Metacrilatos en la reparación del hormigón

Reparación de grietas con mortero de metacrilato. https://niberma.es/arreglar-grietas-suelos-industriales/

El metacrilato es un material plástico acrílico formado por polímeros del metacrilato de metilo, éster del ácido metacrilato. Su nombre técnico es polimetilmetacrilato, conocido por sus siglas PMMA. Los polimetacrilatos de metilo y copolímeros asociados son el producto de mezclas de monómeros y oligomeros acrílicos o metacrílicos que endurecen por polimerización iniciada por catalizadores orgánicos (peróxidos). Sin embargo sus formulaciones, aplicaciones y propiedades pueden ser muy diferentes de unos a otros.

Como material empleado en la reparación del hormigón, se puede presentar en lechadas o en morteros. Las lechadas se emplean en aplicaciones de pequeño espesor, de hasta 9,5 mm. Los morteros se utilizan para espesores mayores, de hasta 25 mm.

Este tipo de resinas son muy reactivas y permiten su uso a bajas temperaturas (-20ºC), con una rápida puesta en servicio, que puede ser de algunas horas cuando la temperatura es inferior a 20ºC. Precisamente su reducida viscosidad permite una elaboración acelerada. Son muy sensibles a la saponificación provocada por la reacción alcalina del hormigón en presencia de agua. Tienen un olor fuerte que dura en el tiempo.

Uno de los inconvenientes de este material es que se pueden quemar, debido a su base orgánica. Con todo, se puede mejorar la resistencia al fuego añadiendo cargas y retardadores. Pero como ventajas se encuentran su resistencia al agua, anticongelantes químicos, ácidos diluidos y alcalinos. No obstante, su resistencia a los disolventes es limitada. Por otra parte, son muy resistentes a la radiación ultravioleta y a las acciones de la intemperie.

El uso del mortero de metacrilato es muy útil en reparaciones urgentes, pues en 1 hora puede reparar pavimentos de hormigón, caminos y calzadas, muelles de carga y superficies sometidas a gran desgaste en almacenes, naves industriales o talleres. También son útiles en reparaciones urgentes en autovías, pistas de aeropuertos y otros lugares donde exista una baja temperatura. Útil en la reparación de juntas y parcheo, así como en el recrecido o nivelación de superficies. También presenta su utilidad en anclajes urgentes y fijaciones de elementos metálicos y pernos, incluso a bajas temperaturas.

Es característico el uso de la resina de metacrilato como protección a los pavimentos, pues su composición está libre de disolventes y presenta una elevada resistencia a la presión. Por otra parte, también se emplea como capa resistente al desgaste, con una reducida contracción cuando se usa como mortero. En el vídeo que presentamos a continuación vemos la utilidad del metacrilato para proteger y embellecer el hormigón impreso.

Referencias:

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

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

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Efecto del hielo y las sales fundentes sobre el hormigón

Figura 1. Ejemplo de acción hielo-deshielo junto con sales fundentes. https://www.interempresas.net/ObrasPublicas/Articulos/300170-Requisitos-revestimientos-protectores-larga-durabilidad-empleo-estructuras-hormigon.html

Cuando entramos en invierno, la bajada de temperaturas trae no solo ciclos de hielo y deshielo, sino que también es muy común el uso de sales fundentes para rebajar el punto de congelación del agua o de fundir el hielo si éste se ha formado. Echar sal sobre pavimentos, aceras o calles es habitual con frío y nevadas, pero tiene ciertos efectos perversos que deberíamos analizar.

En un país como España, donde el 18% de la superficie se encuentra a una altitud superior a 1000 m, y donde la altura media geográfica es de unos 660 m, hace que la posibilidad de fenómenos como las nevadas y heladas sean frecuentes. Estos efectos, por ejemplo, se dejan sentir fuertemente en la red de carreteras, pero también en las estructuras y los paramentos de hormigón. En este artículo nos vamos a centrar en los efectos del hielo y de las sales fundentes sobre el hormigón. En otros países, como es el caso del Reino Unido, en un estudio realizado en 1997, indicó que el 10% de todas las estructuras de hormigón armado se han visto afectadas por el ataque hielo-deshielo.

Por cierto, no vamos a hablar aquí sobre el efecto de las temperaturas en invierno en el hormigonado. No olvidemos que se suspenderá el vertido de hormigón siempre que se prevea que dentro de las 48 horas siguientes puede descender la temperatura ambiente por debajo de los 0ºC. Este tema, de gran trascendencia, se tratará en otro artículo.

El agua aumenta su volumen aproximadamente en un 9% cuando pasa de estado líquido a sólido. Como podemos ver en algunos artículos, se trata de una rareza más del líquido elemento, pues lo normal es que las sustancias se contraigan al enfriarse y se dilaten al calentarse. Esta peculiaridad ha facilitado la evolución de la vida en nuestro planeta, tal y como la conocemos. Sin embargo, cuando de lo que hablamos es de hormigón, estos ciclos de hielo y deshielo son perjudiciales. En efecto, los poros saturados, al congelarse, se rompen de forma explosiva, pudiendo provocar desconchados en el hormigón. Sin embargo, con la red capilar del hormigón o si existen fisuras, los daños pueden ser internos, pues estas fisuras crecen con el aumento de volumen provocado por el hielo.

