Las fiebres tifoideas y los puentes de altura estricta de Carlos Fernández Casado

Carlos Fernández Casado (1905-1988)

No hay nada como un retiro obligado para que las mentes más brillantes reluzcan con todo su esplendor. Así, cuando en 1665 cerró la Universidad de Cambridge debido a la peste, Isaac Newton (1642-1727) tuvo que volver a casa natal de Woolsthorpe y, durante ese retiro, sentó las bases de sus teorías de cálculo y las leyes del movimiento y la gravitación. Algo similar ocurrió con uno de los ingenieros españoles más destacados y singulares del siglo XX, D. Carlos Fernández Casado. Recomiendo leer su biografía y obras a las nuevas generaciones de ingenieros, pues es todo un referente. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos con 19 años, también fue Ingeniero de Telecomunicaciones, Licenciado en Filosofía y Letras, Licenciado en Derecho a los 68 años, e incluso inició los estudios universitarios de Psicología. Con todo, su faceta humana y generosidad sobrepasan su inteligencia privilegiada y sus extraordinarios logros profesionales.

Pero la entrada de hoy tiene que ver con la relación existente entre el tiempo disponible forzado por un retiro, enfermedad o cualquier otra circunstancia, y la creación. Carlos Fernández Casado tuvo su primer destino profesional como ingeniero de caminos en Granada (1928-1932), lo que le permitió entrar en contacto con la intelectualidad de la época, cuya figura más visible fue Federico García Lorca, y con la Naturaleza en sus primeros trabajos, lo cual contribuyó a conformar su planteamiento intelectual y vital. Pues bien, al final de sus años en Granada enfermó con fiebres tifoideas, lo que le obligó a guardar cama durante varias semanas, propiciando esta situación la reflexión personal sobre lo que había hecho hasta el momento. Este hecho fue fundamental en su vida, pues significó un cambio de rumbo en su vida.

Fruto de estas reflexiones, a la temprana edad de 25 años, en 1930, Fernández Casado desarrolla la conocida “Colección de Puentes de Altura Estricta” (Manterola, 1988). El objetivo de esta colección era el diseño de puentes que pudieran salvar las luces prácticas más corrientes con la mínima pérdida de altura. Se trata de una de las mejores y más queridas obras realizadas por D. Carlos. Se refleja en esta colección la manera de concebir la ingeniería y el afán por lo estricto como planteamiento ético y estético. En una referencia recogida por su hijo, Leonardo Fernández Troyano (2007) publicada en la Revista de Obras Públicas, definía claramente esta concepción de lo estricto, concepción que ha calado en numerosas generaciones de ingenieros:

Este sentido de lo estricto -supresión de lo accesorio de la obra definitiva y a lo largo del proceso constructivo- elimina radicalmente lo decorativo, partiendo de lo funcional llegamos directamente a lo estructural” (Fernández-Casado, 1933).

La colección destila una simplicidad absoluta de sus elementos, con el uso exclusivo del plano y la línea recta, con la única excepción de las columnas cilíndricas, que encajan a la perfección al ser también ellos elementos estrictos, pues su forma interfiere mínimamente con el flujo hidráulico.

Pero esta simplicidad se hermana directamente con el amor que procesaba a la Naturaleza. El paradigma actual de la sostenibilidad, y que también tiene mucho que ver con mi pasión por la optimización multiobjetivo de los puentes, a la que tanto esfuerzo he dedicado. Todo un adelantado a su tiempo. En sus propias palabras:

Que se arranque lo menos posible el material de la mina, que la menor cantidad de piedra y arena se desvíen de su proceso evolutivo, que se consuma el mínimo de combustible en los transportes y se introduzcan las menos ideas nuevas en el paisaje” (Fernández-Casado,  1951).

La colección, muy ambiciosa morfológicamente, incluye pórticos sencillos (series I y II), pórticos en pi (series III y IV), puentes continuos de tres vanos (series V y VI), puentes continuos de tres vanos con articulaciones intermedias a media ladera (series VII y VIII). La sección transversal, por su parte, podía ser en losa, o en vigas T en la zona central del vano y cajones cerrados en las zonas laterales.

Los primeros tres puentes de esta colección se realizaron en Jaén, por encargo del ingeniero José Acuña y Gómez de la Torre. El primero fue el de Santo Tomé, el segundo el del río Onsares, y el tercero, el del río Guadalimar, construidos el primero en 1934 y los dos últimos, un año más tarde (Burgos et al., 2012). Se construyeron más de 50 puentes de la colección, tanto por Fernández Casado como por otros ingenieros. Como dice Javier Manterola en un artículo publicado a los pocos meses del fallecimiento de D. Carlos, (justo en el año en el que esto escribe terminó su carrera de Ingeniero de Caminos): “estos puentes son historia y en ellos nos reconocemos los que nos dedicamos a este quehacer” (Manterola, 1988).

Puente en Santo Tomé sobre el río de La Vega. Vista del puente en construcción. http://www.cehopu.cedex.es/cfc/pict/I-FC001-003.htm

Referencias:

 

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Algunas conclusiones de nuestros trabajos en optimización multiobjetivo de puentes

Hoy hace justo un año que realicé mi defensa pública de la plaza de Catedrático de Universidad en el Área de Ingeniería de la Construcción. Tuve en aquel momento la oportunidad de exponer como parte de la prueba un trabajo de investigación, basado fundamentalmente en los trabajos realizados por nuestro grupo. Se trataba del diseño eficiente de puentes de hormigón postesado de sección en cajón unicelular mediante una optimización multiobjetivo basada en criterios sostenibles. Las conclusiones que aquí se resumen son fruto de varios estudios previos para examinar el uso de cementos con adiciones, la importancia de la carbonatación en la captura de CO2 y en la durabilidad, la reutilización del hormigón, el uso del hormigón autocompactante, los diseños sostenibles de puentes artesa prefabricados de hormigón pretensado, la relación entre el coste y el CO2, así como la energía, los diseños sostenibles de pasarelas de hormigón postesado, los algoritmos heurísticos y las técnicas de toma de decisiones para analizar y reducir el conjunto óptimo de Pareto. Los resultados de estos estudios previos fueron la base del trabajo presentado. Se planteó una optimización multiobjetivo basada en criterios económicos, ambientales, de durabilidad y de seguridad. Además, se formuló una herramienta informática que permitió el uso de software comercial para realizar el análisis del puente con elementos finitos, en un proceso de diseño automático. Al final de la entrada os he dejado referencias directamente relacionadas con la investigación de nuestro grupo en optimización multiobjetivo y toma de decisión multicriterio de puentes a lo largo de su ciclo de vida.

