensión diagonales. La interacción flexión-corte permite incrementar la resistencia última hasta un 30% al diseñar refuerzos de ala y distribuciones de carga adecuadas.
El trabajo de Negrín et al. (2023) presenta una metodología para optimizar el diseño de vigas híbridas de acero soldado y, por tanto, mejorar su coste. Se formula un problema de optimización que permite configuraciones híbridas con diferentes tipos de acero y se considera el coste de fabricación como función objetivo. Los resultados indican que el diseño optimizado puede ser hasta un 50 % más económico que los métodos tradicionales. Además, se sugieren métodos para comparar soluciones óptimas y se establecen líneas de investigación futuras basadas en los resultados obtenidos.
El estudio de Negrín et al. (2024) destaca los beneficios económicos de las vigas de acero híbridas transversal-longitudinalmente (TLH), mostrando una reducción de costos de fabricación superior al 50% en comparación con diseños tradicionales. Se identifican configuraciones TLH como más eficaces para elementos grandes, con recomendaciones para puntos de transición y configuraciones de materiales según niveles de tensión. Además, la metodología propuesta promueve un diseño sostenible, optimizando elementos TLH para mejorar aspectos económicos y ambientales, lo que sugiere futuras investigaciones en comportamiento estructural y sostenibilidad.
Sin embargo, persisten desafíos en áreas como la soldadura y la fabricación. La unión de materiales con diferentes propiedades requiere técnicas especializadas y electrodos adecuados para garantizar la integridad estructural. Además, los estándares de diseño actuales deben actualizarse para reflejar las características específicas de las vigas híbridas y proporcionar directrices más detalladas para su aplicación.
En conclusión, las vigas híbridas de acero ofrecen una combinación única de resistencia, sostenibilidad y economía. Los avances en fabricación, en métodos computacionales y en el análisis del ciclo de vida continúan impulsando su desarrollo. La colaboración entre instituciones académicas, la industria y los organismos reguladores será esencial para su adopción generalizada. La actualización de los códigos de diseño y la estandarización de los procesos de fabricación mejorarán su competitividad en proyectos de infraestructura a gran escala.
La durabilidad de los puentes está relacionada con una impermeabilización adecuada, ya que el hormigón vibrado no es totalmente estanco. Las segregaciones locales permiten la entrada de agua hasta las armaduras, lo que provoca la carbonatación, disgregación y corrosión de estas. Este efecto se intensifica en regiones donde se usan sales de deshielo para evitar la formación de hielo. Muchos problemas de durabilidad se deben a una impermeabilización y drenaje inadecuados.
La eficacia de la impermeabilización depende de factores como las condiciones climáticas, que pueden afectar a la integridad de los materiales. También es crucial el diseño estructural, que debe facilitar el drenaje y evitar la acumulación de agua. Para prevenir defectos en la impermeabilización, es esencial seleccionar materiales duraderos y compatibles con el entorno, y aplicarlos correctamente.
La selección del sistema de impermeabilización para un puente debe tener en cuenta factores como las características específicas de la estructura, incluidos los materiales, la geometría, el uso y las condiciones de carga; las condiciones climáticas y ambientales locales, como temperaturas extremas, humedad y exposición a agentes corrosivos; y los requisitos de mantenimiento y la vida útil esperada, ya que algunos sistemas requieren menos mantenimiento y ofrecen una mayor durabilidad. Es esencial consultar las normativas vigentes y, en caso de duda, recurrir a expertos en la materia para determinar la solución más adecuada.
Los sistemas de impermeabilización se clasifican en tratamientos in situ y el uso de láminas prefabricadas. Dentro de los tratamientos in situ, destacan varias técnicas según el tipo de material y el método de aplicación.
Tratamientos in situ:
Másticos bituminosos aplicados en caliente: Se colocan en una o dos capas con espesores de 5 a 20 mm. Para evitar la formación de ampollas por la mezcla caliente sobre un tablero húmedo, se aplica una capa de imprimación y otra de descompresión, generalmente un filtro de fibra de vidrio que comunica con la atmósfera.
Másticos bituminosos aplicados en frío: Formados por un agregado mineral fino, fibras minerales y una emulsión bituminosa aniónica de rotura lenta, y se aplican sobre un tablero limpio tras un riego de adherencia. La cantidad aplicada varía entre 3 y 6 kg/m² en función de la rugosidad de la superficie. Son fáciles de instalar, resistentes al tráfico de obra y poseen una excelente adherencia al firme.
Capas finas con materiales no bituminosos (resinas): Incluyen resinas epoxi, poliuretanos y poliésteres, que se aplican en espesores de 1,5 a 3 mm. Ofrecen alta resistencia química y gran adherencia al hormigón, aunque requieren una textura fina y ausencia de humedad en el tablero. Normalmente, se aplican dos capas de resina: la segunda se extiende una vez polimerizada la primera y, antes de que se seque por completo, se esparce arena para mejorar la adherencia con el pavimento. La imprimación del tablero no es indispensable, pero, si se realiza, se utiliza la misma resina diluida.
Capas finas con brea-epoxi: Este material mixto combina la flexibilidad de la brea y la adherencia del epoxi, y ofrece resistencia a bajas temperaturas y un coste moderado. Su espesor promedio es de 2 mm y se usa principalmente en estructuras flexibles como puentes metálicos. La técnica de aplicación es similar a la de las resinas sintéticas, con la diferencia de que en este caso es imprescindible utilizar la imprimación correspondiente, que es la misma mezcla fluidificada.
Láminas prefabricadas:
Dentro de las láminas prefabricadas de pequeño espesor (entre 1 y 2 mm) se incluyen:
Láminas bituminosas autoprotegidas: La cara superior está formada por una hoja de aluminio y la cara inferior está recubierta de una masilla bituminosa reforzada con fibras de vidrio. El espesor total varía entre 3 y 4 mm.
Láminas elastoméricas: Las más comunes están fabricadas con caucho butilo, caucho de cloropreno y etileno-propileno. Estas láminas destacan por su gran flexibilidad, aunque presentan el inconveniente de una adherencia deficiente con los materiales bituminosos. Por ello, en la instalación de pavimentos de este tipo es habitual aplicar una imprimación bituminosa sobre la lámina una vez colocada.
Láminas plásticas: Son de PVC reforzado con fibras sintéticas a lo largo de todo su espesor. Estas láminas no presentan adherencia.
Láminas de betún altamente modificado con polímeros: Estas láminas ofrecen una excelente flexibilidad, baja susceptibilidad térmica y elevada tenacidad y ductilidad.
Las láminas prefabricadas más delgadas suelen deteriorarse con facilidad por punzonamiento. Anteriormente, solía colocarse una capa de protección, generalmente una mezcla de arena y betún, entre la lámina y el pavimento. Hoy en día, salvo en el caso de las láminas con hoja superior de aluminio, es común que las láminas incorporen gravillas incrustadas en su cara superior, lo que no solo las protege frente al punzonamiento, sino que también mejora la adherencia con el pavimento. El objetivo principal de estas membranas es garantizar la estanqueidad en todas las zonas del tablero y evitar especialmente el paso de agua en las uniones con elementos como bordillos, sumideros, barreras y juntas de dilatación.
En los últimos años, se han desarrollado y aplicado técnicas y productos innovadores en este campo. A continuación, se presentan algunas de las novedades más destacadas:
Membranas líquidas de poliuretano: La aplicación de membranas líquidas de poliuretano ha surgido como una solución eficaz para impermeabilizar tableros de puentes. Estas membranas destacan por su alta elasticidad, resistencia química y larga vida útil. Además, su capacidad para adaptarse a geometrías diversas facilita su aplicación en estructuras complejas. La certificación ETE (Documento de Evaluación Técnica Europeo) garantiza la calidad y eficacia de estos productos.
Membranas asfálticas prefabricadas: Los sistemas de impermeabilización asfáltica, especialmente los que utilizan membranas prefabricadas SBS, han demostrado su eficacia en puentes y estacionamientos. Estos sistemas se aplican mediante termofusión, lo que garantiza una adherencia sólida y una protección duradera contra filtraciones.
Resinas de poliuretano bicomponente: La utilización de resinas de poliuretano bicomponente, libres de brea y alquitrán, ha ganado popularidad en la impermeabilización de tableros de puentes. Estas resinas se aplican sobre el hormigón del soporte, formando una capa impermeable que protege la estructura de las inclemencias meteorológicas y de la acción de agentes corrosivos.
Membranas de poliurea: La aplicación de poliurea ha demostrado su eficacia en la protección contra filtraciones en la impermeabilización de puentes ferroviarios. Para lograr una impermeabilización completa y duradera, es fundamental realizar un tratamiento previo de la superficie y aplicar imprimaciones adecuadas.
En las impermeabilizaciones no completamente adheridas al tablero del puente, el agua que pueda filtrarse a través de la capa impermeabilizante o condensarse debajo de ella se evacúa mediante respiraderos o tubos de ventilación. Estos dispositivos evitan la acumulación de presión de vapor que podría provocar ampollas en la impermeabilización. Los tubos se colocan en los puntos más bajos o se distribuyen a lo largo de toda la superficie, partiendo de la cara inferior de la impermeabilización y atravesando el tablero del puente.
La impermeabilización de puentes requiere un mantenimiento periódico para garantizar su eficacia a largo plazo. Es fundamental realizar inspecciones regulares para detectar posibles daños o deterioros y llevar a cabo las reparaciones pertinentes. Si hay fallos en la impermeabilización, es posible que sea necesario rehabilitar la membrana, lo que puede implicar eliminar la capa existente y aplicar un nuevo sistema de impermeabilización.
La impermeabilización de puentes requiere cumplir diversas normativas y estándares internacionales para garantizar la eficacia y durabilidad de las soluciones implementadas. A continuación, se presenta una relación exhaustiva de las normativas y estándares más importantes en este campo:
Normativas Europeas:
UNE-EN 13375:2020: Establece los requisitos para las láminas flexibles utilizadas en la impermeabilización de tableros de puentes de hormigón y otras superficies de hormigón expuestas al tráfico vehicular.
UNE-EN 14692:2017: Define las características de las láminas flexibles para la impermeabilización de tableros de puentes de hormigón y otras superficies de hormigón para tráfico de vehículos, incluyendo la determinación de la resistencia a la compactación de una capa asfáltica.
UNE-EN 14694:2017: Especifica los requisitos para las láminas flexibles en la impermeabilización de tableros de puentes de hormigón y otras superficies de hormigón para tráfico de vehículos, enfocándose en la resistencia a la presión dinámica de agua tras degradación por pretratamiento.
UNE-EN 14223:2017: Detalla las propiedades de las láminas flexibles para la impermeabilización de tableros de puentes de hormigón y otras zonas de hormigón para tráfico de vehículos, incluyendo la determinación de la absorción de agua.
UNE-EN 14691:2017: Establece los criterios para las láminas flexibles en la impermeabilización de tableros de puentes de hormigón y otras zonas de hormigón para tráfico de vehículos, enfocándose en la compatibilidad por acondicionamiento térmico.
UNE-EN 13653:2017: Define los requisitos para las láminas flexibles en la impermeabilización de tableros de puentes de hormigón y otras zonas de hormigón para tráfico de vehículos, incluyendo la determinación de la resistencia al pelado.
UNE-EN 12039:2017: Especifica las características de las láminas bituminosas para la impermeabilización de cubiertas, incluyendo la determinación de la adherencia de gránulos.
UNE-EN 12691:2018: Establece los requisitos para las láminas bituminosas, plásticas y de caucho en la impermeabilización de cubiertas, incluyendo la determinación de la resistencia al impacto.