La resistencia del hormigón a la acción del hielo depende de varios factores como son la edad del hormigón, su composición, el tipo de árido, el tamaño y distribución de los poros o la relación de enfriamiento y secado entre ciclos de hielo-deshielo. La resistencia del hormigón frente a este ataque se evalúa con la norma UNE-CENT/TS 12390-9.

El hielo se puede formar de varias formas: por congelación de la humedad existente en la superficie, por la condensación y enfriamiento del vapor de agua atmosférica (niebla y escarcha), por congelación del agua que cae sobre la superficie, por precipitación de agua en sobrefusión o por la nieve caída y no transformada.

Por otra parte, el uso de sales fundentes sobre la superficie helada del hormigón es un proceso endotérmico que provoca una caída de la temperatura superficial mientras se derrite el hielo. Es el conocido fenómeno de descenso crioscópico o depresión del punto de fusión. La velocidad de enfriamiento puede ser de hasta 14ºC por minuto, lo que provoca un choque térmico en la superficie del hormigón. Por este efecto, se forma un gradiente de temperaturas entre el exterior y el interior del hormigón que provoca un estado de tensiones internas que es capaz de producir fisuras en las capas exteriores del hormigón.

A este efecto físico hay que sumar, en el caso del hormigón armado, la presencia de cantidades suficientes de iones de cloruro disueltos que produce la corrosión del acero, incluso en condiciones altamente alcalinas. Esto genera, tal y como vemos en la Figura 2, picaduras de corrosión en puntos localizados de las armaduras donde la capa pasiva original es más débil, debido principalmente a la formación de sales de ácido clorhídico. Este efecto químico de determinadas sales fundentes es similar a las condiciones de durabilidad de las estructuras en ambientes marinos, de la que ya hemos hablado varias veces en este blog. Afortunadamente, existen alternativas a la sal que deberían tenerse muy en cuenta para evitar los impactos negativos, especialmente en estructuras como puentes.

Figura 2. Picaduras típicas provocadas por la presencia de cloruros en el hormigón. https://www.obrasurbanas.es/requisitos-de-los-revestimientos-protectores-de-larga-durabilidad-y-su-empleo-en-estructuras-de-hormigon/

Os dejo a continuación un documento técnico sobre el hormigón sometido a ciclos hielo-deshielo que espero sea de vuestro interés.

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Resinas de poliuretano en la construcción

Inyección de resina base poliuretano expandible en contacto con agua. https://www.restic.cl/servicio/reparacion-de-filtraciones/

Las resinas de poliuretano constituyen un material de base orgánica empleadas en la reparación del hormigón. Son resinas que se obtienen por policondensación (poliadición) entre el grupo hidrófilo de un polialcohol y un disocianato. La policondensación puede hacerse por la reacción de los isocianatos con la propia humedad contenida en el aire, por lo que se pueden utilizar productos de un solo componente. Cuando se utilizan dos componentes, la reticulación es más lenta. En la construcción se utilizan estas resinas para ejecutar juntas, para realizar revestimientos de pequeño espesor y en suelos.

Una vez endurecidas la resinas, éstas pueden formar productos rígidos o flexibles. Además de tener una excelente resistencia a la abrasión y tracción, estas resinas pueden unir estructuras, formando uniones adhesivas resistentes a los impactos, que solidifican rápidamente y se pueden adherir a distintas superficies, incluyendo el hormigón. Además, son resistentes a productos químicos como los disolventes, aceites o grasas. Son además productos de alta durabilidad, resistentes al rayado y que forma una buena barrera que evita la carbonatación del hormigón. No obstante, presenta una elevada sensibilidad al fuego y es tóxico cuando se quema, por los gases generados por los cianatos.

Frente a las resinas epoxi, una de sus ventajas es que puede endurecer a temperaturas cercanas a 0º C, aunque es cierto que aumentan su viscosidad cuando desciende la temperatura, lo cual puede entorpecer su puesta en obra. Si se utilizan hormigones basados en resinas de poliuretano, su rápido endurecimiento (de 10 a 20 minutos), permiten una puesta en servicio muy rápida. Por su parte la resina de poliuretano, frente a la epoxi, es más expansiva (puede expandirse hasta 20 veces su tamaño) y por lo tanto más resistente a las quebraduras y más recomendada para aplicarse en el exterior, además se seca rápidamente una vez aplicada. Con carácter general, se utilizará una resina en base epoxi cuando se quiera reparar una fisura muerta y de carácter estructural, es decir, que transmita esfuerzos. Sin embargo, para fisuras vivas o con penetración de agua o humedad, se recomienda el uso de resinas acuoreactivas en base poliuretano. Sin duda, ante filtraciones de agua, la expansividad e impermeabilidad de las resinas acua-reactivas de poliuretano, junto su rapidez, permiten barreras impermeabilizantes y eliminan humedades por filtración en todo tipo de construcciones como obras subterráneas, canales, consolidación de terrenos, fisuras en el hormigón, juntas de dilatación, entre otras.

