Categoría: estructuras

Clasificación de los apeos y apuntalamientos

Figura 1. Apeos y apuntalamientos. https://noticias.bt2asociados.com/apeos-y-apuntalamientos-de-edificios/

En una construcción, ya sea nueva o existente, es posible que presente problemas de estabilidad y resistencia o que esté prevista su demolición. En cualquier caso, es fundamental contar con una estructura provisional que garantice su estabilidad. Este medio auxiliar, comúnmente conocido como “apeo” o “apuntalamiento”, desempeña un papel crucial en la seguridad y la eficiencia de la obra. Por tanto, la diferencia entre ambos términos es muy sutil. En un artículo anterior vimos que la urgencia es el elemento clave que permite diferenciar ambos conceptos. Así, mientras el apuntalamiento presenta un carácter de urgencia mayor que el del apeo.

Además de la urgencia, podría enfocarse en la diferencia entre apuntalamientos y apeos de otra manera. Así, los apuntalamientos transmiten normalmente las cargas a una zona inferior mediante elementos colocados en posición vertical con elementos denominados puntales, enanos, virotillos o pie-derechos, mientras que los apeos transmitirían las cargas por elementos inclinados denominados jabalcones, tornapuntas, codales o tirantes.

Es posible clasificar las estructuras provisionales utilizadas en la construcción, el refuerzo o la demolición de estructuras según los criterios que se muestran en la Figura 2.

Figura 2. Criterios de clasificación de los apeos y apuntalamientos

Los apeos o apuntalamientos pueden clasificarse en verticales, horizontales e inclinados según su disposición. Los verticales recogen cargas horizontales y las transmiten a una base resistente. Los horizontales contrarrestan los momentos de vuelco en elementos verticales, mientras que los inclinados pueden gestionar cargas distribuidas y momentos de vuelco. Los apuntalamientos inclinados son los más complejos debido a la descomposición de las fuerzas en la transmisión de cargas y tienden a desplazarse de su punto de instalación. Los componentes de cada tipo se recogen en la Figura 3.

Figura 3. Tipos de apeos y apuntalamientos según su disposición

La disposición de los apeos o apuntalamientos depende de los objetivos que se busquen. Un apeo debe ser capaz de recoger y transmitir una carga repartida hasta un soporte resistente, distribuyéndola de nuevo. Además, cuando se enfrenta a momentos de vuelco, el apeo debe contrarrestarlos generando momentos opuestos de igual o mayor magnitud. Estos principios determinan la estructura básica de un apeo, que incluye un elemento horizontal para cargar o sopanda, una pieza vertical u horizontal llamada pie derecho para transmitir la carga axial y un durmiente que convierte la carga puntual del pie derecho en una carga repartida hacia el soporte resistente. Puedes ver esta composición en la Figura 4.

Figura 4. Componentes de un apeo/apuntalamiento. https://fotos.habitissimo.es/foto/apeo-de-estructura-con-madera-3m_1554253

Los materiales utilizados en un apeo o apuntalamiento son fundamentales para garantizar la resistencia, la durabilidad y la economía de la solución. En este sentido, se consideran distintos materiales según las circunstancias. La madera se utiliza en situaciones de urgencia, de menor envergadura o de menor altura, que requieren piezas con aristas sanas y regulares, y se presenta en diversas formas como rollizo, tabla, tabloncillo o tablón. El acero es adecuado para cargas elevadas y apeos a gran altura, y puede presentarse en perfiles laminados con uniones soldadas o con tornillería. Los ladrillos resistentes son muy estables y resistentes a las condiciones climáticas, utilizados principalmente en el cierre de huecos de fachada, aunque requieren tiempo de fraguado del mortero para adquirir resistencia. Los ladrillos macizos o perforados con mortero de cemento son comunes, aunque ocasionalmente se emplean ladrillos huecos para cargas menores, como el cierre de huecos de fachada.

Los tipos de apeos o apuntalamientos se clasifican según el elemento constructivo al que sirven. Existen numerosos tipos, cada uno adecuado para las diferentes partes del edificio que se deseen apuntalar, ya sea edificio construido o en proceso de construcción. Estos se pueden generalizar en los siguientes grupos:

  • Apeos de huecos: Destinados a pasajes o aberturas de iluminación y ventilación en muros, fachadas o espacios interiores. Al diseñarlos, se considera si se debe mantener el acceso a través del hueco, si se requiere corregir deformaciones en el dintel superior o si se apuntala para crear nuevas aberturas, especialmente en plantas bajas comerciales.
  • Apeos de elementos estructurales horizontales: Utilizados en vigas, zunchos, dinteles o forjados, se utilizan en caso de fallos estructurales, agotamiento o sobrecarga prevista. En el primero, se colocan donde los momentos flectores se anulan para no afectar la deformación. En el segundo, se distribuyen puntales para soportar la carga superficial, y la carga se transmite a una base resistente, independientemente de su ubicación.
  • Apeos de medianeras: Se emplean al demoler una edificación entre medianeras compartidas para evitar el colapso de los edificios adyacentes (efecto dominó). Si las vigas de madera apoyan en ambas medianeras, se sugiere mantenerlas durante el derribo hasta su reconstrucción. En ausencia de esta opción, se utilizan vigas de celosía con gran luz o puntales telescópicos especiales para el apeo de forma segura.
  • Apeos de muros: Son esenciales por varias razones, dependiendo del tipo de muro y la causa de la patología o lesión. Para muros de sostenimiento de tierras, como muros pantalla, se requiere un apeo horizontal durante su construcción y hasta que se completen los forjados horizontales, a fin de contrarrestar el momento de vuelco. Los muros de carga en fachadas, afectados por sobrecargas, por el agotamiento o por el hundimiento de la cimentación, se apuntalan durante las reparaciones o hasta su demolición definitiva. Los estabilizadores de fachada se emplean cuando el muro de carga está en buen estado, pero deben mantenerse en pie durante la demolición del edificio, absorbiendo el momento de vuelco causado por el viento hasta que se construya la nueva estructura.