UNE-EN 13583:2013: Define las características de las láminas bituminosas, plásticas y de caucho para la impermeabilización de cubiertas, incluyendo la determinación de la resistencia al granizo.
UNE-EN 17686:2023: Establece los requisitos para las láminas flexibles en la impermeabilización de cubiertas, incluyendo la determinación de la resistencia a la carga de viento del sistema constructivo de cubiertas con sistemas de impermeabilización adheridos.
Normativas Internacionales:
ASTM D6083: Estándar de la ASTM que especifica los requisitos para las membranas líquidas de poliuretano utilizadas en la impermeabilización de puentes.
ASTM D1970: Estándar de la ASTM que define los requisitos para las membranas autoadhesivas de asfalto utilizadas en la impermeabilización de puentes.
AASHTO M 323: Especificación de la American Association of State Highway and Transportation Officials que establece los requisitos para las membranas de impermeabilización de puentes.
Es fundamental consultar las normativas vigentes y, en caso de duda, recurrir a expertos en la materia para determinar la solución más adecuada. Además, es recomendable revisar las especificaciones técnicas de los fabricantes y las guías de buenas prácticas para asegurar una correcta aplicación de los sistemas de impermeabilización.
Os dejo un par de vídeos sobre impermeabilización de tableros de puentes. Espero que os sean de interés.
También os dejo este catálogo de Sika sobre la impermeabilización de puentes.
La construcción de estructuras de hormigón conlleva procesos técnicos complejos que requieren una planificación rigurosa y una ejecución meticulosa. Entre estos procesos, destacan la activación de la fuerza de pretensado y la inyección de armaduras, que son esenciales para mejorar el rendimiento estructural y la durabilidad. Este artículo aborda estos procedimientos, detallando principios teóricos, parámetros técnicos y normativas aplicables.
Tesado de armaduras activas
Armadura pasiva y vainas para el acero de postesado durante la construcción de un puente de sección cajón. De Störfix – Fotografía propia, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=297005
El tesado de armaduras activas es el proceso mediante el cual se aplica una fuerza de pretensado al acero de refuerzo dentro del hormigón. Esto aumenta la capacidad de carga, reduce las deformaciones y mejora la durabilidad de la estructura.
El proceso de tesado se basa en el principio de crear fuerzas internas en el acero que compensen las tensiones externas esperadas durante la vida útil de la estructura. Al aplicar una fuerza controlada, el acero se somete a tracción y el hormigón queda en compresión, lo que mejora el comportamiento global del elemento estructural.
La operación de tesado deberá realizarse según un plan previamente establecido, teniendo en cuenta las recomendaciones del fabricante del sistema utilizado. Se deberá asegurar que el gato esté perpendicular y centrado sobre el anclaje y que la operación la lleve a cabo personal cualificado. El tesado debe realizarse de manera lenta y progresiva. Si se lleva a cabo en condiciones de bajas temperaturas, deberán tomarse precauciones especiales.
Si se rompe un elemento de la armadura, se podrá alcanzar la fuerza total de pretensado necesaria aumentando la tensión en los elementos restantes, sin exceder el 5 % del valor previsto inicialmente. En caso de que se pierda totalmente la fuerza de pretensado debido a la rotura de elementos irreemplazables de la armadura, la pérdida no podrá superar el 2 % de la fuerza de pretensado prevista en el proyecto.
La temperatura ambiente es un factor crítico. Debe evitarse el tesado a temperaturas inferiores a 5 °C, salvo que se implementen medidas específicas para compensar los efectos del frío, como el uso de equipos de calefacción en el área de trabajo. Además, el acero utilizado debe cumplir con normas internacionales como la EN 10080, que garantizan su calidad y resistencia.
La seguridad durante el tesado es un aspecto prioritario. Las medidas de seguridad incluyen protecciones detrás de los gatos y se prohibirá el paso entre dichas protecciones y el gato durante el izado. En las pretesas, es esencial colocar señales visibles que indiquen la carga máxima permitida para la que han sido proyectados los estribos de anclaje y delimitar las zonas de acceso restringido. Además, para evitar que las armaduras salten si se rompen durante el tesado, se deben utilizar placas horadadas, cubriéndolas o envolviéndolas. El tesado no se iniciará sin la autorización de la dirección de obra, que comprobará la idoneidad del programa de tesado y la resistencia del hormigón. Todo el proceso debe estar supervisado por personal técnico cualificado.
Armaduras pretesas
Hormigón pretensado en forma de viguetas. https://www.becosan.com/es/hormigon-pretensado/
Las armaduras pretesas se tensan antes del vertido del hormigón para garantizar que la fuerza se transfiera a la matriz del hormigón durante el fraguado. Este método se utiliza principalmente en la fabricación de elementos prefabricados, como vigas, losas y pilares.
El proceso de pretensado consiste en fijar los extremos de las armaduras en dispositivos de anclaje y aplicarles una fuerza controlada antes de verter el hormigón. Una vez que el hormigón alcanza la resistencia requerida, se libera la tensión de manera gradual, lo que permite que el hormigón absorba el esfuerzo de pretensado.
El programa de tesado deberá especificar el orden de tesado de las armaduras y, en su caso, las sucesivas etapas parciales de pretensado. También se deberá indicar la presión o fuerza que no debe sobrepasarse en los gatos, el valor de la carga de tesado en los anclajes y los alargamientos que deben obtenerse, teniendo en cuenta los movimientos originados por la penetración de la cuña. Además, se debe detallar el modo y la secuencia que deberá seguirse para liberar los tendones, así como la resistencia requerida al hormigón en el momento de la transferencia.
La adherencia de las armaduras activas al hormigón depende de la longitud de transmisión, que es necesaria para transferir al hormigón por adherencia la fuerza de pretensado introducida en las armaduras, y de la longitud de anclaje, que garantiza la resistencia del anclaje por adherencia hasta la rotura del acero. Estos factores dependen principalmente de tres elementos: el diámetro de la armadura, sus características superficiales y la resistencia del hormigón.
El destesado es la operación mediante la cual se transmite el esfuerzo de pretensado de las armaduras pretesas al hormigón, para lo cual se deben soltar de manera lenta, gradual y uniforme, sin sacudidas bruscas y de forma ordenada, con el fin de evitar asimetrías. Antes de iniciar esta operación, se verifica que el hormigón haya alcanzado la resistencia especificada, eliminar obstáculos que impidan el movimiento de las piezas y cortar las puntas de las armaduras que sobresalgan de las testas, si van a quedar expuestas y no embebidas en el hormigón. El destesado prematuro representa un peligro debido a las pérdidas elevadas, mientras que el destesado brusco puede causar esfuerzos anormales, aumentar la longitud de transmisión y anclaje, y aumentar los riesgos de deslizamiento.
Armaduras postesas
Anclajes de hormigón postesado. https://www.becosan.com/es/hormigon-pretensado/
Las armaduras postesas se tensan una vez fraguado el hormigón, lo que permite mayor flexibilidad en el diseño de estructuras complejas. Se utilizan comúnmente en grandes puentes, viaductos y edificios importantes.
Durante el proceso, los tendones se colocan dentro de vainas que atraviesan el hormigón. Una vez fraguado, se aplican fuerzas de pretensado mediante gatos hidráulicos y se fijan los extremos con cuñas especiales que aseguran la transferencia de cargas a largo plazo.
El programa de tesado deberá especificar expresamente la secuencia detallada de tesado de las armaduras, la presión o fuerza que debe desarrollarse en el gato, los alargamientos esperados y la máxima penetración de cuña, así como el momento de retirada de las cimbras durante el tesado, si procede. También se deberá indicar la resistencia requerida al hormigón antes del tesado, el número, el tipo y la localización de los acopladores, así como la necesidad de protección temporal si el tesado se realiza en etapas sucesivas. El tesado no se iniciará sin la autorización de la dirección de obra, que comprobará la idoneidad del programa de tesado y la resistencia del hormigón. Cada etapa debe ejecutarse en condiciones de control estrictas, registrándose cada operación para su posterior verificación y trazabilidad.
La tensión máxima inicial admisible en las armaduras se limita con el fin de disminuir riesgos como la rotura o la corrosión. El valor máximo de la tensión en las armaduras antes de anclarlas no podrá ser superior al menor de los siguientes valores: el 75 % de la carga unitaria máxima característica o el 90 % del límite elástico característico. De forma temporal, esta tensión podrá aumentarse hasta alcanzar uno de los siguientes valores: el 85 % de la carga unitaria máxima característica o el 95 % del límite elástico característico.
Proceso postesado. Fuente: Catálogo Stronghold
El proceso de tesado consta de varias fases secuenciales cuidadosamente planificadas para garantizar la correcta transferencia de la fuerza de pretensado. En primer lugar, se colocan y alinean los gatos hidráulicos frente a los anclajes, asegurándose de que estén perpendiculares y centrados para evitar desviaciones.
Una vez posicionados, se inicia el proceso de aplicación de fuerza de manera gradual y continua. La presión se incrementa en etapas controladas para evitar tensiones repentinas que puedan causar daños estructurales. Durante esta fase, se realiza un seguimiento constante de la presión y del alargamiento alcanzado en las armaduras.
A medida que el acero se alarga, hay que verificar los anclajes y realizar ajustes si es necesario. El equipo técnico debe registrar cada paso, documentando las presiones aplicadas, los alargamientos medidos y los incidentes que puedan ocurrir durante el proceso.
Una vez alcanzada la fuerza especificada en el proyecto, se fijan definitivamente las armaduras mediante cuñas mecánicas o dispositivos de anclaje hidráulico. De este modo, se asegura que el acero mantenga la tensión aplicada incluso después de retirar los equipos de tesado.
Por último, se llevan a cabo inspecciones visuales y técnicas para confirmar que el proceso de tesado se ha realizado correctamente. Cualquier anomalía detectada debe ser corregida antes de pasar a la siguiente fase de construcción.
El control del tesado implica medir simultáneamente el esfuerzo ejercido por el gato y el alargamiento de la armadura, con una precisión de ±2 % del recorrido total. Se debe garantizar que la fuerza de pretensado se mantenga dentro de un ±5 % del valor de proyecto y que los alargamientos sean de ±15 % para un tendón particular y ±5 % para la suma de todos los valores en la misma sección. Para facilitar el control, se utilizará una tabla de tesado que incluirá los datos del programa, la identificación de los tendones, los resultados del tesado y los incidentes. Los datos recopilados deben documentarse con todo detalle, incluyendo las desviaciones y las correcciones realizadas.
El retesado de armaduras postesas se define como cualquier operación de tesado efectuada sobre un tendón después de su tesado inicial. Este procedimiento solo está justificado si es necesario para uniformar las tensiones de los diferentes tendones de un mismo elemento o si está previsto en el programa el tesado en etapas sucesivas. No se debe realizar un retesado con el único objetivo de disminuir las pérdidas diferidas de tensión, salvo en circunstancias especiales.
Antes de proceder con el retesado, se realiza una evaluación exhaustiva de la estructura para determinar si es necesario. El procedimiento debe ajustarse al programa de tesado original y a las condiciones actuales del proyecto. Las presiones aplicadas durante el retesado deben controlarse cuidadosamente para evitar daños en los elementos estructurales.
Además, es fundamental recalibrar los equipos de tesado antes de iniciar esta operación para garantizar que los valores aplicados sean precisos. Una vez finalizado, deben realizarse nuevas inspecciones y pruebas de carga para verificar la efectividad del proceso.
Inyección de armaduras
La inyección de lechada es fundamental para proteger las armaduras de pretensado contra la corrosión y garantizar su adherencia al hormigón. Este proceso consiste en llenar los conductos que contienen los tendones con una mezcla diseñada para resistir agresiones químicas y ambientales. Debe realizarse lo antes posible después del tesado.