Os dejo a continuación la ejecución de un suelo de resina con poliuretano antideslizante para un pavimento industrial.

En este otro vídeo se observa cómo se pueden reparar grietas en paredes con resinas expansivas.

Referencias:

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

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Nuestra aportación a la 6ª Conferencia Internacional sobre Modelos Mecánicos en Ingeniería Estructural CMMoST 2021

Como suele ser habitual, nuestro grupo de investigación suele presentar algunos de sus trabajos en la Conferencia Internacional sobre Modelos Mecánicos en Ingeniería Estructural. Estamos ya en la sexta edición, la CMMoST 2021, que se va a desarrollar del 1 al 3 de diciembre de 2021 en Valladolid (España). Se trata de un congreso bianual que, como bien indica su blog de presentación, es una excelente oportunidad para presentar a nivel internacional vuestros proyectos y compartir experiencias en el campo de los modelos mecánicos en la ingeniería estructural. CMMoST 2021 va dirigido tanto a investigadores como a profesionales dedicados al desarrollo y aplicación de modelos mecánicos en la ingeniería estructural. De este modo, ingenieros, arquitectos y otros expertos y profesionales relacionados con los modelos estructurales tienen cabida en este congreso internacional.

En esta ocasión, nos presentamos con dos comunicaciones que son parte de la investigación realizada en sendas tesis doctorales en marcha. A continuación os paso el resumen de los dos trabajos. Más adelante os pasaré las comunicaciones completas.

MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2021). Composite bridge deck optimization with trajectory-based algorithms. 6th International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering, CMMoST 2021, 1-3 December, Valladolid, Spain.

ABSTRACT

Bridge optimization can be difficult due to the large number of variables involved in the problem. In this work, the optimization of a steel‐concrete composite box girder bridge has been performed considering cost as objective function. To achieve this objective, Simulated Annealing (SA) has been applied as an example of trajectory‐based algorithm for the optimization of the structure. It is observed that the addition of cells to the bridge cross sections improves not only the section behavior but also the optimization results. Finally, it is observed that the proposed double composite‐action design materializing slabs on the bottom flange on supports, allows eliminating the continuous longitudinal stiffeners. This method automatize the optimization process of an initial design of a composite bridge, which has traditionally been based on the technician’s own experience, allowing to reach results in a more efficient way.

Keywords: Optimization, Structures, Composite bridges, Metaheuristics, Trajectory‐based algorithms.

SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2021). Neutrosophic logic applied to the multi-criteria evaluation of sustainable alternatives for earth-retaining walls. 6th International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering, CMMoST 2021, 1-3 December, Valladolid, Spain.

ABSTRACT

The sustainable design of infrastructures is one of the key aspects for the achievement of the Sustainable Development Goals, given the recognized magnitude of both the economic and environmental impacts of the construction sector. Multi-criteria decision methodologies allow addressing the sustainable design of infrastructures, simultaneously considering the impact of a design on the different dimensions of sustainability. This article proposes the use of neutrosophic logic to solve one of the main problems associated with decision making: the subjectivity of the experts involved. Through the neutrosophic approach of the AHP multi-criteria methodology and the use of the VIKOR technique, the economic and environmental impacts associated with four earth retaining wall designs are analyzed. In the present assessment, the most sustainable response over its life cycle has been found to be the gabion wall.

Keywords: Sustainability, Retaining walls, Neutrosophic logic, AHP, Multi-criteria decision making.

Las resinas epoxi en la reparación del hormigón estructural

Solución de anclajes con resina epoxi. https://teoriadeconstruccion.net/blog/resinas-epoxy-solucion-de-anclajes/

Las resinas epoxi constituyen uno de los materiales de base orgánica más utilizados en la construcción. Se han empleado en pavimentos industriales desde los años 60, sobre todo en Europa. Con este nombre se hace referencia tanto a los componentes como al producto final, ya curado. Se trata de un fuerte adhesivo termoplástico resultante de la mezcla de un polímero termoestable y un agente catalizador. Pero también puede llevar otros componentes que modifiquen su comportamiento antes o después del endurecimiento como diluyentes, agentes de curado y otros aditivos. Sin embargo, la composición más simple es la resina epoxi y un endurecedor. El curado de las resinas epoxi tiene lugar a temperatura ambiente, durante el cual se forman enlaces cruzados lo que da como resultado que su peso molecular sea elevado.

