Categoría: estructuras

Innovación en puentes de gran escala: optimización 3D y sostenibilidad mediante análisis acoplado de elementos finitos

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:

  1. Desarrollar un modelo que permita la optimización topológica en 3D de puentes hiperestáticos.
  2. Reducir el impacto ambiental mediante el uso eficiente de materiales.
  3. Mejorar la estabilidad y el rendimiento estructural de estos puentes en condiciones de carga complejas.
  4. 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:

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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:

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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:

  1. 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.
  2. 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..
  3. 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.

  1. 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.
  2. 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:

  1. Un marco teórico sólido para la optimización acoplada en 3D, que permite mejorar la sostenibilidad de grandes infraestructuras.
  2. Un enfoque práctico  para reducir emisiones y ahorrar materiales mediante la optimización de elementos finitos y técnicas de modelado avanzadas..
  3. 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.

Referencia:

ZHOU, Z.; LIANG, Z.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2024). Three-dimensional finite element coupled optimization assessment of extra-large bridges. Structures, 70:107743. DOI:10.1016/j.istruc.2024.107743

Este artículo se puede descargar gratuitamente hasta el próximo 2 de enero de 2025 accediendo directamente al siguiente enlace: https://authors.elsevier.com/c/1k5YY8MoIH2dmK

También dejo un vídeo sobre el puente al que se hace mención en el artículo.

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Los sistemas de pretensado en las estructuras de hormigón

Figura 1. Viga postesada. https://prodac.pe/edificaciones/soluciones-para-la-industria-de-prefabricados/alambre-pretensado/

El pretensado es una técnica que aumenta la capacidad del hormigón para soportar cargas al someterlo previamente a esfuerzos de compresión. Esta técnica crea una resistencia adicional a los esfuerzos de tracción, lo que permite construir estructuras más resistentes y duraderas. Se utiliza ampliamente en la construcción de puentes, vigas, losas y otros elementos sometidos a cargas significativas, tanto en estructuras prefabricadas como en construcciones in situ.

En esencia, el sistema de pretensado consiste en instalar y tensar armaduras activas, como cables, alambres o cordones de acero de alta resistencia, dentro del hormigón antes de que este se someta a las cargas de servicio. Al tensar estas armaduras, se generan fuerzas internas que comprimen el hormigón y contrarrestan las fuerzas externas a las que estará sometido. De esta manera, el hormigón precomprimido es más efectivo para soportar tensiones, lo que previene problemas como las fisuras y mejora la estabilidad de la estructura.

El proceso comienza con la elección de las armaduras activas y el almacenamiento adecuado del acero para protegerlo de la corrosión y la contaminación. A continuación, se colocan y tesan las armaduras, para lo que se utilizan equipos especializados, como enfiladoras, gatos hidráulicos y centrales de presión. Estos equipos permiten tensar las armaduras de forma controlada y precisa, y aseguran que se logren los niveles de tensión adecuados según el diseño estructural.

Los anclajes cumplen una función fundamental, ya que fijan los extremos de las armaduras tensadas al hormigón y aseguran la transmisión de las fuerzas de compresión. Existen dos tipos de anclajes: activos o móviles, que se colocan en el extremo de tensado, y pasivos o fijos, situados en el extremo opuesto. Los empalmes permiten extender los tendones cuando la estructura lo requiere y garantizan la continuidad y la alineación. Por su parte, los conectadores permiten aplicar tensión en puntos intermedios de tendones cerrados o de acceso limitado.

Las vainas son otros componentes esenciales del sistema, ya que alojan los tendones en el hormigón y permiten inyectar adecuadamente materiales adherentes o protectores. Los productos de inyección, como lechadas de cemento para sistemas adherentes, betunes y grasas para sistemas no adherentes, protegen los tendones contra la corrosión y aumentan la adherencia en el caso de los sistemas adherentes. Esto es esencial para garantizar la durabilidad y eficacia del pretensado.

El sistema de pretensado es muy eficiente, pero requiere precisión en su ejecución y un control estricto de la calidad, ya que cualquier fallo en el tensado o en los materiales puede afectar a la integridad estructural del proyecto. Si se implementa adecuadamente, el pretensado permite construir estructuras seguras y resistentes que maximizan las ventajas del hormigón y lo convierten en un material adecuado para una amplia gama de aplicaciones de ingeniería.

Introducción a los sistemas de pretensado

El pretensado es una técnica avanzada de construcción que consiste en aplicar esfuerzos de compresión al hormigón antes de que el elemento estructural soporte su carga de servicio, con el fin de mejorar su resistencia. En este método, se induce una compresión interna en el hormigón, lo que permite que la estructura soporte mejor los esfuerzos de tracción y aumente su capacidad para resistir cargas elevadas y deformaciones excesivas. Este sistema, ampliamente utilizado en proyectos de construcción como puentes, edificios de gran altura, cubiertas y elementos prefabricados, se basa en el uso de armaduras activas, normalmente de acero, que se tensan y anclan en el interior de la estructura para transferir la fuerza de compresión al hormigón.

En este artículo se describen en detalle los distintos elementos y equipos que intervienen en los sistemas de pretensado. Cada componente, desde los tendones y los anclajes hasta las vainas y los equipos de tesado, cumple una función específica en el éxito del sistema de pretensado y en la calidad final de la estructura de hormigón.

1. Armaduras activas: suministro y almacenamiento

Las armaduras activas son el componente principal del sistema de pretensado y están fabricadas principalmente con acero de alta resistencia. Estas armaduras se tensan previamente para introducir esfuerzos de compresión en el hormigón, lo que aumenta su capacidad para soportar tracciones sin agrietarse ni sufrir otras deformaciones no deseadas.

1.1 Tipos de armaduras activas

  • Alambres: suelen entregarse en rollos y su diámetro de bobinado no debe ser inferior a 250 veces el diámetro del alambre para evitar deformaciones.
  • Barras: se entregan en tramos rectos, lo que garantiza su resistencia y evita daños durante el transporte.
  • Cordones: existen cordones de 2, 3 o 7 alambres, que se utilizan según el diseño estructural y los requisitos de carga. Los cordones de 2 o 3 alambres se entregan en rollos con un diámetro mínimo de 600 mm, mientras que los de 7 alambres se suministran en bobinas o carretes de 750 mm de diámetro interior o mayor.
Figura 2. Unidades de anclaje de 3 y 5 cordones en forjado postesado. http://www.freyssinet.es/freyssinet/wfreyssinetsa_sp.nsf/sb/soluciones.construccion..pretensado-(cordones)

1.2 Requerimientos de suministro

Para que las armaduras activas mantengan sus propiedades mecánicas y estén protegidas contra factores externos, deben almacenarse y transportarse siguiendo unas medidas específicas. El acero debe protegerse de la humedad y de la contaminación por polvo, grasas y otros agentes que puedan alterar su comportamiento estructural.

1.3 Almacenamiento de armaduras activas

El almacenamiento de las armaduras es esencial para garantizar su durabilidad y su correcto funcionamiento en la obra. Las principales recomendaciones son las siguientes:

  • Ventilación adecuada: las armaduras deben almacenarse en locales ventilados, lejos de la humedad del suelo y las paredes.
  • Clasificación y limpieza: es importante que las armaduras estén libres de grasa, aceite, polvo u otras materias que puedan afectar a su adherencia. También deben clasificarse por tipo y lote.
  • Inspección de la superficie: antes de ser utilizadas, las armaduras deben inspeccionarse para detectar cualquier deterioro en la superficie, y garantizar que cumplen las condiciones de uso.

2. Sistemas de pretensado: componentes y función de los elementos

Un sistema de pretensado es un conjunto de elementos estructurales y dispositivos especializados diseñados para aplicar y mantener la tensión en las armaduras activas y transmitirla de forma segura y eficiente al hormigón.

2.1 Componentes principales del sistema de pretensado

Los principales elementos del sistema de pretensado son los anclajes, los empalmes, los conectadores y las vainas. Estos componentes cumplen funciones específicas, como asegurar los tendones, extender su longitud o permitir la transmisión uniforme de fuerzas.

  • Los anclajes son dispositivos esenciales en los sistemas de pretensado, ya que aseguran los tendones y transmiten las fuerzas de tensión al hormigón. Existen dos tipos principales de anclajes: el anclaje activo o móvil, que está situado en el extremo del tendón por donde se aplica la tensión, y el anclaje pasivo o fijo, que está situado en el extremo opuesto del tendón, donde no se aplica tensión. Este tipo de anclaje permite que los cables de acero se tensen según el diseño estructural y soporten las fuerzas aplicadas. El otro tipo de anclaje es el pasivo o fijo, que está situado en el extremo opuesto del tendón, donde no se aplica tensión. Este anclaje asegura la estabilidad del tendón y permite que el esfuerzo de compresión se transmita eficazmente al hormigón. Dentro de estos tipos, destacan varios modelos de anclaje adaptados a diferentes necesidades y geometrías, como los anclajes activos tipo L y los anclajes pasivos tipo S, que se emplean en vigas y elementos lineales. Cada anclaje está diseñado para resistir esfuerzos específicos y asegurar una adecuada transmisión de fuerzas al hormigón.
  • Los empalmes son elementos que dan continuidad a los tendones cuando estos requieren extensiones adicionales debido al tamaño del proyecto o al método de construcción. Los empalmes se clasifican en: empalme fijo, que mantiene los tendones en posición fija y asegura su continuidad sin movimientos adicionales, y empalme móvil, que permite cierta movilidad a los tendones, facilita el alineado de las armaduras y reduce los esfuerzos durante el tensado. Ambos tipos de empalme son esenciales para estructuras de grandes dimensiones y en casos en que el tendón debe dividirse en varias secciones.
  • Los conectadores permiten aplicar tensión en puntos intermedios o en elementos cerrados (como tuberías o silos) a los que es difícil acceder por sus extremos. Estos conectadores proporcionan puntos adicionales de anclaje en estructuras grandes o con geometrías complejas y aseguran la transferencia uniforme de las fuerzas.

    Figura 3. Selección del tipo de anclaje o conector a utilizar en el hormigón pretensado

2.2 Elementos de aseguramiento y distribución

También existen elementos auxiliares que colaboran en la distribución uniforme de las fuerzas y la fijación de las armaduras activas en el sistema de pretensado:

  • Cuñas: estas piezas metálicas fijan los extremos de las armaduras activas en las placas de anclaje.
  • Placas de anclaje: placas perforadas con forma cónica donde se alojan las cuñas, lo que permite sujetar el tendón de manera efectiva.
  • Placas de reparto: dispositivos situados entre la placa de anclaje y el hormigón que distribuyen las fuerzas en la zona de contacto y evitan sobrecargas.
  • Trompetas de empalme: estas piezas, troncocónicas o cónicas, enlazan las placas de anclaje con las vainas y facilitan la transferencia de tensión en las armaduras activas.