La preparación de la mezcla de inyección es una etapa clave para garantizar el correcto funcionamiento del sistema de pretensado. La lechada es una mezcla cuidadosamente dosificada de cemento, agua y aditivos específicos. La proporción de estos componentes se calcula en función de factores como la temperatura ambiente, el tipo de estructura y las condiciones específicas del lugar de construcción.
El proceso de mezclado debe realizarse con equipos mecánicos especializados que aseguren una mezcla homogénea y libre de grumos. El tiempo de mezclado oscila entre 2 y 4 minutos, aunque puede prolongarse si se utilizan aditivos retardadores en casos en que se prevea un tiempo prolongado antes de la inyección, de mas de 30 minutos.
La relación agua-cemento debe mantenerse dentro de unos márgenes estrictos, generalmente entre 0,4 y 0,5, para garantizar una consistencia coloidal que facilite el flujo de la lechada a través de los conductos. Además, es indispensable realizar pruebas preliminares para verificar la fluidez, la resistencia inicial y la adherencia.
La temperatura de la mezcla no debe exceder los 30 °C para evitar fraguados prematuros. Si se anticipa una demora en el proceso de inyección, se pueden incorporar aditivos estabilizantes que prolonguen la trabajabilidad de la lechada sin afectar a sus propiedades mecánicas.
Finalmente, antes de proceder con la inyección, se debe inspeccionar visual y técnicamente el equipo de mezclado para garantizar su correcto funcionamiento y evitar contaminaciones o errores en la dosificación.
La ejecución de la inyección requiere una planificación detallada que tenga en cuenta las condiciones del proyecto y las especificaciones técnicas establecidas. El programa de inyección debe contener, al menos, las características de la lechada (tiempos), las características del equipo de inyección, la limpieza de los conductos, la secuencia de operaciones y ensayos a realizar, las probetas para los ensayos, el volumen de lechada a preparar y la previsión de incidentes, entre otros aspectos. Se deben utilizar equipos de inyección calibrados para garantizar la aplicación continua y uniforme de la lechada.
La ejecución de la inyección de armaduras postesas requiere comprobar previamente las siguientes condiciones: el equipo de inyección, la bomba de inyección auxiliar, el suministro permanente de agua a presión y aire comprimido, el exceso de materiales para el amasado del producto de inyección, las vainas libres de materiales perjudiciales, los conductos a inyectar preparados e identificados y los ensayos de control de la lechada preparados.
El proceso comienza con la conexión segura del equipo de inyección a los conductos. La inyección debe realizarse bajo las siguientes condiciones: la longitud máxima de inyección no debe superar los 120 m y, en tiempo frío, se debe asegurar de que no haya hielo en los conductos, inyectando agua caliente si es necesario. Queda prohibido efectuar la inyección mediante aire comprimido. La inyección debe ser continua e ininterrumpida, con una velocidad de avance constante entre 5 y 15 m/min, y debe realizarse desde puntos bajos para garantizar un llenado completo y evitar bolsas de aire. El proceso finaliza cuando la lechada comienza a rebosar por los puntos de purga con la misma consistencia que la mezcla inicial. Una vez finalizada la operación, se obstruyen herméticamente los orificios de purga para evitar la entrada de aire o humedad que pueda afectar a la durabilidad de la estructura. La presión de inyección se ajusta cuidadosamente para garantizar una distribución uniforme del material y minimizar el riesgo de rotura de los conductos.
La inspección de la inyección debe incluir la elaboración de un informe para cada inyección, en el que se anoten las características del producto, la temperatura ambiente en el momento de la inyección, el tipo de cemento utilizado, el aditivo incorporado a la mezcla (si corresponde) y su dosificación, la relación agua/cemento elegida, el tipo de mezclador, la duración del mezclado y las probetas fabricadas para controlar las condiciones relativas a los productos de inyección. Estos informes deben archivarse como parte de los registros permanentes de la obra.
La seguridad durante la inyección debe extremarse. El personal involucrado debe recibir capacitación específica en técnicas de inyección y procedimientos de seguridad. Es obligatorio el uso de equipos de protección individual, como guantes, gafas y cascos, especialmente en áreas donde exista riesgo de contacto con productos químicos. Está prohibido que los operarios miren a través de los tubos o rebosaderos.
Durante la inyección, debe establecerse un perímetro de seguridad alrededor de la zona de trabajo para prevenir accidentes. Además, es imprescindible realizar inspecciones visuales y técnicas en tiempo real para detectar posibles fugas, obstrucciones o anomalías en la aplicación.
Por último, una auditoría posterior a la inyección debe verificar que todos los conductos se han llenado correctamente y que las purgas se han realizado según los estándares. Este control garantiza que el sistema de pretensado funcione de manera óptima y se mantenga con el paso del tiempo.
Consideraciones normativas
Las operaciones relacionadas con el pretensado y la inyección deben cumplir estándares técnicos específicos que garanticen la seguridad, durabilidad y funcionalidad de las estructuras construidas. La normativa europea EN 13391 regula los dispositivos de anclaje utilizados en pretensado y especifica los requisitos de diseño, resistencia y métodos de prueba.
El Código Estructural establece pautas detalladas para el diseño y la ejecución de elementos pretensados, incluidos los procedimientos de tesado, inyección y control de calidad. También exige que cada etapa del proceso esté documentada y supervisada por profesionales acreditados.
En proyectos internacionales, normas como la ACI 318 (American Concrete Institute) definen criterios adicionales de cálculo estructural y verificación de materiales. El cumplimiento de estas normativas garantiza la integridad estructural, la capacidad portante y la resistencia a condiciones adversas durante la vida útil de la estructura.
Además, los reglamentos de seguridad laboral exigen que los operarios estén certificados y que se implementen medidas de protección para evitar accidentes. El seguimiento estricto de estas disposiciones permite minimizar riesgos y garantizar el éxito del proyecto desde la fase inicial hasta la finalización.
Conclusión
La activación de la fuerza de pretensado y la inyección en construcciones de hormigón son procesos técnicos esenciales. Si se siguen procedimientos detallados, normas específicas y controles de calidad rigurosos, su correcta aplicación garantiza estructuras seguras y duraderas.
Dejo a continuación unos vídeos que, espero, os resulten interesantes.
Os dejo a continuación una presentación de Luis Cosano, del departamento técnico de Freyssinet, S.A. Espero que os sea de interés.
El diseño estructural de los edificios plantea importantes retos para garantizar su seguridad y sostenibilidad. El colapso progresivo, provocado por eventos extremos como terremotos o explosiones, puede ocasionar daños catastróficos. Para reducir este riesgo, se propone una metodología de diseño apoyada en metamodelos que combina optimización estructural y criterios de seguridad, y que tiene en cuenta elementos que a menudo se pasan por alto, como los forjados, las pantallas de arriostramiento y la interacción suelo-estructura (SSI, por sus siglas en inglés).
El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación RESILIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. También es fruto de la colaboración con investigadores de Brasil y Cuba.
Metodología
Descripción del problema
Se estudiaron cinco edificios de pórticos de hormigón armado con diferentes configuraciones de plantas y luces. Las estructuras incluyen vigas, columnas, forjados y pantallas de arriostramiento. Además, se incorporó el diseño optimizado de cimentaciones, considerando la interacción con el suelo mediante modelos de elasticidad lineal. Las dimensiones de los elementos estructurales se ajustaron siguiendo las normas internacionales de diseño y se consideraron distintas combinaciones de carga para evaluar escenarios críticos.
Se realizaron simulaciones numéricas avanzadas que tuvieron en cuenta escenarios de carga extremos, incluyendo la pérdida de columnas críticas en diversas posiciones. En el análisis se tuvieron en cuenta factores de seguridad, límites de servicio y fallos estructurales para determinar los diseños óptimos. También se tuvieron en cuenta criterios de sostenibilidad y se midieron las emisiones de CO₂ asociadas a cada solución.
Optimización basada en un diseño robusto frente al colapso progresivo (ObRDPC)
La metodología ObRDPC se centra en minimizar las emisiones de CO₂ como función objetivo, garantizando simultáneamente la robustez estructural mediante restricciones de seguridad. Para evaluar el colapso progresivo y simular la pérdida de columnas críticas, así como analizar la redistribución de cargas, se empleó el método de camino alternativo (AP). La metodología incluye la verificación de estados límite últimos y de servicio, lo que garantiza el cumplimiento de los requisitos normativos.
El proceso de optimización incluye la definición precisa de las variables de diseño, como las dimensiones de las vigas, columnas y cimentaciones, así como el tipo de hormigón utilizado. Para maximizar la eficiencia estructural y minimizar los costos ambientales, se aplican técnicas de programación matemática.
Modelización de forjados y pantallas de arriostramiento
Forjados: se modelaron como elementos tipo placa de 12 cm de espesor y se conectaron a las vigas mediante nodos rígidos para asegurar la continuidad estructural. Se realizó una discretización adecuada para representar su comportamiento realista ante cargas verticales y horizontales. El análisis incluyó el comportamiento a flexión, los efectos de cargas concentradas y la interacción con los elementos perimetrales. Se consideraron diferentes configuraciones de refuerzo para maximizar la resistencia y minimizar las deformaciones.
Pantallas de arriostramiento: representadas mediante diagonales equivalentes elásticas, según las especificaciones normativas. Se definieron sus propiedades mecánicas mediante modelos experimentales previos, incluyendo el módulo de elasticidad y la resistencia a compresión. Se estudiaron distintos tipos de mampostería y su influencia en la resistencia general. Las pantallas de arriostramiento también se evaluaron como elementos activos en la redistribución de cargas después de eventos que provocan la pérdida de soporte, lo que mejora la estabilidad global del sistema estructural.
Interacción suelo-estructura (SSI)
Se consideró el asentamiento diferencial de las cimentaciones mediante coeficientes de rigidez calculados según modelos elásticos. El suelo se modeló como un medio elástico semiespacial. En el análisis se incluyó la interacción entre la superestructura y el terreno para capturar los efectos de asentamientos desiguales y su impacto en el estado de esfuerzos y deformaciones.
En el análisis se tuvieron en cuenta diferentes tipos de suelos, desde arcillas de baja resistencia hasta suelos granulares compactados. Se realizaron estudios paramétricos para evaluar la sensibilidad del sistema a variaciones en la rigidez del terreno y el módulo de elasticidad del hormigón.
Cinco estudios de casos que consideran la modelización de cimientos, forjados y pantallas de arriostramiento.
Optimización asistida por metamodelos
Se utilizaron técnicas avanzadas de optimización asistida por metamodelos para reducir la carga computacional. El proceso incluyó un muestreo inicial mediante muestreo hipercúbico latino para cubrir eficientemente el espacio de diseño, seguido de la construcción del metamodelo a través de técnicas de interpolación Kriging para aproximar las respuestas estructurales, evaluando múltiples configuraciones para garantizar la precisión. Posteriormente, se aplicó una optimización global utilizando algoritmos evolutivos, como la Biogeography-based Optimization (BBO), para explorar soluciones factibles y un método iterativo para refinar las soluciones y garantizar su viabilidad en condiciones críticas.
Resultados
Impacto de forjados y pantallas de arriostramiento
La inclusión de forjados y pantallas de arriostramiento mejoró significativamente la redistribución de cargas y la resistencia al colapso progresivo. El análisis mostró una reducción del 11 % en el impacto ambiental para diseños resistentes al colapso, en comparación con modelos que solo consideran vigas y columnas.