Las resinas epoxi pueden usarse puras o en forma de morteros y hormigones si presentan árido fino o fino y grueso. Normalmente se utilizan en trabajos de reparación, refuerzo, sellado de juntas y protección de estructuras de hormigón que se vean atacadas por agentes químicos, físicos o biológicos. La resistencia de la resina epoxi puede ser tan alta como la del hormigón, o incluso duplicarla, con la ventaja de que no presenta fisuras y es impermeable. No obstante, la resistencia aumenta si se añaden compuestos químicos específicos.

En el ámbito de la reparación estructural, las principales aplicaciones de las resinas epoxi serían las siguientes (Pelufo, 2003): reparación de grietas en el hormigón por inyección; unión de hormigón nuevo con el existente para reparar estructuras dañadas; unión de bandas metálicas de acero en refuerzos en hormigón estructural; mortero para relleno de grietas y coqueras, parcheos; hormigón para rellenos de grandes oquedades. Sin embargo, también se pueden utilizar como protección de revestimientos de superficies

En cuanto a sus propiedades, las que destacan por su aplicabilidad a la construcción son las siguientes: retracción despreciable; adherencia a piedra, fábrica de ladrillo, hormigón y acero; resistencia a tracción de hasta 90 MPa, y a compresión entre 120 y 210 MPa; resistencia a productos químicos (excepto al ácido nítrico); comportamiento regular frente a algunos disolventes orgánicos; buen comportamiento frente a cloruros. Como problema podemos destacar su alta sensibilidad a temperaturas superiores a 80ºC, y por tanto, nula resistencia al fuego.

En el caso del uso de las resinas epoxi como material de reparación en hormigón, no hay que olvidar que su coeficiente de dilatación térmica (de 2 a 6 x 10^-6 m/mºC), que puede ser muy diferente al del hormigón. Además, si la temperatura varía mucho, se puede producir un fallo de la reparación en la superficie de adherencia del hormigón base.

Tampoco se recomienda la reparación de un hormigón dañado por la corrosión de sus armaduras con un mortero u hormigón de epoxi, pues se pueden crear diferentes zonas de potencial eléctrico, formar pilas galvánicas y acelerar la corrosión en los perímetros de la reparación.

Os dejo algunos vídeos sobre la utilización de la resina epoxi en la construcción.

Os dejo a continuación, por su interés, un artículo de Fernández Cánovas donde se realiza una breve exposición de lo que son estas resinas, nada menos que del año 1964.

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Referencias:

Fernández Cánovas, M. (1964). Las resinas epoxi en la construcción. Informes De La Construcción, 16(159), 101–104. https://doi.org/10.3989/ic.1964.v16.i159.4570

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

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¿Qué factores afectan en mayor medida a la resistencia a la fatiga en los aceros?

Figura 1. Curva S-N representativa. https://es.wikipedia.org/wiki/Fatiga_de_materiales

Los esfuerzos cíclicos o repetitivos sobre componentes metálicos, y en especial en el acero, provocan roturas a tensiones mucho menores que aquellas que se podían esperar al aplicar un único esfuerzo estático. Este tipo de fallos se conocen como fallos por fatiga. La historia de la fatiga en los materiales viene ligada al desarrollo de la máquina de vapor de Watt, inicio de la Revolución Industrial.

Para conocer el comportamiento de los metales a la fatiga, se somete una probeta a esfuerzos cíclicos hasta rotura y se representa dicho ensayo en una curva S–N, también llamada curva de Wöhler. En dicha curva S es la tensión y N el logaritmo del número de ciclos hasta la rotura. En estas curvas (Figura 1), en determinados metales como el acero, la curva S-N se estabiliza a partir de un valor de tensión determinado. A este límite se denomina límite de fatiga o resistencia a la fatiga y se alcanza para valores de N entre 10⁶ y 10¹⁰ ciclos.

Muchas aleaciones férreas presentan un límite de fatiga de, aproximadamente, la mitad de su resistencia a tracción, mientras que aleaciones no férreas como las de aluminio, suele decirse que no presentan límite de fatiga y su resistencia a la fatiga es del orden de un tercio de la resistencia a tracción.

Sin embargo, lo que ahora nos interesa es conocer qué factores son los que más afectan a la resistencia a la fatiga de los metales, y en particular, de los aceros. Es evidente que la composición química del metal influye, pero hay otros factores que hay que tener muy en cuenta:

Concentración de tensiones: Las entallas, orificios, hendiduras o cambios bruscos en la sección transversal disminuyen fuertemente la resistencia a la fatiga. Se deben realizar diseños que eviten esta concentración de tensiones.
Rugosidad superficial: Un acabado liso del acabado superficial de la probeta incrementa la resistencia a la fatiga. Contrariamente, las superficies rugosas provocan concentración de tensiones.
Estado superficial: La mayor parte de los fallos por fatiga se originan en la superficie del metal, por lo que tratamientos de endurecimiento superficial, que endurecen la superficie, mejoran la resistencia a fatiga. En cambio, la descarbonatación, que ablanda la superficie de un acero tratado térmicamente, disminuye dicha resistencia.
Medio ambiente: Un ambiente corrosivo acelera la velocidad en la que se propaga la fisura por fatiga. A este fenómeno se le denomina corrosión por fatiga.