En primer lugar, se estudió el diseño óptimo de puentes de carreteras de hormigón postesado de sección en cajón considerando los costes, las emisiones de CO2 y el coeficiente de seguridad global. Para aplicar la metodología propuesta, se realizó un estudio de caso de un puente continuo de tres vanos situado en una zona costera. Los resultados mostraron que tanto el coste económico como la reducción de las emisiones de CO2 conducen a una reducción en el consumo de material y por lo tanto, son objetivos alineados. Ello indica que la optimización de costes es un buen enfoque para lograr un diseño respetuoso con el medio ambiente. El análisis de la frontera de Pareto indicó las variables más eficientes para mejorar la seguridad con el coste mínimo y las emisiones de CO2. Dado que el coste y las emisiones estaban estrechamente relacionados, el desafío se tradujo en la conversión de las limitaciones estructurales de seguridad y durabilidad en funciones objetivo. Este enfoque permitió encontrar múltiples soluciones alternativas que, con un incremento muy pequeño en el coste, consiguen mayor seguridad y durabilidad. Además, se destacó la eficiencia del aumento de la resistencia y del recubrimiento del hormigón para prolongar la vida útil. La frontera de Pareto se utilizó posteriormente para seleccionar planes de mantenimiento del puente óptimos, basados en su nivel inicial de seguridad y durabilidad. Este planteamiento es consistente con el argumento de que el proceso de deterioro puede causar una reducción en la seguridad estructural. Este estudio permitió analizar las ventajas que presenta un diseño optimizado para prolongar la vida útil de la estructura y mejorar su seguridad. Se llevó a cabo una optimización de la vida útil sostenible a través de un enfoque probabilístico. El plan de mantenimiento óptimo tiene como objetivo minimizar los impactos económicos, ambientales y sociales mientras se satisface el objetivo de fiabilidad durante una vida útil. Finalmente, se compararon los costes del ciclo de vida y las emisiones entre las distintas alternativas.

En paralelo, se desarrolló un metamodelo basado en redes neuronales, para reducir el tiempo de cálculo. Las ANNs se entrenaron para predecir la respuesta estructural en términos de los estados límite en función de las variables de diseño, sin necesidad de un análisis completo del puente. Se propuso una metaheurística mejorada basada en la búsqueda de la armonía multiobjetivo. Se mejoró la diversificación y la intensificación en la búsqueda de soluciones para mejorar la convergencia. Finalmente, se propuso una técnica de toma de decisiones llamada AHP-VIKOR bajo incertidumbre para reducir la frontera de Pareto a un conjunto de soluciones preferidas. Este método permite al decisor introducir fácilmente las preferencias en un criterio específico sujeto a incertidumbre.

Las conclusiones generales de este trabajo de investigación fueron las siguientes:

  • La minimización de costes y emisiones de CO2 conduce a un diseño de puente que favorece la eficiencia estructural minimizando la cantidad de materiales. La inclusión del objetivo de seguridad destaca las mejores variables para mejorar la seguridad y por lo tanto, la robustez de cada variable para el diseño eficiente. El objetivo de durabilidad, evaluado como el inicio de la corrosión, estableció la mejor combinación de resistencia y recubrimiento del hormigón para alcanzar un objetivo de vida de servicio.
  • El canto, el espesor de la losa inferior, las armaduras activas y la armadura pasiva longitudinal son las variables principales que proporcionan la resistencia a flexión. Sin embargo, no se recomienda un incremento de espesor de la losa superior y del ala para mejorar la seguridad estructural, pues conduce a pesos propios adicionales. Para mejorar el comportamiento a flexión transversal, se incrementa el espesor del arranque del ala y se disminuye la longitud del ala. La inclinación del alma puede ser constante, pues tanto la profundidad como la anchura de inclinación del alma aumentan en paralelo para mejorar la seguridad. El espesor del alma no es la variable más económica para aumentar la resistencia a esfuerzo cortante; por el contrario, se incrementa la armadura de refuerzo.
  • El uso de hormigón de alta resistencia puede reducir el canto o la cantidad de armadura. Sin embargo, las restricciones relativas a los estados límite de servicio y las cuantías mínimas de armadura condicionan estas variables. Por lo tanto, el hormigón de alta resistencia no es la mejor solución para mejorar la seguridad. Sin embargo, este resultado cambia cuando se tiene en cuenta el ciclo de vida. Un incremento en la resistencia del hormigón alarga la vida útil de servicio, pues se retrasa el inicio de la corrosión. Por otro lado, el incremento en la resistencia del hormigón presenta mejores resultados a lo largo del ciclo de vida para diseños con inicios de corrosión similares, en comparación con el incremento del recubrimiento de hormigón.
  • Un diseño inicial que incorpore la durabilidad como objetivo y no como restricción resulta especialmente beneficioso si se quiere alargar el ciclo de vida de la estructura. Diseños que retrasen el inicio de la corrosión implican un menor coste del ciclo de vida, incluso con costes iniciales más altos. Sin embargo, un nivel de seguridad inicial más alto no siempre ofrece como resultado un mejor rendimiento del ciclo de vida.