Se observó una mejora notable en la capacidad de redistribución de cargas después de la pérdida de columnas críticas. Las pantallas de arriostramiento actuaron como elementos resistentes adicionales, mitigando fallos en los elementos primarios y reduciendo los desplazamientos globales.
Comparación de enfoques de diseño
Se observó que aumentar el número de niveles incrementa la robustez estructural debido a la mayor redundancia de elementos. Sin embargo, el incremento de la longitud de las luces de las vigas reduce esta capacidad, por lo que es necesario utilizar secciones más robustas y aplicar mayores refuerzos.
Los modelos con luces de 8 m presentaron un aumento del 50 % en las emisiones de CO₂ cuando no se incluyeron forjados ni pantallas de arriostramiento. Al incorporarlos, se consiguió reducir este incremento a la mitad.
Recomendaciones prácticas para el diseño estructural
Incluir forjados y pantallas de arriostramiento: Su integración mejora significativamente la resistencia al colapso progresivo, particularmente en edificios con luces amplias.
Optimizar secciones estructurales: Diseñar secciones de vigas y columnas equilibrando rigidez y eficiencia económica.
Evaluar diferentes tipos de cimentaciones: Incorporar análisis de interacción suelo-estructura para definir bases óptimas.
Aplicar análisis paramétricos: Evaluar la sensibilidad de los diseños a variaciones en la resistencia del hormigón y las condiciones geotécnicas.
Considerar combinaciones de carga extremas: Simular múltiples fallos para garantizar diseños robustos y seguros.
Conclusión
La optimización basada en un diseño robusto frente al colapso progresivo (ObRDPC) permite diseñar estructuras resistentes al colapso progresivo con menor impacto medioambiental. El uso de metamodelos y la consideración de forjados, pantallas de arriostramiento y la interacción suelo-estructura mejoran significativamente la seguridad estructural y la sostenibilidad del diseño. Se recomienda ampliar esta investigación a otros tipos de estructuras y condiciones geotécnicas complejas para validar y perfeccionar la metodología propuesta.
Las obras temporales son un componente esencial de cualquier proyecto de construcción, ya que proporcionan soporte crítico durante las fases más vulnerables del ciclo de vida de una estructura. Su correcta planificación y ejecución no solo garantiza la estabilidad de la obra, sino que también protege a los trabajadores, al público y al medio ambiente. Un fallo en estas estructuras puede tener consecuencias catastróficas, como pérdidas humanas, daños materiales y responsabilidades legales importantes.
La norma BS 5975:2019 es una guía exhaustiva que establece los principios básicos para gestionar y diseñar obras provisionales o estructuras auxiliares en el sector de la construcción. Publicado por primera vez en 1982, se ha ido actualizando regularmente para abordar los cambios en la industria, las necesidades tecnológicas y normativas, y para garantizar que los proyectos de construcción se ejecuten de manera segura, eficiente y conforme a la normativa aplicable.
En sus orígenes, esta norma surgió como respuesta a incidentes graves ocurridos en obras temporales, como colapsos estructurales debidos a fallos en el diseño o la ejecución. Las recomendaciones iniciales, derivadas del informe Bragg y otros estudios relevantes, hicieron hincapié en la necesidad de controles estrictos y funciones bien definidas en la gestión de estas estructuras. Desde entonces, la norma ha evolucionado para incluir no solo aspectos técnicos, sino también procedimientos organizativos que refuerzan la coordinación entre las partes involucradas en un proyecto.
La versión de 2019 incorpora cambios significativos relacionados con las Regulaciones de Diseño y Gestión de la Construcción (CDM 2015). Estas regulaciones reflejan un enfoque moderno en materia de seguridad y exigen que todos los implicados, desde los clientes hasta los subcontratistas, comprendan y asuman sus responsabilidades en la planificación, el diseño y la ejecución de obras temporales.
Objetivos y alcance
La norma BS 5975:2019 busca garantizar que las obras temporales sean seguras, eficientes y sostenibles en todas sus fases, desde el diseño hasta el desmantelamiento. Proporciona directrices detalladas para minimizar riesgos, optimizar recursos y establecer una trazabilidad clara de responsabilidades. Además, promueve la colaboración efectiva entre diseñadores, contratistas y clientes, de modo que cada parte comprenda su papel y cumpla con la normativa aplicable.
El ámbito de aplicación de la norma cubre una amplia gama de estructuras y procedimientos relacionados con obras temporales, entre las que se incluyen:
Soporte de estructuras permanentes: elementos de soporte durante la construcción, remodelación o demolición.
Estabilidad estructural temporal: sistemas de apoyo para edificios, puentes, taludes o excavaciones.
Acceso y seguridad: instalación de plataformas, escaleras, pasarelas y otros elementos que permitan acceder de manera segura a las zonas de trabajo.
Control geotécnico e hidráulico: apuntalamientos y estructuras diseñadas para gestionar la estabilidad del terreno y los efectos del agua.
Soporte para equipos y materiales: estructuras temporales que estabilicen maquinaria o almacenen materiales durante la obra.
La norma también se aplica a proyectos de gran envergadura, como aeropuertos, plantas industriales y obras de infraestructura, donde las exigencias técnicas y organizativas son mayores. En estos casos, pueden ser necesarios procedimientos específicos adicionales para garantizar un control efectivo.
Términos clave y responsabilidades
La norma BS 5975:2019 define una serie de términos clave que estandarizan los roles y responsabilidades en la gestión de obras temporales. A continuación, se muestran los más relevantes:
Coordinador de obras temporales (TWC): es el responsable principal de supervisar y coordinar todas las actividades relacionadas con las obras temporales. Entre sus funciones se encuentran la revisión de diseños, la emisión de permisos para cargar estructuras y la verificación de que las instalaciones cumplen con los estándares de seguridad. En proyectos grandes o complejos, el TWC puede delegar ciertas tareas en supervisores específicos (TWS) para garantizar un control efectivo.
Supervisor de obras temporales (TWS): ayuda al TWC en tareas específicas, como la inspección diaria de las estructuras y la aplicación de las recomendaciones de diseño. Este rol es crucial para garantizar que las obras temporales se construyan y operen según las especificaciones aprobadas.
El delegado de la organización (DI): es un representante sénior dentro de la organización que tiene la responsabilidad de establecer y mantener los procedimientos internos para la gestión de obras temporales. Su función es garantizar que los sistemas y procesos de la empresa cumplan con el estándar y se implementen de manera adecuada.
Cliente y contratista principal (PC): es responsable de verificar que el contratista principal (PC) sea competente para gestionar el proyecto. Una vez designado, el PC asume la responsabilidad general de todas las actividades en el lugar de trabajo, incluidas las relacionadas con las obras temporales. El PC debe coordinar a los subcontratistas y asegurarse de que trabajen bajo un marco común.
Obras temporales: son estructuras diseñadas para soportar, proteger o estabilizar elementos durante la construcción. Esto incluye encofrados, cimbras, andamios, apuntalamientos, estructuras de retención y plataformas temporales.
Gestión de obras temporales
La gestión de obras temporales es uno de los aspectos centrales de la norma BS 5975:2019, ya que establece los procedimientos y las responsabilidades necesarios para garantizar la seguridad, estabilidad y funcionalidad de estas estructuras. Este enfoque abarca desde la planificación inicial hasta la evaluación posterior al desmontaje, garantizando que cada etapa del ciclo de vida de las obras temporales esté bajo control.
La gestión de obras temporales se basa en tres principios fundamentales, que aseguran que todas las partes implicadas trabajen bajo un marco común, que incluye procedimientos claros y una trazabilidad completa de las responsabilidades.:
Control organizativo: cada organización involucrada debe gestionar sus actividades de manera que se minimicen errores y riesgos, y se maximice la seguridad.
Responsabilidad del contratista principal (PC): el PC asume el control total del proyecto, incluida la gestión de las obras temporales.
Nombramiento de un responsable centralizado: una persona, generalmente el coordinador de obras temporales, debe asumir la responsabilidad general de supervisar y coordinar las obras temporales en el lugar.
Cada organización debe establecer procedimientos específicos para gestionar obras temporales, adaptados a la naturaleza y la escala del proyecto. Estos procedimientos incluyen lo siguiente:
Planificación inicial: Desde la etapa de diseño, las organizaciones deben identificar las necesidades de obras temporales teniendo en cuenta factores como los requerimientos técnicos, que incluyen las cargas previstas, la estabilidad y los materiales necesarios; los requerimientos legales, que abarcan el cumplimiento de normativas locales y de la norma BS 5975:2019; y las condiciones de la obra, que comprenden factores geotécnicos, climáticos y de acceso al lugar de trabajo.
Asignación de roles y responsabilidades: Es esencial asignar roles específicos dentro de cada organización para gestionar las obras temporales. Estos roles incluyen al delegado (DI), responsable de supervisar la implementación de los procedimientos organizativos; al coordinador de obras temporales (TWC), encargado de supervisar y coordinar todas las actividades relacionadas con las obras temporales en el lugar de trabajo, y al supervisor de obras temporales (TWS), responsable de las tareas diarias de inspección y control, trabajando bajo la dirección del TWC.
Coordinación interorganizacional: En proyectos complejos con múltiples contratistas, la coordinación entre organizaciones es fundamental para evitar conflictos y garantizar que todas las actividades relacionadas con las obras temporales estén alineadas. Esto incluye el intercambio de información, es decir, compartir diseños, especificaciones y requisitos técnicos entre contratistas y subcontratistas, y la gestión de interfaces, que implica supervisar la interacción entre diferentes áreas de responsabilidad, especialmente en proyectos que involucren estructuras compartidas o adyacentes.
La gestión adecuada de obras temporales requiere un sistema riguroso de documentación y trazabilidad que permita supervisar todas las actividades relacionadas.
Registro de obras temporales: La norma exige mantener un registro detallado de todas las estructuras temporales utilizadas en el proyecto, que debe incluir información como la descripción de las estructuras, su ubicación, el estado actual (instalación, uso, desmontaje) y los permisos emitidos para su construcción y carga.
Certificación y revisión: Antes de utilizar una estructura temporal, debe emitirse un certificado que confirme que ha sido diseñada, construida y revisada de acuerdo con los estándares aplicables. Este proceso incluye la verificación del diseño, que consiste en una revisión técnica para asegurar que la estructura cumple con los requisitos de carga y estabilidad, y la revisión in situ, que implica una inspección física para confirmar que la estructura se ha construido según el diseño aprobado.
Permisos y autorizaciones: El uso de obras temporales requiere la emisión de permisos específicos en varias etapas, como el permiso de construcción, que se otorga antes de ensamblar la estructura, el permiso de carga, que se emite tras verificar que la estructura es segura para soportar las cargas previstas, y el permiso de desmontaje, que garantiza que este se realice de manera segura y ordenada.
La norma subraya la importancia de la supervisión activa durante todas las fases del proyecto para garantizar que las obras temporales se utilicen de manera segura y eficiente.
Inspecciones regulares: deben realizarse inspecciones periódicas para verificar que las estructuras se mantengan en condiciones óptimas durante su uso. Dichas inspecciones incluirán la revisión de materiales y componentes para detectar daños o desgaste, la evaluación de la estabilidad estructural en condiciones cambiantes, como cargas dinámicas o climáticas, y la verificación de que las operaciones en el lugar no afecten negativamente a la integridad de las obras temporales.
Mantenimiento preventivo: en proyectos de larga duración, es fundamental realizar un mantenimiento periódico de las estructuras temporales para prevenir fallos, lo que incluye el reemplazo de componentes dañados, el ajuste de elementos como puntales o sistemas de fijación y el refuerzo adicional en caso de condiciones imprevistas, como cargas mayores o cambios climáticos extremos.
