Figura 1. Puente de Morandi (Génova). https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Genova_ponte_Morandi.jpg#/media/File:Genova_ponte_Morandi.jpg
La tragedia del colapso de un tramo del puente de Morandi en Génova (Italia), el 14 de agosto de 2018, me sugiere escribir esta entrada. Se trata de explicar cómo se construyen los puentes atirantados cuando los tirantes se fabrican «in situ». Como se puede ver, la técnica usada en los puentes atirantados de Morandi, si bien fue novedosa en su tiempo, en este momento es una técnica que no se utiliza en la construcción de este tipo de estructuras.
Un puente atirantado consiste en un tablero soportado por cables rectos e inclinados, llamados tirantes, que se fijan en los mástiles. Existen multitud de tipos de tirantes, unos formados por barras, otros por hilos paralelos, otros por torones y por último el cable cerrado. Sin embargo, el sistema de tirante de torones es el que se está imponiendo debido a sus ventajas en cuanto a anclaje y protección contra la corrosión. Solo el tirante de cable cerrado, el más antiguo de los sistemas, aún convive con el sistema de torones, si bien están en desuso debido a su menor capacidad de carga y mayor precio.
Los tirantes pueden dividirse en dos grandes grupos atendiendo a su montaje, los fabricados “in situ” y los prefabricados.
Aunque ya no se recurre al sistema de montaje de tirantes «in situ», vamos a describir aquí las distintas formas de fabricar en obra tirantes compuestos. Así, en el puente japonés de Toyosato-Ohashi los tirantes se montan hilo a hilo, de forma parecida a los cables de los puentes colgantes. También se pueden hacer los tirantes con hormigón pretensado, como los utilizados por Morandi en sus puentes. Otro procedimiento sería enfilar los tirantes torón a torón dentro de una vaina de polietileno para inyectar posteriormente lechada de cemento. El principal problema de este procedimiento es el hormigón, puesto que los cables se montan fácilmente.
Figura 2.Puente de Toyosato-Ohashi (Japón). By Nkns (Nkns took a photograph.) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html), CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/) or CC BY-SA 2.1 jp (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.1/jp/deed.en)], via Wikimedia Commons
Sin embargo, la forma actual de construir tirantes en obra es con vaina inyectada, pues no sólo es más fácil de montar, sino que puede utilizarse cualquier tipo y tamaño de tirante, siendo un procedimiento económico. Las vainas más usadas hoy en día son de polietileno, por su facilidad de montaje, si bien las metálicas permiten la inyección de una sola vez al admitir mayores presiones.
Figura 3. Puente General Urdaneta, sobre el lago Maracaibo (Venezuela). By The Photographer – Own work, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=29236260
Se pueden utilizar dos procedimientos diferentes en el caso de la construcción de tirantes “in situ” con vaina inyectada. Se pueden anclar los cables a la torre y al tablero, o bien se pueden hacer pasar los cables por una silla en la torre. En el primer caso, es fácil enfilar los cables, pero se complica el diseño de la torre por el cruce de vainas y el alojamiento de los anclajes.
Tras situar la vaina, se enfilan los cables en su interior subiendo la bobina del cable por encima del anclaje superior. Mediante una enfiladora se lleva el cable hasta el anclaje inferior. Después se corta el cable a la salida de la bobina y se fija al anclaje superior. Se le da una tensión mínima para garantizar que todos los cables lleven la misma tensión. Tras el enfilado, se tensa el tirante del conjunto de cables o tirando hilo a hilo, siendo más cómodo tesar desde lo alto de la torre. Por último, se inyectan los anclajes mediante resina y a continuación se inyecta la vaina mediante lechada de cemento. En el puente de Sama de Langreo se retesaron los tirantes desde la torre, mientras que en el de Barrios de Luna, se hizo desde el tablero.
Si se pasan los cables por una silla en la torre, formada por un tubo curvo, los cables se empujan desde un anclaje hasta llegar al otro, o bien mediante un cable piloto que tire de uno o varios cables.
Como resumen de lo anterior, se puede comprobar cómo el sistema utilizado por Morandi en la construcción del puente de Génova no se utiliza en la actualidad. Con todo, la tragedia de este puente nos debe hacer reflexionar sobre la necesidad de destinar recursos suficientes al mantenimiento y monitorización de las infraestructuras críticas (puentes, carreteras, presas, edificios, etc.).
En una entrada anterior dimos recomendaciones acerca de la cimentación de una cimbra en el caso particular de la construcción de un puente losa. Ahora vamos a explicar brevemente los requisitos básicos de cualquier tipo de cimbra atendiendo a lo dispuesto en la norma UNE-EN 12812:2008 «Cimbras. Requisitos de comportamiento y diseño estructural».
Una cimbra, tal y como dispone dicha norma, se utiliza normalmente para soportar las cargas producidas al verter hormigón fresco durante la construcción de estructuras permanentes hasta que se alcance la capacidad de soportar la carga suficientemente, también sirve para absorber las cargas de elementos estructurales, instalaciones y equipos utilizados durante la construcción, el mantenimiento, la reforma o el derribo de las estructuras y, adicionalmente, proporcionan sustento para el almacenamiento temporal de materiales de construcción, elementos estructurales y equipos.