 

Figura 4. Placa de anclaje.De Störfix – Fotografía propia, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=296999

3. Vainas y accesorios

Las vainas son conductos de pretensado que albergan los tendones en su interior. Estos conductos pueden estar fabricados de metal, plástico u otros materiales, y son esenciales para proteger y guiar las armaduras postesas en el interior del hormigón, evitando así el contacto directo con este y facilitando el proceso de inyección.

3.1 Vainas metálicas

Las vainas metálicas son las más comunes, especialmente por su resistencia al aplastamiento y su capacidad para soportar el peso del hormigón fresco. Además, la superficie corrugada de las vainas mejora la adherencia con el hormigón y su rigidez estructural. Las características principales de las vainas metálicas son las siguientes:

  • Resistencia mecánica: deben ser suficientemente robustas para soportar el peso y la presión del hormigón fresco sin deformarse.
  • Estanqueidad: las vainas deben ser herméticas para evitar la infiltración de agua o lechada de cemento en su interior y mantener las armaduras activas protegidas.
  • Diámetro adecuado: el diámetro interno de la vaina debe ser el apropiado para permitir una inyección eficaz del producto inyectado y asegurar una cobertura uniforme alrededor de los tendones.

3.2 Otros accesorios en vainas

  • Separadores: piezas que ayudan a distribuir las armaduras activas dentro de las vainas y aseguran una distancia y una alineación uniformes.
  • Tubo matriz: tubo flexible, generalmente de polietileno, que se coloca dentro de la vaina para suavizar el trazado y evitar tensiones no deseadas en las armaduras.

3.3 Tubos de purga

Los tubos de purga o respiraderos son pequeñas piezas que se colocan en los puntos altos y bajos del trazado de las vainas. Estos tubos permiten la evacuación del aire y del agua durante el proceso de inyección, lo que asegura que no queden huecos y que el producto inyectado cubra toda el área interna.

4. Equipos para enfilado, tesado e inyección

La tecnología de pretensado requiere equipos especializados que faciliten el enfilado de los tendones, la aplicación de tensión y la inyección de materiales protectores en los conductos. Los equipos esenciales son las enfiladoras, los gatos hidráulicos, las centrales de presión y los equipos auxiliares de manipulación.

  • Enfiladoras: son máquinas diseñadas para colocar los tendones dentro de las vainas de pretensado mediante un sistema de empuje o estirado, según el diseño de la estructura. Estas máquinas garantizan que los tendones estén correctamente alineados antes de aplicar la tensión.
  • Gatos hidráulicos: Los gatos son dispositivos hidráulicos que permiten el tesado de los tendones a una fuerza precisa y controlada. Se utilizan en combinación con cuñas para mantener la tensión en los extremos anclados y asegurar que la fuerza de pretensado se transmita de forma uniforme al hormigón.
  • Centrales de presión: las centrales de presión controlan los gatos hidráulicos mediante válvulas reguladoras y circuitos eléctricos que permiten ajustar la presión aplicada con precisión. Estos sistemas incluyen manómetros o dinamómetros para garantizar que la presión de tesado cumpla con los requisitos especificados en el proyecto.
  • Equipos auxiliares: Los equipos auxiliares incluyen grúas y otros medios de manipulación que facilitan el posicionamiento de los gatos, las vainas y las armaduras activas. Son especialmente útiles en obras de gran envergadura, donde el peso y el tamaño de los elementos dificultan su instalación manual.

5. Productos de inyección

La inyección de materiales dentro de las vainas es fundamental para proteger las armaduras activas y mejorar la adherencia entre el tendón y el hormigón. Existen dos tipos principales de productos de inyección:

  • Inyecciones adherentes: consisten en lechadas o morteros de cemento que llenan los conductos de las vainas y mejoran la unión entre el tendón y el hormigón. Algunas características esenciales de estos productos son:

— Uso de cemento Portland CEM-I, que asegura una buena adherencia y resistencia mecánica.
— Aditivos que permiten modificar las propiedades de la lechada para mejorar la protección de las armaduras.
— Relación agua/cemento baja (entre 0,38 y 0,43) para lograr una mayor resistencia a la compresión y una baja porosidad.

  • Inyecciones no adherentes: los productos de inyección no adherentes, como los betunes, mástiques bituminosos y grasas solubles, protegen las armaduras contra la corrosión sin generar adherencia con el hormigón. Son adecuados para estructuras donde se requiere flexibilidad en los tendones y una menor adherencia al hormigón.

Para aplicar los productos de inyección se utilizan equipos de mezcla e inyección que aseguran la preparación y la distribución uniforme del material dentro de las vainas. Estos equipos deben disponer de sistemas de control de calidad que permitan ajustar la mezcla y supervisar su aplicación durante el proceso de inyección.

Conclusión

Los sistemas de pretensado en hormigón son una solución técnica que aumenta la resistencia y durabilidad de las estructuras. Desde el suministro y almacenamiento de las armaduras activas hasta el tesado y la inyección, cada componente del sistema es crucial para el éxito de la estructura. Estos sistemas no solo aumentan la capacidad del hormigón para resistir esfuerzos de tracción, sino que también contribuyen a reducir el riesgo de deformaciones y a mejorar la calidad estructural general de las obras de ingeniería.

Os dejo algunos vídeos, que espero sean de vuestro interés.

Curso:

Curso de fabricación y puesta en obra del hormigón.

 

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Predimensionamiento óptimo de tableros de puentes losa pretensados aligerados

Figura 1. Vista aérea de paso superior. Google Maps.

El artículo de investigación presentado en el 28th International Congress on Project Management and Engineering por los autores Yepes-Bellver, Martínez-Pagán, Alcalá, y Yepes es un análisis integral del predimensionamiento de los tableros de puentes losa pretensados aligerados.

Este informe detalla su importancia y sugiere mejoras en el diseño estructural mediante la optimización con métodos avanzados como el modelo Kriging y algoritmos de optimización heurística.

El trabajo se enmarca dentro de los proyectos de investigación HYDELIFE y RESILIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

1. Contexto del empleo de los puentes losa pretensados aligerados

Los puentes de losa pretensada son fundamentales en las infraestructuras de carreteras y vías ferroviarias debido a su capacidad para cubrir luces de entre 10 y 45 metros, lo que los hace más resistentes, duraderos y adaptables a distintos diseños geométricos. El coste de estos puentes suele representar entre un 5 % y un 15 % de los gastos totales de una infraestructura de transporte. Además, los puentes losa ofrecen una mayor flexibilidad y una apariencia estética superior, ya que eliminan las juntas de calzada, lo que mejora la comodidad y reduce el desgaste del tablero al tráfico.

Principales ventajas de los puentes losa pretensados:

  • Resistencia y durabilidad: estos puentes ofrecen una alta resistencia a la torsión y la flexión, por lo que son ideales para soportar cargas variables y condiciones climáticas adversas.
  • Versatilidad en el diseño: gracias a su construcción in situ, es posible adaptarlos a terrenos irregulares o a condiciones complejas, como curvas pronunciadas y anchos variados, lo que permite construirlos con rasantes bajas.
  • Ahorro de materiales y costes: Al diseñarse sin juntas y con posibilidades de aligeramiento, su mantenimiento resulta menos costoso en comparación con otras tipologías.

2. Predimensionamiento y limitaciones en los métodos actuales

El predimensionamiento es esencial en la fase preliminar del diseño de puentes con losas pretensadas. Tradicionalmente, los ingenieros utilizan reglas empíricas basadas en la experiencia para definir parámetros geométricos iniciales, como el espesor de la losa, la relación entre el canto y la luz y la cantidad de armadura activa y pasiva. Sin embargo, estos métodos tradicionales tienen limitaciones en cuanto a eficiencia y sostenibilidad, ya que no optimizan el uso de materiales ni reducen el impacto ambiental.

Desventajas de los métodos convencionales de predimensionamiento:

  • Rigidez en el diseño: los métodos empíricos pueden ser inflexibles, lo que limita las opciones de diseño y hace que la estructura no se adapte eficientemente a los criterios de optimización moderna.
  • Ineficiencia económica y ambiental: al no tener en cuenta factores de sostenibilidad y costes, estos métodos pueden provocar un uso excesivo de materiales, lo que aumenta la huella de carbono y el consumo energético.

3. Propuesta de optimización con modelos Kriging y metaheurísticas

La propuesta de los investigadores consiste en aplicar una optimización bifase mediante modelos Kriging combinados con el recocido simulado, un algoritmo heurístico. Esta técnica permite reducir el tiempo de cómputo en comparación con los métodos de optimización tradicionales sin perder precisión. La optimización se centra en tres objetivos clave:

  • Minimización del coste
  • Reducción de emisiones de CO₂
  • Disminución del consumo energético

El Kriging, un tipo de metamodelo, facilita la interpolación de datos en una muestra determinada, lo que permite que los valores estimados sean predictivos y evite el alto coste computacional que conllevan las simulaciones estructurales completas. Para implementar esta técnica, se usa un muestreo de hipercubo latino (LHS), que permite generar variaciones en el diseño inicial de los puentes y proporciona una base sobre la que se aplica el modelo Kriging para ajustar las alternativas optimizadas de diseño.

4. Resultados y comparación con diseños convencionales

A continuación, se exponen los principales hallazgos del estudio, basados en la optimización de puentes reales y en la comparación con métodos empíricos:

  • Esbeltez y espesor de la losa: la investigación recomienda que aumentar la relación entre el canto y la luz mejora la sostenibilidad del diseño. Los puentes optimizados presentan relaciones de hasta 1/30, en comparación con el rango usual de 1/22 a 1/25.
  • Volumen de hormigón y armaduras: los resultados muestran una disminución del volumen de hormigón y del número de armaduras activas necesarias, mientras que aumenta el número de armaduras pasivas. Este ajuste permite reducir tanto el coste como las emisiones.
  • Uso de materiales de construcción: se recomienda el uso de hormigón de resistencia entre 35 y 40 MPa para obtener una combinación óptima entre coste y sostenibilidad. La cantidad de aligeramientos interiores y exteriores también contribuye significativamente a la reducción del peso total sin comprometer la resistencia.

Comparativa de materiales:

  • Cuantía de hormigón: entre 0,55 y 0,70 m³ por m² de losa. La optimización reduce el consumo a 0,60 m³ para puentes económicos y a 0,55 m³ para priorizar la reducción de emisiones.
  • Armadura activa: la cantidad recomendada es inferior a 17 kg/m² de tablero. Esto representa una reducción significativa en comparación con los diseños tradicionales, que promedian alrededor de 22,64 kg/m².
  • Armadura pasiva: se debe aumentar la cuantía hasta 125 kg/m³ para proyectos de alta sostenibilidad, en contraste con los valores convencionales.