Desmontaje seguro: el desmontaje de estructuras temporales debe planificarse cuidadosamente para minimizar riesgos, lo que incluye evaluar la secuencia de desmontaje para evitar inestabilidad estructural, proporcionar soporte adicional a elementos permanentes si es necesario y retirar componentes de manera ordenada para evitar dañar otros elementos del proyecto o el entorno.
La gestión efectiva de obras temporales requiere una comunicación clara y una formación adecuada para todos los involucrados.
Comunicación interna: La información sobre procedimientos, funciones y responsabilidades debe comunicarse claramente a todos los niveles de la organización, lo que incluye reuniones periódicas entre el TWC, el TWS y otros supervisores, así como documentación accesible que detalle los requisitos técnicos y operativos.
Formación del personal: El personal involucrado en la construcción, el uso y el desmontaje de obras temporales debe recibir una formación específica que incluya procedimientos de seguridad, uso correcto de materiales y equipos, e identificación y manejo de riesgos asociados con las estructuras temporales.
Diseño y control
El diseño y el control de las obras temporales son pilares fundamentales de la norma BS 5975:2019, ya que garantizan la seguridad, estabilidad y eficiencia en todas las fases de un proyecto de construcción. Este apartado proporciona directrices técnicas y organizativas detalladas para abordar las diversas cargas, materiales y procedimientos relacionados con el diseño de estas estructuras.
Consideraciones generales en el diseño: El diseño de obras temporales debe tener en cuenta el propósito específico de cada estructura para cumplir con los requisitos técnicos y operativos del proyecto. Esto implica analizar las cargas, las condiciones ambientales y las necesidades de uso, y garantizar la seguridad en todas las fases, desde la construcción hasta el desmantelamiento. Además, las estructuras temporales deben ser compatibles con las obras permanentes e integrarse sin interferir en su ejecución.
Tipos de cargas en el diseño:La norma establece que el diseño de obras temporales debe tener en cuenta varios tipos de cargas: estáticas, como el peso propio de la estructura y la carga muerta de elementos permanentes que se apoyan temporalmente en ella; dinámicas, como el movimiento de maquinaria y las vibraciones causadas por actividades cercanas; ambientales, como el viento, la lluvia y la nieve, que pueden afectar a la estabilidad según la norma Eurocódigo EN 1991-1-3; y accidentales, como impactos de vehículos o la caída de objetos. El diseño debe incorporar factores de seguridad para mitigar estos riesgos y garantizar la estabilidad estructural.
Selección de materiales y componentes:La elección de materiales adecuados es crucial para cumplir con los requisitos funcionales y de seguridad en obras temporales. El acero es el material más común por su alta resistencia y ductilidad, y es ideal para cimbras y andamios. La madera se utiliza en proyectos más pequeños o económicos, siempre que cumpla con estándares como el BS 5756:2007. Los componentes prefabricados, como vigas y paneles modulares, permiten una instalación rápida y garantizan una calidad uniforme. Los materiales deben ser inspeccionados y sometidos a pruebas de resistencia para garantizar su capacidad de carga y contar con certificaciones de calidad. Además, los componentes reutilizables, como los puntales y los andamios, requieren un mantenimiento preventivo regular.
Verificación del diseño: La BS 5975:2019 establece procedimientos estrictos para la verificación de los diseños de obras temporales. Esto incluye:
Niveles de verificación: El nivel de revisión requerido depende de la complejidad y el riesgo asociado al diseño:
Diseños simples: Revisión por un ingeniero calificado dentro del equipo del proyecto.
Diseños complejos: Revisión independiente por un ingeniero especializado, quien realiza cálculos detallados y simulaciones para verificar la estabilidad de la estructura.
Categorías de diseño: La norma clasifica los diseños de obras temporales en tres categorías principales, basándose en su nivel de riesgo:
Categoría 1: Diseños estándar con riesgos bajos y procedimientos bien establecidos.
Categoría 2: Diseños con ciertos riesgos o complejidad, que requieren una revisión detallada por parte de un ingeniero experimentado.
Categoría 3: Diseños de alta complejidad o riesgo, que exigen revisiones externas e independientes.
Documentación del diseño: Cada diseño debe estar respaldado por una documentación exhaustiva, que incluya:
Declaraciones de diseño que expliquen los cálculos y supuestos utilizados.
Certificados de conformidad con normativas aplicables.
Planos detallados que muestren la configuración de la estructura temporal.
Procedimientos de control en obra:El control de las obras temporales incluye la supervisión durante su construcción, uso y desmantelamiento. La norma exige inspecciones periódicas realizadas por personal cualificado, como el TWC o el TWS, para garantizar que las estructuras cumplen con los diseños aprobados. Antes de cargar o desmontar una estructura, deben obtenerse permisos que certifiquen su correcta construcción y revisión. En proyectos largos o con condiciones cambiantes, es necesaria una supervisión continua para detectar deformaciones o inestabilidad.
Capacitación y formación
La capacitación y formación son pilares esenciales en la gestión de obras temporales, según la norma BS 5975:2019. La seguridad, eficiencia y calidad de estas estructuras dependen directamente del nivel de conocimiento y habilidad del personal involucrado. Una formación adecuada no solo asegura la competencia técnica, sino que también promueve una cultura de prevención de riesgos y mejora continua en todos los niveles organizativos.
Importancia de la capacitación:La naturaleza de las obras temporales exige precisión en su diseño, construcción, uso y desmantelamiento, ya que errores en cualquiera de estas fases pueden causar colapsos estructurales, accidentes laborales, retrasos y sanciones legales. Por ello, es fundamental capacitarse para garantizar la seguridad laboral mediante la reducción de riesgos, el cumplimiento normativo siguiendo regulaciones como el CDM 2015 y el BS 5975:2019, la eficiencia operativa optimizando recursos y minimizando desperdicios y la resiliencia estructural, preparando al personal para afrontar imprevistos como cargas adicionales o condiciones climáticas adversas.
Áreas clave de formación: La formación debe abordar diversas áreas técnicas y organizativas para cubrir las necesidades de todos los roles involucrados.
Formación en roles específicos
Coordinador de obras temporales (TWC): desempeña un papel clave en la gestión de estas obras, por lo que su formación debe abarcar procedimientos de diseño, inspección y control, gestión de riesgos asociados a las estructuras temporales, coordinación y supervisión de subcontratistas y equipos en el lugar, comunicación efectiva con diseñadores, clientes y contratistas, así como el conocimiento de normativas aplicables, como el CDM 2015 y los Eurocódigos relacionados.
Supervisor de obras temporales (TWS): asiste al TWC en tareas específicas, por lo que su formación debe centrarse en la inspección y el mantenimiento de estructuras en uso, la identificación de problemas potenciales, como defectos en materiales o inestabilidad estructural, los procedimientos de permisos, incluidos el «permiso para cargar» y el «permiso para desmontar», así como la revisión de documentación técnica y planos de diseño.
Personal técnico y de obra: encargado de construir, mantener y desmontar las obras temporales debe estar capacitado para usar herramientas y equipos de manera segura, como puntales, andamios y encofrados, y debe conocer las técnicas de construcción para garantizar la estabilidad estructural, los procedimientos de emergencia ante fallos estructurales y la identificación y mitigación de riesgos en el lugar de trabajo.
Formación técnica especializada: para puestos avanzados o proyectos complejos debe incluir cálculos estructurales para diseñadores y revisores, que abarquen cargas dinámicas, estáticas y ambientales; selección de materiales, evaluando el acero, la madera y los componentes prefabricados según los estándares aplicables; uso de software especializado como herramientas de modelado 3D y simulación estructural (BIM); y gestión de interfaces, para asegurar la coordinación entre equipos multidisciplinares y subcontratistas y evitar conflictos.
Métodos de capacitación: La formación puede implementarse a través de una combinación de métodos para abordar diferentes niveles de experiencia y áreas de especialización:
Formación teórica: La formación teórica incluye cursos en aula o en línea que proporcionan conocimientos fundamentales sobre normativas aplicables, principios de diseño y control, y gestión de riesgos en obras temporales.
Entrenamiento práctico: El entrenamiento práctico es imprescindible para los roles operativos, ya que permite a los trabajadores aplicar lo aprendido en un entorno controlado. Algunos ejemplos de este enfoque son la construcción y desmontaje de estructuras simuladas, la inspección de materiales y componentes en escenarios reales y el uso de equipos especializados, como grúas y sistemas de soporte.
Evaluaciones y certificaciones: Se deben realizar pruebas para verificar la comprensión y habilidad de los participantes. Los programas deben incluir certificaciones reconocidas, que aseguren que el personal cumple con los estándares requeridos para sus roles específicos.
Aprendizaje continuo: La industria de la construcción evoluciona constantemente, con nuevas tecnologías y normativas que exigen una actualización continua, por lo que los programas de capacitación deben incluir formación continua, con actualizaciones periódicas sobre normativas y prácticas emergentes, así como capacitación avanzada dirigida a personal experimentado que busca asumir roles de mayor responsabilidad.
Beneficios de una formación adecuada: La inversión en formación y capacitación genera beneficios significativos para las organizaciones, los trabajadores y los proyectos, como la reducción de accidentes, ya que un personal bien capacitado es más consciente de los riesgos y sabe cómo evitarlos; una mayor eficiencia, al mejorar la productividad y reducir el tiempo necesario para completar tareas complejas; el cumplimiento normativo, ya que todos los procedimientos cumplen con las regulaciones locales e internacionales; y la retención de talento, ya que los empleados capacitados se sienten valorados y son más propensos a permanecer en la organización.
Programas específicos de formación recomendados por la BS 5975:2019: La norma sugiere que las organizaciones desarrollen programas de capacitación adaptados a la complejidad de sus proyectos para preparar adecuadamente al personal. Estos programas deben incluir una inducción inicial que explique el diseño del proyecto, los roles y responsabilidades, y los procedimientos básicos de seguridad y emergencia. Para proyectos complejos, se recomiendan talleres especializados sobre temas técnicos, como la estabilidad, la gestión de cargas y el diseño avanzado. Además, se deben realizar simulaciones prácticas que incluyan el montaje y desmontaje de estructuras, la resolución de problemas técnicos y la gestión de emergencias. Evaluaciones periódicas medirán la efectividad de la formación y ayudarán a identificar áreas de mejora.
Requisitos para formadores: Los formadores deben ser profesionales altamente cualificados, con experiencia práctica en la gestión y el diseño de obras temporales, y con conocimientos profundos del BS 5975:2019 y otras normativas relevantes. Además, deben tener experiencia en proyectos complejos que incluyan obras temporales y capacidad para comunicar conceptos técnicos a públicos con diferentes niveles de experiencia.
Conclusión
Para garantizar que los proyectos de construcción se ejecuten de manera segura, eficiente y sostenible, es fundamental implementar correctamente la norma BS 5975:2019 en la gestión de obras temporales. Al seguir esta norma, las empresas de construcción pueden no solo cumplir con las normativas, sino también mejorar su productividad, reducir riesgos, optimizar el uso de recursos y fomentar una cultura organizativa basada en la mejora continua y la excelencia.
La capacitación continua y la formación específica para cada rol son esenciales para garantizar que el personal esté siempre preparado para enfrentar los desafíos que surjan durante el ciclo de vida del proyecto. Además, la colaboración efectiva entre todos los participantes del proyecto y la integración de tecnologías innovadoras permitirán a las empresas construir obras más resilientes, seguras y respetuosas con el medio ambiente. La implementación de estos principios no solo beneficiará a la empresa en términos de competitividad y rentabilidad, sino que también contribuirá al progreso hacia una industria de la construcción más segura y responsable.