Como puede verse, la cimbra es una estructura que debe transmitir las cargas al terreno o a otra subestructura. Puede ser una subestructura habilitada a tal efecto, la superficie del terreno existente (por ejemplo, roca), una superficie parcialmente excavada y preparada (por ejemplo, tierra), una estructura ya existente o bien un cimiento propiamente dicho.
Apoyo sin ninguna incrustación en el terreno
El cimiento de una cimbra se puede apoyar directamente sobre el terreno, siempre que se retire la capa superficial del suelo. En este caso se deben cumplir las siguientes condiciones:
Los cimientos deben resistir los arrastres por aguas superficiales o subterráneas, al menos, durante la vida de la cimbra. Para ello se puede ejecutar un drenaje o bien se puede proteger dicha cimentación con una capa de hormigón.
No deben existir heladas que afecten a terrenos permeables que sean superficie de apoyo, al menos, durante la vida de la cimbra.
La superficie de apoyo no debe superar el 8% de pendiente. En otro caso, se debe realizar un macizo de apoyo o cualquier otra solución que permita disipar la componente de fuerza en el terreno.
En terrenos cohesivos, y cuando la distancia al borde es grande, se debe disponer de un drenaje por debajo de la base de cimentación.
En el caso de terrenos no cohesivos, se debe asegurar que no sea probable que el nivel freático se eleve a menos de un metro de la parte inferior de la estructura. La razón es mantener el asentamiento en un valor suficientemente bajo.
Se debe verificar la capacidad de esfuerzo cortante lateral.
Apoyo sobre una estructura permanente existente
En este caso hay que verificar la capacidad de la estructura permanente para soportar las cargas aplicadas de la cimbra.
Elementos rectangulares apilados
Se pueden utilizar elementos de madera rectangulares u otros elementos comparables para el apoyo en la ejecución de las torres portantes, así como para el ajuste de la altura de la base de la construcción en combinación con la cimentación. Estos elementos se deben colocar transversalmente, ampliándose el área base con cada capa desde la parte superior a la inferior. Asimismo, se debe comprobar que el apoyo de la ejecución para las torres portantes debe cubrir toda la sección transversal de la torre (Figura 1).
Figura 1. Apoyo de una torre portante mediante elementos apilados. AENOR (2008)
El extremo superior de los elementos apilados debe diseñarse como un apoyo horizontal arriostrado, o bien, se debe estabilizar el punto de apoyo en cualquier dirección horizontal mediante anclajes horizontales. Este elemento apilado se considera como un punto de apoyo horizontal arriostrado si se cumple (Figura 2):
Figura 2. Elemento apilado para ajuste de la altura. AENOR (2008)
Torres de carga
Se requiere asegurar la forma de la sección de la estructura de apoyo mediante anclajes o planos rigidizados, en la parte superior e inferior de la torre. Se puede sustituir dichos anclajes por el propio encofrado o por la cimentación en el caso de que la torre esté bien conectada a dichos elementos.
Referencias.
AENOR (2008). Norma Española UNE-EN 12812 Cimbras. Requisitos de comportamiento y diseño general.
La gran cantidad de obras marítimas que se realizan han obligado a realizar numerosos estudios sobre el comportamiento de los hormigones sometidos a la acción del agua del mar. El hormigón, como material heterogéneo que es, presenta propiedades que varían de las características de sus componentes, de sus cantidades, de la forma de poner dicho hormigón en obra, del curado y conservación, del medio donde va a estar trabajando, entre otras.
En efecto, el agua de mar provoca un proceso muy complejo sobre el hormigón en el que intervienen gran número de parámetros mecánicos, físicos, químicos, biológicos y atmosféricos. Sin embargo, la agresividad química de los componentes del agua marina sobre los productos de hidratación del cemento, en especial el hidróxido de magnesio (Mg(OH)2) y el sulfato cálcico (CaSO4), provocan expansiones debidas a la reacción álcali-árido, si hay árido reactivo, a la presión de cristalización de sales en el hormigón, a la acción del hielo en climas fríos, a la corrosión de las armaduras y a la erosión física debida al oleaje. Estas acciones aumentan la permeabilidad del hormigón, lo que retroalimenta el proceso. Son los iones sulfato del interior de la matriz los que reaccionan con el monosulfatoaluminato produciendo estringita, que es la responsable de la expansión y la rotura. Con todo, el agua de mar es menos agresiva para el hormigón que cada una de las soluciones que la componen individualmente debido a que el comportamiento expansivo asociado con formación de estringita está inhibido por la presencia de cloruros y facilita su solubilidad. Además, el CO2 disuelto en el agua carbonata gradualmente al hormigón, formando una capa superficial de carbonato cálcico que actúa como protector frente al ataque del hidróxido de magnesio y del sulfato cálcico los cuales terminan colmatando los poros restantes.