Os dejo a continuación un vídeo donde se muestra un ensayo a fatiga del acero.

En este otro vídeo se explica el ensayo a fatiga.

Os dejo a continuación una publicación de ITEA (Instituto Técnico de la Estructura en Acero) que trata del diseño para la fatiga.

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Referencias:

SMITH, W.F. (2004). Ciencia e Ingeniería de Materiales. 3ª edición, McGraw Hill, 570 pp.

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Special Issue «2nd Edition of Trends in Sustainable Buildings and Infrastructure»

High visibility: indexed by the Science Citation Index Expanded, the Social Sciences Citation Index (Web of Science) and other databases. Impact Factor: 3.390 (2020)

JCR category rank: Q1: Public, Environmental & Occupational Health (SSCI) | Q2: Public, Environmental & Occupational Health (SCIE) | Q2: Environmental Sciences (SCIE)

Special Issue “2nd Edition of Trends in Sustainable Buildings and Infrastructure”

A special issue of International Journal of Environmental Research and Public Health (ISSN 1660-4601).

Deadline for manuscript submissions: 30 September 2022.

Special Issue Editors

Guest Editor

Prof. Dr. Víctor Yepes

Concrete Science and Technology Institute (ICITECH), Department of Construction Engineering and Civil Engineering Projects, Universitat Politècnica de València Valencia, Spain
Interests: multiobjective optimization; structures optimization; lifecycle assessment; social sustainability of infrastructures; reliability-based maintenance optimization; optimization and decision-making under uncertainty

Guest Editor

Prof. Dr. Moacir Kripka

Civil and Environmental Engineering Graduate Program (PPGEng), University of Passo Fundo, Passo Fundo CEP 99052-900, Brazil
Interests: structural analysis; optimization; building; engineering optimization; civil engineering; linear programming; mathematical programming; heuristics; structural optimization; concrete; combinatorial optimization; structural engineering; multiobjective optimization; reinforced concrete; optimization methods; discrete optimization; optimization theory; simulated annealing; optimization software

Special Issue Information

Dear Colleagues,

This Special Issue is the 2nd edition of Trends in Sustainable Buildings and Infrastructure. The recently established Sustainable Development Goals call for a paradigm shift in the way buildings and infrastructures are conceived. The construction industry is a main source of environmental impacts, given its great material consumption and energy demands. It is also a major contributor to the economic growth of regions through the provision of useful infrastructure and generation of employment, among others. Conventional approaches underlying current building design practices fall short of covering the relevant environmental and social implications derived from inappropriate design, construction, and planning. The development of adequate sustainable design strategies is therefore becoming extremely relevant with regard to the achievement of the United Nations 2030 Agenda Goals for Sustainable Development.

This Special Issue aims to increase knowledge on sustainable design practices by highlighting the actual research trends that explore efficient ways to reduce the environmental consequences related to the construction industry while promoting social wellbeing and economic development. These objectives include but are not limited to:

Life-cycle-oriented building and infrastructure design;
Design optimization based on sustainable criteria;
Maintenance design towards sustainability;
Inclusion of social impacts in the design of buildings and infrastructures;
Resilience and sustainability;
Use of sustainable materials;
Decision-making processes that effectively integrate economic, environmental, and social aspects.

Papers selected for this Special Issue will be subject to a rigorous peer-review procedure with the aim of rapid and wide dissemination of research results, developments, and applications.

Submission

Manuscripts should be submitted online at www.mdpi.com by registering and logging in to this website. Once you are registered, click here to go to the submission form. Manuscripts can be submitted until the deadline. All papers will be peer-reviewed. Accepted papers will be published continuously in the journal (as soon as accepted) and will be listed together on the special issue website. Research articles, review articles as well as short communications are invited. For planned papers, a title and short abstract (about 100 words) can be sent to the Editorial Office for announcement on this website.

Submitted manuscripts should not have been published previously, nor be under consideration for publication elsewhere (except conference proceedings papers). All manuscripts are thoroughly refereed through a single-blind peer-review process. A guide for authors and other relevant information for submission of manuscripts is available on the Instructions for Authors page. International Journal of Environmental Research and Public Health is an international peer-reviewed open access semimonthly journal published by MDPI.

Keywords

Sustainable design and construction
Life cycle assessment
Sustainability in decision making
Green buildings
Sustainable maintenance
Resilient structures
Sustainable materials
Social life cycle assessment
Sustainable management of infrastructures
Multiobjective optimization for sustainable development

Presentación de la tercera edición del libro: Análise estrutural para Engenharia Civil e Arquitetura. Estruturas isostáticas

Es un placer y todo un honor recibir la invitación del Prof. Moacir Kripka para presentar la tercera edición de su libro «Análise estrutural para Engenharia Civil e Arquitetura. Estruturas isostáticas«. Se trata de una edición, recién publicada este año 2021 (ISBN: 978-65-86235-11-1).