De izquierda a derecha: Julián Alcalá, Tatiana García, Andrés Ruiz, Salvador Ivorra, Antonio Tomás y Víctor Yepes
Ayer, 4 de diciembre de 2024, tuvo lugar la defensa de la tesis doctoral de D. Andrés Ruiz Vélez, titulada “Optimal design of socially and environmentally efficient reinforced concrete precast modular road frames under constrained budgets”, dirigida por los profesores Víctor Yepes Piqueras y Julián Alcalá González. La tesis recibió la calificación de sobresaliente «cum laude». A continuación, presentamos un pequeño resumen de la misma.
Resumen:
La infraestructura de transporte es esencial para el desarrollo humano, ya que impulsa el crecimiento industrial y promueve la evolución social al mejorar la interacción y la conectividad. Su construcción actúa como un catalizador de transformaciones socioeconómicas, puesto que fomenta las economías locales y facilita el flujo de recursos y de la fuerza laboral. Sin embargo, la creciente concienciación sobre los impactos negativos de las prácticas insostenibles en la ingeniería de la construcción exige una transición hacia métodos más responsables. Históricamente, la viabilidad económica ha sido el enfoque principal en ingeniería estructural. No obstante, en la actualidad se otorga mayor relevancia a la evaluación de los impactos a lo largo del ciclo de vida de los proyectos. Aunque este enfoque supone un avance en la integración del diseño estructural con los objetivos de desarrollo sostenible, todavía no abarca plenamente la complejidad y diversidad que implica la sostenibilidad a lo largo de todo el ciclo de vida de las infraestructuras.
Esta tesis doctoral desarrolla de manera sistemática un marco de diseño que integra la sostenibilidad en la construcción de infraestructuras de transporte. Se propone un enfoque modular y prefabricado para proyectos de estructuras viales, que se posiciona como una alternativa más eficiente y atractiva frente a los métodos tradicionales de hormigonado in situ. El diseño estructural, junto con los procesos ambientales y sociales asociados al ciclo de vida de la estructura, se modela mediante un enfoque matemático avanzado. Este modelo permite aplicar técnicas de optimización monoobjetivo y multiobjetivo, combinadas con algoritmos multicriterio de toma de decisiones. Dada la complejidad y la diversidad de variables involucradas, el uso de métodos exactos de optimización no es viable. Por ello, la investigación adopta metaheurísticas híbridas y basadas en entornos para minimizar el coste final de la estructura desde una perspectiva monoobjetivo. Entre las técnicas evaluadas, las metaheurísticas de recocido simulado y aceptación por umbrales, calibradas con cadenas de mayor longitud, ofrecen resultados de alta calidad, aunque con un considerable esfuerzo computacional. En contraste, una versión híbrida del recocido simulado enriquecida con un operador de mutación común en algoritmos basados en poblaciones alcanza soluciones de calidad comparable con un menor esfuerzo computacional. La hibridación de metaheurísticas se presenta como una estrategia eficaz para ampliar las capacidades exploratorias de estos algoritmos, optimizando el equilibrio entre la calidad de los resultados y la eficiencia computacional.
El análisis del ciclo de vida de diferentes configuraciones de marcos con un coste óptimo revela claras ventajas ambientales del enfoque modular prefabricado en comparación con la construcción convencional in situ. Sin embargo, las implicaciones sociales son más complejas y destacan la relevancia de incorporar los impactos del ciclo de vida como funciones objetivo en el proceso de optimización. Este hallazgo subraya la necesidad de emplear técnicas multicriterio para evaluar y clasificar eficazmente las alternativas. De este modo, se garantiza un equilibrio adecuado entre los impactos ambientales y sociales, y se asegura una toma de decisiones más integral y sostenible dentro del marco del diseño y la planificación.
Esta investigación desarrolla operadores de cruce, mutación y reparación diseñados para discretizar eficazmente el problema de optimización, dotando así a los algoritmos genéticos y evolutivos de la capacidad necesaria para abordar la complejidad del proceso de optimización multiobjetivo. En particular, el operador de reparación estadístico muestra un buen rendimiento cuando se combina con los algoritmos genéticos NSGA-II y NSGA-III, así como con el algoritmo evolutivo RVEA. Aunque existen diferencias metodológicas entre estas técnicas, la herramienta de toma de decisiones FUCA produce clasificaciones equivalentes a las obtenidas mediante el método de ponderación aditiva simple. Esta coherencia también se observa con técnicas como TOPSIS, PROMETHEE y VIKOR. Para garantizar la imparcialidad en la ponderación de criterios, se aplica un proceso de cálculo basado en la teoría de la entropía, lo que proporciona un enfoque metódico a las técnicas de decisión multicriterio. La integración de algoritmos de optimización multiobjetivo con herramientas de decisión multicriterio en un marco de diseño fundamentado en modelos matemáticos permite identificar y clasificar diseños óptimos no dominados. Estos diseños logran un equilibrio integral entre las dimensiones económica, ambiental y social, y promueven la sostenibilidad del ciclo de vida de la estructura.
Una campaña geotécnica consiste en un conjunto de actividades y estudios técnicos destinados a caracterizar el subsuelo, identificar las propiedades geológicas y geotécnicas relevantes, detectar posibles problemas y garantizar la viabilidad técnica y la seguridad de las obras. Incluye prospecciones (sondeos, calicatas, ensayos), análisis de materiales y condiciones del terreno, que sirven de apoyo a la toma de decisiones en el diseño y construcción. Estas campañas son fundamentales para garantizar la viabilidad técnica, la seguridad y la sostenibilidad de los proyectos, y también para minimizar riesgos y optimizar costes.
En este artículo, profundizaremos en qué consiste una campaña geotécnica, cómo se lleva a cabo y por qué es relevante ejecutarla correctamente en cualquier proyecto de construcción.
El terreno como protagonista en la ingeniería
El terreno es un elemento crucial en cualquier obra. Un conocimiento inadecuado de sus características puede derivar en problemas como asentamientos diferenciales, deslizamientos, licuefacción o incluso colapsos estructurales. Por ello, las campañas geotécnicas son cruciales para diseñar cimentaciones y estructuras adaptadas a las condiciones específicas de cada emplazamiento.
Estas investigaciones se sustentan en tres pilares esenciales:
Experiencia técnica: es indispensable contar con especialistas capaces de identificar las propiedades del terreno, evaluar riesgos y diseñar soluciones personalizadas.
Calidad de ejecución: desde el alcance del estudio hasta la supervisión de campo, cada etapa debe garantizar la precisión de los resultados.
Normativa y seguridad: el cumplimiento de marcos regulatorios, como el Código Técnico de la Edificación (CTE) y la Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera, garantiza que las soluciones sean técnicamente adecuadas y cumplan con los estándares establecidos.
Objetivos y beneficios de las campañas geotécnicas
El objetivo principal de una campaña geotécnica es caracterizar el terreno para poder diseñar soluciones constructivas seguras y eficientes. Entre sus ventajas más destacadas se encuentran:
Garantía de seguridad: la identificación de riesgos geotécnicos evita desastres que puedan afectar a personas y estructuras.
Optimización de costes: aunque a menudo se perciben como un coste adicional, estas campañas permiten prevenir gastos futuros en reparaciones o rediseños.
Diseño adaptado: permite elegir los métodos constructivos más adecuados en función de las características del suelo y de las cargas de la estructura.
Mitigación de impactos ambientales y legales: al considerar el entorno y posibles restricciones, se minimizan conflictos y se garantiza la sostenibilidad del proyecto.
Etapas de una campaña geotécnica
1. Recopilación de información previa
Antes de llevar a cabo estudios de campo, es crucial recopilar datos relevantes sobre la zona. Esto incluye:
Planos topográficos: proporcionan una visión detallada del terreno.
Mapas geológicos: permiten identificar características estratigráficas y litológicas.
Historial de uso del terreno: puede revelar posibles riesgos, como rellenos no compactados o estructuras enterradas.
Normativa aplicable: por ejemplo, el Eurocódigo 7 sobre diseño geotécnico.
2. Reconocimientos de campo
Los reconocimientos de campo son el núcleo de una campaña geotécnica. Algunas de las técnicas más comunes son:
Sondeos mecánicos: Perforaciones para extraer muestras y analizar la estratigrafía del terreno.
Ensayos de penetración (SPT, CPT): Evalúan la resistencia del terreno mediante penetraciones controladas.
Calicatas y rozas: Excavaciones superficiales para observar directamente las capas del suelo.
Ensayos geofísicos: Métodos no invasivos, como sísmica de refracción, para obtener una visión global del subsuelo.
Estudios hidrogeológicos: Determinan la posición y características del agua subterránea, que influye en la estabilidad y resistencia del suelo.
Profundidades recomendadas:
Para cimentaciones superficiales, al menos 1,5 veces el ancho proyectado de la cimentación.
Para cimentaciones profundas (pilotes): a una profundidad mínima de 6 metros por debajo de la punta del pilote.
3. Análisis en laboratorio
Las muestras recolectadas se someten a análisis detallados para determinar:
Granulometría y plasticidad: identificación del tipo de suelo y su comportamiento bajo carga.
Resistencia y deformabilidad: ensayos triaxiales y edométricos.
Permeabilidad: evaluación de la capacidad del terreno para drenar agua.
4. Interpretación y diseño geotécnico
Con los datos recopilados, los ingenieros crean modelos y realizan cálculos para encontrar soluciones óptimas para las cimentaciones y las estructuras. Este proceso incluye:
— Selección del modelo de cálculo adecuado.
— Definición de parámetros de seguridad según la normativa.
— Ajustes según observaciones durante la ejecución.
Importancia de una correcta planificación
Construcción de un puente: En un cauce fluvial, por ejemplo, se pueden detectar suelos aluviales inestables, por lo que será necesario diseñar pilotes profundos para evitar asentamientos diferenciales. Por este motivo, se diseñaron pilotes profundos para evitar asentamientos diferenciales.
Proyecto de viviendas: Un caso en el que una zona había sido un vertedero, los estudios geotécnicos identifican rellenos inadecuados. La solución puede ser retirar los rellenos inadecuados y compactar el terreno con materiales adecuados.
Desafíos comunes:
Limitaciones presupuestarias: reducir la intensidad de los estudios puede ocasionar problemas graves durante la construcción.
Condiciones complejas: la heterogeneidad del terreno o la ubicación en zonas sísmicas requieren investigaciones más exhaustivas.
Falta de datos previos: la ausencia de estudios anteriores puede complicar la fase inicial de planificación.
Herramientas y normativas clave
Software especializado: Programas como Plaxis o GeoStudio permiten modelar comportamientos del terreno y simular condiciones críticas.
Normativa aplicable:
Código Técnico de la Edificación (CTE): Proporciona directrices para reconocer y mitigar riesgos.
Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera: Define protocolos para infraestructuras viales.
Conclusión
Las campañas geotécnicas son mucho más que un paso previo en la construcción: son la base sobre la que se asienta la seguridad, la viabilidad y la sostenibilidad de cualquier proyecto. Al identificar riesgos, garantizar diseños óptimos y cumplir con normativas, estas investigaciones se convierten en una inversión estratégica que previene problemas futuros.
En un entorno cada vez más desafiante para la ingeniería, realizar campañas geotécnicas no solo es una práctica recomendada, sino esencial para asegurar el éxito de cualquier obra.
A continuación dejamos un documento que proporciona recomendaciones técnicas detalladas sobre la campaña geotécnica en proyectos de infraestructura vial para la Dirección General de Carreteras, con el objetivo de establecer criterios uniformes y seguros para la investigación del subsuelo durante las diferentes etapas de desarrollo de un proyecto.