Lo anteriormente expuesto indica que, en un hormigón de razonable calidad, no suele ser un serio problema el ataque químico por el agua de mar. El parámetro esencial que determina el buen comportamiento de un hormigón es su compacidad y la morfología de sus poros. Por tanto, aunque el agua de mar podría considerarse como poco agresiva respecto de los hormigones, el ambiente marino, por sí mismo, resulta fuertemente agresivo. En efecto, el ataque químico del agua de mar depende de si el hormigón se encuentra sumergido total o parcialmente. Si está totalmente sumergido, tienen lugar fundamentalmente los procesos químicos. En la zona de oscilación, actúan los ataques químicos con otras acciones físicas como cristalizaciones de sales, heladas, etc. En la zona no sumergida, pero cercana al agua, ésta sube por capilaridad y arrastra sales que pueden cristalizar dando lugar a expansiones. Además, los cloruros del agua marina (MgCl2) solubilizan el hidróxido de calcio (Ca(OH)2) (portlandita) que se ha formado durante el fraguado y endurecimiento del cemento, formando cloruro de calcio e hidróxido de magnesio.
El tema se complica cuando tratamos con hormigón armado. Efectivamente, los cloruros (incluso los bromuros) presentes en el agua marina atacan a las armaduras. Los iones cloruro penetran por difusión por los poros del hormigón y llegan a las armaduras, donde forman un electrolito conductor que rompe su capa pasivante y se produce la oxidación llamada de «picadura». Es por ello, que en las estructuras de hormigón armado situadas en ambiente marino, resulta fundamental respetar los recubrimientos recomendados para evitar la corrosión descrita.
Os dejo a continuación una guía técnica de IECA donde se describe con mayor detalle el comportamiento del hormigón en ambiente marino.
Puente de Hradeck, en Liubliana (Eslovenia). Imagen: V. Yepes (2018)
Con motivo de la Conferencia Internacional HPSM/OPTI 2018, que tuvo lugar en Liubliana (Eslovenia), tuve la oportunidad de visitar la ciudad y sus puentes. Me llamó la atención el puente de Hradeck.
Se trata de uno de los pocos puentes de hierro fundido que sobrevive en Europa. El primer puente de este tipo, el de Coalbrookdale (Inglaterra), se construyó entre 1777 y 1779. Este puente, construido después, se inauguró el 18 de octubre de 1867, aunque a lo largo de los años se ha cambiado hasta dos veces de su posición original. Este puente, que sustituyó al antiguo Puente de Zapatero de madera, presenta una longitud total de 30,8 m y un ancho de 6,42 m. Su proyectista fue Johann Hermann. El puente está compuesto de elementos prefabricados de perfil triangular, que se transportaron a Liubliana y se conectaron en obra con tornillos. En el año 2011 se trasladó el puente a su ubicación actual, siendo su uso actual sólo para peatones y ciclistas.
Os dejo un vídeo sobre el puente, que espero que os guste.
Os dejo a continuación, en abierto, un estudio paramétrico que hemos realizado sobre pasarelas de hormigón postesado de sección en cajón. Espero que os sea de interés.
Referencia:
YEPES, V.; PÉREZ-LÓPEZ, E.; ALCALÁ, J.; GARCÍA-SEGURA, T. (2018). Parametric study of concrete box-girder footbridges.Journal of Construction Engineering, Management & Innovation, 1(2):67-74. doi:10.31462/jcemi.2018.01067074
ABSTRACT:
This paper presents a study of the parametric variability of post-tensioned concrete box-girder pedestrian bridges. SAMO2 algorithm is used for the parametric study. This algorithm combines SA with a mutation operator, to find the economic solutions. A span-length parametric study analyzes the characteristics for the best design of a three-span deck in which the main span ranges from 30 to 60 m. The depth and the number of strands were adjusted according to span length, while the thickness of the slabs presented the same optimum values in all cases. Results show that the amount of steel and volume of concrete per square meter of deck shows a good correlation with the main span length. This study demonstrates that by increasing the main span length by one meter, the total cost per square meter of the deck increases by 6.38 euros on average. Thus, this paper shows the relationship between the span length and geometrical and steel variables to produce and build a cost-efficient pedestrian bridge.
Un revestimiento constituye una barrera que impide el paso y el acceso de los agentes agresivos exteriores en el hormigón. Se trata de capas finas, de unas micras hasta 3 mm de espesor, de diferentes productos, que pueden ser pinturas o micromorteros de diferentes composiciones químicas. Los agentes agresivos de los que el revestimiento debe realizar una protección son, entre otros, los siguientes:
El agua, por lo que el revestimiento debe ser impermeable
Líquidos agresivos, por lo que el revestimiento debe ser resistente químicamente
Cloruros y otros iones, que normalmente vienen disueltos en agua
Dióxido de carbono, por lo que el revestimiento debe ser una barrera a dicho gas
Se utilizan como revestimiento productos diferentes según el tipo de protección que se quiera realizar. Los productos más habituales son las resinas epoxi, las resinas de brea-epoxi, las emulsiones bituminosas, las pinturas acrílicas, las impregnaciones de siloxanos, los micromorteros de cementos y los micromorteros de epoxi-cemento.