 

A partir de los estudios, se extrajeron estas conclusiones específicas:

  • El empleo de cementos con adiciones conlleva una reducción en la captura de carbono y en la vida útil debido a la carbonatación. A pesar de esto, los cementos con adiciones disminuyen las emisiones anuales. El hormigón autocompactante no es aconsejable desde el punto de vista medioambiental. En términos de coste, se obtienen pocas diferencias entre el hormigón vibrado convencional y el hormigón autocompactante.
  • Es fundamental reutilizar el hormigón como gravas en material de relleno para lograr una completa carbonatación y reducir las emisiones de CO2.
  • En el puente postesado estudiado, la reducción del coste en 1 euro disminuye las emisiones de CO2 en 2,34 kg. En cuanto al coeficiente de seguridad global, se obtienen tres relaciones lineales entre el coste y este objetivo. Para aumentar el coeficiente de seguridad global de 1,0 a 1,4, los costes aumentan en 12,5%. Después de este punto, los resultados de mejora de la seguridad son más caros. Con respecto al inicio de la corrosión, con pequeños incrementos de coste se consiguen retrasos significativos.
  • El estado límite de descompresión es restrictivo y condiciona variables como el canto y el número de torones de pretensado. Dado que estas variables también influyen en la flexión, este estado límite no es restrictivo hasta que el coeficiente de seguridad global alcanza 1,4.
  • La relación entre el coste y el CO2 se mantiene para todos los niveles de seguridad y por lo tanto, la optimización de costes es un buen enfoque para minimizar las emisiones independientemente del nivel de seguridad.
  • En estructuras con un espacio de soluciones factibles pequeños, el coste y la emisión se encuentran muy relacionados. Sin embargo, las estructuras de hormigón armado, que presentan espacios factibles mayores, conducen a diseños medioambientales con mayores secciones, mayor cantidad de hormigón, menor acero y horigones con la menor resistencia característica.
  • El plan de mantenimiento óptimo es aquel que presenta menos operaciones que reparen simultáneamente todas las superficies deterioradas. A pesar de que existe un deterioro diferente para cada una de las caras de la sección expuesta, los resultados recomiendan reparar todas las superficies conjuntamente. Las operaciones de mantenimiento deben programarse al mismo tiempo para reducir el impacto de las interrupciones del tráfico.
  • Por lo general, la optimización del coste de mantenimiento también conduce a la minimización de las emisiones de CO2. Esto se atribuye al hecho de que tanto las emisiones como los costes pretenden reducir el número total de operaciones de mantenimiento. Sin embargo, la optimización de costes intenta retrasar la fecha de la primera reparación. Por lo tanto, la determinación del número de operaciones y el retraso de la primera fecha de mantenimiento, reduce también el coste al mínimo.
  • Las redes neuronales constituyen una buena herramienta para predecir la respuesta de la estructura, proporcionar una buena dirección de búsqueda y reducir el coste computacional. Sin embargo, al final del proceso de búsqueda, se necesitan modelos de análisis completo para converger más cerca de la frontera de Pareto real.
  • La transición de la diversificación a la intensificación, que elimina progresivamente la combinación de soluciones y la selección aleatoria, mejora el rendimiento del algoritmo.
  • El método AHP-VIKOR bajo incertidumbre redujo el conjunto de Pareto a pocas soluciones preferidas. Para este estudio de caso, se prefieren las soluciones con el mayor tiempo de inicio de la corrosión, pues la mejora de la durabilidad no implica grandes diferencias de costes.

 

Referencias:

  • PENADÉS-PLÀ, V.; GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V. (2019). Accelerated optimization method for low-embodied energy concrete box-girder bridge design. Engineering Structures, 179:556-565. DOI:10.1016/j.engstruct.2018.11.015
  • NAVARRO, I.J.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2019). Reliability-based maintenance optimization of corrosion preventive designs under a life cycle perspective. Environmental Impact Assessment Review, 74:23-34. DOI:1016/j.eiar.2018.10.001
  • GARCÍA-SEGURA, T.; PENADÉS-PLÀ, V.; YEPES, V. (2018). Sustainable bridge design by metamodel-assisted multi-objective optimization and decision-making under uncertainty. Journal of Cleaner Production, 202: 904-915. DOI:1016/j.jclepro.2018.08.177
  • NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2018). Life cycle impact assessment of corrosion preventive designs applied to prestressed concrete bridge decks. Journal of Cleaner Production, 196: 698-713. DOI:10.1016/j.jclepro.2018.06.110
  • NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2018). Social life cycle assessment of concrete bridge decks exposed to aggressive environments. Environmental Impact Assessment Review, 72:50-63. DOI:1016/j.eiar.2018.05.003
  • SIERRA, L.A.; YEPES, V.; PELLICER, E. (2018). A review of multi-criteria assessment of the social sustainability of infrastructures. Journal of Cleaner Production, 187:496-513. DOI:1016/j.jclepro.2018.03.022
  • NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2018). Life cycle cost assessment of preventive strategies applied to prestressed concrete bridges exposed to chlorides. Sustainability, 10(3):845. DOI:3390/su10030845
  • PENADÉS-PLÀ, V.; GARCÍA-SEGURA, T.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2018). An optimization-LCA of a prestressed concrete precast bridge. Sustainability, 10(3):685. DOI:3390/su10030685
  • SIERRA, L.A.; YEPES, V.; GARCÍA-SEGURA, T.; PELLICER, E. (2018). Bayesian network method for decision-making about the social sustainability of infrastructure projects. Journal of Cleaner Production, 176:521-534. DOI:1016/j.jclepro.2017.12.140
  • GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; FRANGOPOL, D.M. (2017). Multi-Objective Design of Post-Tensioned Concrete Road Bridges Using Artificial Neural Networks. Structural and Multidisciplinary Optimization, 56(1):139-150. DOI:1007/s00158-017-1653-0
  • GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; FRANGOPOL, D.M.; YANG, D.Y. (2017). Lifetime Reliability-Based Optimization of Post-Tensioned Box-Girder Bridges. Engineering Structures, 145:381-391. DOI:10.1016/j.engstruct.2017.05.013
  • PENADÉS-PLÀ, V.; MARTÍ, J.V.; GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V. (2017). Life-cycle assessment: A comparison between two optimal post-tensioned concrete box-girder road bridges. Sustainability, 9(10):1864. DOI:10.3390/su9101864
  • SIERRA, L.A.; PELLICER, E.; YEPES, V. (2017). Method for estimating the social sustainability of infrastructure projects. Environmental Impact Assessment Review, 65:41-53. DOI:10.1016/j.eiar.2017.02.004
  • SIERRA, L.A.; YEPES, V.; PELLICER, E. (2017). Assessing the social sustainability contribution of an infrastructure project under conditions of uncertainty. Environmental Impact Assessment Review, 67:61-72. DOI:10.1016/j.eiar.2017.08.003
  • YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GARCÍA-SEGURA, T.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2017). Heuristics in optimal detailed design of precast road bridges. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 17(4):738-749. DOI:10.1016/j.acme.2017.02.006
  • PENADÉS-PLÀ, V.; GARCÍA-SEGURA, T.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2016). A review of multi-criteria decision making methods applied to the sustainable bridge design. Sustainability, 8(12):1295. DOI:10.3390/su8121295
  • GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V. (2016). Multiobjective optimization of post-tensioned concrete box-girder road bridges considering cost, CO2 emissions, and safety. Engineering Structures, 125:325-336. DOI:10.1016/j.engstruct.2016.07.012
  • MARTÍ, J.V.; GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V. (2016). Structural design of precast-prestressed concrete U-beam road bridges based on embodied energy. Journal of Cleaner Production, 120:231-240. DOI:10.1016/j.jclepro.2016.02.024
  • GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; ALCALÁ, J.; PÉREZ-LÓPEZ, E. (2015). Hybrid harmony search for sustainable design of post-tensioned concrete box-girder pedestrian bridgesEngineering Structures, 92:112-122. DOI:10.1016/j.engstruct.2015.03.015
  • LUZ, A.; YEPES, V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; MARTÍ, J.V. (2015). Design of open reinforced concrete abutments road bridges with hybrid stochastic hill climbing algorithms. Informes de la Construcción, 67(540), e114. DOI:10.3989/ic.14.089
  • MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2015). Memetic algorithm approach to designing of precast-prestressed concrete road bridges with steel fiber-reinforcement. Journal of Structural Engineering, 141(2): 04014114. DOI:10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0001058
  • YEPES, V.; GARCÍA-SEGURA, T.; MORENO-JIMÉNEZ, J.M. (2015). A cognitive approach for the multi-objective optimization of RC structural problems. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 15(4):1024-1036. DOI:10.1016/j.acme.2015.05.001
  • YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GARCÍA-SEGURA, T. (2015). Cost and CO2 emission optimization of precast-prestressed concrete U-beam road bridges by a hybrid glowworm swarm algorithm. Automation in Construction, 49:123-134. DOI:10.1016/j.autcon.2014.10.013
  • MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; LUZ, A. (2014). Automated design of prestressed concrete precast road bridges with hybrid memetic algorithms. Revista Internacional de Métodos Numéricos para Cálculo y Diseño en Ingeniería, 30(3), 145-154. DOI:10.1016/j.rimni.2013.04.010
  • GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; ALCALÁ, J. (2014). Optimization of concrete I-beams using a new hybrid glowworm swarm algorithm. Latin American Journal of Solids and Structures, 11(7):1190 – 1205. DOI: 1590/S1679-78252014000700007
  • GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; ALCALÁ, J. (2014). Life-cycle greenhouse gas emissions of blended cement concrete including carbonation and durability. International Journal of Life Cycle Assessment, 19(1):3-12. DOI:10.1007/s11367-013-0614-0
  • MARTÍ-VARGAS, J.R.; FERRI, F.J.; YEPES, V. (2013). Prediction of the transfer length of prestressing strands with neural networks. Computers and Concrete, 12(2):187-209. DOI:10.12989/cac.2013.12.2.187
  • TORRES-MACHÍ, C.; YEPES, V.; ALCALA, J.; PELLICER, E. (2013). Optimization of high-performance concrete structures by variable neighborhood search. International Journal of Civil Engineering, 11(2):90-99.
  • MARTÍNEZ-MARTÍN, F.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; HOSPITALER, A.; YEPES, V. (2013). A parametric study of optimum tall piers for railway bridge viaducts. Structural Engineering and Mechanics, 45(6): 723-740. DOI: 12989/sem.2013.45.6.723
  • MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; YEPES, V.; ALCALÁ, J. (2013). Design of prestressed concrete precast road bridges with hybrid simulated annealing. Engineering Structures, 48:342-352. DOI:10.1016/j.engstruct.2012.09.014
  • MARTINEZ-MARTIN, F.J.; GONZALEZ-VIDOSA, F.; HOSPITALER, A.; YEPES, V. (2012). Multi-objective optimization design of bridge piers with hybrid heuristic algorithms. Journal of Zhejiang University-SCIENCE A (Applied Physics & Engineering, 13(6):420-432. DOI:10.1631/jzus.A1100304
  • PEREA, C.; YEPES, V.; ALCALÁ, J.; HOSPITALER, A.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2010). A parametric study of optimum road frame bridges by threshold acceptance. Indian Journal of Engineering & Materials Sciences, 17(6):427-437.
  • MARTÍNEZ, F.J.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; HOSPITALER, A.; YEPES, V. (2010). Heuristic Optimization of RC Bridge Piers with Rectangular Hollow Sections. Computers & Structures, 88(5-6): 375-386. DOI:10.1016/j.compstruc.2009.11.009
  • YEPES, V.; DÍAZ, J.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; ALCALÁ, J. (2009). Statistical Characterization of Prestressed Concrete Road Bridge Decks. Revista de la Construcción, 8(2):95-109.
  • PEREA, C.; ALCALÁ, J.; YEPES, V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; HOSPITALER, A. (2008). Design of Reinforced Concrete Bridge Frames by Heuristic Optimization. Advances in Engineering Software, 39(8): 676-688. DOI:10.1016/j.advengsoft.2007.07.007

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El acero como material estructural

Se define como acero estructural al producto de la aleación de hierro, carbono y pequeñas cantidades de otros elementos tales como silicio, fósforo, azufre y oxígeno, que le aportan características específicas. Tal y como indica el Real Decreto 751/2011 de 27 de mayo, por el que se aprueba la Instrucción de Acero Estructural (EAE), “las estructuras destinadas a obras de ingeniería civil y de edificación construidas en acero, junto con las realizadas en hormigón y las ejecutadas conjuntamente en acero y hormigón, constituyen la inmensa mayoría de las estructuras existentes construidas en el último siglo y de las nuevas que se proyectan actualmente en nuestro país“.