5. Herramientas prácticas para los proyectistas: nomogramas para el predimensionamiento

Uno de los aportes más valiosos del estudio es la creación de nomogramas que permiten a los ingenieros realizar predimensionamientos precisos con un mínimo de datos. Los nomogramas se desarrollaron mediante modelos de regresión múltiple y ofrecen una forma rápida de estimar:

  • La cantidad de hormigón necesaria.
  • El espesor de la losa.
  • La armadura activa en función de la luz del puente y los aligeramientos aplicados.

Estos nomogramas son útiles en las primeras fases de diseño, ya que permiten obtener valores cercanos a los óptimos de manera rápida y eficiente. Los gráficos incluyen secuencias de cálculo específicas con ejemplos de puentes con luces de 34 m y aligeramientos medios (interior de 0,20 m³/m² y exterior de 0,40 m³/m²), lo que facilita un proceso de diseño preliminar que cumple con criterios de sostenibilidad.

Figura 2. Nomograma para estimar el canto del tablero (m). Fuente: Yepes-Bellver et al. (2024)

6. Recomendaciones para el diseño sostenible de puentes losa pretensados aligerados

Basándose en los resultados de optimización, el estudio recomienda ajustar ciertos parámetros de diseño para mejorar la sostenibilidad y reducir los costes:

  • Aumento de la relación canto/luz: se debe aumentar la relación a 1/26 o incluso 1/30 para conseguir diseños sostenibles.
  • Reducción del hormigón utilizado: limitar el uso de hormigón a 0,60 m³/m², o menos si la prioridad es reducir las emisiones.
    Cuantía de armaduras: para la armadura pasiva, se recomienda un mínimo de 125 kg/m³, mientras que la armadura activa debe reducirse a 15 kg/m² de losa.
    Aligeramientos amplios: utilizar aligeramientos significativos (interior de 0,20 m³/m² y exterior de 0,50 m³/m²) para reducir el peso estructural y minimizar el material empleado.

7. Conclusión: innovación en el diseño de infraestructuras sostenibles

El uso de modelos predictivos, como el Kriging, y de técnicas de optimización avanzada en el diseño de puentes supone un gran avance hacia la construcción de infraestructuras sostenibles y eficientes. Estos métodos permiten reducir costes y minimizar el impacto ambiental, dos factores críticos en la ingeniería moderna. Al promover estos enfoques, la investigación allana el camino hacia políticas de infraestructura más responsables y sostenibles, un objetivo alineado con los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS).

8. Perspectivas futuras: expansión de la metodología de optimización

Los autores proponen continuar esta línea de investigación aplicando el modelo Kriging y otros metamodelos a diversas estructuras de ingeniería civil, como marcos de carretera, muros de contención y otros tipos de puentes. Esta expansión podría sentar las bases para nuevos estándares en el diseño de infraestructuras sostenibles.

Este estudio se presenta como una herramienta esencial para ingenieros y proyectistas interesados en mejorar el diseño estructural mediante métodos modernos de optimización, ya que ofrece un enfoque práctico y avanzado para lograr una ingeniería civil más sostenible.

Os dejo la presentación que se hizo en el congreso:

Como está publicado en abierto, os dejo la comunicación completa a continuación:

Descargar (PDF, 1.98MB)

Referencia:

YEPES-BELLVER, L.; MARTÍNEZ-PAGÁN, P.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2024). Análisis del predimensionamiento de tableros óptimos de puentes losa pretensados aligerados y su incidencia en el proyecto estructural. 28th International Congress on Project Management and Engineering, AEIPRO, 3-4 de julio, Jaén (Spain), pp. 407-419. DOI:10.61547/2402010

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Vigas híbridas de acero: la apuesta sostenible que transforma costos y rendimiento en la construcción

Un artículo reciente publicado en el Journal of Constructional Steel Research, liderado por los investigadores Agustín Terreros-Bedoya, Iván Negrín, Ignacio Payá-Zaforteza y Víctor Yepes de la Universitat Politècnica de València, explora en profundidad el uso de vigas híbridas de acero como una alternativa innovadora y sostenible a las vigas tradicionales de acero homogéneo.

Estas vigas híbridas, que combinan diferentes tipos de acero de distintas resistencias en sus componentes (alas y alma), han demostrado tener un gran potencial para optimizar el uso de materiales en la construcción, mejorar la eficiencia estructural y reducir costes y 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.

Vigas híbridas: concepto y ventajas

El estudio parte de la necesidad de encontrar soluciones estructurales que no solo cumplan con altos estándares de rendimiento, sino que también sean sostenibles. En una viga híbrida, el acero de alta resistencia se utiliza en las alas, donde se requiere mayor capacidad de resistencia a esfuerzos, mientras que el alma se construye con un acero de resistencia media, lo que reduce el peso y el coste del material sin comprometer su resistencia general. Este diseño permite que la viga absorba cargas significativas y redistribuya los esfuerzos de forma más eficiente que una viga homogénea, con lo que se logra una estructura más liviana y económica.

Metodología y análisis

La investigación analiza 128 publicaciones previas sobre el tema, utilizando un análisis de correspondencia simple para identificar patrones y relaciones entre variables de diseño, como la resistencia de las alas y el alma, las condiciones de carga y los métodos de cálculo. Mediante esta metodología, los autores logran sistematizar el conocimiento existente sobre el tema y destacan los enfoques de diseño más eficaces. Este análisis también identificó los «ratios híbridos» ideales, es decir, la proporción óptima entre la resistencia del acero en el alma y en las alas para maximizar el rendimiento de la viga. Un hallazgo clave es que los ratios híbridos entre 1,3 y 1,6 suelen proporcionar un equilibrio óptimo entre resistencia y economía de material.

Sostenibilidad y beneficios económicos

Además del rendimiento estructural, el estudio subraya las ventajas ambientales de las vigas híbridas. Al reducir el peso de las estructuras, disminuyen los costes de transporte, instalación y consumo de materiales, lo cual se traduce en una reducción significativa de las emisiones de CO₂. Los investigadores destacan que esta estrategia de construcción está en consonancia con los objetivos de la Unión Europea de reducir la huella de carbono de la industria de la construcción y lograr la neutralidad climática para 2050. Desde el punto de vista económico, la reducción de peso y material también representa unos costes de fabricación y montaje menores, lo que incrementa la viabilidad de estas soluciones en proyectos a gran escala.

Desafíos y áreas futuras de investigación

El estudio identifica varios desafíos que deben abordarse para implementar las vigas híbridas de manera efectiva en proyectos reales. Uno de los retos más importantes es la limitada cantidad de estudios experimentales en condiciones de carga combinada (flexión y cortante) y de pandeo, que son comunes en estructuras complejas como puentes y edificios de gran altura. Los autores recomiendan llevar a cabo investigaciones adicionales para desarrollar métodos de diseño que integren estas variables y permitan un mejor rendimiento bajo cargas extremas.

Otra área prometedora es la implementación de algoritmos de optimización y técnicas de inteligencia artificial para mejorar el diseño y el análisis de estas vigas. Estos métodos pueden ayudar a identificar configuraciones de material y geometría que maximicen la eficiencia estructural y minimicen el impacto ambiental. También sugieren explorar la combinación de acero de alta resistencia con otros materiales, como el hormigón, para crear estructuras híbridas aún más optimizadas.

Implicaciones para la industria de la construcción

Este estudio contribuye significativamente al conocimiento de las vigas híbridas de acero, ya que propone un marco de referencia que puede transformar la forma en que se diseñan y construyen las infraestructuras. A medida que se intensifica la presión para construir de forma más eficiente y respetuosa con el medioambiente, las vigas híbridas se perfilan como una solución viable que permite aprovechar al máximo las propiedades de los materiales, a la vez que se reducen los costes y la huella de carbono de las construcciones. Por tanto, la investigación de Terreros-Bedoya y su equipo proporciona una base sólida para que ingenieros y constructores consideren esta tecnología en futuros proyectos, impulsando un desarrollo urbano más sostenible y económico.

Referencia:

TERREROS-BEDOYA, A.; NEGRÍN, I.; PAYÁ-ZAFORTEZA, I.; YEPES, V. (2023). Hybrid steel girders: review, advantages and new horizons in research and applications. Journal of Constructional Steel Research, 207:107976. DOI:10.1016/j.jcsr.2023.107976.

Dejo a continuación el artículo completo, pues está publicado en abierto.

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Modelo para la construcción sostenible: reducción de emisiones y eficiencia estructural hacia 2100

Un artículo reciente en Sustainable Cities and Society revista del primer decil del JCR, explora un innovador modelo de evaluación de la sostenibilidad en la industria de la construcción, con aplicaciones de gran impacto a nivel global.

Esta investigación, llevada 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), introduce el «modelo de acoplamiento multidisciplinar», una metodología que integra conocimientos avanzados de matemáticas, ingeniería, ciencias ambientales y sociología económica para analizar, de manera más precisa, los efectos de la construcción sobre la sostenibilidad a largo plazo. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

Objetivos y contexto de la investigación

El trabajo parte de un desafío global urgente: reducir las emisiones de carbono en la industria de la construcción, que representa un porcentaje significativo del consumo energético y de las emisiones contaminantes a nivel mundial. Según estimaciones previas, esta industria generará más del 50 % de las emisiones de carbono para 2050 si no se implementan políticas de mitigación eficaces. En este contexto, el equipo de investigación plantea un enfoque innovador para analizar el ciclo de vida completo de las construcciones, desde la selección de materiales y el diseño, hasta la construcción, el mantenimiento y el desmantelamiento, conocido como evaluación del ciclo de vida (LCA, por sus siglas en inglés).

Además, para obtener una visión integrada que abarque el impacto ambiental, social y económico de cada proyecto, se emplea la evaluación social del ciclo de vida (SIA), que permite analizar los efectos en la sociedad y en la economía. El objetivo principal de la investigación es ofrecer un marco más robusto que ayude a los gobiernos y a las empresas del sector a tomar decisiones informadas que favorezcan el desarrollo urbano sostenible.

Metodología y desarrollo del modelo

Para desarrollar este modelo, los investigadores implementaron una técnica de «acoplamiento multidisciplinar» novedosa que incorpora algoritmos avanzados y teorías de optimización de estructuras en tres dimensiones. Este enfoque se basa en el uso de algoritmos de interpolación y ajuste de datos, capaces de proyectar los impactos de la construcción de manera más precisa. Además, el modelo emplea herramientas de software de análisis ambiental, como OpenLCA, que permite integrar datos económicos y medioambientales para evaluar la sostenibilidad.

El equipo realizó pruebas del modelo en cuatro regiones económicas clave de China: las provincias de Hubei, Jiangsu, Henan y Guangdong, seleccionando puentes de gran escala en cada una como ejemplos de estudio. A través de análisis finitos y optimización de topología de estas estructuras, lograron proyectar cómo variará el impacto ambiental y social a lo largo de los próximos cien años.