Resinas epoxi
La resina epoxi constituye un revestimiento formado por dos componentes termoendurecibles. Son muy interesantes como revestimiento del hormigón porque presentan una gran adherencia, buenas resistencias mecánicas, magnífica resistencia química, elevada impermeabilidad a líquidos y gases y una buena resistencia a la abrasión y a los golpes. Las resinas epoxi puras presentan las mejores características, pero debido a la dificultad existente en su aplicación por la elevada viscosidad, se emulsionan con agua o se disuelven con disolventes orgánicos.
Resinas de brea-epoxi
La unión de la brea -que es un producto dúctil y elástico-, con la resina epoxi -que presenta una excesiva rigidez-, produce un revestimiento de mayor flexibilidad y menor coste que la resina epoxi, si bien con unas características menores en cuanto a la resistencia química y mecánica. Así y todo, resulta un producto adecuado para determinados usos.
Pinturas bituminosas
Las emulsiones bituminosas se componen de betún asfáltico, agua y un agente emulsionante. Son pinturas que se pueden aplicar a brocha, rodillo o proyección mecánica. Estos productos se caracterizan por su gran impermeabilidad al agua, su facilidad de aplicación y colocación, su buen comportamiento en contacto con el terreno y su bajo coste.
Pinturas acrílicas
Se trata de resinas acrílicas emulsionadas en agua o con disolventes orgánicos a fin de mejorar su fluidez y aplicabilidad. Se trata de unas pinturas que se suelen utilizar para evitar la carbonatación del hormigón. Entre sus características principales destaca su excelente impermeabilidad tanto al agua, al dióxido de carbono y a los cloruros, su buen aspecto estético y su permeabilidad al vapor de agua.
Impregnaciones a base de siloxanos
Son impregnaciones que, sin llegar a formar una película continua, se introducen en los poros del hormigón e impiden la entrada de las gotas de agua al cambiar su tensión superficial. Este carácter hidrófugo hacen a estas impregnaciones adecuadas para proteger al hormigón de los ataques por cloruros, pues éstos viajan disueltos en el agua.
Micromorteros de cemento
Son mezclas de cemento, arena fina y resinas sintéticas (normalmente acrílicas). Forman un revestimiento de 2-3 mm impermeables y con una buena resistencia a la abrasión. Dejan una superficie muy cerrada y adecuada para una posterior aplicación de otra pintura de revestimiento. Son adecuados estos revestimientos para hormigones que puedan estar sumergidos de forma no permanente, incluso en entornos donde ataquen los cloruros.
Micromorteros de epoxi-cemento
Son como los anteriores, pero sustituyendo las resinas acrílicas por resinas epoxi. En este caso, además de aditivo, las resinas epoxi actúan como ligante junto al cemento. Ello permite una gran impermeabilidad y resistencia mecánica, y unas resistencias químicas aceptables. Para un ataque químico medio suele bastar una capa de 2 mm. Además, también son recomendables en combinación con posteriores aplicaciones de pinturas de resinas epoxi.
Imagen del «Silver Bridge» tras el colapso (1967). Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2500886
En general, las necesidades de los trabajos de mantenimiento y conservación han ido creciendo en todos los países desarrollados con redes de infraestructuras importantes. En principio, estas labores estaban enfocadas desde el punto de vista de resolver problemas de la estructura ya deteriorada, mediante reparaciones y acciones puntuales, para pasar, actualmente, en los sistemas de gestión más desarrollados, a tratarse de labores preventivas que eviten llegar a la situación de degradación última de la estructura, en la cual se disparan los costes de adecuación.
Mapa conceptual sobre sistemas de gestión de puentes. Elaborado por V. Yepes
Os dejo a continuación la presentación de una clase sobre mantenimiento de puentes que impartí recientemente en la asignatura «Gestión del mantenimiento de infraestructuras», del Grado en Ingeniería Civil de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de Valencia.
Acaban de publicarnos un artículo en la revista Environmental Impact Assessment Review (primer decil del JCR), de la editorial ELSEVIER, en el que se realiza una valoración de las medidas preventivas consideradas en el proyecto a lo largo del ciclo de vida de un puente de hormigón sometido a un ambiente costero, donde los clorhídricos suponen una agresión que supone un mantenimiento de la infraestructura. En el artículo se analizan 15 diseños diferentes y se comprueba que no siempre ejecutar un mantenimiento mínimo supone menores impactos ambientales. Además, los tratamientos superficiales y la adición de humo de sílice supone una reducción del 70% en los impactos.
NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2018). Life cycle impact assessment of corrosion preventive designs applied to prestressed concrete bridge decks.Journal of Cleaner Production, 196:698-713. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.06.110
Abstract:
Chloride corrosion of reinforcing steel in concrete structures is a major issue in the construction sector due to economic and environmental reasons. Assuming different prevention strategies in aggressive marine environments results in extending the service life of the exposed structures, reducing the maintenance actions required throughout their operation stage. The aim of the present study is to analyze the environmental implications of several prevention strategies through a life cycle assessment using a prestressed bridge deck as a case study.