El profesor Kripka, es catedrático de estructuras en la Universidade de Passo Fundo, en Brasil, donde ejerce de profesor desde el año 1991. Ha sido director del Departamento de Ingeniería Civil y del Grado en Ingeniería, siendo actualmente editor de la revista Journal of Applied and Technological Sciences – CIATEC/UPF. Su área de investigación se centra fundamentalmente en la optimización de estructuras, por lo que ha sido de gran productividad para nosotros compartir experiencias durante su estancia de investigación (septiembre a diciembre de 2018). Fruto de esta colaboración, a parte de los relacionados con la investigación, se extienden al futuro intercambio de estudiantes y profesorado entre nuestras respectivas universidades y en la participación conjunta en proyectos de investigación y de transferencia tecnológica.

Las estructuras isostáticas son el sustento de la ingeniería como el suelo es el sustento de la vida o el lenguaje lo es para la comunicación. Una lectura atenta de este libro permite comprender el comportamiento de las estructuras isostáticas y su diseño. El libro abarca los conceptos fundamentales necesarios para el funcionamiento de las estructuras y los modelos estructurales, las reacciones de apoyo, las acciones en las estructuras y los esfuerzos solicitados. Didáctico, con explicaciones paso a paso para el análisis de vigas, pórticos, cerchas y rejillas, facilitará la apropiación de los conocimientos por parte de los estudiantes. Esta tercera edición incluye un nuevo capítulo sobre el cálculo de los desplazamientos en las estructuras. La teoría y los cálculos se acompañan de ejemplos e ilustraciones de obras civiles y, al final de cada capítulo, los ejercicios ayudan a comprender y fijar los conceptos involucrados, así como su aplicación en cualquier situación que se presente. Este libro está dirigido a los estudiantes de Ingeniería Civil y Arquitectura y sirve de guía para los profesores que imparten la asignatura.

Os dejo a continuación mi presentación a la tercera edición del libro en español (el original está en portugués). Espero que os sea de interés.

La ingeniería es algo vivo que se aplica y se transmite a las futuras generaciones. Nunca se empieza desde cero y, como le dijo Isaac Newton en una carta a Robert Hook “si he visto más lejos es porque estoy sentado sobre los hombros de gigantes”. Por tanto, la labor docente en ingeniería sustenta el avance técnico. Sin embargo, este progreso no es gratuito; necesita un esfuerzo ingente para resolver los problemas cada día más complejos a los que se enfrentan los ingenieros y requiere de una fuerte dedicación. Por ello, la docencia en ingeniería es algo vivo, debe nutrirse de la actividad profesional y de la investigación.

Una de las grandes satisfacciones que permite el mundo académico es encontrar almas gemelas cuyas preocupaciones técnicas y científicas son similares a las tuyas. Es el caso del profesor Moacir Kripka. Tuvimos la ocasión de mantener largas charlas durante una estancia de investigación que realizó hace unos meses en la Universitat Politècnica de València. El amor por las estructuras, la optimización o la sostenibilidad son campos comunes que permitieron un intercambio de ideas y experiencias que se plasmaron en varios artículos científicos de impacto internacional. Lo que empezó siendo un encuentro entre colegas terminó, al cabo de unos meses, en una complicidad y amistad que pervive en el tiempo.

Ha sido esta complicidad la que me ha hecho imposible rechazar la petición que me hizo para redactar el prólogo de su nuevo libro sobre análisis estructural. Todo un honor para mí, y por ello le estoy muy agradecido, pues se trata de introducir un libro redactado por un extraordinario docente en el ámbito de las estructuras en ingeniería civil y en arquitectura. Se trata de un texto capaz de explicar de forma sencilla los a veces complejos aspectos que presenta el análisis estructural. El libro aborda mediante ilustraciones y ejemplos los conceptos fundamentales del comportamiento de las estructuras, y por tanto, de su dimensionamiento. Aunque se trata de un texto orientado a la formación universitaria en el ámbito técnico, seguro que es una guía de apoyo para aquellos otros que se encuentran desarrollando plenamente su profesión.

Por último, y antes de que el lector empiece con avidez la lectura de este libro, me gustaría reflexionar sobre la necesidad de establecer fuertes cimientos conceptuales en el ámbito del análisis estructural. En efecto, hoy día estamos inmersos en la Cuarta Revolución Industrial, también conocida como Industria 4.0. Este concepto, acuñado en 2016 por Klaus Schwab, fundador del Foro Económico Mundial, incluye las tendencias actuales de automatización y de intercambio de datos. En este contexto se incluye la inteligencia artificial, la minería de datos, el Internet de las cosas, los sistemas ciberfísicos y los gemelos digitales, entre otros.