Resultados más destacados y proyecciones futuras

Los resultados obtenidos indican que la industria de la construcción en China alcanzará su máximo de emisiones en el año 2030, con un estimado de 2,73 giga toneladas (GT) de CO₂. Tras este pico, se proyecta una significativa reducción de las emisiones, con niveles de -2,78 GT anuales entre 2061 y 2098, debido a la implementación de técnicas de construcción más eficientes y al uso de materiales más sostenibles. A nivel social, la evaluación SIA prevé un pico de impacto en 2048, con 4,26 GT de CO₂ equivalente en afectaciones sociales, seguido también de una reducción en las décadas posteriores.

Para obtener estas cifras, el estudio utilizó un algoritmo de optimización de la estructura en las distintas fases del ciclo de vida, con el que identificó puntos de mejora y áreas críticas de impacto. Así, el modelo no solo ofrece una herramienta para la proyección de emisiones, sino que también permite evaluar el desempeño de cada estructura en términos de durabilidad, coste y adaptabilidad a cambios estructurales, lo cual podría ser crucial en regiones urbanas que experimentan un crecimiento acelerado.

Conclusiones y aplicación global

Este trabajo es una contribución pionera en la investigación sobre sostenibilidad en construcción, ya que ofrece un marco metodológico con potencial para ser replicado en otros países y sectores de la construcción. Su aplicación no solo está dirigida a la reducción de emisiones, sino también a la mejora de la resiliencia estructural y a la reducción de costes a largo plazo mediante un diseño optimizado. Los investigadores destacan que este modelo podría adaptarse a otros países que, como China, se enfrentan a grandes desafíos en la gestión de la sostenibilidad urbana y que buscan avanzar hacia economías bajas en carbono.

En conclusión, el modelo de acoplamiento multidisciplinar de esta investigación establece un estándar robusto para el análisis de sostenibilidad en construcciones complejas. Con este enfoque, gobiernos y empresas de construcción podrían optimizar sus prácticas para reducir los impactos negativos, no solo ambientales, sino también sociales y económicos, en sintonía con las metas de desarrollo sostenible. Este estudio ofrece, además, una guía para que la industria de la construcción pueda abordar sus desafíos actuales y proyectar una trayectoria sostenible para las próximas décadas.

Referencia:

ZHOU, Z.; ZHOU, J.; ZHANG, B.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2024). The centennial sustainable assessment of regional construction industry under the multidisciplinary coupling model. Sustainable Cities and Society, 101:105201. DOI:10.1016/j.scs.2024.105201

Efectos de las inundaciones en las estructuras de las edificaciones

Figura 1. Efectos de la DANA en Valencia. https://www.diariodesevilla.es/sociedad/catastrofe-inundaciones-valencia-directo_10_2002684877.html

Para comprender los efectos de las inundaciones en las estructuras de las edificaciones y cómo responder ante ellas, es fundamental entender tanto los factores que incrementan la vulnerabilidad de los edificios como las acciones preventivas y correctivas necesarias. Las inundaciones pueden afectar seriamente a las estructuras, dependiendo de la magnitud de las aguas, su salinidad, la saturación del suelo y la calidad de los materiales y prácticas constructivas empleados. La identificación de estos daños requiere evaluaciones técnicas detalladas y precisas. Este conocimiento es útil tanto para los propietarios, los técnicos y el personal de emergencias que deben tomar decisiones rápidas y bien fundamentadas en situaciones críticas.

1. Efectos de las inundaciones en la estructura de las edificaciones

Las inundaciones suponen una amenaza significativa para la integridad de los edificios y pueden afectar a la estructura de diversas maneras. Estos no siempre son visibles de inmediato y pueden empeorar con el tiempo si no se toman medidas correctivas. En las zonas propensas a las inundaciones, los edificios pueden sufrir diversos daños estructurales, como:

  • Socavación y fallos en la cimentación: La erosión causada por la corriente de agua disminuye la estabilidad de los cimientos. Cuando una inundación causa socavones cerca de una edificación, esto afecta directamente a la capacidad portante de los cimientos, ya que se pierde el soporte horizontal y lateral del suelo. Esto puede causar inclinaciones en las estructuras, grietas en los muros y, en casos extremos, el colapso parcial o total del edificio.
  • Erosión del suelo y pérdida de capacidad portante: La capacidad del suelo para soportar cargas se ve reducida debido a la erosión, lo que puede llevar al fallo de la cimentación.
  • Saturación del suelo: La acumulación de agua provoca saturación, lo que aumenta el riesgo de deslizamientos, derrumbes y avalanchas y afecta a la estabilidad del conjunto de cimentación y estructura. El suelo que rodea los cimientos de una edificación, al saturarse con agua, pierde densidad y estabilidad. Este fenómeno es especialmente crítico en áreas cercanas a cuerpos de agua (ríos, lagos o mares), donde el agua puede hacer que el suelo pierda su capacidad de soporte. Esto puede provocar fenómenos como deslizamientos, derrumbes y licuefacción. En casos graves, el terreno bajo la edificación se comporta casi como un líquido, perdiendo su capacidad para soportar el peso de la estructura y poniendo en riesgo su estabilidad.
  • Pérdida de soporte lateral y horizontal: Al disminuir la capacidad portante del suelo, la estructura pierde los soportes laterales y horizontales, lo que compromete su estabilidad y capacidad de carga.
  • Deterioro de los muros exteriores: Cuando el nivel de las inundaciones supera el metro de altura, la descompensación de presiones puede provocar fallos en los muros exteriores..
  • Inestabilidad estructural por impacto de escombros: Los escombros arrastrados por el agua, combinados con la presión hidrostática o hidrodinámica, pueden impactar en elementos estructurales y causar inestabilidad.
  • Aparición de grietas en muros, losas y columnas: Dependerá de la magnitud de la inundación y podría ocasionar daños que van desde reparables hasta irreparables.
  • Daños por capilaridad y humedad en las paredes: El fenómeno de capilaridad permite que el agua suba a través de los materiales porosos de los muros, debilitándolos progresivamente. Este problema es más frecuente en estructuras construidas directamente sobre el suelo sin barreras de impermeabilización o sobrecimientos. El agua absorbida por capilaridad puede afectar a la durabilidad y la resistencia de los materiales, provocando grietas y desprendimientos del revestimiento.
  • Deterioro de materiales de construcción: La exposición al agua contaminada o salina provoca corrosión en los materiales, especialmente en elementos metálicos no protegidos, galvanizados o inoxidables.
Figura 2. Presión hidrostática.

Para reducir estos riesgos, las nuevas construcciones en zonas de inundación deben ser diseñadas y construidas con especificaciones a prueba de inundaciones. Estas mejoras en la resistencia estructural no solo reducen el riesgo de fallos, sino que también disminuyen significativamente la probabilidad de víctimas en escenarios de inundación.

2. Problemática: daños y consecuencias

  • Daños estructurales: Las inundaciones generan múltiples efectos en la estabilidad de los edificios, afectando su integridad estructural. Entre estos daños destacan:
    • Presión hidrostática: La acumulación de agua en el perímetro de la edificación ejerce presión horizontal sobre los muros, proporcional al calado de la inundación. Este tipo de presión puede levantar los suelos o cimentación cuando el agua se acumula de un solo lado del edificio. En casos donde el agua ingresa al edificio, esta presión se neutraliza, pero introduce una carga gravitatoria que afecta elementos horizontales como forjados y soleras, pudiendo conducir al colapso de la estructura.
    • Presión hidrodinámica: El flujo de agua de un río desbordado puede alcanzar velocidades considerables y generar impactos en los muros, los cuales deben ser diseñados para soportar estas cargas dinámicas.
    • Impactos de objetos arrastrados: El agua arrastra escombros, vehículos y mobiliario urbano que impactan contra la edificación, generando daños considerables en sus elementos​.
    • Durabilidad y corrosión: El agua, especialmente si contiene minerales y sales, puede corroer el acero de refuerzo en estructuras de hormigón, debilitando su capacidad de carga. En materiales como la madera, la humedad reduce significativamente su resistencia estructural. Estos daños son más difíciles de detectar cuando los elementos están cubiertos o enterrados.
    • Erosión del material y del terreno: La exposición prolongada al agua, especialmente si el flujo es constante, puede erosionar materiales como ladrillo y bloque, deteriorando el mortero de unión y comprometiendo la estabilidad del edificio. El terreno también se ve afectado, sobre todo en su capacidad de soporte, agravando el riesgo de asentamientos diferenciales en la cimentación​.
  • Daños constructivos y estéticos: Las inundaciones afectan no solo a los elementos estructurales, sino también a los acabados y componentes funcionales de los edificios:
    • Daños en cerramientos y tabiques: Los paramentos exteriores e interiores pueden experimentar corrosión en elementos metálicos, pérdida de adhesión en revestimientos y daños en aplacados​.
    • Pérdida de estabilidad en fachadas y tabiques: Los impactos de objetos arrastrados por el agua o la reducción en las propiedades de los materiales debido a la humedad pueden hacer que las fachadas o tabiques colapsen​.
    • Daños en pavimentos: La prolongada presencia de agua produce abombamientos y deformaciones en los suelos, especialmente en los pavimentos de madera, causando el levantado de los materiales de agarre​.
    • Desperfectos estéticos: La humedad genera manchas y decoloración en superficies, mientras que los impactos pueden provocar la rotura de elementos ornamentales​.
    • Disfunción de instalaciones: Las instalaciones eléctricas, redes de saneamiento, sistemas de agua potable y equipos de ventilación y climatización pueden colapsar o fallar debido a la exposición a la humedad y obstrucción por residuos, lo cual compromete la funcionalidad del edificio​.
  • Daños al contenido: El ingreso de agua en el interior de un edificio provoca, inevitablemente, daños en su contenido, desde pérdidas materiales como aparatos electrónicos, mobiliario y documentos, hasta daños económicos significativos en edificaciones comerciales e industriales. Además, los edificios que almacenan bienes sensibles, como bibliotecas o museos, pueden sufrir daños irreparables en sus colecciones culturales o documentales.
  • Daños funcionales: Las inundaciones pueden afectar gravemente al funcionamiento de los edificios, especialmente en instalaciones críticas como hospitales o estaciones de bomberos, donde cualquier interrupción implica riesgos adicionales. Esto incluye la interrupción de servicios esenciales que comprometen la capacidad de respuesta en situaciones de crisis, la inactividad prolongada en edificaciones comerciales o industriales que ocasiona pérdidas económicas y la obstrucción de vías de acceso y evacuación, lo que dificulta las operaciones de emergencia y la seguridad de los ocupantes.
  • Daños relacionados con el entorno: Además de los daños directos a la estructura, las inundaciones pueden afectar a la parcela circundante y a los elementos del entorno inmediato, provocando erosión y desgaste en áreas sin edificación, como jardines o zonas comunes, donde se acumulan sedimentos y residuos que deterioran el terreno, el mobiliario y la vegetación. Asimismo, elementos del entorno, como vehículos o vegetación arrastrada, pueden afectar a la edificación y provocar asientos diferenciales por los desplazamientos del terreno. Finalmente, los residuos y contaminantes de instalaciones industriales o agrícolas arrastrados por el agua pueden afectar tanto al entorno natural como a la propia edificación.
  • Daños a largo plazo: Además de los daños inmediatos, las inundaciones pueden causar problemas que se manifiestan con el tiempo, como la corrosión en elementos estructurales debido a la humedad residual en materiales como el hormigón, lo que debilita las armaduras de acero y compromete la estructura gradualmente; también pueden surgir problemas de humedad persistente en áreas de difícil acceso, como los forjados sanitarios, donde el agua estancada crea condiciones favorables para el crecimiento de hongos y otros problemas fitosanitarios.