The environmental impacts of 15 prevention alternatives have been evaluated when applied to a real case of study, namely a bridge deck exposed to a chloride laden surrounding. The Eco-indicator 99 methodology has been adopted for the evaluation of the impacts. As some of the alternatives involve the use of by-products such as fly ash and silica fume, economic allocation has been assumed to evaluate their environmental impacts.
Results from the life cycle analysis show that the environmental impacts of the chloride exposed structure can be reduced significantly by considering specific preventive designs, such as adding silica fume to concrete, reducing its water to cement ratio or applying hydrophobic or sealant treatments to its surface. In such scenarios, the damage caused to the environment mainly due to maintenance operations and material consumption can be reduced up to a 30–40% of the life cycle impacts associated to a conventional design. The study shows how the application of life cycle assessment methodologies can be of interest to reduce the environmental impacts derived from the maintenance operations required by bridge decks subjected to aggressive chloride laden environments.
By MADe [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html), CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/) or CC BY-SA 2.5 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5)], from Wikimedia Commons
En posts anteriores ya hemos tratado el tema del dióxido de carbono y el hormigón, en especial cuando cuantificábamos la cantidad de CO₂ que se emite a la atmósfera con la fabricación del hormigón o bien cuando tratábamos sobre la durabilidad del hormigón. En este artículo vamos a realizar un pequeño análisis de las investigaciones relacionadas con la carbonatación del hormigón a lo largo del ciclo de vida de una estructura (Yepes, 2017).
Son pocos los estudios sobre el ciclo de vida de estructuras de hormigón que consideran la carbonatación. Si se ignora la absorción de CO₂, se pueden sobrestimar las emisiones en un 13-48%, dependiendo del tipo de cemento y la aplicación del hormigón reciclado durante la vida secundaria (Collins, 2010). Este proceso de carbonatación se denomina muchas veces recarbonatación, puesto que el producto final es el carbonato cálcico, que es químicamente el mismo componente que se utilizó como ingrediente primario para la fabricación del cemento. La carbonatación del hormigón se puede evaluar mediante modelos teóricos (Papadakis et al., 1991), modelos experimentales (Jiang et al., 2000) y modelos basados en la teoría de la difusión y en pruebas reales (Houst y Wittmann, 2002).
El coeficiente de carbonatación del hormigón depende de la porosidad y de la permeabilidad del recubrimiento de las armaduras, así como de las condiciones ambientales a las que esté expuesto (Bertolini et al., 2004). Cuando reducimos la relación agua/cemento, dificultamos la difusión de CO₂ en el hormigón. El hecho de que la velocidad de carbonatación sea mayor en hormigones protegidos de la intemperie se debe al bloqueo parcial de los poros por efecto de la lluvia en el exterior no protegido.
Oxidación de las armaduras como limitante de la durabilidad del hormigón armado
Si se comparan ambas condiciones se obtienen grandes diferencias, mostrándose la gran influencia que tiene la humedad en la carbonatación (Galán et al., 2010). La cantidad necesaria de CO₂ para bajar el pH hasta rangos casi neutros, en los que las armaduras dejan de estar protegidas, variará en función de la reserva alcalina que el cemento aporte al hormigón, la cual depende tanto del tipo como de la cantidad de cemento utilizado (Ho and Lewis, 1987; Kobayashi y Uno, 1989). Zornoza et al. (2009) señalaron que la capacidad del hormigón para fijar CO₂ es proporcional a la alcalinidad de la pasta de cemento. Otro factor muy importante es el recubrimiento del acero, pues cuanto mayor sea, más tiempo tardará el CO₂ en deteriorar la protección alcalina frente a la corrosión del acero. La EHE-08 (Fomento, 2008) calcula el coeficiente de carbonatación en función de la exposición a la lluvia, el aire ocluido, la resistencia del hormigón y el uso de adiciones.
Leber y Blakey (1956) estimaron los efectos de la carbonatación, suponiendo que todo el CO₂ absorbido reacciona con la cal para formar carbonato cálcico en morteros y en hormigón. La carbonatación del hormigón capta CO₂ y compensa las emisiones de otras etapas del ciclo de vida. El tipo de cemento y el uso de hormigón reciclado influyen significativamente en la captura de CO₂ (Collins, 2010). Flower y Sanjayan (2007) encontraron que la escoria de alto horno y la ceniza volante podrían reducir, respectivamente, las emisiones de CO₂ del hormigón en un 22% y entre un 13% y un 15% en mezclas de hormigón habituales.
Pade y Guimaraes (2007), Collins (2010) y Dodoo et al. (2009) consideraron los modelos predictivos de la primera ley de difusión de Fick para estimar la captura de CO₂. Esta captura depende del coeficiente de carbonatación, del tiempo, de la cantidad de cemento Portland por metro cúbico de hormigón, de la cantidad de contenido de CaO en el cemento Portland, de la proporción de CaO que puede ser carbonatada y de la superficie expuesta. Pade y Guimaraes (2007) analizaron la cantidad de hormigón que se recicla para uso secundario según el país y concluyeron que la trituración del hormigón tras su vida útil incrementa significativamente la carbonatación gracias a la mayor superficie expuesta. Aproximadamente dos tercios de las emisiones producidas en la calcinación para fabricar cemento se pueden capturar si se deja el hormigón triturado expuesto durante 30 años tras la finalización de su vida útil (Dodoo et al., 2009). De hecho, un 70% del CO₂ liberado en la producción de cemento se recapturaría por el hormigón endurecido en 100 años (Börjesson y Gustavsson, 2000).