Referencias:

Cursos:

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

 

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Hormigón reforzado con fibra de vidrio

Figura 1. Fibra de vidrio. https://fibereagle.com/refuerzo-de-hormigon-con-fibra-de-vidrio/

El mortero de cemento reforzado con fibra de vidrio (GRC, por sus siglas en inglés) combina cemento con fibras cortas de vidrio. Su desarrollo comenzó en la década de 1950 con la idea de incorporar fibras de vidrio en lugar de emplear armaduras de hormigón. Sin embargo, el GRC actual surgió en la década de 1960, cuando se reemplazaron las fibras de amianto, consideradas cancerígenas. Los primeros tipos empleaban fibras de vidrio de sílice y mortero de cemento Portland. Sin embargo, estas propiedades a corto plazo se deterioraban debido a la corrosión de las fibras por el cemento. Para ampliar las aplicaciones del GRC, se desarrollaron fibras de vidrio resistentes a ambientes alcalinos, con circonio como elemento base, denominadas «alcali-resistant» o AR.

El GRC destaca por su resistencia mecánica y su capacidad de adaptación a aplicaciones no estructurales, lo que lo convierte en un recurso valioso en proyectos de ingeniería civil y arquitectura que buscan soluciones estéticas y funcionales. Su flexibilidad en el diseño lo hace idóneo para crear diversas formas con grosores de aproximadamente 10 mm, sin recurrir a armaduras. En ingeniería civil, el GRC se utiliza en elementos prefabricados para saneamiento, encofrados perdidos, pantallas de aislamiento acústico y en el revestimiento de túneles. La versatilidad de este material en el diseño permite crear encofrados perdidos con mosaicos y formas sumamente complejas.

Figura 2. Fachada de GRC para el Palacio de Justicia de Córdoba. https://arqzon.com.mx/2021/06/23/grc-concreto-reforzado-fibra-de-vidrio-en-la-construccion/

El mortero reforzado con fibra de vidrio se caracteriza por su resistencia al agrietamiento y a la tracción mecánica. Además, es eficaz para prevenir daños por impacto y aumenta su capacidad de deformación, lo que contribuye a una mayor resistencia a las tensiones externas. También destaca por su resistencia a la congelación, la descongelación, la fatiga, el peso y los cortes. Además, reduce significativamente la segregación, el sangrado y las filtraciones de líquidos, lo que mejora la integridad de las estructuras en las que se utiliza.

Las fibras de vidrio suelen tener un módulo de elasticidad a 25 °C de 70 GPa, una resistencia a la tracción de 3600 MPa (de 1750 MPa si se trata de un haz de fibras) y una deformación en rotura del 2 %. Es importante destacar que las fibras de vidrio no son monolíticas, pues se componen de un haz de alrededor de 200 filamentos de vidrio, cada uno con un diámetro de 10-20 μm.

La cantidad necesaria de fibra de vidrio varía según el método de fabricación. Hay que prestar atención a que las cantidades de cada componente sean las correctas. Así se evita que la fibra de vidrio aparezca en la superficie y se obtiene la máxima resistencia. Si el GRC se proyecta, se añade una fracción volumétrica del 5 % de fibras de vidrio. Cuando se opta por una mezcla premezclada de fibra y mortero de cemento, la fracción se reduce al 3,5 %. La longitud de las fibras empleadas se sitúa entre 25 y 40 mm. El cemento Portland es prácticamente el único que se utiliza en la fabricación del GRC. La arena suele ser de origen silíceo. Además, suele añadirse un plastificante que confiere la viscosidad adecuada al mortero. Asimismo, se pueden añadir diversos aditivos y pigmentos para lograr el aspecto deseado en los elementos.

Por lo general, se emplean cantidades iguales de cemento y arena, con una relación agua/cemento de aproximadamente 0,4. No obstante, esta relación puede ajustarse para lograr la fluidez adecuada en el proceso de fabricación. Para evitar un exceso de agua, se recurre a superplastificantes. Para mantener las propiedades del material en etapas avanzadas de su vida útil, en ocasiones se recurre al humo de sílice o al metacaolín. Es importante destacar que el GRC cambia sus propiedades con el paso del tiempo, presentando una pérdida apreciable de ductilidad y de capacidad de carga.

En la actualidad, se emplean tres métodos principales para fabricar el GRC: la proyección conjunta, la mezcla previa y la mezcla previa con posterior proyección. Cada uno de estos métodos tiene sus propias variantes y particularidades. Veamos sus características.

Fabricación por proyección conjunta

El mortero se proyecta mediante una pistola que dispara las fibras y el mortero a través de orificios separados, que se unen y se mezclan en el molde. Una bobina suministra una cuerda de fibras de vidrio que se corta a la longitud deseada en la cabeza de la pistola. Por la parte inferior, el mortero fluye a través de una manguera. La consistencia del mortero debe ser fluida para facilitar su proyección. Existen dos posibilidades: la proyección manual y la automática.

En la proyección manual, se aplica un desencofrante en el molde y se realiza una primera pasada depositando el material mediante movimientos oscilantes. Una vez que el molde presenta una fina capa del material, se utiliza un rodillo helicoidal para que el mortero y las fibras se adapten a la forma del encofrado. La proyección continúa hasta alcanzar el espesor deseado y, finalmente, se emplea una llana sobre la superficie libre para lograr la uniformidad. Este método requiere una gran cantidad de mano de obra, pero ofrece resultados de alta calidad, especialmente cuando el operario cuenta con la experiencia adecuada. En España, este método de fabricación es el habitual.