Estos puntos resaltan la complejidad de los efectos de una inundación en las edificaciones y su entorno, subrayando la importancia de contar con medidas preventivas y de rehabilitación efectivas para mitigar las consecuencias.

3. Identificación de los posibles daños en edificaciones debido a inundaciones

Este capítulo detalla los daños que pueden producirse en una edificación cuando ocurre una inundación. Abarca la identificación de puntos vulnerables, la inspección de elementos de valor, y la evaluación de daños en función del nivel de agua.

  • Identificación e inventario de puntos débiles: La ubicación y el riesgo del edificio son determinantes para identificar sus puntos débiles y reducir la vulnerabilidad ante las inundaciones. Los principales puntos de entrada del agua en las construcciones son los defectos en el mortero de ladrillo o mampostería, que facilitan la infiltración; las grietas en fachadas y juntas estructurales, especialmente en las uniones entre materiales diferentes, como paredes y losas; las ventanas y puertas, donde las fallas en el sellado y el contacto de los marcos permiten filtraciones; y las escaleras y entradas a sótanos, que al estar en niveles inferiores favorecen la acumulación de agua.
  • Comprobación de estabilidad estructural: Es crucial evaluar la capacidad de resistencia de los elementos estructurales a las fuerzas del agua, ya que las presiones desiguales pueden dañar paredes y pisos. La diferencia en la rapidez de entrada y salida del agua entre el exterior y el interior del edificio puede generar presión adicional, ocasionando daños estructurales importantes en muros y suelos.
  • Inspección de los elementos de valor del edificio: Realizar un inventario de los elementos importantes en el edificio permite diagnosticar daños potenciales y planificar su aseguramiento. Estos elementos se clasifican en: seres vivos (personas, mascotas y animales en actividades agropecuarias), continente (que abarca la estructura y el equipamiento, como cimientos, muros, sistemas de electricidad, agua y ventilación) y contenido (que varía según el uso del edificio e incluye mobiliario, documentos y materiales peligrosos).
  • Diagnóstico de daños en función de la altura del agua: El nivel del agua en el edificio influye directamente en el grado de daño. Ejemplos de daños según el nivel son:
    • 0 a 0,3 m (debajo del nivel de la planta baja): Posibles erosiones en cimientos, corrosión en elementos metálicos, acumulación de limo, y formación de moho.
    • 0,3 a 0,5 m: Saturación de revestimientos de paredes y suelos, problemas de humedad, y daños en puertas internas y externas.
    • Más de 0,5 m: Daños estructurales graves debido a la presión del agua, corrosión y fallos generalizados en sistemas eléctricos y sanitarios.

Estos daños muestran la importancia de realizar un diagnóstico exhaustivo para implementar medidas de mitigación eficientes, que garanticen la seguridad estructural del edificio y la protección de sus ocupantes y contenido.

Figura 3. Inventario de puntos de entrada del agua de inundación. Fuente: Preparing for Flood, Interim guidance for improving the flood resistance of domestic and small business properties. Office of the Deputy Prime Minister. 2003. Environment Agency – UK.

4. Factores de vulnerabilidad que agravan los daños por inundaciones

Las características constructivas y de mantenimiento de una edificación influyen en su vulnerabilidad frente a las inundaciones. Algunos factores clave incluyen:

  • Ausencia de sobrecimiento e impermeabilización: El sobrecimiento es una barrera de 30-50 cm de altura que se coloca en la base de los muros, y su función es proteger contra la humedad que asciende del suelo. La ausencia de este elemento en una construcción permite que el agua entre en contacto directo con las paredes, lo que facilita la absorción de agua por capilaridad. Además del sobrecimiento, la impermeabilización de cimientos y muros de la planta baja es vital para prevenir que el agua dañe las estructuras.
  • Calidad de los materiales: Cada material de construcción reacciona de manera distinta a la exposición prolongada al agua. La calidad del cemento, la arena y otros materiales utilizados en la construcción de los bloques y los cimientos influye en la resistencia de la edificación frente a las inundaciones. Los materiales de baja calidad se desintegran más rápidamente cuando entran en contacto con el agua. En áreas con edificaciones antiguas de tapial, por ejemplo, estos tienden a disolverse tras un contacto prolongado con el agua, provocando la descomposición de la estructura. El bahareque, compuesto tradicionalmente por madera, cañas y barro, presenta baja resistencia a la humedad y se deteriora rápidamente, con desprendimientos de revestimiento y deformaciones en la estructura de madera o caña, lo que puede causar inclinaciones o incluso el desplome de las viviendas. En el caso de la mampostería, aunque aparenta ser resistente, los bloques de cemento, por su porosidad y la falta de cocción de algunos materiales, son vulnerables al agua. La humedad puede deteriorar las primeras hiladas, debilitar la base y provocar el desplome parcial o total de la estructura, especialmente en zonas donde los bloques son de baja calidad o con una proporción insuficiente de cemento.
  • Errores en la construcción: En algunas construcciones, se cometen errores técnicos que comprometen la estabilidad de la estructura, especialmente en zonas inundables. Por ejemplo, el uso incorrecto de aparejos en mampostería o la falta de conocimientos técnicos en la ejecución de los cimientos puede resultar en problemas estructurales graves cuando la edificación enfrenta una inundación.

5. Medidas preventivas para minimizar daños en situaciones de inundación

La implementación de medidas preventivas ayuda a minimizar el impacto de las inundaciones en las edificaciones. Estas son algunas acciones recomendadas:

  • Inspección y mantenimiento regulares: Es crucial que las edificaciones en zonas propensas a inundaciones reciban mantenimiento constante y revisiones estructurales periódicas. Las inspecciones técnicas pueden identificar signos de desgaste o debilidades estructurales antes de que se conviertan en problemas graves. Esto incluye revisar cimientos, paredes y elementos de soporte clave.
  • Empleo de materiales resistentes al agua: Al construir o rehabilitar una vivienda en una zona propensa a las inundaciones, se recomienda usar materiales menos porosos y resistentes al agua. Asimismo, en áreas vulnerables, se recomienda aplicar revestimientos y pinturas impermeables en paredes y cimientos para evitar la absorción de humedad.
  • Adecuación del terreno y del sistema de drenaje: El sistema de drenaje del terreno circundante a una edificación es fundamental para evitar que el agua se acumule y afecte a los cimientos. En zonas propensas a las inundaciones, es importante crear canales de drenaje y pendientes que faciliten la salida del agua hacia áreas de menor riesgo.

6. Recomendaciones de emergencia para responder a inundaciones en edificaciones

En caso de inundación, estas son algunas recomendaciones prácticas para garantizar la seguridad de las personas y proteger, en la medida de lo posible, la estructura del edificio:

  • Inspección inmediata de daños: Una vez que el nivel del agua haya descendido, es fundamental realizar una inspección detallada del edificio para identificar daños visibles y ocultos. Los técnicos deben evaluar los cimientos y la estabilidad de las paredes para identificar signos de debilitamiento estructural que puedan suponer un riesgo.
  • Secado y limpieza de estructuras: Es crucial crucial eliminar el agua acumulada y permitir que las estructuras afectadas se sequen. El secado evita que la humedad siga dañando los materiales de construcción. Además, se debe limpiar la suciedad y los restos dejados por la inundación, ya que estos pueden acelerar el deterioro de los materiales.
  • Refuerzo y reparación de cimientos y paredes: Si las inspecciones revelan daños en los cimientos o paredes, es necesario realizar refuerzos inmediatos para evitar colapsos. Los cimientos debilitados pueden reforzarse con elementos estructurales adicionales y las paredes pueden requerir tratamientos impermeabilizantes o refuerzos de mampostería.

Conclusión

Entender los efectos de las inundaciones en las edificaciones es fundamental para aplicar medidas de prevención y reparación efectivas. Estos eventos pueden causar daños severos en la estructura, la estabilidad y el contenido de los edificios, lo que subraya la necesidad de realizar un diagnóstico preciso y de llevar a cabo acciones correctivas. La identificación de las áreas vulnerables, junto con el uso de materiales adecuados y sistemas de drenaje eficientes, es esencial para reducir los riesgos. Asimismo, el mantenimiento regular y una respuesta rápida ante las inundaciones son cruciales para proteger tanto la seguridad de los ocupantes como la integridad del edificio. La implementación de técnicas constructivas apropiadas mejora la resistencia de las estructuras frente a estos desastres.

A continuación, dejo algunos documentos que creo que pueden ser de interés.

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Recomendaciones sobre productos y sistemas para la protección superficial del hormigón

Figura 1. https://www.molins.es/construction-solutions/reparacion-y-proteccion-del-hormigon/

La protección superficial del hormigón no solo responde a una necesidad estética, sino que cumple un papel crucial en la durabilidad y conservación de las estructuras de hormigón expuestas a condiciones ambientales adversas o a demandas estructurales específicas. Factores como la exposición ambiental y las propiedades deseadas del hormigón influyen en la selección de los productos y sistemas más adecuados para su protección. Estos sistemas se aplican con el objetivo de prevenir la degradación o mejorar ciertas características de la superficie del hormigón. Este artículo describe las principales recomendaciones basadas en la norma UNE 83703:2023, y se centra en productos y sistemas destinados a proteger la superficie del hormigón, incluyendo impregnaciones, revestimientos y otros métodos, en función de diferentes tipos de agresión ambiental o necesidades de mejora física.

1. Productos para la protección superficial del hormigón

Antes de seleccionar un producto o sistema de protección, es fundamental comprender los principios en los que se basan los métodos de protección superficial. Los siguientes principios resumen las estrategias empleadas para proteger el hormigón frente a diversos tipos de agresiones: Protección contra la penetración, control de la humedad y resistencia a agentes químicos.