La durabilidad del hormigón armado puede disminuirse significativamente por los procesos de degradación de origen ambiental o funcional (Angst et al., 2009; Guzmán et al., 2011). En consecuencia, la reducción de la vida útil provoca una mayor cantidad de emisiones anuales. Además, contemplar la durabilidad también es fundamental en un buen diseño conceptual, en la gestión de calidad en la construcción y en un buen plan de mantenimiento. Así, Aïtcin (2000) señaló la importancia de considerar no solo el coste de 1 m3 de hormigón, sino el coste de 1 MPa o 1 año del ciclo de vida de una estructura. La carbonatación puede ayudar a reducir las emisiones totales de CO₂ asociadas a la producción de hormigón. Sin embargo, este fenómeno hace perder la capa protectora alcalina que protege de la corrosión y, por tanto, determina la durabiliad de la estructura.
García-Segura et al. (2014) estudiaron el ciclo de vida de las emisiones de gases de efecto invernadero del hormigón elaborado con cemento con adiciones. Se evaluó la carbonatación durante la vida útil y tras la demolición, considerando que el óxido de calcio que no carbonate durante la etapa de uso lo puede hacer después de la demolición. Encontraron que la carbonatación durante la etapa de uso disminuye las emisiones totales en un 22% respecto a los hormigones con cemento Portland. Además, y esto es muy importante, el hormigón reciclado triturado y expuesto a la atmósfera garantiza una carbonatación completa y una enorme reducción de las emisiones de CO₂.
Referencias:
Aïtcin, P.C. (2000). Cements of yesterday and today. Cement and Concrete Research, 30(9), 1349–1359.
Angst, U.; Elsener, B.; Larsen, C.K.; Vennesland, Ø. (2009). Critical chloride content in reinforced concrete — A review. Cement and Concrete Research, 39(12), 1122–1138.
Bertolini, L.; Elsener, B.; Pedeferri, P.; Polder, R.B. (2004). Corrosion of Steel in Concrete: Prevention, Diagnosis, Repair. Weinheim: Wiley-VCH.
Börjesson, P.; Gustavsson, L. (2000). Greenhouse gas balances in building construction: wood versus concrete from life-cycle and forest land-use perspectives. Energy Policy, 28(9), 575–588.
Collins, F. (2010). Inclusion of carbonation during the life cycle of built and recycled concrete: influence on their carbon footprint. The International Journal of Life Cycle Assessment, 15(6), 549–556.
Dodoo, A.; Gustavsson, L.; Sathre, R. (2009). Carbon implications of end-of-life management of building materials. Resources, Conservation and Recycling, 53(5), 276–286.
Flower, D.J.M.; Sanjayan, J.G. (2007). Green house gas emissions due to concrete manufacture. The International Journal of Life Cycle Assessment, 12(5), 282–288.
Fomento, M. (2008). EHE-08: Code on structural concrete. Madrid, Spain: Ministerio de Fomento.
Galán, I.; Andrade, C.; Mora, P.; Sanjuan, M.A. (2010). Sequestration of CO2 by concrete carbonation. Environmental Science & Technology, 44(8), 3181–6.
García-Segura, T.; Yepes, V.; Alcalá, J. (2014). Life cycle greenhouse gas emissions of blended cement concrete including carbonation and durability. The International Journal of Life Cycle Assessment, 19(1), 3–12.
Guzmán, S.; Gálvez, J.C.; Sancho, J.M. (2011). Cover cracking of reinforced concrete due to rebar corrosion induced by chloride penetration. Cement and Concrete Research, 41(8), 893–902.
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Houst, Y.F.; Wittmann, F. H. (2002). Depth profiles of carbonates formed during natural carbonation. Cement and Concrete Research, 32(12), 1923–1930.
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Kobayashi, K.; Uno, Y. (1989). Influence of alkali on carbonation of concrete, part I. Preliminary tests with mortar specimens. Cement and Concrete Research, 19(5), 821-826.
Leber, I.; Blakely, F.A. (1956). Some effects of carbon dioxide on mortars and concrete. Journal of American Concrete Institute, 53(9), 295–308.
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Papadakis, V.G.; Vayenas, C.G.; Fardis, M.N. (1991). Fundamental Modeling and Experimental Investigation of Concrete Carbonation. ACI Materials Journal, 88(4), 363–373.
Yepes, V. (2017). Trabajo de investigación. Concurso de Acceso al Cuerpo de Catedráticos de Universidad. Universitat Politècnica de València, 110 pp.
Zornoza, E.; Payá, J.; Monzó, J.; Borrachero, M.V.; Garcés, P. (2009). The carbonation of OPC mortars partially substituted with spent fluid catalytic catalyst (FC3R) and its influence on their mechanical properties. Construction and Building Materials, 23(3), 1323–1328.