El acero se obtiene a través de un proceso industrial complejo. Existen, por tanto, en el mercado una gran variedad de aceros disponibles para su empleo en las estructuras, definidos por su forma y calidad, y su transformación por las técnicas habituales de corte y unión. Por ello es importante que el ingeniero estructural tenga en cuenta cómo se fabrica el material, los requisitos para su uso en proyecto y sus aplicaciones. Además de las propiedades mecánicas, tales como el esfuerzo de fluencia y la resistencia a la tensión, es importante considerar la ductilidad y la resistencia a la fractura, así como la composición química, la metalurgia y la soldabilidad. Con carácter general, las clases de acero utilizables en estructuras para perfiles y chapas, son aceros laminados en calientes, aceros con características especiales y aceros conformados en frío.

A continuación os dejo un vídeo educativo de la profesora Arianna Paola Guardiola, de la Universitat Politècnica de València, donde se explica en 9 minutos las clases y tipos de acero estructural, las secciones de acero laminado y su uso y se indican aplicaciones prácticas. Espero que os sea de interés.

 

 

 

 

¿Es suficiente diseñar un puente para una vida útil de 100 años?

Man-Chung Tang, Dr., P.E. T.Y. Lin International, USA

Durante el último congreso IALCCE, que tuvo lugar en Gante en octubre de 2018, tuve la oportunidad de escuchar la lección magistral (Fazlur R. Khan Lecture) del doctor Man-Chung Tang, denominada “Durability of bridges“. Fue una conferencia brillante, donde la gran experiencia y conocimiento de este gran ingeniero de puentes, dejó muy claros algunos conceptos de gran importancia.

El doctor Tang, nacido en Zhaoqing (China), en 1938, es el Presidente del Consejo de Administración y el Director Técnico de la firma T.Y. Lin International ubicada en San Francisco (Estados Unidos). Se trata de una empresa multinacional en el ámbito de las infraestructuras e ingeniería de todo tipo, que emplea a más de 2500 ingenieros, arquitectos y científicos. Además, recibió el premio Senior Award del IALCCE del 2018 (al igual que Tatiana García Segura recibió el Junior Award).

 

 

La lección magistral, tal y como la introduce el propio Congreso, se presentaba de la siguiente forma:

In the past, life cycle cost of a bridge is usually defined as the sum of initial costs, operation costs, maintenance costs, rehabilitation costs and disposal costs. Today, we may add environmental costs and social costs to arrive at a more realistic “total life cycle cost”. But the total life cycle cost of a bridge by itself does not have much meaning unless we also know the service life of the bridge. The economic efficiency of the bridge is the total life cycle cost divided by the service life of the bridge. The main factor affecting the service life is the durability of the bridge.

Lo que más me llamó la atención es la llamada internacional a que los puentes se diseñen para una vida útil de 300 años. Se trata de una opinión que suscribo plenamente y que se debería llevar lo antes posible a los foros correspondientes. Son muchos ya los problemas de durabilidad y los accidentes que presentan estas estructuras para no tomar esta valiente decisión. Para ello hay que entender lo que significa la gestión del puente a lo largo de su ciclo de vida.

En efecto, muchas normas e instrucciones prescriben actualmente para la mayoría de los puentes una vida útil de 100 años para los grandes puentes y de 75 años para el resto. En España, la vida útil nominal indicada en la Instrucción de Hormigón Estructural EHE-08 es de 100 años para puentes de longitud total igual o superior a 10 metros y otras estructuras de ingeniería civil de repercusión económica alta.

Durante su lección magistral, el doctor Tang diferenció claramente la vida de servicio (service life) de un puente de lo que sería la vida útil para la que fue diseñada la estructura (design life). La vida de servicio se considera como el tiempo durante el cual un puente se puede utilizar de forma segura, de acuerdo con los criterios de diseño establecidos. Sin embargo, cuando se proyecta un puente, es difícil saber a ciencia cierta cuánto tiempo realmente dicho puente podrá estar en servicio. La vida de servicio, por tanto, no tiene por qué coincidir con la vida útil de diseño puesto que es evidente que un puente se puede encontrar en perfectas condiciones el día posterior a la caducidad de su vida de servicio, y no por ello debe procederse a su demolición. También es posible que, antes de alcanzar el fin de su vida útil, el puente quede fuera de servicio por múltiples motivos.

Por otra parte, un puente es durable si su vida de servicio es suficientemente larga. Como un puente debe ser seguro, funcional, económico y tener una buena presencia, ello implica que un puente será durable si es durable en cuanto a su seguridad, funcionalidad, economía y buena presencia. Este concepto de durabilidad, como es fácil de entender, está asociado a la probabilidad de incumplimiento de alguna de las funciones señaladas.

Además, hoy día el concepto de sostenibilidad implica un cambio radical en la forma de proyectar, construir y mantener los puentes. Si los romanos fueron capaces de construir puentes que han durado más de dos mil años, hoy es inconcebible que se proyecten puentes para una vida útil de 100 años.