La proyección automática se emplea en la fabricación de paneles rectangulares de formas simples y planas. Aunque es menos versátil que el método manual, también existen dos variantes: en una, se utiliza un cabezal de proyección móvil y en la otra, el molde se mueve. En ambos casos, se regula la velocidad de proyección para asegurar una distribución precisa del material. Para igualar el espesor de la pieza, se recurre a un sistema automático que pasa una llana, un rodillo u otra herramienta sobre la cara expuesta del material.

La principal ventaja de este método es su capacidad para lograr una mayor producción a un coste menor. Además, el sistema automatizado se ha mejorado mediante moldes con pequeños orificios que evacúan el exceso de agua. Esto reduce la relación agua/cemento, aumenta la densidad del material y mejora sus propiedades mecánicas. Otra variante de este método consiste en aplicar una carga en la cara libre del material, de modo que la mezcla se adapte con precisión a los diseños y patrones del molde.

Fabricación por premezclado

El método de premezclado consiste en combinar previamente el cemento, las fibras de vidrio, el agua, la arena, el plastificante y las adiciones antes de verter la mezcla en el molde. Hay que preparar el mortero de cemento y, luego, incorporar las fibras de vidrio. Para evitar que las fibras se enreden, se sumergen en aditivos que las lubrican y facilitan su dispersión en la matriz de mortero. Es esencial minimizar el tiempo de mezcla del mortero y de las fibras para prevenir la segregación y la pérdida de agua. Una vez mezclados los componentes, se vierte la pasta en los moldes. Después, se someten los moldes a una vibración externa para eliminar burbujas de aire y vacíos. Si es necesario rellenar moldes con cavidades, es preferible inyectar GRC premezclado, aunque puede dañar las fibras e incluso introducir burbujas de aire.

Fabricación por premezclado y proyección

En los últimos años, ha surgido un método conocido como «sprayed premix». Las fibras de vidrio se integran durante la mezcla del mortero y, posteriormente, ambos componentes, ya mezclados, se proyectan en el molde. A pesar de que este método ofrece resultados similares a los de la proyección tradicional, la calidad de los elementos fabricados depende en menor medida de la destreza del operario. Además, la determinación del contenido de fibra se realiza en peso, lo que resulta más preciso que el método tradicional; se elimina la formación de burbujas en la mezcla y se simplifica la maquinaria de proyección.

Os dejo algún vídeo explicativo que espero os interese.

Referencias:

AA. VV. (2002). Hormigones de ejecución especial (seis tipos). Colegio de Ingenieros de Caminos, Madrid, 114 pp.

ACHE (2000). Monografía M-2. Manual de tecnología del hormigón reforzado con fibras de acero.

CALAVERA, J. et al. (2004). Ejecución y control de estructuras de hormigón. Intemac, Madrid, 937 pp.

GALABRU, P. (1964). Tratado de procedimientos generales de construcción. Obras de fábrica y metálicas. Editorial Reverté, Barcelona, 610 pp.

GÁLVEZ, J.C.; ALBERTI, M.G.; ENFEDAQUE, A.; PICAZO, A. (2019). Fundamentos de hormigón reforzado con fibras. García-Maroto Editores, 51 pp.

SERNA, P. (2007). Recientes ejemplos estructurales de aplicación de hormigón de fibras. Monografía sobre aplicaciones estructurales de hormigones con fibras, pp. 33-47.

YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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

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

YEPES, V. (2026). Fabricación y puesta en obra del hormigón. Colección Manual de Referencia, serie Ingeniería Civil. Editorial Universitat Politècnica de València, 452 pp. Ref. 441. ISBN: 978-84-1396-418-8

Cursos:

Curso de fabricación y puesta en obra del hormigón.

Optimización energética de tableros tipo losa pretensados aligerados mediante modelos Kriging

Durante los días 10-13 de julio de 2023 tuvo lugar en Donostia-San Sebastián (Spain) el 27th International Congress on Project Management and Engineering AEIPRO 2023. Fue una buena oportunidad para debatir y conocer propuestas sobre dirección e ingeniería de proyectos. Nuestro grupo de investigación, dentro del proyecto de investigación HYDELIFE, presentó varias comunicaciones. A continuación os paso el resumen de una de ellas.

El objetivo de este trabajo es desarrollar una metodología para optimizar la energía en la construcción de tableros losa pretensado aligerados. Se lleva a cabo un análisis de la sección transversal para determinar los parámetros de diseño a través de un estudio del estado del arte. A partir de ese análisis, se identifican las variables de diseño que mejorarán la eficiencia energética del tablero. La metodología se divide en dos fases: primero, se utiliza una técnica estadística llamada hipercubo latino para muestrear las variables del tablero y determinar una superficie de respuesta; y en segundo lugar, se optimiza la superficie de respuesta mediante un modelo de optimización basado en Kriging. Como resultado, se ha desarrollado una metodología que reduce el costo energético en la construcción de tableros losa pretensado aligerados. Las recomendaciones para mejorar la eficiencia energética incluyen emplear esbelteces elevadas (alrededor de 1/28), reducir el consumo de hormigón y armadura activa, y aumentar la cantidad de armadura pasiva.

El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

Palabras clave:

Optimización; energía; puentes; Kriging; metamodelos; sostenibilidad

Agradecimientos:

This research was funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033, grant number PID2020-117056RB-I00 and The APC was funded by ERDF A way of making Europe.