By retocada por Yeza de la versión original de Alonsoquijano [Public domain], from Wikimedia Commons
Actualmente existe una tendencia clara hacia la evaluación de los impactos en todas las etapas del ciclo de vida de un producto. Esta tendencia ha llegado a los proyectos de estructuras, donde la evaluación de las repercusiones sociales, ambientales y económicas de las distintas alternativas no deriva en una decisión clara y unívoca de la mejor solución, sobre todo cuando los objetivos que se pretenden se encuentran enfrentados entre sí (Jato-Espino et al., 2014; Penadés-Plà et al., 2016; Zamarrón-Mieza et al., 2017; Sierra et al., 2018). El problema de seleccionar la mejor opción en el ámbito del proyecto de puentes ha supuesto una línea de investigación que se ha desarrollado enormemente en las últimas décadas. Balali et al. (2014) expusieron que los problemas relacionados con la toma de decisiones a lo largo del ciclo de vida de un puente se pueden enmarcar dentro de las siguientes fases: (a) proyecto, (b) construcción, y (c) uso y mantenimiento. Estas fases son las que se consideran habitualmente por otros autores (Malekly et al, 2010), que además añaden una última fase en el ciclo de vida de un puente: (d) reciclado o demolición.
Así pues, el proyecto de puentes se caracteriza por la presencia de múltiples objetivos de diseño -muchos contradictorios entre sí-, y la selección de la mejor opción entre distintas alternativas. La calidad, la constructibilidad, la seguridad, el impacto ambiental y el coste son los aspectos que normalmente se consideran en el diseño y la planificación de las operaciones de mantenimiento de un puente. La optimización multiobjetivo (Multi-Objective Optimization, MOO) resulta una herramienta útil cuando varios objetivos desean optimizarse simultáneamente. MOO proporciona un conjunto de soluciones eficaces, constituyendo la denominada frontera de Pareto. Las soluciones que forman parte de la frontera de Pareto no pueden mejorarse sin que empeore cualquier otra solución de dicho conjunto. Koumousis y Arsenis (1998) utilizaron MOO para el diseño de estructuras de hormigón. Liao et al (2011) revisaron los estudios que utilizaron metaheurísticas para problemas relacionados con el ciclo de vida de un proyecto de construcción. Por su parte, Zavala et al. (2013) estudiaron las metaheurísticas utilizadas en la optimización multiobjetivo de las estructuras.
Se pueden reseñar varios estudios que han utilizado la optimización multiobjetivo para comparar el diseño de estructuras de hormigón armado (Reinforced Concrete, RC) atendiendo a la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero y la reducción de costes (Martínez-Martín et al., 2012; García-Segura et al., 2014, 2016; Yepes et al, 2015). Payá et al. (2008) optimizaron pórticos de edificación de RC utilizando como función objetivo la constructibilidad, los costes económicos, el impacto ambiental y la seguridad general de la estructura. Martínez-Martín et al. (2012) optimizaron las pilas RC de un puente considerando como funciones objetivo el coste económico, la congestión de las armaduras pasivas y las emisiones de CO2. Yepes et al. (2015) incorporaron como función objetivo la vida útil en el diseño de una viga de sección en I confeccionada con hormigón de alta resistencia. García-Segura et al. (2014) incluyeron, además, un factor que evalúa la seguridad global en esa misma estructura.
A pesar de que los diseños deben garantizar cierta durabilidad, esta función objetivo suele utilizarse más en el ámbito de la gestión del mantenimiento de infraestructuras ya existentes. Así, Liu y Frangopol (2005) emplearon la optimización multiobjetivo en puentes deteriorados atendiendo a su estado, a los niveles de seguridad y al coste de mantenimiento de la estructura a lo largo del ciclo de vida. Sabatino et al. (2015) optimizaron las operaciones de mantenimiento de la estructura a lo largo de su ciclo de vida bajo los objetivos simultáneos de reducción del coste de mantenimiento y la utilidad mínima anual asociada con un indicador relacionado con la sostenibilidad. Torres-Machi et al. (2015) optimizaron la gestión sostenible de un pavimento considerando simultáneamente aspectos económicos, técnicos y ambientales.