Pues bien, la simulación numérica, la modelización y la experimentación han sido los tres pilares sobre los que se ha desarrollado la ingeniería en el siglo XX. La modelización numérica, que sería el nombre tradicional que se ha dado al “gemelo digital” presenta problemas prácticos por ser modelos estáticos, pues no se retroalimentan de forma continua de datos procedentes del mundo real a través de la monitorización continua. Estos modelos numéricos (usualmente elementos finitos, diferencias finitas, volumen finito, etc.) son suficientemente precisos si se calibran bien los parámetros que lo definen. La alternativa a estos modelos numéricos son el uso de modelos predictivos basados en datos masivos big-data, constituyendo “cajas negras” con alta capacidad de predicción debido a su aprendizaje automático “machine-learning“, pero que esconden el fundamento físico que sustentan los datos (por ejemplo, redes neuronales). Sin embargo, la experimentación es extraordinariamente cara y lenta para alimentar estos modelos basados en datos masivos.

El cambio de paradigma, por tanto, se basa en el uso de datos inteligentes “smart-data paradigm“. Este cambio se debe basar, no en la reducción de la complejidad de los modelos, sino en la reducción dimensional de los problemas, de la retroalimentación continua de datos del modelo numérico respecto a la realidad monitorizada y el uso de potentes herramientas de cálculo que permitan la interacción en tiempo real, obteniendo respuestas a cambios paramétricos en el problema. Dicho de otra forma, deberíamos poder interactuar en tiempo real con el gemelo virtual. Por tanto, estamos ante otra realidad, que es el gemelo virtual híbrido.

Pues bien, todo este cambio de paradigma no debe olvidar los fundamentos en los que se basan los modelos. En el caso de las estructuras, la comprensión de los principios básicos que fundamentan su análisis resulta clave para la modelización numérica y la experimentación. Una buena base para estos cimientos es, por tanto, este libro del profesor Kripka sobre análisis estructural. Espero que disfruten de su lectura.

Víctor Yepes

Valencia, noviembre de 2019

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Materiales de reparación del hormigón estructural

Deterioro prematuro del hormigón. Imagen: V. Yepes

No es extraño encontrar en medios de prensa noticias relacionadas con las costosas reparaciones de estructuras de hormigón de todo tipo. Lejos quedó la consideración del hormigón armado como un material resistente a cualquier tipo de ataque. La alcalinidad del hormigón y el recubrimiento de sus armaduras parecían suficientes para asegurar una larga vida útil para estas estructuras. Pues no, la vida útil de las estructuras de hormigón es una realidad que obliga a reparaciones si lo que se pretende es alcanzar una vida prevista suficientemente holgada. Sobre este tema ya hemos hablado en artículos anteriores. Por ejemplo, cuando poníamos en entredicho una vida útil de 100 años para los puentes; cuando exponíamos los métodos matemáticos para estimar la vida útil de los puentes; o cuando definíamos la durabilidad y la vida útil de las infraestructuras, entre otros muchos más artículos, a los que remitimos al lector dentro de este mismo blog.

En este artículo nos centramos en resumir, de forma breve, los materiales que se utilizan en la reparación del hormigón estructural. Estos materiales deben resistir acciones químicas, físicas o mecánicas que afecten a la durabilidad de la estructura y que requieran a su reparación. Fernández Cánovas (1994) indicaba que las condiciones que debe cumplir un material de reparación deberían ser, entre otras, las siguientes: mayor durabilidad que el material estructural existente; protección del acero al mejorar la alcalinidad del medio y aumentar la impermeabilidad; buena estabilidad dimensional con una mínima retracción y fluencia; y una buena adherencia tanto en acero como en hormigón. Además, como cualquier material de construcción, se debe exigir a estos productos requisitos relativos a la funcionalidad, seguridad, durabilidad, estética y economía.

Aunque es posible encontrar diversas clasificaciones de los materiales empleados en la reparación del hormigón estructural, la literatura europea los clasifica en tres grupos atendiendo al ligante que sirve de cohesión. Pueden ser estos ligantes hidráulicos, como el cemento; orgánicos, como las resinas sintéticas, o mixtos, es decir, que sean a la vez ligantes hidráulicos y orgánicos. Los ligantes hidráulicos pueden estar modificados o no por un polímero orgánico. Los productos basados en resinas sintéticas varían según la estructura del polímero resultante. Los materiales de base mixta se benefician tanto de las propiedades debidas al endurecimiento de los ligantes hidráulicos como de la reticulación del polímero.

Desde el 1 de Enero de 2009, es de obligado cumplimiento en toda la Unión Europea la Norma UNE-EN 1504, que especifica los requisitos para la identificación, comportamiento y seguridad de los productos y sistemas a utilizar para la reparación y protección estructural y no estructural del hormigón.