Referencia:

BRUN-IZQUIERDO, A.; YEPES-BELLVER, L.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2023). Optimización energética de tableros tipo losa pretensados aligerados mediante modelos Kriging. 27th International Congress on Project Management and Engineering, AEIPRO, 10-13 de julio, Donostia/San Sebastián (Spain), pp. 426-437. DOI:10.61547/3374

A continuación os dejo un vídeo donde presentamos el trabajo. Espero que os sea de interés.

Os dejo la comunicación completa, pues está publicada en abierto.

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Durabilidad y rediseño de un puente de hormigón en ambiente costero mediante un método no destructivo de detección de daños

Durante los días 10-13 de julio de 2023 tuvo lugar en Donostia-San Sebastián (Spain) el 27th International Congress on Project Management and Engineering AEIPRO 2023. Fue una buena oportunidad para debatir y conocer propuestas sobre dirección e ingeniería de proyectos. Nuestro grupo de investigación, dentro del proyecto de investigación HYDELIFE, presenta varias comunicaciones. A continuación os paso la primera de las comunicaciones presentadas. Cabe destacar que este trabajo recibió el accésit del Premio “Jaume Blasco” a la innovación, por lo que hay que felicitar al doctorando Mehrdad Hadizadeh-Bazaz por el extraordinario trabajo realizado. A ello hay que sumar el Premio que recibió al mejor trabajo en la modalidad de póster otorgado por la Escuela de Doctorado de la Universitat Politècnica de València, dentro del VIII Encuentro de Estudiantes de Doctorado.

Durante algún tiempo, los expertos y los gobiernos han estado enfocados en reducir los costos de reparación y mantenimiento de estructuras cruciales como los puentes a través de un enfoque continuo en el mantenimiento y la reparación. En este estudio, se investiga la rentabilidad de dos métodos de predicción de daños: el método de densidad espectral de potencia (PSD) en comparación con el método convencional de detección de daños a través del rediseño de diferentes espesores de recubrimiento de hormigón para un puente costero de hormigón armado.

El estudio evalúa el impacto de los iones cloruro en la ubicación y extensión de los daños a lo largo de la vida útil del puente, y compara los costos totales de mantenimiento y reparación. Los resultados revelan que si bien el método PSD es efectivo para estructuras con recubrimientos de hormigón bajos, aumentar el espesor del recubrimiento de hormigón puede dar lugar a mayores costes de reparación.

El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

Palabras clave:

Evaluación del costo del ciclo de vida, métodos no destructivos de detección de daños, puente costero de hormigón, corrosión del acero, corrosión por cloruros, técnicas de mantenimiento y reparación.

Agradecimientos:

This research was funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033, grant number PID2020-117056RB-I00 and The APC was funded by ERDF A way of making Europe.

Referencia:

HADIZADEH-BAZAZ, M.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2023). Durability assessment and re-design of coastal concrete bridge through a non-destructive damage detection method. 27th International Congress on Project Management and Engineering, AEIPRO, 10-13 de julio, Donostia/San Sebastián (Spain), pp. 386-401. DOI:10.61547/3371

A continuación os dejo un vídeo donde presentamos el trabajo. Espero que os sea de interés.

Os dejo la comunicación completa, pues está editada en abierto. Espero que os sea de interés.

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Conferencia Magistral en el 13rd International Symposium on Structures, Geotechnics and Construction Materials STRUCTURES 2023

Es un placer anunciar la invitación recibida para impartir una Conferencia Magistral dentro del XIII Coloquio de análisis, diseño y monitoreo estructural, en particular en el 13rd International Symposium on Structures, Geotechnics and Construction Materials STRUCTURES 2023. Mi ponencia tendrá lugar el martes 14 de noviembre del 2023 dentro de la sesión sobre diseño óptimo de estructuras.

Este simposio tiene como objetivo divulgar e impulsar el desarrollo de trabajos de investigaciones en el campo de las estructuras, la geotecnia, las obras viales y las obras hidráulicas, en el marco de la IV Convención Científica Internacional “Ciencia, Tecnología y Sociedad “CCI 2023” a celebrarse del 13 al 17 de noviembre de 2023 en el Destino Turístico Cayos de Villa Clara, Cuba. Agradezco al Prof. Dr. Ernesto Chagoyen, de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Méndez, de Cuba, su invitación al evento.

La conferencia tiene como título “Optimización híbrida del ciclo de vida de puentes y estructuras mixtas y modulares de alta eficiencia social y medioambiental bajo presupuestos restrictivos (HYDELIFE)”. En este caso se trata de ofrecer la motivación y los resultados obtenidos de nuestro último proyecto de investigación competitivo.

Resumen de la conferencia:

La sostenibilidad económica y el desarrollo social de la mayoría de los países dependen, entre otros, del comportamiento fiable y duradero de sus infraestructuras. HYDELIFE aborda el reto de la sostenibilidad social y medioambiental de las estructuras a lo largo de su ciclo de vida. Para ello se propone una metodología híbrida emergente entre Deep Learning (DL) procedente de la inteligencia artificial, metamodelos y metaheurísticas de optimización multiobjetivo y técnicas de toma de decisión multicriterio. El foco se centra en el diseño robusto y resiliente aplicado a la construcción industrializada modular, tanto en edificación, como en puentes mixtos de hormigón y acero y en estructuras híbridas de acero. Las emergentes metaheurísticas híbridas son capaces de extraer información no trivial de las inmensas bases de datos procedentes de la optimización y mejorar la calidad y el tiempo de cálculo tanto en el diseño automático como en el mantenimiento óptimo de puentes y estructuras. Esta hipótesis debe extenderse a los procesos de toma de decisión multicriterio que atienda a la sostenibilidad social y ambiental del ciclo de vida completo, que contemple las fluctuaciones tanto de los parámetros como de los escenarios posibles, especialmente en el caso de fuertes restricciones presupuestarias. Esta metodología presenta, no obstante, serias dificultades, por lo que se deben explorar metamodelos y DL capaces de acelerar los complejos procesos de cálculo. Los resultados esperados detallan qué tipologías, actuaciones concretas de conservación y alternativas de demolición y reutilización son adecuadas para minimizar los impactos ambientales y sociales considerando la variabilidad.