El doctor Tang, basándose en sus observaciones y experiencia, expuso claramente su propuesta de elevar a 300 años la vida útil en el proyecto de los puentes. Ello no incrementaría en exceso el coste del puente. Además, muchos de los materiales empleados pueden durar esos 300 años si se realiza un mantenimiento conveniente. Nuestro grupo de investigación ha comprobado cómo realizando una optimización multiobjetivo de un puente se puede incrementar su vida útil muy por encima de los 100 años con incrementos muy pequeños en los costes (García-Segura et al., 2017).

Habrá quien argumente que antes de lo que esperamos la tecnología cambiará tanto que no tenga sentido el aumentar la vida útil de los puentes (coches voladores, por ejemplo). Sin embargo, ya hemos visto que desde el punto de vista de la sostenibilidad de los recursos naturales, desde el punto de vista económico, y sobre todo, para tratar de evitar tragedias como las que se han vivido recientemente, está más que justificada la revisión de la vida útil de diseño de las infraestructuras (no solo puentes, sino viviendas, obras hidráulicas, carreteras, puertos, etc.).

Por tanto, suscribo plenamente la opinión bien argumentada del doctor Tang: la vida útil de los puentes debe modificarse en las normas e instrucciones para subirla a un mínimo de 300 años.

Referencias:

GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; FRANGOPOL, D.M. (2017). Multi-Objective Design of Post-Tensioned Concrete Road Bridges Using Artificial Neural Networks. Structural and Multidisciplinary Optimization, 56(1):139-150.

TANG, M.C. (2018). Durability of bridges, in Caspeele, Taerwe and Frangopol (eds.): Life-Cycle Analysis and Assessment in Civil Engineering: Towards an Integrated Vision. CRC Press, Taylor & Francis Group, London, UK, pp. 3-7.

 

Esto me suena… El viaducto sobre el río Almonte de Garrovillas de Alconétar

Viaducto sobre el río Almonte. Fuente: ADIF

Va siendo ya habitual colaborar de vez en cuando con el periodista José Antonio García Muñoz, conocido como Ciudadano García, sobre temas de ingeniería. Como ya he comentado en alguna entrada anterior, la labor de divulgación de las ciencias, y en particular de la ingeniería, resulta una tarea agradable y enriquecedora.

Hoy hemos hablado acerca del viaducto sobre el río Almonte de Garrovillas de Alconétar (Cáceres) con motivo de haber sido la obra ganadora de los premios anuales a la Excelencia en la Construcción con hormigón que otorga el ACI (American Concrete Institute). Con una longitud total de 996 m, la luz del vano principal es 384 m, que lo convierte en el puente ferroviario más grande de España y en el puente de arco de hormigón para servicio ferroviario de alta velocidad más grande del mundo. Si se compara sólo con puentes de arco de hormigón, fuera del uso ferroviario, es el tercero de mayor luz a nivel mundial; por detrás del puente de Waxian que presenta un arco de 421 m en China y el puente KRK con un arco de 390 m en Croacia. Destaca el uso de hormigón autocompactante de 80 MPa y su construcción monitorizada, que aportó información sobre el comportamiento de la estructura durante la construcción y la entrada en servicio.

Tener la oportunidad de comunicar aspectos de nuestra profesión a más de 300.000 oyentes supone todo un reto, más si lo que se busca es transmitir de forma sencilla y para todo el mundo, aspectos técnicos que, a veces, solo somos capaces de hacerlo con colegas o estudiantes. Insisto, todo un reto y una oportunidad que se agradece.

Os dejo a continuación el audio por si queréis escucharlo. Se grabó en directo, y suena tal cual se hizo. Espero que os guste.

También os dejo un vídeo del procedimiento constructivo, obra de FCC.

 

Optimización del mantenimiento basado en la fiabilidad bajo una perspectiva de ciclo de vida

Nos acaban de publicar en la revista de Elsevier del primer cuartil, Environmental Impact Assessment Review, un artículo donde se optimiza el mantenimiento de un puente considerando el ciclo de vida. Este artículo forma parte de nuestra línea de investigación DIMALIFE en la que se pretenden optimizar estructuras atendiendo no sólo a su coste, sino al impacto ambiental y social que generan a lo largo de su ciclo de vida.

El artículo lo podéis descargar GRATUITAMENTE hasta el 28 de noviembre de 2018 en el siguiente enlace:

https://authors.elsevier.com/a/1XsSkiZ5swxk7

 

 

Abstract:

Sustainability is of paramount importance when facing the design of long lasting, maintenance demanding structures. In particular, a sustainable life cycle design for concrete structure exposed to aggressive environments may lead to significant economic savings, and to reduced environmental consequences. The present study evaluates 18 different design alternatives for an existing concrete bridge deck exposed to chlorides, analyzing the economic and environmental impacts associated with each design as a function of the maintenance interval chosen. Results are illustrated in the context of a reliability-based maintenance optimization on both life cycle costs and life cycle environmental impacts. Maintenance optimization results in significant reductions of life cycle impacts if compared to the damage resulting from performing the maintenance actions when the end of the service life of the structure is reached. The use of concrete with 10% silica fume has been shown to be the most effective prevention strategy against corrosion of reinforcement steel in economic terms, reducing the life cycle costs of the original deck design by 76%. From an environmental perspective, maintenance based on the hydrophobic treatment of the concrete deck surface results in the best performance, allowing for a reduction of the impacts associated with the original design by 82.8%.