Los productos para la protección superficial del hormigón varían en función de los métodos y tratamientos empleados. Estos productos, que pueden presentarse en forma líquida o plástica, se endurecen o se secan a temperatura ambiente. A continuación, se detallan las principales categorías:

  • Impregnación hidrófoba: consiste en la aplicación de productos líquidos de baja viscosidad que penetran en los poros del hormigón sin formar una película superficial. El objetivo es crear una superficie repelente al agua sin afectar a la permeabilidad al vapor. Los productos más utilizados son los oligómeros de siloxanos y las microemulsiones de silanos.
  • Impregnación: su objetivo es rellenar los poros del hormigón y reducir su porosidad superficial. Los productos empleados suelen estar basados en aglutinantes similares a los usados en revestimientos, y proporcionan una mayor adherencia para aplicaciones posteriores.
  • Revestimientos: forman una película continua sobre la superficie del hormigón para prevenir el deterioro. Pueden tener un espesor que va desde los 0,1 mm hasta los 5 mm, o incluso más en aplicaciones específicas. Los revestimientos pueden estar basados en polímeros en dispersión acuosa, en disolución o en polímeros reactivos que no requieren disolventes. Estos pueden ser de varios tipos, como revestimientos flexibles o rígidos. En función de las necesidades, algunos revestimientos pueden incorporar mallas o tejidos que mejoran la resistencia mecánica.

Debe tenerse en cuenta que los revestimientos deben resistir una exposición prolongada a la luz solar, especialmente en exteriores. Los productos acrílicos suelen ser más resistentes a los rayos UV. Además, los revestimientos deben poder repararse. En este sentido, los revestimientos a base de polímeros termoplásticos, como los acrílicos, son fáciles de repintar si presentan algún deterioro.

Figura 2. https://anfapa.com/articulos-tecnicos-morteros-de-reparacion-de-hormigon/1252/principios-y-metodos-para-reparar-y-proteger-estructuras-de-hormigon-deterioradas-une-en-1504

2. Sistemas de protección superficial

Los productos para la protección superficial del hormigón se agrupan en diferentes sistemas, cada uno con características particulares. Cada sistema de protección superficial está diseñado para hacer frente a diferentes amenazas o mejorar ciertas características del hormigón. Por ello, es importante elegir el sistema adecuado en función de las condiciones específicas de la estructura y su entorno. A continuación, se describen los sistemas más comunes:

2.1 Sistemas para impregnación hidrófoba

Estos sistemas protegen el hormigón y lo hacen repelente al agua, al mismo tiempo que permiten que «respire» al dejar pasar el vapor de agua. Son especialmente útiles en ambientes donde se desea mantener el hormigón seco. Los productos empleados deben ser transparentes, no alterar el aspecto del hormigón y garantizar la transpirabilidad. La profundidad de la impregnación y la calidad de los productos utilizados son factores clave para su eficacia a largo plazo.

También debe considerarse la eficiencia de la impregnación, es decir, que debe alcanzar una profundidad adecuada para asegurar una protección prolongada. Además, la impregnación debe ser compatible con el hormigón existente, por lo que será necesario evaluar las características químicas de este antes de aplicarla.

2.2 Sistemas protectores frente a la carbonatación

La carbonatación del hormigón es un proceso natural que puede afectar a la durabilidad de las estructuras. Los sistemas protectores frente a la carbonatación, basados en polímeros acrílicos o epoxi, crean una barrera que impide la entrada de CO₂ y reduce la absorción de agua. Estos revestimientos deben proporcionar una resistencia a la difusión de CO₂ equivalente a un espesor de aire de al menos 50 m (SD ≥ 50 m).

2.3 Sistemas con capacidad de puenteo de fisuras

Estos sistemas están diseñados para absorber movimientos en fisuras o prevenir la aparición de otras nuevas en el hormigón. Son útiles en estructuras que experimentan movimiento o en zonas sometidas a esfuerzos térmicos o mecánicos. Se pueden clasificar en sistemas con capacidad de puenteo estático (fisuras sin movimiento) o dinámico (fisuras con movimiento cíclico).

2.4 Sistemas resistentes a la agresión química

En ambientes donde el hormigón está expuesto a sustancias químicas agresivas, como ácidos o sulfatos, los sistemas resistentes a la agresión química proporcionan una barrera protectora. Estos revestimientos, que pueden estar basados en resinas epoxi o poliuretanos, son fundamentales en estructuras sometidas a ataques químicos intensos, como en plantas industriales o instalaciones de tratamiento de aguas.

2.5 Sistemas con capacidad de mejora física

Los sistemas que mejoran las propiedades físicas del hormigón incluyen la aplicación de tratamientos superficiales que aumentan la resistencia a la abrasión, la dureza superficial y la resistencia al impacto. Estos productos, como las capas de rodadura o las impregnaciones endurecedoras, son habituales en pavimentos industriales y en zonas expuestas a un tránsito o un impacto mecánico elevados.

Entre sus aspectos importantes, destaca que las imprimaciones mejoran la adherencia entre el hormigón y el revestimiento, lo que garantiza una protección más duradera. Además, los productos utilizados deben ser compatibles entre sí y con el tipo de hormigón de la estructura.

3. Control catódico y zonas anódicas

La corrosión del acero de refuerzo es uno de los problemas más comunes y graves que afectan a las estructuras de hormigón armado. La aplicación de sistemas de protección puede incluir el control catódico y el control de zonas anódicas, que son métodos especializados en la prevención de la corrosión.

  • El control catódico se basa en restringir la penetración de oxígeno en las zonas catódicas del hormigón armado. Al limitar la cantidad de oxígeno disponible, se neutralizan los puntos de corrosión y se minimiza el riesgo de deterioro. Los sistemas basados en este principio suelen utilizar revestimientos superficiales que impiden la difusión de oxígeno.
  • El control de zonas anódicas busca evitar la corrosión en los puntos donde el acero de refuerzo del hormigón está expuesto al ambiente. Esto se consigue aplicando inhibidores de corrosión directamente sobre el hormigón o mezclándolos con los productos de revestimiento.
Figura 3.  Control catódico y zonas anódicas

4. Preparación del soporte para revestir

La durabilidad y la eficacia de los sistemas de protección dependen en gran medida de las condiciones del soporte de hormigón. Antes de aplicar cualquier producto o sistema, es fundamental garantizar que el soporte cumpla las siguientes condiciones:

  • Limpieza: el soporte debe estar libre de polvo, aceites, sales u otros contaminantes que puedan afectar a la adherencia.
  • Porosidad: una porosidad adecuada garantiza la penetración del producto en el hormigón.
  • Secado: el soporte debe estar completamente curado, con al menos 28 días desde su fabricación.
  • Resistencia mecánica: el soporte debe tener una resistencia mínima al arrancamiento de 1,5 N/mm² para garantizar la adherencia del sistema protector.

5. Métodos de puesta en obra

La correcta aplicación de los sistemas de protección es crucial para garantizar su eficacia. Los métodos más comunes son los siguientes:

  • Aplicación con brocha o rodillo: método utilizado en pequeñas áreas o en productos de baja viscosidad.
  • Pulverización: método recomendado para grandes superficies o cuando se requiere una aplicación uniforme y rápida.
  • Técnicas específicas: en el caso de membranas gruesas, como los sistemas cementosos, se pueden aplicar con llana o mediante proyección.

6. Control de calidad y mantenimiento

Es fundamental realizar controles de calidad durante y después de la aplicación de los sistemas de protección. Esto incluye verificar las condiciones ambientales, el espesor de las capas aplicadas y la adherencia de los productos. Una vez completada la aplicación, deben realizarse inspecciones periódicas para garantizar que la protección sigue siendo efectiva. Además de los controles mencionados, se recomienda incluir:

  • Pruebas de adherencia y resistencia: son necesarios ensayos de tracción directa (UNE-EN 1542) y ensayos de resistencia a la difusión de gases para asegurar que el sistema cumple con las especificaciones.
  • Mantenimiento periódico: en función del tipo de sistema aplicado, es fundamental establecer un programa de inspecciones periódicas para detectar signos de desgaste o deterioro.

Conclusión

La correcta elección y aplicación de los productos y sistemas de protección superficial del hormigón es esencial para prolongar la vida útil de las estructuras y evitar daños costosos. El uso adecuado de impregnaciones, revestimientos y sistemas especializados puede mitigar los efectos de la carbonatación, la humedad, los ataques químicos y las fisuras, garantizando así la durabilidad y la funcionalidad del hormigón en diversas condiciones ambientales. La elección adecuada del sistema, la correcta preparación del soporte y la aplicación conforme a los estándares son esenciales para asegurar la durabilidad y el rendimiento del hormigón en diversas condiciones ambientales y de uso.

Os dejo algunos vídeos al respecto. Espero que os sean de interés.

También os dejo un folleto de MAPEI por si os resulta de interés.

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Referencias:

Fernández Cánovas; M. (1994). Patología y terapéutica del hormigón armado. 3ª edición, Servicio de Publicaciones del Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Madrid.

Pelufo, M.J. (2003). Caracterización del comportamiento mecánico y frente a la corrosión de morteros de reparación del hormigón estructural. Tesis doctoral. Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Civil, Universidad Politécnica de Valencia.

Curso:

Curso de fabricación y puesta en obra del hormigón.

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Curso en línea de “Fabricación y puesta en obra del hormigón”

La Universitat Politècnica de València, en colaboración con la empresa Ingeoexpert, ha elaborado un Curso en línea sobre “Fabricación y puesta en obra del hormigón”.

El curso, totalmente en línea, se desarrollará en 6 semanas, con un contenido de 75 horas de dedicación del estudiante. Hay plazas limitadas.

Toda la información la puedes encontrar en esta página: https://ingeoexpert.com/cursos/curso-de-fabricacion-y-puesta-en-obra-del-hormigon/

 

 

Acerca de este curso

Este curso ofrece una visión completa sobre la fabricación y la puesta en obra del hormigón. No se requieren conocimientos previos específicos, ya que está diseñado para beneficiar a un amplio espectro de profesionales, tanto con experiencia como sin ella, así como a estudiantes de disciplinas relacionadas con la construcción, tanto en el ámbito universitario como en la formación profesional. El proceso de aprendizaje está estructurado de manera gradual, lo que permite a los participantes profundizar en los aspectos que más les interesen, apoyándose en material complementario y enlaces a recursos en línea, como vídeos y catálogos.

En este curso, adquirirás conocimientos fundamentales sobre la fabricación de hormigones y el uso de maquinaria relacionada, incluyendo centrales de hormigonado, transporte y bombeo de hormigón, cintas transportadoras, gunitado, colocación de hormigón bajo el agua y en condiciones de frío o calor, así como grandes vertidos, compactación por vibrado, hormigón al vacío, curado, juntas de construcción, hormigón precolocado y tipos de hormigón como el de fibra de vidrio, autocompactantes, compactados con rodillo y ligeros.