Veamos una pequeña clasificación de dichos materiales (Pelufo, 2003):

Materiales de base inorgánica

Se trata de productos basados en el cemento. Pueden ser de base inorgánica tradicional como los cementos portland (lechadas, morteros, microhormigones y hormigones). Las no tradicionales pueden emplear cemento portland, aluminoso, sin retracción, cementos basados en fosfato de magnesio, etc. Estos últimos son materiales de reparación con propiedades especiales: retracción compensada, endurecimiento rápido, altas resistencias, etc.

Materiales de base orgánica

Se basan en un aglomerante de resinas o polímeros, normalmente termoestables, como las resinas epoxídicas, los poliuretanos o los poliésteres. Estos ligantes polimerizan con un endurecedor. En el mercado existe una gran variedad de este tipo de materiales.

Materiales de base mixta

Hay quien opina que si el producto está compuesto por un conglomerante hidráulico y un polímero que se disuelve de forma estable en agua, éste producto pertenece al grupo de materiales de base inorgánica. No obstante, otros autores como Fernández Cánovas (1994) los consideran como materiales de base mixta. Estos productos de base mixta suelen tener por base cemento portland y polímeros termoplásticos. Las resinas que lo componen suelen ser acrílicas, estireno-butadieno, polivinilo y archilamidas. Como no podía ser de otra forma, las propiedades variarán en función de los componentes y proporciones utilizadas.

Os dejo algunos vídeos sobre este tema de la reparación de estructuras de hormigón. Espero que os gusten.

Referencias:

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

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

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Las dificultades asociadas a las vigas Vierendeel y su rotura frágil

Jules Arthur Vierendeel (1852-1940). https://es.wikipedia.org/wiki/Jules_Arthur_Vierendeel

Los entramados en bastidor, también llamados Vierendeel, surgieron de la patente de 1897 de una viga reticulada que lleva el nombre de su creador, el ingeniero belga Jules Arthur Vierendeel (1852-1940). La viga Vierendeel tiene una forma de celosía ortogonal que presenta la ventaja de prescindir de las tradicionales diagonales. Esta característica obliga a rigidizar fuertemente los nudos, estando sometidas sus barras a esfuerzos flectores y cortantes, además de los esfuerzos axiles. La tipología de la estructura presenta ventajas como la de permitir el paso a su través, ya sea de personas o de conducciones, facilitando también la colocación de carpinterías en edificación.

En el caso de los puentes, los de este tipo se hicieron muy populares en el primer tercio del siglo XX, existiendo un buen número de ejemplos en Bélgica y en el antiguo Congo Belga. El primer puente de estas características se construyó en Avelgem, Bélgica, en 1902. En España, por ejemplo, tenemos un ejemplo en Riera de Caldas, terminado en 1933.

Vigas Vierendeel en el teatro Alla Scala de Milán. https://www.e-zigurat.com/blog/es/ejemplos-estructurales-aplicacion-vigas-vierendeel/

Puente Hafe vu Léck. https://es.wikipedia.org/wiki/Puente_Vierendeel

Sin embargo, esta tipología no está exenta de dificultades relacionada con la tenacidad del acero y la mecánica de fractura. Un ejemplo es el colapso del puente Vierendeel de Hasselt, sobre el canal Alberto, en Bélgica, en 1938. Este desastre ocurrió con una temperatura de -20ºC. Se trataba de un puente metálico soldado donde, al desaparecer las diagonales de la celosía, se debía reforzar los cordones y montantes. Pero lo más importante, la ejecución de los nudos soldados requiere de una delicadeza y cuidado máximos. En efecto, estos nudos soldados fueron el origen de sonados desastres como el descrito debido a que con las bajas temperaturas del invierno y con cierta sobrecarga, se produce con cierta facilidad la rotura frágil del acero si no se concibe y ejecuta los innumerables detalles asociados a la soldadura.

Otra dificultad añadida es su deformabilidad frente a otras tipologías de celosías trianguladas. Por ejemplo, para una pasarela de 60 m, la flecha de una viga Vierendeel es unas 10 veces mayor que el resto. Aproximadamente del orden de Luz/100, mientras que en las celosías son menores que Luz/1000.

Sin embargo, hoy día existe cierta tendencia en arquitectura en utilizar este tipo de estructura sin informar claramente sobre las dificultades de esta tipología, muy tentadora, como nos comenta Javier Rui-Wamba en su libro «Teoría unificada de estructuras y cimientos. Una mirada transversal«.

Os dejo a continuación un vídeo sobre la construcción con vigas Vierendeel en el Centro Cultural Nestor Kirchner, en Buenos Aires (Argentina).

En este otro vídeo, donde unos estudiantes rompen un modelo reducido de viga Vierendeel, vemos la gran deformabilidad de esta estructura.

Un ejemplo arquitectónico singular fue la construcción de las Torres Gemelas, donde se recurrió a la viga Vierendeel y a un sistema invertido de estructura.

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