Keywords:

Life cycle assessment; Life cycle cost analysis; Chloride corrosion; Sustainable design; Maintenance optimization; Reliability

Reference:

NAVARRO, I.J.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V.  (2019). Reliability-based maintenance optimization of corrosion preventive designs under a life cycle perspective. Environmental Impact Assessment Review, 74:23-34. https://doi.org/10.1016/j.eiar.2018.10.001

 

Trabajos Fin de Máster sobre optimización de puentes postesados con modelos Kriging

El martes 18 de septiembre de 2018 tuvo lugar la defensa de dos trabajos fin de máster complementarios que versaron sobre la optimización de puentes postesados con modelos tipo Kriging. Se propuso una nueva metodología para el estudio de soluciones de este tipo de puentes que conseguía reducciones de coste entorno al 7%. Sus autores fueron Alejandro Brun Izquierdo y Lorena Yepes Bellver, y obtuvieron la máxima calificación de Sobresaliente 10, Matrícula de Honor. Sus directores fueron los profesores Julián Alcalá González y Tatiana García Segura. Estos TFMs se enmarcan dentro del proyecto de investigación DIMALIFEDiseño y mantenimiento óptimo robusto y basado en fiabilidad de puentes e infraestructuras viarias de alta eficiencia social y medioambiental bajo presupuestos restrictivos”. Además, se da la circunstancia que estos dos estudiantes son los primeros matriculados en el Doble Máster en Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos e Ingeniería del Hormigón. ¡Enhorabuena a todos ellos!

Las juntas de asiento en las estructuras de hormigón

Figura. Disposición de junta de asiento en un edificio de gran altura

Las estructuras de hormigón presentan distintos tipos de juntas, que responden a condiciones diferentes, que a veces se confunden entre sí. Las juntas pueden ser de dilatación, de hormigonado, de retracción o de asiento. Esta entrada trata de las juntas de asiento.

Las juntas de asiento se disponen en el hormigón para permitir asientos diferentes en dos zonas de una estructura. Sirven para separar la estructura en varias partes y afectan a la totalidad, por ejemplo, de un edificio, incluida la cimentación. La necesidad de independizar la estructura en partes se debe, por ejemplo, cuando existen grandes diferencias de cargas, que provocarían asientos diferenciales y distorsiones angulares. Es el caso de una torre de gran altura y pequeña superficie en planta, rodeada en su zona baja de un área edificada en una gran extensión, pero con poca altura (ver Figura). Otro caso sería la separación de dos tipos de cimentación, una superficial y otra profunda. Incluso se debería colocar una junta de asiento en el caso de que una cimentación se sustente en terrenos de comportamiento muy diferente. Hay que tener presente que, se puede hacer coincidir una junta de asiento con una junta de dilatación.

¿Cuáles son los coeficientes de seguridad de los materiales de un encofrado?

https://pl.m.wikipedia.org/wiki/Plik:Cassaforma_rampante_Destil.jpg

Los encofrados están formados por una composición de distintos materiales que, trabajando de forma conjunta, sirven como molde para el hormigón en estado fresco. En la Norma UNE 180201:2016 “Encofrados. Diseño general, requisitos de comportamiento y verificaciones“, se recogen los requisitos que deben cumplir dichos materiales.

Tanto el fabricante del material, como el fabricante de los elementos constitutivos de los encofrados, deben garantizar, mediante los ensayos correspondientes, las características mecánicas que expresan características resistentes de dichos materiales y del propio encofrado en su conjunto, mediante valores característicos obtenidos con un percentil del 5%.

Esos valores característicos se minoran con coeficientes (γM) de ponderación, para cada uno de los materiales, cuando se realizan los cálculos correspondientes al dimensionado de los elementos constitutivos de los encofrados.

  • En el caso del acero, se debe cumplir con la Norma UNE-EN 1993-1-1: “Proyecto de estructuras de acero. Reglas generales y reglas para edificios” (Eurocódigo 3). Para la comprobación en rotura, estado límite último, γM=1,05, salvo en tirantes y uniones, donde γM=1,25. Estos coeficientes se pueden ajustar con el nivel de constatación de la calidad de las características del material. Para la comprobación de la deformación en servicio, estado límite de servicio, γM=1,00.
  • En el caso del aluminio, se debe cumplir con la Norma UNE-EN 1999-1-1: “Proyecto de estructuras de aluminio. Reglas generales y reglas para edificios” (Eurocódigo 9). Para la comprobación en rotura, estado límite último, γM=1,10, salvo en tirantes y uniones, donde γM=1,25. Estos coeficientes se pueden ajustar con el nivel de constatación de la calidad de las características del material. Para la comprobación de la deformación en servicio, estado límite de servicio, γM=1,00.
  • En el caso de la madera, se debe cumplir con la Norma UNE-EN 1995-1-1: “Proyecto de estructuras de madera. Reglas generales y reglas para edificios” (Eurocódigo 5). La madera debe cumplir con una clase de duración corta y una clase de servicio 3. Para la comprobación en rotura, estado límite último, γM=1,30, sobre el que hay que aplicar el coeficiente  kmod con el valor indicado en dicha norma según el tipo y condiciones de madera utilizada. Para la comprobación de la deformación en servicio, estado límite de servicio, el valor del módulo de elasticidad a emplear es el valor medio Emedio sin ponderar, es decir,  γM=1,00.

 

En el caso de materiales compuestos, no existen normas disponibles. En este caso, el fabricante debe garantizar las características mecánicas del material compuesto, obtenidas mediante ensayos, mediante valores característicos obtenidos con un percentil del 5%.

 

¿Qué resistencia tiene que tener el hormigón para poder descimbrar?

En una entrada anterior ya se comentó la importancia que tiene determinar bien el plazo de descimbrado. No es un tema menor, pues existen importantes repercusiones tanto en la economía como en la seguridad del proceso constructivo. La determinación del plazo de descimbrado depende del momento en que el hormigón es capaz de soportar los esfuerzos durante la construcción. Por tanto, la edad mínima para proceder al descimbrado depende de varios factores como son la evolución de la resistencia y del módulo de deformación del hormigón, del curado, de la deformabilidad o de la proporción de la carga permanente que actúa en el momento de descimbrado. Para poder determinar este plazo mínimo se pueden considerar dos métodos. Los primeros se basan en la resistencia a tracción del hormigón y los segundos son los métodos propuestos por la EHE-08 en su artículo 74. Sin embargo, los plazos indicados por la EHE-08 no son compatibles con desencofrados rápidos.