Os dejo la presentación que he grabado. La presentación será en directo dentro del congreso, pero la he grabado para que podáis escucharla. Espero que os sea interesante.

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A continuación dejo el programa relativo al coloquio, por si os resulta de interés:

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Optimización del coste energético de puentes losa postesados mediante un Kriging en dos fases

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Materials, revista indexada en el JCR. El objetivo del estudio es optimizar la energía empleada en la construcción de pasos elevados de carreteras aligeradas mediante la identificación de las principales variables de diseño y el desarrollo de una metodología que utilice el muestreo latino de hipercubos y la optimización basada en el método Kriging. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

  • El artículo establece una metodología para optimizar la energía incorporada en la construcción de pasos elevados de carreteras aligeradas mediante la identificación de las principales variables de diseño y el uso del hipercubo latino y la optimización basada en el método Kriging.
  • El estudio recomienda emplear índices de esbeltez elevados, minimizar el uso de hormigón y armaduras activas y aumentar la cantidad de armaduras pasivas para mejorar la eficiencia energética.
  • El artículo utiliza una técnica estadística llamada muestreo de hipercubo latino para muestrear variables y crear una superficie de respuesta, que luego se ajusta con precisión mediante un metamodelo Krixing.
  • La metodología desarrollada en el trabajo reduce el coste energético de la construcción de puentes de losas aligeradas.
  • El estudio contribuye al campo de la optimización energética en la construcción al proporcionar una metodología específica para los puentes de losas de hormigón pretensado aligerado, especialmente en los pasos elevados de carreteras postesadas.

Abstract:

This study aims to establish a methodology for optimizing embodied energy while constructing lightened road flyovers. A cross-sectional analysis is conducted to determine design parameters through an exhaustive literature review. Based on this analysis, key design variables that can enhance the energy efficiency of the slab are identified. The methodology is divided into two phases: a statistical technique known as Latin Hypercube Sampling is initially employed to sample deck variables and create a response surface; subsequently, the response surface is fine-tuned through a Kriging-based optimization model. Consequently, a methodology has been developed that reduces the energy cost of constructing lightened slab bridge decks. Recommendations to improve energy efficiency include employing high slenderness ratios (approximately 1/28), minimizing concrete and active reinforcement usage, and increasing the amount of passive reinforcement.

Keywords:

Optimization; embodied energy; bridges; surrogate model; Kriging; prestressed concrete; sustainability

Reference:

YEPES-BELLVER, L.; BRUN-IZQUIERDO, A.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2023). Embodied energy optimization of prestressed concrete road flyovers by a two-phase Kriging surrogate model. Materials, 16(20); 6767. DOI:10.3390/ma16206767

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Optimización por acoplamiento térmico del impacto ambiental de un puente

Nos acaban de publicar en la revista Environmental Impact Assessment Review (primer cuartil del JCR) un artículo relacionado con la optimización por acoplamiento térmico del impacto ambiental de un puente. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

El objetivo del artículo es minimizar el impacto ambiental del mantenimiento de los puentes durante una vida útil de 100 años mediante el desarrollo de un modelo de optimización termomecánica dinámica tridimensional. La fiabilidad del modelo se demuestra mediante un estudio de caso, que muestra una reducción de 49,9 millones de toneladas de emisiones, lo que equivale al 1,91% de las emisiones totales de diseño, durante un período de mantenimiento de 100 años.

Los resultados de la investigación pueden servir de base para futuros estudios y proporcionar un enfoque para evaluar el impacto ambiental de los cambios de temperatura a largo plazo en las estructuras. Esto puede contribuir al desarrollo de enfoques más eficaces para mitigar la contaminación ambiental en la industria de la construcción.

La editorial permite la descarga gratuita del artículo hasta el 30 de noviembre de 2023 en la siguiente dirección: https://authors.elsevier.com/c/1hv7iiZ5tCtN6

Abstract:

Infrastructure is a crucial aspect of promoting worldwide economic integration. However, the construction of infrastructure often results in high energy consumption and substantial emissions of greenhouse gases. Over time, the environment can also cause significant damage to bridges, leading to repeated repairs and replacements that further harm the environment. This research aims to minimize the environmental impact of bridge maintenance over a 100-year lifespan. The study utilizes a three-dimensional dynamic thermo-mechanical optimization model developed through comprehensive research and interdisciplinary collaboration in various fields such as Bibliometrics, Fluid Mechanics, Structural Dynamics, Thermoelectricity, and Damage Mechanics. From examining single crystal structures at a microscopic level to examining system components under extreme temperatures, this study provides a system for reducing environmental pollution. The model’s reliability is shown through a case study, demonstrating a reduction of 49.9 million tonnes of emissions, equivalent to 1.91% of total design emissions, over a 100-year maintenance period. This research provides a foundation for future studies and presents an approach for evaluating the environmental impact of long-term temperature changes in structures.