El enfoque principal del programa es comprender los principios que rigen la fabricación y la puesta en obra del hormigón, tanto prefabricado como ejecutado en obra, prestando atención a sus características más importantes y a los aspectos constructivos relevantes en ingeniería civil y edificación. El curso abarca un amplio espectro y profundiza en los fundamentos de la ingeniería de la construcción, además de destacar la importancia de fomentar el pensamiento crítico de los estudiantes, especialmente en relación con la selección de métodos, técnicas y maquinaria que se deben aplicar en situaciones concretas. Además, este curso trata de llenar el vacío que a menudo deja la bibliografía habitual y está diseñado para que los estudiantes puedan profundizar en los conocimientos adquiridos y adaptarlos a su experiencia previa o a sus objetivos personales y empresariales.

El contenido del curso se organiza en 50 lecciones, cada una de las cuales constituye una secuencia de aprendizaje completa. Además, se ofrece un amplio conjunto de problemas resueltos que complementan la teoría presentada en cada lección. Se estima que se necesitan entre dos y tres horas para completar cada lección, en función del interés del estudiante por profundizar en los temas mediante el material adicional proporcionado.

Al finalizar cada unidad didáctica, el estudiante se enfrenta a una serie de preguntas diseñadas para consolidar los conceptos fundamentales y fomentar la curiosidad sobre aspectos relacionados con el tema tratado. También se han diseñado tres unidades adicionales para reforzar los conocimientos adquiridos a través del desarrollo de casos prácticos, en los que se fomenta el pensamiento crítico y la capacidad para resolver problemas reales. Finalmente, al concluir el curso, se llevará a cabo un conjunto de preguntas tipo test con el objetivo de evaluar el aprovechamiento del estudiante, además de servir como herramienta de aprendizaje.

El curso está diseñado para una dedicación total de 75 horas por parte del estudiante. Se busca mantener un ritmo moderado, con una dedicación semanal de aproximadamente 10 a 15 horas, en función del nivel de profundidad que cada estudiante desee alcanzar. La duración total del curso es de seis semanas de aprendizaje.

Lo que aprenderás

Al finalizar el curso, los objetivos de aprendizaje básicos son los siguientes:

  1. Comprender la utilidad y las limitaciones de la maquinaria empleada en la fabricación del hormigón, tanto prefabricado como elaborado en obra
  2. Evaluar y seleccionar los procedimientos constructivos para la colocación del hormigón, atendiendo a criterios económicos y técnicos
  3. Conocer las buenas prácticas y los aspectos de seguridad implicados en el transporte, vertido, compactación y curado del hormigón
  4. Analizar las características específicas en la fabricación y colocación de hormigones especiales como los autocompactantes, ligeros, con fibras, precolocados, compactados con rodillo y otros.

Programa del curso

  • Lección 1. Fabricación de hormigones
  • Lección 2. Homogeneidad en la fabricación del hormigón
  • Lección 3. Amasado del hormigón
  • Lección 4. Amasadoras de hormigón
  • Lección 5. Centrales de fabricación de hormigón
  • Lección 6. Hormigoneras
  • Lección 7. Cálculo de la temperatura de fabricación del hormigón
  • Lección 8. Almacenamiento de áridos
  • Lección 9. Corrección de humedad de los áridos
  • Lección 10. Transporte del cemento
  • Lección 11. Silos fijos de cemento
  • Lección 12. Cemento para hormigones resistentes a sulfatos en cimentaciones
  • Lección 13. Carretillas manuales o a motor para el transporte del hormigón
  • Lección 14. Hormigonado con cubilote
  • Lección 15. Transporte del hormigón mediante cintas transportadoras
  • Lección 16. Colocación del hormigón mediante bombeo
  • Lección 17. Torres distribuidoras de hormigón
  • Lección 18. Problemas de bombeo de hormigón
  • Lección 19. Hormigón proyectado: gunitado
  • Lección 20. Recomendaciones para el vertido de hormigón
  • Lección 21. Trompas de elefante para la colocación del hormigón
  • Lección 22. Hormigonado con tubería Tremie
  • Lección 23. Técnicas de colocación del hormigón bajo el agua
  • Lección 24. Fabricación y colocación del hormigón en tiempo caluroso
  • Lección 25. Fabricación y colocación del hormigón en tiempo frío
  • Lección 26. Hormigonado en condiciones de viento
  • Lección 27. Vertido y compactación de hormigón en soportes de sección reducida
  • Lección 28. Grandes vertidos de hormigón
  • Lección 29. Razones para compactar el hormigón
  • Lección 30. Compactación manual del hormigón: picado y apisonado
  • Lección 31. Compactación del hormigón por vibrado
  • Lección 32. Vibradores de aguja para compactar el hormigón
  • Lección 33. Vibradores externos para encofrados de hormigón
  • Lección 34. Mesa vibrante de hormigón
  • Lección 35. Compactación del hormigón con regla vibrante
  • Lección 36. Compactación del hormigón por centrifugación
  • Lección 37. Hormigón al vacío
  • Lección 38. Alisadoras rotativas o fratasadoras
  • Lección 39. Revibrado del hormigón
  • Lección 40. Agrietamiento plástico durante el fraguado del hormigón: Nomograma de Menzel
  • Lección 41. Necesidad y fases del curado del hormigón
  • Lección 42. Curado de pavimentos y otras losas de hormigón sobre tierra
  • Lección 43. Curado al vapor del hormigón e índice de madurez
  • Lección 44. Hormigón de limpieza en fondos de excavación
  • Lección 45. Las juntas de construcción en el hormigón
  • Lección 46. Hormigón precolocado: Prepakt y Colcrete
  • Lección 47. Hormigón reforzado con fibra de vidrio
  • Lección 48. Hormigón autocompactante
  • Lección 49. Hormigones compactados con rodillo
  • Lección 50. Hormigones ligeros
  • Supuesto práctico 1.
  • Supuesto práctico 2.
  • Supuesto práctico 3.
  • Batería de preguntas final

Conozca a los profesores

Víctor Yepes Piqueras

Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos (1982-1988). Número 1 de promoción (Sobresaliente Matrícula de Honor). Especialista Universitario en Gestión y Control de la Calidad (2000). Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos, Sobresaliente “cum laude”. Catedrático de Universidad en el área de ingeniería de la construcción en la Universitat Politècnica de València y profesor, entre otras, de las asignaturas de Procedimientos de Construcción en los grados de ingeniería civil y de obras públicas. Ha recibido el Premio a la Excelencia Docente por parte del Consejo Social. Su experiencia profesional se ha desarrollado como jefe de obra en Dragados y Construcciones S.A. (1989-1992) y en la Generalitat Valenciana como Director de Área de Infraestructuras e I+D+i (1992-2008). Ha sido Director Académico del Máster Universitario en Ingeniería del Hormigón (2008-2017), obteniendo durante su dirección la acreditación EUR-ACE para el título. Profesor Visitante en la Pontificia Universidad Católica de Chile. Investigador Principal en 6 proyectos de investigación competitivos. Ha publicado más de 175  artículos en revistas indexadas en el JCR. Autor de 10 libros, 22 apuntes docentes y más de 350 comunicaciones a congresos. Ha dirigido 17 tesis doctorales, con 10 más en marcha. Sus líneas de investigación actuales son las siguientes: (1) optimización sostenible multiobjetivo y análisis del ciclo de vida de estructuras de hormigón, (2) toma de decisiones y evaluación multicriterio de la sostenibilidad social de las infraestructuras y (3) innovación y competitividad de empresas constructoras en sus procesos. Ha recibido el Premio a la Excelencia Docente por parte del Consejo Social, así como el Premio a la Trayectoria Excelente en Investigación y el Premio al Impacto Excelente en Investigación, ambos otorgados por la Universitat Politècnica de València.

Lorena Yepes Bellver

Lorena Yepes Bellver es Profesora Asociada en el Departamento de Mecánica de los Medios Continuos y Teoría de las Estructuras de la Universitat Politècnica de València. Es ingeniera civil, máster en ingeniería de caminos, canales y puertos y máster en ingeniería del hormigón. Ha trabajado en los últimos años en empresas constructoras y consultoras de ámbito internacional. Aparte de su dedicación docente e investigadora, actualmente se dedica a la consultoría en materia de ingeniería y formación.

Nuevo estudio propone solución clave para reducir la huella de carbono en grandes proyectos de construcción internacionales

Un estudio innovador, titulado «Research on coupling optimization of carbon emissions and carbon leakage in international construction projects» y publicado en la prestigiosa revista Scientific Reports, aborda un desafío crítico para la construcción internacional: cómo optimizar las emisiones y las fugas de carbono en grandes proyectos de infraestructura.

Liderado por Zhiwu Zhou, de la Hunan University of Science and Engineering, y colaboradores como Víctor Yepes de la Universitat Politècnica de València, el artículo desarrolla un modelo matemático avanzado para analizar y predecir las emisiones de carbono a lo largo de todo el ciclo de vida de los proyectos de construcción en diferentes países. Este estudio es especialmente relevante en un contexto donde la globalización y el comercio internacional están impulsando el crecimiento económico, pero también contribuyendo de manera significativa al cambio climático.

Contexto y relevancia del estudio

El fenómeno conocido como «fuga de carbono» se ha convertido en un problema clave en la lucha contra el cambio climático. Este término se refiere al traslado de actividades productivas intensivas en carbono desde países con regulaciones estrictas sobre emisiones a países con normativas más laxas, lo que, paradójicamente, puede aumentar las emisiones globales. A medida que los países desarrollados implementan políticas más estrictas para reducir sus emisiones, existe la preocupación de que esto pueda incentivar a las empresas a trasladar su producción a países en desarrollo, exacerbando el problema en lugar de solucionarlo.

La construcción es uno de los sectores que más contribuye a las emisiones de carbono a nivel mundial. De hecho, la infraestructura está vinculada al 50 % de las emisiones globales, y se prevé que la inversión en infraestructuras alcance los 94000 millones de dólares para 2040, lo que pone de manifiesto la importancia de abordar el problema en este sector. El estudio de Zhou y su equipo se centra en ofrecer una herramienta para medir y mitigar la fuga de carbono en los grandes proyectos internacionales de construcción.

Metodología del estudio

La investigación combina una revisión bibliográfica extensa con el desarrollo de un modelo matemático que tiene en cuenta múltiples factores de incertidumbre asociados a los proyectos internacionales. Para analizar las emisiones y fugas de carbono, los investigadores emplearon bases de datos de cadenas de suministro reconocidas a nivel internacional, como Ecoinvent y OpenLCA, conforme a los estándares ISO 14040 e ISO 14044. Estas bases de datos permiten rastrear el ciclo de vida completo de los materiales y la energía utilizados en un proyecto, desde la extracción de materias primas hasta el transporte, la construcción y la eventual demolición.