Para realizar un descimbrado lo antes posible, es necesario determinar cómo se desarrollan las resistencias mecánicas del hormigón a corto plazo, lo cual va a depender fundamentalmente de la composición de la mezcla y de la temperatura. La resistencia que está directamente ligada con los fenómenos de anclaje y corte es la resistencia a tracción. Si bien esta resistencia a tracción no se considera directamente en el cálculo de estructuras de hormigón armado, resulta crítica para el cálculo de los plazos de descimbrado. Con todo, en algunos casos resulta ser la adherencia el aspecto crítico, pero a efectos prácticos se puede utilizar la resistencia a tracción como crítica para el descimbrado.

Así, si tenemos una estructura con una acción característica de proyecto y en el momento de descimbrar está sometida a una fracción de esta acción, podremos realizar el descimbrado si se cumple la siguiente condición:

Por simplificar, se llama:

donde fckt,j  es la resistencia a tracción del hormigón a los j días, fckt,28 es la resistencia a tracción del hormigón en curado estándar a los 28 días, γ’fg es el coeficiente de mayoración de acciones aplicable a la situación correspondiente al descimbrado (por tratarse de una situación temporal puede ser menor de la del proyecto, sin ser inferior a 1,25), γfg es el coeficiente de mayoración de acciones de proyecto (1,50 para situación persistente o transitoria de efecto desfavorable para una acción permanente de valor no constante, por ejemplo) y α es la relación entre la carga característica de construcción y la característica de la estructura. Conviene fijarse que γ’fg depende del nivel de control; así Calavera (2002) propone que sea de 1,30 para obras de control de ejecución intenso, de 1,35 para obras de control de ejecución normal y de 1,40 para obras de control reducido.

Si bien la fórmula anterior es correcta, la dificultad estriba en conocer con precisión los valores correspondientes. Así, un método de fácil ejecución en laboratorio consiste en averiguar la resistencia a tracción indirecta del hormigón mediante el ensayo brasileño. Para ello se deben curar las probetas en condiciones análogas a las de la estructuras, y mediante su ensayo a diferentes edades podemos determinar el momento en el que se alcanza el valor mínimo para poder descimbrar.

Otra forma de calcular el plazo de descimbrado consiste en utilizar curvas de referencia, que proporcionan la evolución de la resistencia a tracción en función de la temperatura y del tipo de cemento empleado. En la Figura 1, por ejemplo, se pueden ver las curvas confeccionadas por Alvarado et al. (2005) para un hormigón con resistencia característica a compresión de 25 MPa y endurecimiento normal. Para adecuar la evolución de la temperatura del hormigón en obra, se utiliza el método de madurez, que es una forma de evaluar la resistencia de hormigón recién colocado, relacionando el tiempo y las mediciones de temperatura a valores de resistencia reales. La norma UNE 83160-1 IN proporciona en su Anexo A un ejemplo de aplicación práctica de los métodos de madurez.

Figura 1. Curvas para determinar el plazo de descimbrado para un hormigón de 25 MPa y cemento de endurecimiento normal (Alvarado et al., 2005)

Por último, podríamos utilizar la relación que existe entre la resistencia a tracción directa y la resistencia a compresión. Así, la EHE-08 propone la siguiente relación, cuyo mayor inconveniente es que solo es válida para edades superiores a 7 días y para hormigones de resistencia característica menor o igual a 50 MPa:

sustituyendo las expresiones que relacionan la resistencia a tracción con la resistencia a compresión a edades jóvenes, se obtiene la siguiente condición de la EHE-08 (solo válida para edades superiores a 7 días):

Por otra parte, sabiendo que la resistencia a tracción pura ( fckt) está relacionada con la resistencia a tracción indirecta obtenida en el ensayo brasileño (f ‘ckt ) mediante la siguiente relación aproximada:

se puede concluir que la condición de descimbrado, en función de la resistencia a tracción el ensayo brasileño, sería la siguiente (solo válido para edades superiores a 7 días):

Sin embargo, esta expresión de la EHE-08 donde se requiere una resistencia característica mínima a compresión en el momento de descimbrar puede resultar poco restrictiva para determinados tipos de cementos. Para un cemento CEM II/A-V 42.5, Alvarado et al (2005) proponen la siguiente ecuación, más ajustada que la anterior, para determinar la resistencia a compresión necesaria para el momento del descimbrado:

Por último, como medida de precaución, a pesar de todo lo anteriormente expuesto, se recomiendo un plazo que no baje de 3 días para tener en consideración la incertidumbre inherente al cálculo de la evolución de resistencias del hormigón a edades jóvenes. Asimismo, tampoco se debería descimbrar con resistencias inferiores a los 10 N/mm2 por condiciones estéticas (cambio de color, desconchones, textura, etc.) si el paramento de hormigón tiene una finalidad concreta.

Referencias:

Alvarado YA, Calderón PA, Pallarés FJ, Pellicer T (2005). “Estimation of shore removal times in bidirectional in situ concrete floor slabs applying the maturity method”, Bangkok, Thailand.

Alvarado YA, Calderón PA, Adam JM, Payá IJ, Pellicer T, Pallares FJ, Moragues JJ, (2009). “An experimental study into the evolution of loads on shores and slabs during construction of multistory buildings using partial striking”, Engineering Structures, 31(9):2132-2140.

Calavera J (2002). “Calculo, construcción, patología y rehabilitación de forjados de edificación”, INTEMAC, Madrid.

Calavera J, Fernández J (1991). “Cuaderno Nº 3: Criterios para el descimbrado de estructuras de hormigón”, INTEMAC, Madrid.

Calderón PA, Alvarado YA, Adam JM, (2011). “A new simplified procedure to estimate loads on slabs and shoring during the construction of multistorey buildings”, Engineering Structures (2011),

Fernández J (1986). “Estudio experimental de la evolución de las características mecánicas del hormigón curado en diversas condiciones y su aplicación al cálculo de los procesos de descimbrado”, Tesis Doctoral, Universidad Politécnica de Madrid, Madrid.

Ministerio de Fomento (2008). “Instrucción de hormigón estructural. EHE-08”, Comisión Permanente del Hormigón, Madrid.