Innovación y optimización en el diseño estructural: losas aligeradas con análisis multivariante
La construcción moderna está en constante evolución para superar los retos asociados al alto consumo de materiales, la sostenibilidad ambiental y los costes elevados. En este contexto, las losas aligeradas con esferas o discos plásticos presurizados se presentan como una solución estructural innovadora que combina eficiencia, sostenibilidad y funcionalidad. Este artículo detalla, basándose en el análisis exhaustivo del documento presentado, cómo la metodología de análisis multivariante permite dimensionar con precisión este tipo de losas, optimizando recursos y reduciendo el impacto ambiental.
El trabajo se enmarca dentro de los proyectos de investigación HYDELIFE y RESILIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
Losas de hormigón armado sin vigas, aligeradas con esferas o discos plásticos. https://www.prenovaglobal.com/index.php/es/losas-sin-vigas-con-esferas-o-discos/
Introducción a las losas aligeradas
Las losas de hormigón armado son elementos clave en cualquier edificación, diseñadas para soportar cargas verticales y transferirlas a los soportes principales. Sin embargo, su peso propio plantea un desafío técnico y económico, especialmente cuando hay grandes luces entre apoyos, ya que se necesitan más materiales y refuerzos, lo que aumenta los costos y el impacto ambiental.
El concepto de losas aligeradas
Este sistema estructural combina los Métodos Modernos de Construcción (MMC) con la sostenibilidad ambiental e integra aligeradores huecos de materiales reciclados, como discos o esferas plásticas presurizadas, en el núcleo de las losas. Estas estructuras reducen el peso propio, optimizan las cargas transmitidas y permiten utilizar menos hormigón y acero sin comprometer la resistencia estructural.
Innovación técnica: metodología para el dimensionamiento
Base del estudio
La metodología presentada analiza 67 edificios construidos con losas aligeradas y registra 75 observaciones de forjados. Estos datos se procesaron mediante análisis estadístico y modelos de regresión multivariante, lo que permitió desarrollar ecuaciones predictivas altamente precisas para calcular el espesor de las losas en función de sus características estructurales.
Variables clave
Luz principal (L): Distancia entre los apoyos principales.
Espesor de la losa (E): Variable dependiente del modelo.
Altura del disco o diámetro de la esfera (H): Elemento aligerante.
Sobrecarga (Q): Definida por el uso del edificio.
Superficie construida: Influye en la carga total transferida.
Número de plantas: Relacionado con la distribución de cargas.
Resultados del análisis
El estudio identificó una fuerte correlación entre estas variables, especialmente entre el espesor de la losa y la luz entre apoyos. Esto permitió formular una ecuación que explica hasta el 98,34 % de la variabilidad del espesor de las losas aligeradas.
Ecuación ajustada del modelo final:
Aspectos destacados:
La relación cuadrática entre la luz y el espesor refleja la carga que predomina en la sección.
La altura del disco aligerante influye directamente en el diseño, que está condicionada por los espesores comerciales disponibles.
Validación estadística
Se realizaron pruebas de normalidad (Shapiro-Wilk y Kolmogorov-Smirnov) y análisis de residuos. Los residuos siguieron una distribución normal, confirmando la robustez y validez del modelo propuesto.
Criterios de diseño
Para luces mayores de 7,2 m o sobrecargas superiores a 2 kN/m², el modelo proporciona cálculos más precisos que las reglas tradicionales.
Se recomienda utilizar este modelo como guía inicial para seleccionar el tamaño adecuado de los aligeradores.
Beneficios económicos y ambientales
El uso de losas aligeradas supone una mejora sustancial en términos de costes y sostenibilidad:
Ahorro de materiales
Se ha reducido el consumo de hormigón hasta en un 30 %, lo que equivale a 1000 m³ menos por cada 10 000 m² de losas construidas.
Disminución del uso de acero en un 20 %, lo que optimiza los refuerzos y las cimentaciones.
Impacto ambiental
Reducción de emisiones de CO₂: por cada 10 000 m² de losas, se evita la emisión de 220 toneladas de CO₂.
Uso de materiales reciclados para los aligeradores, lo que promueve la economía circular.
Se consume menos agua y energía durante la construcción.
Optimización de costes
Las estructuras más ligeras reducen la demanda de cimentaciones y elementos de soporte.
Se necesita menos cimbrado y los tiempos de construcción son más cortos.
Aumento de la eficiencia global del proyecto.
Aplicaciones y comparativas estructurales
Las losas aligeradas son particularmente útiles en edificios residenciales, comerciales e industriales donde se requieren luces amplias (de 5 a 16 m). Su flexibilidad y adaptabilidad permiten su uso en una amplia variedad de aplicaciones.
Comparación con losas macizas
Peso y carga:
Las losas aligeradas reducen el peso propio hasta en un 30 %.
Al transferir menos cargas a los pilares y cimentaciones, se reduce el riesgo de daños.
Resistencia estructural:
Ofrece una resistencia a la flexión y al punzonamiento comparable a la de las losas macizas.
Incorporación de zonas macizas alrededor de los pilares para mejorar la capacidad cortante.
Flexibilidad en el diseño:
Permite mayores luces y diseños arquitectónicos más libres.
Facilita la apertura de huecos para instalaciones o reformas en el futuro.
Desafíos y perspectivas futuras
Aunque este sistema presenta numerosos beneficios, aún enfrenta ciertos retos que deben abordarse:
Estandarización del diseño:
Es necesario desarrollar normas que regulen el uso de aligeradores en distintos contextos.
Hay que incorporar criterios adicionales, como la resistencia al fuego y la durabilidad, en los modelos de diseño.
Optimización del sistema:
Explorar nuevos materiales reciclados para mejorar la sostenibilidad del sistema.
Desarrollar herramientas digitales basadas en dicho modelo para facilitar su aplicación.
Estudios comparativos ampliados:
Evaluar el rendimiento de las losas aligeradas frente a sistemas tradicionales, como los forjados reticulares.
Realizar un análisis del ciclo de vida completo que tenga en cuenta el impacto económico, ambiental y social.
Conclusiones
Este estudio ofrece una herramienta innovadora para el dimensionamiento eficiente de losas aligeradas, basada en el análisis multivariante y en criterios estadísticos rigurosos. Estas estructuras no solo optimizan el uso de materiales, sino que también reducen el impacto ambiental y fomentan la sostenibilidad en la construcción.
Con un enfoque que combina diseño avanzado, ahorro de recursos y flexibilidad arquitectónica, las losas aligeradas están transformando la forma de construir edificios modernos. A medida que se perfeccionen los modelos y se amplíen sus aplicaciones, este sistema se perfilará como una solución fundamental para construir un futuro más sostenible y eficiente.
Os dejo la presentación que se hizo en el congreso:
Como está publicado en abierto, os dejo la comunicación completa a continuación:
Vivienda unifamiliar con losas aligeradas multiaxiales «Unidome»
El artículo de investigación presentado en el 28th International Congress on Project Management and Engineering por los autores Sánchez-Garrido, Yepes-Bellver, Saiz y Yepes es un análisis de losas aligeradas multiaxiales empleadas en edificación.
En la actualidad, el sector de la construcción se enfrenta a desafíos significativos relacionados con la necesidad de optimizar recursos, minimizar el impacto ambiental y satisfacer demandas estructurales complejas. Ante este panorama, los Métodos Modernos de Construcción (MMC) han surgido como una alternativa disruptiva a las técnicas tradicionales. Este artículo analiza la implementación de losas aligeradas multiaxiales, y destaca su diseño, beneficios, impacto en la sostenibilidad y su comparación con estructuras convencionales.
El trabajo se enmarca dentro de los proyectos de investigación HYDELIFE y RESILIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
El auge de los Métodos Modernos de Construcción
Los MMC, también conocidos como «construcción inteligente», introducen un enfoque industrializado que revoluciona la forma de diseñar y construir edificios. Este concepto, inicialmente popularizado en el Reino Unido, abarca tecnologías modulares y procesos automatizados que hacen que la construcción sea más rápida, económica y sostenible.
A diferencia de los métodos tradicionales, los MMC integran disciplinas como la ingeniería estructural, la arquitectura y la gestión de proyectos. Estas técnicas permiten aprovechar al máximo los materiales, reducir los residuos y acortar los plazos de ejecución. Dentro de este enfoque, destacan las losas aligeradas multiaxiales, una solución que combina eficiencia estructural y sostenibilidad.
Características técnicas de las losas aligeradas
Las losas aligeradas multiaxiales suponen una evolución frente a las losas macizas tradicionales. Su diseño incorpora elementos huecos, como los formadores «Unidome», que sustituyen el hormigón en áreas de baja capacidad portante, lo que genera importantes beneficios estructurales y medioambientales.
Materiales:
Hormigón armado.
Aligeradores de plástico reciclado (HDPE o PP).
Barras de acero para refuerzo y fijación.
Diseño:
Reducción de hasta el 35 % del hormigón empleado.
Aligeramiento del peso propio de la losa, lo que facilita su transporte y montaje.
Incorporación de zonas macizas en áreas críticas, como las cercanas a pilares, para garantizar la resistencia a cortante y al punzonamiento.
Flexibilidad estructural:
Reducción de entre un 5-10 % en el canto del forjado.
Aumento de luces hasta un 40 % más respecto a las losas macizas.
Mejora en la distribución de cargas y en el comportamiento frente a sismos.
Durabilidad:
Diseño optimizado para prevenir fallos estructurales por flexión, cortante o cargas axiales.
Resistencia al fuego gracias a recubrimientos específicos y diseño uniaxial o biaxial.
Comparativa: estructura convencional frente a MMC
Para evaluar el impacto de las losas aligeradas, se realizó un estudio de caso en un edificio residencial público de Chiclana (Cádiz), donde se compararon dos alternativas estructurales: una convencional y otra basada en MMC.
Opción A: Estructura convencional
Características:
10 pilares para luces de 6,6 m.
Losas macizas de hormigón armado con espesores de 26-28 cm.
Mayor peso propio, que requiere cimentaciones más robustas.
Materiales utilizados:
509,87 m³ de hormigón.
59.837 kg de acero.
Opción B: Estructura MMC con losas aligeradas
Características:
6 pilares soportan luces de hasta 13,2 m, eliminando filas intermedias.
Losas aligeradas de 40-44 cm con un 35 % menos de peso propio en áreas no críticas.
Materiales utilizados:
532,60 m³ de hormigón (4,5 % más que la opción A).
69.892 kg de acero (16 % más que la opción A).
Aunque la opción B requiere más materiales, su diseño permite reducir significativamente los elementos estructurales, como los pilares, lo que da como resultado una estructura más esbelta y eficiente. Además, al eliminar soportes intermedios, se obtienen beneficios adicionales como espacios diáfanos, flexibilidad en el diseño interior y menores tiempos de ejecución.
Sostenibilidad: Un enfoque imprescindible
La sostenibilidad es uno de los pilares de los MMC y las losas aligeradas no son una excepción. La implementación de estas losas tiene un impacto positivo que se refleja en diversos aspectos:
Reducción de CO₂:
Cada módulo aligerado sustituye hasta un 35% del hormigón, lo que equivale a una reducción promedio de 46 toneladas de CO₂ por módulo construido.
Uso de plástico reciclado para los aligeradores, disminuyendo la dependencia de materiales vírgenes.
Eficiencia energética:
Menor consumo de energía en la producción y transporte de materiales.
Reducción del 20% en el gasto energético durante la construcción.
Optimización de recursos:
Ahorro de agua en el proceso de fabricación del hormigón.