El estudio utilizó como caso práctico un importante proyecto de infraestructura: el puente transnacional China-Indonesia, un proyecto internacional clave gestionado bajo el modelo EPC (ingeniería, contratación y construcción). Este puente, que conecta ambos países, se convirtió en un ejemplo ideal para analizar la huella de carbono debido a su complejidad técnica y logística, así como su impacto transnacional. El análisis de este caso permitió a los autores validar la robustez de su modelo teórico.

Resultados más destacados

Uno de los hallazgos más importantes del estudio es la notable diferencia en la huella de carbono entre los países exportadores e importadores. En el caso del puente China-Indonesia, los datos revelaron que la proporción de emisiones de carbono entre los países exportadores e importadores era de 0,577:100, lo que indica que los países que producen materiales y maquinaria (en este caso, China) soportan una mayor parte de la carga de emisiones. Esto sugiere que los países importadores, que son los principales beneficiarios de los proyectos de infraestructura, deberían asumir una mayor responsabilidad en la compensación de estas emisiones.

Además, el estudio pone de relieve que la utilización de acero, cemento y otros materiales intensivos en carbono es una de las principales fuentes de emisiones en los proyectos de construcción internacionales. Sin embargo, los resultados mostraron que optimizar la cadena de suministro y aplicar técnicas de transporte más eficientes pueden reducir significativamente estas emisiones. Por ejemplo, el uso de transporte marítimo en lugar de aéreo o terrestre para mover grandes volúmenes de materiales redujo las emisiones de manera sustancial.

Otro resultado clave es que la fuga de carbono no solo se produce durante la fase de construcción, sino también a lo largo de todo el ciclo de vida del proyecto, desde el diseño hasta la demolición. Las emisiones asociadas al diseño, el transporte y el montaje de los materiales también representan una parte significativa del impacto ambiental total de los proyectos.

Implicaciones del estudio

Este estudio tiene importantes implicaciones para los responsables políticos y las empresas constructoras. En primer lugar, los autores destacan la necesidad de desarrollar políticas más eficaces para gestionar la fuga de carbono en el comercio internacional. Las políticas actuales, como los ajustes en las fronteras de carbono (Carbon Border Adjustment Mechanisms, CBAM), son un buen paso hacia la reducción de la fuga de carbono, pero no son suficientes si no se aplican de manera coordinada a nivel global. Los investigadores sugieren que las empresas que participan en proyectos internacionales de construcción deben tener en cuenta no solo el coste económico, sino también el impacto ambiental y la huella de carbono de sus operaciones.

Por otro lado, el estudio subraya la importancia de optimizar las cadenas de suministro internacionales para reducir las emisiones de carbono. Esto implica seleccionar cuidadosamente los materiales, gestionar de manera eficiente el transporte y adoptar tecnologías más limpias durante el proceso de construcción. Los investigadores argumentan que los esfuerzos por reducir las emisiones deben extenderse a todas las fases del proyecto, no solo a la construcción, y que las empresas deben colaborar más estrechamente con los gobiernos para diseñar estrategias eficaces de mitigación del carbono.

Conclusiones

En resumen, el estudio ofrece una herramienta valiosa para evaluar y mitigar las emisiones y fugas de carbono en proyectos de construcción internacionales. Al utilizar un enfoque matemático riguroso y bases de datos internacionales de alto nivel, este trabajo proporciona un marco científico sólido para ayudar a los gobiernos y a las empresas a tomar decisiones más informadas sobre cómo reducir el impacto ambiental de sus proyectos.

Este enfoque no solo es relevante para los proyectos de infraestructura a gran escala, sino que también tiene el potencial de influir en la forma en que las políticas de carbono se diseñan e implementan a nivel global. La investigación concluye que, aunque los costes iniciales de adoptar prácticas más sostenibles pueden ser elevados, los beneficios a largo plazo, tanto en términos económicos como ambientales, justifican plenamente esta inversión.

Referencia:

ZHOU, Z.; WANG, Y.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2024). Research on coupling optimization of carbon emissions and carbon leakage in international construction projects. Scientific Reports, 14: 10752. DOI:10.1038/s41598-024-59531-4

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Técnica innovadora optimiza estructuras de hormigón y reduce emisiones de CO₂ al considerar la interacción suelo-estructura

El artículo científico, titulado «Metamodel-assisted meta-heuristic design optimization of reinforced concrete frame structures considering soil-structure interaction» y publicado recientemente en Engineering Structures, una de las revistas de mayor impacto en ingeniería civil, aborda un desafío clave en la ingeniería estructural: cómo optimizar el diseño de estructuras de hormigón armado para minimizar su impacto ambiental, con especial atención a la reducción de las emisiones de CO₂.

Esta investigación es el resultado de una colaboración internacional realizada en el marco de los proyectos HYDELIFE y RESILIFE, cuyo investigador principal es Víctor Yepes, y es fruto de una colaboración internacional entre investigadores de Cuba, Brasil y España.

Contexto de la investigación

La optimización estructural ha sido ampliamente explorada en las últimas décadas debido a la creciente necesidad de reducir los costes de construcción y el uso de materiales, todo ello mientras se minimiza el impacto ambiental. En el caso de las estructuras de hormigón armado, que son esenciales en la construcción de edificios y obras de infraestructura, optimizar su diseño conlleva implicaciones significativas en cuanto al ahorro de recursos y la reducción de las emisiones de CO₂.

Los problemas de optimización estructural pueden resolverse mediante métodos exactos, como la programación matemática, o mediante métodos heurísticos que imitan procesos naturales (como la evolución genética o el comportamiento de enjambres). Aunque los métodos heurísticos son más eficientes para problemas complejos y no lineales, como los que involucran grandes estructuras tridimensionales, requieren un alto coste computacional. Para abordar este problema, los autores proponen el uso de metamodelos, que son modelos simplificados que permiten realizar simulaciones con un consumo computacional mucho menor sin sacrificar demasiada precisión. En este estudio, se utiliza un metamodelo basado en Kriging, una técnica que permite aproximar el comportamiento de estructuras complejas.

Además, el estudio introduce una novedad crucial: la inclusión de la interacción suelo-estructura (SSI, por sus siglas en inglés) durante el modelado. Esta interacción, que muchas veces se ignora en los modelos tradicionales, afecta significativamente al comportamiento de la superestructura (el marco de hormigón). Ignorarla puede dar lugar a diseños menos precisos que no tienen en cuenta los asentamientos diferenciales del suelo, lo que puede provocar tensiones adicionales y un mayor deterioro de las estructuras con el tiempo.

Metodología

La investigación emplea un enfoque combinado de optimización heurística convencional y una estrategia basada en Kriging para optimizar marcos espaciales de hormigón armado. El objetivo es reducir las emisiones de CO₂ de las estructuras optimizadas, en línea con los esfuerzos para disminuir el impacto ambiental del sector de la construcción. El estudio incluye tres estudios de caso, cada uno con diferentes configuraciones estructurales (variando la longitud de los vanos y el número de niveles de las estructuras) para generalizar los resultados.

El elemento clave en esta investigación es la inclusión de la interacción suelo-estructura, que afecta al comportamiento global del sistema. Los autores utilizan un modelo de Winkler, que representa el suelo como un conjunto de resortes con rigidez variable en función de las características del suelo, y lo implementan en dos tipos de suelos: uno cohesivo y otro granular. Esta diferenciación es importante porque cada tipo de suelo responde de manera distinta a las cargas, lo que provoca asentamientos que, en última instancia, influyen en las tensiones de la superestructura. La plataforma CSi-SAP2000 se utilizó como motor de cálculo, mientras que el análisis geotécnico y estructural se integró mediante MATLAB.

Resultados

Uno de los hallazgos más destacados del estudio es que la inclusión de la interacción suelo-estructura modifica significativamente los diseños estructurales. En general, las estructuras diseñadas teniendo en cuenta la interacción suelo-estructura requieren más material (mayores cantidades de hormigón y acero), lo que refleja el aumento de tensiones debido a los asentamientos diferenciales. Por ejemplo, en comparación con un modelo con soportes rígidos ideales, las estructuras que consideran la inclusión de la interacción suelo-estructura muestran un aumento del 12,03 % en las emisiones de CO₂ en suelos cohesivos y hasta un 18,81 % en suelos friccionales.

Los elementos estructurales más afectados por la interacción suelo-estructura son las columnas. Esto se debe a que los asentamientos diferenciales incrementan los momentos flectores en las columnas, lo que requiere un refuerzo adicional y secciones más grandes para resistir las nuevas tensiones. En algunos casos, las emisiones de CO₂ asociadas a las columnas aumentaron más del 60 % al considerar la interacción con el suelo. Los resultados son especialmente marcados en suelos granulares, donde los asentamientos diferenciales son más pronunciados.

Además, la metodología basada en metamodelos, asistida por la técnica de Kriging, demostró ser eficaz para lograr optimizaciones con un alto grado de precisión (hasta un 98,24 % en suelos cohesivos y un 98,10 % en suelos granulares), todo ello reduciendo el tiempo de cálculo en aproximadamente un 90 % en comparación con los métodos heurísticos convencionales.

Implicaciones

Este estudio tiene importantes implicaciones prácticas para el diseño de estructuras de hormigón armado. La inclusión de la interacción suelo-estructura permite obtener diseños más robustos y precisos, lo que reduce el riesgo de fallos prematuros y la necesidad de costosos trabajos de mantenimiento a largo plazo. Los modelos que no tienen en cuenta la interacción suelo-estructura pueden dar como resultado estructuras que inicialmente parecen eficientes, pero que con el tiempo se deterioran más rápidamente debido a las tensiones adicionales no previstas. Por tanto, incluir esta interacción desde el inicio del diseño mejora significativamente la durabilidad y la fiabilidad de las estructuras.

Desde el punto de vista ambiental, el uso de metamodelos para optimizar estructuras de hormigón supone un importante avance. Al reducir el material necesario y mejorar la eficiencia estructural, se contribuye a la reducción de las emisiones de CO₂, un objetivo clave en la lucha contra el cambio climático. Además, la metodología propuesta ofrece un enfoque más sostenible al disminuir los recursos computacionales necesarios para realizar simulaciones complejas.

En conclusión, la inclusión de la interacción suelo-estructura y el uso de metamodelos basados en Kriging suponen una contribución innovadora al campo de la ingeniería estructural. Esta investigación no solo proporciona mejores resultados de diseño, sino que también tiene el potencial de reducir el impacto ambiental de las estructuras de hormigón armado, lo que hace que el sector de la construcción sea más sostenible y eficiente.

Referencia:

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

Este artículo está publicado en abierto, por lo que puedes descargar aquí mismo:

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