Keywords:

Construction industry; Structure; Temperature; Topology optimization; Stress; Sensitivity

Reference:

ZHOU, Z.; ZHOU, J.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2024). Thermal coupling optimization of bridge environmental impact under natural conditions. Environmental Impact Assessment Review, 104:107316. DOI:10.1016/j.eiar.2023.107316

Aprendizaje profundo para la optimización del ciclo de vida de puentes mixtos de hormigón y acero

Acaban de publicarnos un artículo en Structures, revista indexada en el JCR. Se trata de la evaluación del coste del ciclo de vida mediante la función de densidad espectral de potencia en un puente de hormigón en ambiente costero. El artículo presenta una metodología que utiliza el aprendizaje profundo para acelerar los cálculos de las restricciones estructurales en un contexto de optimización, específicamente para un puente mixto de hormigón y acero. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

El modelo de aprendizaje profundo óptimo está integrado por tres metaheurísticas: el método Obamo (Old Bachelor Acceptance with a Mutation Operator), el Cuckoo Search (CS) y los algoritmos de coseno sinusoidal (SCA). Esta integración da como resultado un posible aumento de 50 veces en la velocidad computacional en ciertos escenarios. El estudio destaca la viabilidad económica, las ramificaciones ambientales y las evaluaciones del ciclo de vida social de las soluciones de diseño optimizadas. Demuestra las ventajas de combinar el aprendizaje profundo con la optimización del diseño de la ingeniería civil, especialmente en lo que respecta al aumento del límite elástico del acero para cumplir objetivos medioambientales y sociales. La metodología propuesta en el documento se puede adaptar a una variedad de otras configuraciones estructurales, por lo que es aplicable más allá del caso específico del puente compuesto

La editorial permite la descarga gratuita del artículo hasta el 29 de noviembre de 2023 en la siguiente dirección: https://authors.elsevier.com/c/1humr8MoIG~oVG

Abstract:

The ability to conduct life cycle analyses of complex structures is vitally important for environmental and social considerations. Incorporating the life cycle into structural design optimization results in extended computational durations, underscoring the need for an innovative solution. This paper introduces a methodology leveraging deep learning to hasten structural constraint computations in an optimization context, considering the structure’s life cycle. Using a composite bridge composed of concrete and steel as a case study, the research delves into hyperparameter fine-tuning to craft a robust model that accelerates calculations. The optimal deep learning model is then integrated with three metaheuristics: the Old Bachelor Acceptance with a Mutation Operator (OBAMO), the Cuckoo Search (CS), and the Sine Cosine Algorithms (SCA). Results indicate a potential 50-fold increase in computational speed using the deep learning model in certain scenarios. A comprehensive comparison reveals economic feasibility, environmental ramifications, and social life cycle assessments, with an augmented steel yield strength observed in optimal design solutions for both environmental and social objective functions, highlighting the benefits of meshing deep learning with civil engineering design optimization.

Keywords:

Deep learning; Sustainability; Optimization; Bridges; Machine learning; Composite structures

Reference:

MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; GARCÍA, J.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2023). Deep learning classifier for life cycle optimization of steel-concrete composite bridges. Structures, 57:105347. DOI:10.1016/j.istruc.2023.105347

Maquinaria y procedimientos de construcción: Problemas resueltos

Os presento el libro que he publicado sobre maquinaria y procedimientos de construcción. Se trata de una completa colección de 300 problemas resueltos, abarcando aspectos relacionados con la maquinaria, medios auxiliares y procedimientos de construcción. Su contenido se enfoca en la mecanización de las obras, costos, disponibilidad, fiabilidad y mantenimiento de equipos, estudio del trabajo, producción de maquinaria, sondeos y perforaciones, técnicas de mejora del terreno, control y abatimiento del nivel freático, movimiento de tierras, equipos de dragado, explosivos y voladuras, excavación de túneles, instalaciones de tratamiento de áridos, compactación de suelos, ejecución de firmes, maquinaria auxiliar como bombas, compresores o ventiladores, cables y equipos de elevación, cimentaciones y vaciados, encofrados y cimbras, fabricación y puesta en obra del hormigón, organización y planificación de obras.

Es un libro, por tanto, muy enfocado a los ámbitos de la ingeniería de la construcción, tanto en el ámbito de la edificación, de la minería o de la ingeniería civil. Además, se incluyen 27 nomogramas originales y 19 apéndices para apoyar tanto a estudiantes de ingeniería o arquitectura, como a profesionales que enfrentan desafíos similares en su práctica diaria en obra o proyecto. La colección se complementa con un listado de referencias bibliográficas que respaldan los aspectos teóricos y prácticos abordados en los problemas. Estos problemas son similares a los tratados durante las clases de resolución de casos prácticos en la asignatura de Procedimientos de Construcción del Grado en Ingeniería Civil de la Universitat Politècnica de València (España). Por tanto, el libro resulta adecuado tanto para estudiantes de grado como para cursos de máster relacionados con la ingeniería civil y la edificación.

El libro tiene 562 páginas. Este libro lo podéis conseguir en la propia Universitat Politècnica de València o bien directamente por internet en esta dirección: https://www.lalibreria.upv.es/portalEd/UpvGEStore/products/p_376-7-1

Sobre el autor: Víctor Yepes Piqueras. Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Catedrático de Universidad del Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Civil de la Universitat Politècnica de València. Número 1 de su promoción, ha desarrollado su vida profesional en empresas constructoras, en el sector público y en el ámbito universitario. Ha sido director académico del Máster Universitario en Ingeniería del Hormigón (acreditado con el sello EUR-ACE®), investigador del Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH) y profesor visitante en la Pontificia Universidad Católica de Chile. Imparte docencia en asignaturas de grado y posgrado relacionadas con procedimientos de construcción y gestión de obras, calidad e innovación, modelos predictivos y optimización en la ingeniería. Sus líneas de investigación actuales se centran en la optimización multiobjetivo, la sostenibilidad y el análisis de ciclo de vida de puentes y estructuras de hormigón.