Disminución del peso propio, lo que optimiza cimentaciones y reduce la cantidad de acero requerido.
Resultados concretos
En el estudio comparativo, las losas MMC redujeron las emisiones de CO₂ en un 25 % por metro cuadrado, mientras que su transporte requirió un 30 % menos de camiones en comparación con las losas macizas tradicionales.
Aplicaciones prácticas y retos futuros
Las losas aligeradas tienen un amplio rango de aplicaciones, desde edificios residenciales hasta rascacielos y escuelas. Su adaptabilidad permite implementarlas en forjados y cimentaciones con espesores que van desde los 20 cm hasta los 80 cm. No obstante, todavía enfrentan ciertos desafíos:
Aceptación del mercado: La estandarización y la capacitación de los profesionales son esenciales para su adopción masiva.
Optimización del diseño: Futuras investigaciones buscan extender las aplicaciones a cargas y luces mayores, comparando su desempeño con otras soluciones como forjados reticulares o postensados.
Beneficios adicionales para los proyectos
Además de los aspectos técnicos y sostenibles, las losas aligeradas ofrecen ventajas tangibles para los equipos de diseño y construcción:
Simplificación del proyecto:
Geometrías más sencillas y menos complejas.
Reducción de cargas estructurales, lo que facilita el cálculo estático.
Velocidad de construcción:
Los formadores de huecos llegan preensamblados o listos para instalar, reduciendo los tiempos de montaje.
El menor peso de los elementos acelera el proceso de hormigonado.
Versatilidad arquitectónica:
Mayor libertad en la distribución de espacios interiores.
Facilidad para abrir huecos adicionales o modificar diseños.
Conclusiones
Los Métodos Modernos de Construcción, y específicamente las losas aligeradas multiaxiales, representan un cambio de paradigma en la ingeniería civil. Al reducir el uso de materiales y optimizar recursos, así como al mejorar el desempeño estructural, estas soluciones no solo son más sostenibles, sino también más adaptables a las necesidades contemporáneas de diseño y construcción.
Al combinar eficiencia, flexibilidad y sostenibilidad, las losas aligeradas ofrecen una respuesta sólida a los retos actuales del sector. Su implementación masiva tiene el potencial de transformar el panorama de la construcción y alinearse con objetivos globales como la reducción de emisiones y la industrialización sostenible.
Os dejo la presentación que se hizo en el congreso:
Como está publicado en abierto, os dejo la comunicación completa a continuación:
Un artículo reciente publicado en la revista Structures, del primer cuartil del JCR, presenta un enfoque innovador de optimización estructural acoplada con el fin de mejorar la sostenibilidad y la eficiencia en la construcción de puentes hiperestáticos de gran escala. Este trabajo, titulado «Three-dimensional finite element-coupled optimisation assessment of extra-large bridges», se centra en el diseño de puentes con doble torre y cableado, y presenta un modelo de optimización estructural que integra métodos matemáticos avanzados, simulaciones de elementos finitos y un análisis detallado de variables aleatorias. Esta investigación constituye un importante avance en la búsqueda de métodos sostenibles que minimicen la huella medioambiental del sector de la construcción y contribuyan a los objetivos de desarrollo sostenible en ingeniería civil.
Esta trabajo, llevado a cabo por un equipo de expertos de la Universidad de Ciencia e Ingeniería de Hunan (China) y de la Universitat Politècnica de València (España), se enmarca dentro del proyecto de investigación RESILIFE, que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
Contexto de la investigación: la construcción sostenible y sus retos
La construcción es una de las industrias con mayor impacto ambiental a nivel mundial, ya que genera el 33 % de las emisiones de carbono y es un gran consumidor de agua y energía. En particular, el diseño y construcción de grandes infraestructuras, como puentes, requiere de grandes cantidades de recursos y genera altos niveles de emisiones de gases contaminantes debido al uso extensivo de materiales como el hormigón armado y el acero. Frente a este desafío, el estudio propone un enfoque para optimizar el diseño de puentes hiperestáticos y promover prácticas de construcción sostenibles mediante el uso de herramientas avanzadas de optimización.
Objetivos de la investigación
El objetivo principal del artículo es reducir el consumo de materiales y optimizar el diseño estructural de puentes con múltiples torres y sistemas de cableado, como los puentes atirantados de doble torre. Dicha optimización incluye la implementación de una metodología que integra diversas herramientas matemáticas y de simulación, como modelos de microestructura reticulada y métodos estadísticos para gestionar las variables aleatorias que influyen en el comportamiento estructural de los puentes.
Entre los objetivos específicos del estudio destacan:
Desarrollar un modelo que permita la optimización topológica en 3D de puentes hiperestáticos.
Reducir el impacto ambiental mediante el uso eficiente de materiales.
Mejorar la estabilidad y el rendimiento estructural de estos puentes en condiciones de carga complejas.
Proporcionar un marco teórico para futuras investigaciones sobre la optimización de grandes infraestructuras.
Metodología:
El enfoque metodológico del estudio integra varios modelos teóricos y herramientas de simulación estructural, entre las que se incluyen:
Modelo de optimización: La investigación utiliza un modelo de optimización para el diseño estructural de puentes. Este modelo se basa en la disposición de microelementos en una red tridimensional para optimizar el uso de materiales y la capacidad estructural. Este enfoque permite controlar la densidad y distribución del material en áreas específicas de la estructura, como las torres y los cables del puente, donde las cargas y tensiones son mayores.
Optimización estadística de variables discretas: Las estructuras de puentes están sujetas a fuerzas externas e imprevistos, como fluctuaciones en la velocidad del viento o cambios en la carga de vehículos. Para hacer frente a esta incertidumbre, el estudio implementa un modelo matemático basado en la estadística de variables discretas. Este modelo incorpora métodos de perturbación para evaluar el comportamiento de las variables aleatorias y su influencia en la estructura, garantizando así una mayor estabilidad y precisión en el diseño.
Convergencia y estabilidad estructural: Uno de los mayores retos en la optimización de estructuras complejas es garantizar la estabilidad bajo condiciones no lineales. Zhou et al. utilizan técnicas avanzadas de resolución de ecuaciones no lineales y una combinación de diferencias finitas con métodos característicos. Este enfoque permite alcanzar soluciones precisas y asegurar que la estructura mantenga su integridad ante cargas variables.
Estudio de caso: Puente Nan Ao Da
Para validar su enfoque, los autores realizaron un análisis detallado del puente Nan Ao Da (NADB) en la provincia de Cantón, en el sur de China. Este puente atirantado, que tiene una longitud total de 9341 metros y una configuración de doble torre, es un caso de estudio ideal para aplicar la metodología de optimización propuesta. El estudio abarcó varios aspectos clave:
Cargas estructurales y condiciones de diseño: El diseño del NADB tiene en cuenta múltiples tipos de carga, como el peso estructural, la presión del viento y las cargas vehiculares. Para optimizar la estructura, se realizaron cálculos de elementos finitos en secciones específicas del puente. La simulación modeló factores como la gravedad, la presión del viento a diferentes alturas y los efectos de las cargas en los cables de suspensión, lo que permitió comprender completamente la distribución de fuerzas en la estructura.
Simulación y análisis de elementos finitos: La simulación de elementos finitos en el NADB implicó dividir la estructura en más de 79 000 elementos, lo que permitió realizar cálculos detallados de tensiones y desplazamientos en diversas partes del puente. La metodología incluyó la evaluación de 122 puntos de monitorización distribuidos en la estructura para analizar cómo las fuerzas y los desplazamientos afectaban a los elementos críticos de esta. Los resultados identificaron áreas de alta tensión, particularmente en las torres y los cables de soporte, que se optimizaron para reducir el uso de material sin comprometer la seguridad.
Optimización de materiales y reducción de volumen: Mediante la optimización topológica, se logró reducir el volumen de materiales de las principales secciones del puente en un 2 %. Esta reducción no solo mejora la estabilidad estructural, sino que también reduce significativamente el peso total y el coste de construcción. Además, el ahorro de materiales implica una disminución de las emisiones de carbono y otros contaminantes.
Nan’ao Bridge
Resultados: impacto estructural y ambiental
La implementación de la optimización topológica en el NADB generó resultados significativos en términos estructurales y ambientales:
Mejora en la estabilidad estructural: La reducción de material se logró al optimizar las áreas de mayor carga, como las torres y los cables, lo que resultó en una distribución de tensiones más eficiente. Los análisis de sensibilidad indicaron que, tras la optimización, las áreas de mayor energía interna se concentraban en los elementos de soporte, lo que facilitaba una transmisión de energía más efectiva y aseguraba la estabilidad estructural.
Reducción de emisiones y eficiencia ambiental: Se realizó un análisis del ciclo de vida del puente optimizado utilizando el software OpenLCA y la base de datos Ecoinvent. Los resultados mostraron una reducción del 3,76 % en emisiones totales, así como disminuciones del 6,32 % en acidificación, eutrofización y generación de polvo atmosférico. Estos logros están alineados con los objetivos de sostenibilidad global y demuestran el potencial de la optimización estructural para reducir el impacto ambiental de la construcción..
Ahorro económico: Desde una perspectiva económica, la reducción del uso de materiales se tradujo en un ahorro de 1,7 millones de yuanes chinos (CNY) en el coste de construcción del puente. Este ahorro económico refuerza la viabilidad de la optimización topológica como un método eficiente y rentable para proyectos de infraestructura de gran escala.
Discusión: implicaciones para el diseño y construcción de puentes
El análisis de optimización topológica aplicado al puente NADB subraya la importancia de integrar técnicas avanzadas de modelado en la ingeniería de grandes infraestructuras. Además de mejorar la eficiencia estructural, esta metodología ofrece una solución viable para alcanzar la sostenibilidad en la construcción, ya que reduce los costes y el impacto ambiental de los proyectos.
Aplicaciones potenciales en otros proyectos: Los principios y métodos empleados en este estudio pueden aplicarse a otros tipos de estructuras hiperestáticas, como viaductos y puentes multipórtico. Esta flexibilidad demuestra la versatilidad del modelo y su capacidad para adaptarse a diversos contextos estructurales.
Retos en la implementación práctica: Sin embargo, el artículo también reconoce importantes desafíos, especialmente en la modelación de estructuras bajo condiciones de carga combinada. Los autores sugieren que futuras investigaciones deberían explorar la integración de técnicas de inteligencia artificial y algoritmos de optimización avanzada para gestionar de forma más precisa las variables aleatorias y optimizar aún más la distribución de materiales.
Conclusiones
La investigación ofrece un enfoque completo para la optimización acoplada de puentes hiperestáticos en tres dimensiones. Los resultados de este estudio tienen importantes implicaciones para el desarrollo sostenible de la infraestructura y la construcción de grandes puentes, ya que demuestran que es posible reducir el uso de materiales y el impacto ambiental sin comprometer la estabilidad estructural. Las contribuciones clave del artículo son las siguientes:
Un marco teórico sólido para la optimización acoplada en 3D, que permite mejorar la sostenibilidad de grandes infraestructuras.
Un enfoque práctico para reducir emisiones y ahorrar materiales mediante la optimización de elementos finitos y técnicas de modelado avanzadas..
Un modelo aplicable a futuros proyectos de infraestructura que proporciona una base para el diseño de puentes de gran escala más eficientes y respetuosos con el medio ambiente.
El artículo sugiere que la investigación futura debería centrarse en desarrollar métodos de optimización inteligentes para el mantenimiento y la operación de estructuras complejas. La combinación de técnicas de inteligencia artificial y modelado predictivo podría revolucionar la construcción y el diseño de puentes, al tiempo que promovería prácticas de ingeniería sostenibles y rentables.