Otro aspecto de interés en el ámbito de la investigación son los procedimientos que permiten seleccionar una solución de un conjunto de opciones posibles atendiendo a múltiples criterios. Las técnicas de toma de decisiones proporcionan un procedimiento racional a las decisiones basadas en cierta información, experiencia y juicio. Estas técnicas pueden clasificarse de acuerdo con la forma en la que el decisor articula sus preferencias. En un proceso “a priori”, los expertos asignan los pesos de cada criterio en la etapa inicial. El proceso “a posteriori” no requiere una definición previa de las preferencias. Por ejemplo, la optimización multiobjetivo genera una gama de soluciones óptimas, que se consideran igualmente buenas –frontera de Pareto-. En este caso, la toma de decisiones tiene lugar “a posteriori”. Este enfoque permite el análisis de las mejores soluciones según cada objetivo, lo cual proporciona información sobre la relación entre los objetivos y las soluciones. Jato-Espino et al. (2014) presentaron una revisión del desarrollo de los métodos de decisión multicriterio aplicados a la construcción. Existen numerosas técnicas de toma de decisiones multicriterio. TOPSIS (Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution), VIKOR (Multi-criteria Optimization and Compromise Solution), MAUT (Multi-Attribute Utility Theory), AHP (Analytical Hierarchy Process), ANP (Analytical Network Process), PROMETHEE (Preference Ranking Organization Method for Enrichment Evaluations), DEA (Data Envelopment Analysis), COPRAS (Complex Proportional Assessment) o QFD (Quality Function Deployment), son, entre otras, las más extensamente utilizadas.
Abu Dabous y Alkass (2010) presentaron una estructura jerárquica para la toma de decisiones en la gestión de puentes basados en MAUT y AHP. Sabatino et al. (2015) recurrieron a la teoría de utilidad de múltiples atributos para evaluar diversos aspectos de la sostenibilidad estructural considerando los riesgos asociados a los fallos en el puente y las actitudes frente al riesgo de los decisores. Ardeshir et al. (2014) emplearon un AHP difuso para seleccionar la ubicación para la construcción de un puente. Aghdaie et al. (2012) emplearon AHP y COPRAS para calcular la importancia relativa de los criterios y clasificar las alternativas en la selección de ubicaciones para construir nuevas pasarelas. Balali et al. (2014) seleccionaron el material, el procedimiento constructivo y la tipología estructural de un puente mediante la técnica PROMETHEE. Tanto VIKOR (Opricovic, 1998) como TOPSIS (Hwang y Yoon, 1981) son métodos que seleccionan soluciones basadas en la distancia más corta a la solución ideal. Opricovic y Tzeng (2004) compararon VIKTOR y TOPSIS y mostraron que presentan algunas diferencias en relación con la función de agregación y los efectos de normalización. La técnica difusa (fuzzy) (Zadeh, 1965) es una técnica útil para representar la incertidumbre inherente en la vida real. Joshi et al. (2004) evaluaron un conjunto de criterios para seleccionar la cimentacion más adecuada mediante fuzzy. AHP se combina con fuzzy (Jakiel y Fabianowski, 2015, Wang et al., 2001) para seleccionar entre distintas tipologías de puentes RC y alternativas de plataforma offshore, respectivamente. Abu Dabous y Alkass (2010) indicaron la dificultad en establecer la importancia relativa entre dos elementos con planteamientos deterministas, debido a la incertidumbre inherente al comportamiento de los diferentes elementos.
Se han propuesto muchos métodos para reducir el conjunto de soluciones procedentes de la frontera de Pareto (Hancock y Mattson, 2013). El método de la región de “rodilla» (Rachmawati y Srinivasan, 2009) constituye un método “a posteriori” que distingue los puntos para los cuales una mejora en un objetivo da lugar a un empeoramiento significativo de al menos otro objetivo. Una región de “rodilla” en el frente óptimo de Pareto, visualmente es una protuberancia convexa en la parte delantera, la cual es importante para la toma de decisiones en contextos prácticos, pues a menudo constituye el óptimo en equilibrio. Los métodos de agrupación se centran en ensamblar soluciones en grupos y seleccionar soluciones representativas (Saha y Bandyopadhyay, 2009). Los métodos de filtrado eliminan las soluciones de Pareto que ofrecen poca información al decisor (Mattson et al., 2004). Yepes et al. (2015a) propusieron un procedimiento sistemático “a posteriori” para filtrar la frontera de Pareto, a la vez que proporcionaba conocimiento relevante derivado del proceso de resolución. Esta técnica simplifica la elección de la solución preferente. Para ello se combinan matrices AHP aleatorias con la minimización de la distancia para seleccionar la solución más cercana a la ideal.
Se puede consultar una revisión bibliográfica reciente sobre la aplicación de las herramientas de decisión multicriterio al ciclo de vida de los puentes en el trabajo de Penadés-Plà et al. (2016). En este trabajo se comprueba cómo no existe una métrica universalmente aceptada para medir la diversidad de objetivos de todo tipo que se utilizan en la selección de la mejor opción de proyecto de un puente para un caso determinado. Para ello se analizaron un total de 77 artículos publicados desde 1991. El estudio aplicó un análisis multivariante de correspondencias (ver Figura). De este modo, se recogen los métodos de decisión multicriterio que debe aplicar el ingeniero para la selección de alternativas según la fase del ciclo de vida del puente, así como los criterios que se han considerado en dichos trabajos. La relación más obvia se ha identificado entre la lógica difusa y la fase de uso y mantenimiento. También se observa que el método AHP es ampliamente usado en las tres primeras fases del ciclo de vida de un puente. Finalmente la fase de demolición o reciclado es la menos estudiada, asociándose principalmente al método ANP.
Figura. Análisis de correspondencias entre la toma de decisiones y el ciclo de vida (Penadés-Plà et al., 2016)
Referencias:
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