Referencia:

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

A continuación os paso las primeras páginas del libro, con el índice, para hacerse una idea del contenido desarrollado.

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Torres de trabajo móviles

Figura 1. Torre de trabajo móvil. https://lecasaprofesional.com/producto/dos%C2%B765-torre-movil-industrial/

En la industria en general, y especialmente en el sector de la construcción, se realizan numerosos trabajos de acabado, reparación y mantenimiento que no requieren la instalación de un andamio fijo. En cambio, resulta más adecuado emplear una torre de trabajo móvil. Estos equipos se ensamblan de manera sencilla y, debido a su capacidad de movilidad, pueden permanecer montados de forma continua y ser almacenados en un lugar apropiado cuando no están en uso.

El desarrollo de las torres móviles de acceso y trabajo tiene sus raíces en dos fuentes principales: en un lado, fabricantes de andamios que innovaron al diseñar andamios prefabricados sin necesidad de anclaje, equipados con cuatro apoyos y ruedas para una movilidad óptima; por otro lado, fabricantes de escaleras incursionaron en la creación de torres móviles de acceso mediante la combinación de escaleras ligeras con marcos de aluminio y ruedas, dando origen a una solución versátil y eficiente para trabajos en altura.

Las torres de trabajo y acceso móviles son estructuras temporales autoestables constituidas por elementos prefabricados, ya sean de tipo marco o multidireccionales. Estas estructuras colaboran de manera conjunta entre sus elementos, lo que las hace altamente versátiles. Pueden utilizarse de manera independiente, sin necesidad de ser ancladas, y gracias a las ruedas pivotantes que se encuentran en sus patas, pueden desplazarse manualmente sobre superficies lisas, firmes y uniformes. Su estabilidad proviene de sus apoyos en el suelo, y en caso necesario, pueden anclarse a una construcción vertical adyacente mediante una barra transversal. La superficie de apoyo para las torres de trabajo móviles debe ser nivelada y sin irregularidades, preferiblemente horizontal o con una inclinación mínima (no más del 1 al 2%, a menos que se usen ruedas con regulación de desnivel), además de estar despejada de objetos. El suelo debe ser sólido y resistente para asegurar un desplazamiento adecuado.

Conforme a la norma UNE-EN 1004-1, las torres móviles se clasifican en dos categorías de carga. La Clase de Carga 2 se caracteriza por una carga uniformemente distribuida de 1,50 kN/m², mientras que la Clase de Carga 3 tiene una carga uniformemente distribuida de 2,00 kN/m².

En su configuración más sencilla, estas torres se apoyan en cuatro ruedas pivotantes equipadas con sistemas de frenado. Los montantes se nivelan mediante husillos de nivelación, garantizando una capacidad de carga adecuada para resistir las fuerzas aplicadas. Además, pueden configurarse con una o varias plataformas de trabajo y escaleras de acceso, según las dimensiones requeridas en el proyecto.

Estas estructuras encuentran aplicaciones en una variedad de contextos, abarcando inspecciones, tareas de ejecución rápida y operaciones que no demandan un gran almacenamiento de materiales, sino el uso inmediato de una cantidad limitada de ellos. Entre estas actividades se incluyen instalaciones eléctricas, albañilería, pintura, limpieza de cristales, carpintería, trabajos en tejados, revestimientos, enyesados, saneamiento y pequeñas obras de rehabilitación de fachadas, entre otros.

En la industria en general, se emplean para tareas de mantenimiento en alturas, en proyectos de construcción industrial y en otros contextos que requieren un andamio ligero, al mismo tiempo que proporciona una superficie de trabajo cómoda y una capacidad de carga específica. Estos andamios suelen tener alturas que oscilan entre 2,5 m y 12 m en interiores, donde no están expuestos al viento, como en el interior de naves industriales, y entre 2,5 m y 8 m en exteriores, donde las condiciones de viento pueden ser un factor a considerar.

Figura 2. Torre de andamio. https://www.sacalmaco.com/torre-de-andamio-evolutiva/

Las plataformas de trabajo pueden ser de madera contrachapada con marcos de aluminio o metálicas antideslizantes. En caso de tener el pavimento perforado, la apertura máxima de los intersticios no debe superar los 25 mm. Además, deben estar equipadas con garras de encaje que cuenten con un seguro antidesmontaje para evitar que el viento las pueda levantar. Algunas de estas plataformas también disponen de una trampilla abatible para facilitar el acceso. En cuanto a la estructura de los andamios, esta debe estar conformada por tubos de aluminio o acero, que pueden estar pintados o galvanizados, con un diámetro de 48 mm. Es esencial que los materiales estén en perfecto estado, sin ninguna anomalía que pueda afectar a su rendimiento, como deformaciones en los tubos, madera agrietada en los rodapiés, o garras defectuosas, entre otros.

Estos equipos de trabajo deben construirse de acuerdo con la norma UNE-EN1004-1. Las torres móviles de acceso y trabajo deben consistir en una estructura de un solo módulo y estar diseñadas para facilitar el montaje, modificación y desmontaje sin requerir el uso de equipos de protección individual contra caídas. Además, solo se permite una plataforma de trabajo en cada torre móvil, donde la plataforma superior debe ser exclusivamente una plataforma de trabajo, mientras que las plataformas inferiores se consideran plataformas intermedias, con la posibilidad de convertirse en plataformas de trabajo si se les añade protección lateral, incluyendo un rodapié. Las distancias entre las plataformas de trabajo, donde la distancia desde la base hasta el primer piso debe ser igual o menor a 3,40 m, y la distancia entre plataformas sucesivas debe ser igual o menor a 2,25 m . Asimismo, la superficie de la base, cuando esté presente, no debe ubicarse a más de 0,60 m del suelo.

Figura 3. Andamio torre móvil con escalera interior. https://www.ascandamios.es/andamio-torre-movil-con-escalera-interior-135x190cm-altura-430

Entre los componentes más relevantes de este tipo de andamio, se encuentran los siguientes:

  • Rueda pivotante: es una rueda giratoria que se encuentra asegurada en la base de un elemento, permitiendo la movilidad de la torre. Esta rueda está equipada con un sistema de bloqueo o freno. Las ruedas deben estar firmemente unidas a la estructura, evitando cualquier posibilidad de desprendimiento accidental. Estas ruedas pueden ser de acero macizo, material plástico u otro similar, y se les permite estar recubiertas con una banda de goma para prevenir daños en las superficies de uso.
  • Pata regulable: parte integrada en la estructura que se utiliza exclusivamente para nivelar una torre cuando se encuentra en un terreno irregular o en pendiente. Esta pata está equipada con una rueda pivotante.
  • Elemento de anclaje: medio empleado para reforzar la estructura. Usualmente, se emplea una barra o un perfil hueco tubular dispuesto transversalmente. Un extremo de este elemento se conecta a la torre, mientras que el otro se fija a una pared o estructura vertical cercana. De esta manera, proporciona una restricción compresiva que previene el posible vuelco de la torre debido a fuerzas horizontales que actúen sobre ella.
  • Estabilizadores y puntales inclinados: son componentes que posibilitan la extensión de la altura de la torre y, en algunos casos, pueden estar equipados con ruedas. Se conectan a los montantes de la estructura mediante grapas y deben ser diseñados como elementos esenciales de la estructura principal. Además, deben contar con mecanismos de ajuste que garanticen un contacto firme con el suelo.
  • Plataforma de trabajo: compuesta por una superficie circundada por barandillas, barras intermedias y rodapiés. Su longitud recomendada puede variar entre 1 m como mínimo y hasta 3 m, con una anchura mínima de 0,60 m. Se exige una altura libre mínima entre pisos de 1,90 m y una capacidad de carga mínima de 150 kg/m², junto con una indicación clara de la carga máxima permitida. Esta plataforma se construye sobre una estructura metálica de acero o aluminio, que sostiene una chapa o contraplacado como superficie de trabajo. Para garantizar la seguridad, se requiere que la plataforma esté rodeada en los cuatro lados por una barandilla de al menos 90 cm de altura, aunque se sugiere una altura de 1 m ± 50 mm. Además, debe incluir una barra intermedia a una altura mínima de 0,45 m y un rodapié de al menos 0,15 m de altura. Es importante destacar que los elementos de las barandillas de seguridad no deben ser extraíbles, excepto mediante una acción intencionada directa.
  • Medios de acceso: el acceso a las plataformas de trabajo se efectúa desde el interior mediante los marcos estructurales diseñados para ello o a través de escaleras, ya sean de tramos, escalones o escalas de progresión vertical o inclinada. Estos medios de acceso deben cumplir con requisitos generales esenciales, como estar firmemente asegurados a la estructura para evitar desprendimientos accidentales, no apoyarse en el suelo, mantener una distancia máxima desde el suelo hasta el primer escalón de 0,4 m (o 0,6 m si el primer escalón es un piso) y no exceder los 4 m entre niveles de trabajo. Además, la distancia entre los peldaños debe ser uniforme en todos los tramos de las escaleras, y los peldaños deben contar con superficies antideslizantes para garantizar la seguridad.
  • Trampillas de acceso: deben ser abatibles y cumplir con dimensiones mínimas de 0,40 m de ancho por 0,60 m de largo, aunque se recomienda una anchura de 0,50 m en la práctica. Además, es fundamental que estas trampillas cuenten con un mecanismo de cierre automático de seguridad y se abran de manera que no obstruyan el paso. Después de utilizarlas para ascender o descender, es necesario cerrarlas de inmediato.

El uso de andamios y torres móviles se ve influenciado por diversos factores cruciales. Las condiciones meteorológicas, como fuertes vientos, lluvia o nieve, pueden limitar su utilización de manera segura, representando un riesgo para los trabajadores. La estabilidad de estos andamios, especialmente en torres móviles, es una prioridad fundamental, y en la mayoría de los casos, sobre todo a alturas considerables, requieren ser anclados a la pared para garantizar la seguridad en el trabajo. Además, es esencial contar con una superficie de apoyo adecuada, lo que a menudo implica la presencia de estabilizadores o anclajes a la pared, junto con la necesidad de que esta superficie esté nivelada y libre de obstáculos. Algunos andamios incorporan husillos reguladores que permiten sortear desniveles comunes, como aceras o bordillos, obstáculos típicos en trabajos en fachadas, por ejemplo.

En las torres de trabajo móviles, los principales riesgos incluyen caídas a diferentes niveles debido a montajes incorrectos, falta de seguridad en las plataformas, acceso inadecuado, vuelcos, rotura de plataformas y alteraciones en las trampillas de acceso. También existe el peligro de derrumbe debido a problemas en la superficie de apoyo, deformaciones o montajes deficientes, así como riesgos de caídas de materiales. La proximidad a líneas eléctricas y caídas al mismo nivel por falta de orden, golpes o sobreesfuerzos también son factores de riesgo. Es fundamental tomar medidas preventivas para mitigar estos peligros y garantizar la seguridad en el trabajo en torres de trabajo móviles.

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Referencias:

Cursos:

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

 

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