Los prefabricados de hormigón contemplan una gran cantidad de productos, desde elementos estructurales, como pilares y vigas, hasta elementos decorativos. Su uso ha aumentado en los últimos años, lo que ha dado lugar a una mayor especialización de los fabricantes, que pueden resolver casi cualquier dificultad técnica.
Las piezas se fabrican en taller a partir de los despieces marcados en el proyecto de ejecución. Posteriormente, son trasladados a la obra, para lo que a veces se necesitan transportes especiales. Finalmente, se montan en obra, unas veces desde el propio transporte y otras acopiándose primero.
La empresa alemana Weyss und Freitag adquirió la licencia del sistema Freyssinet en 1935 y ya en 1938 construyó en Alemania el primer puente viga de hormigón armado pretensado «in situ», concretamente un paso superior sobre la autopista en Oelde (Westfalia). Se trata de cuatro vigas de hormigón pretensado de sección en «I» con 31 m de luz, espaciadas a 1,40 m, con cuatro diafragmas intermedios y dos de apoyo, así como un tablero de hormigón armado. Con una altura de 1,60 m, la esbeltez conseguida con este puente, de 1/20, fue la mayor hasta ese momento en puentes viga. Las vigas se fabricaron en una bancada de pretensado situada junto a la obra y, posteriormente, se desplazaron sobre el andamiaje hasta su posición definitiva. Se usó acero al manganeso de alta resistencia como pretensado, con diámetros de 40 mm en el cordón inferior y 10 mm en el superior, con una resistencia de 960 MPa, de los que solo se utilizó el 55 % de la carga de rotura para el pretensado. Tal y como indica Manterola (1984), este puente fue pretensado en el sentido más estricto de la palabra, utilizando el molde metálico de las vigas como soporte para la puesta en carga de los alambres, lo cual produjo críticas por lo caro del procedimiento.
Imagen actual del puente
Referencias:
Manterola, J. (1984). Evolución de los puentes en la historia reciente. Informes de la Construcción, 36 (359-360):5-36.
La hidrodemolición es una técnica de demolición y extracción del hormigón que consiste en el uso de agua a alta presión. Se trata de extraer el hormigón de estructuras tales como puentes, túneles, etc. Se utiliza además para la reparación y el acondicionamiento de las estructuras dañadas.
La porosidad del hormigón permite que un chorro de agua a presión sea capaz de romperlo. A diferencia de otros métodos, la hidrodemolición no genera microfisuras ni el despegue de las armaduras del interior de la estructura, es decir, queda una superficie rugosa que favorece claramente la adherencia ante cualquier revestimiento posterior. Las armaduras, además, quedan libre de óxido y preparadas para su protección posterior.
El rendimiento de esta técnica alcanza un valor promedio de un metro cúbico por hora, variable en función del tipo de máquina empleada. Estas máquinas cuentan con motores diésel de unos 500 caballos de vapor que proporcionan al agua una presión de unos 1.500 bares, a un caudal de unos 200 litros por minuto. Variando el tiempo que el hormigón esté expuesto al chorro de agua se conseguirá una mayor o menor profundidad de demolición. En comparación con otros métodos tradicionales de demolición del hormigón, como el uso de martillos, supone un rendimiento unas veinte veces mayor. Es además la técnica menos agresiva con el medio ambiente, aunque el residuo que genera es una suspensión agua-hormigón.
Os paso a continuación algunos vídeos al respecto. Espero que os guste.
Prueba de carga del puente Príncipe de Viana (Lérida), de Javier Manterola
Las pruebas de carga en los puentes tratan de comprobar que el proyecto y su ejecución se ha realizado de forma adecuada. Para ello se evalúa el comportamiento estructural comparando la respuesta real a la esperada según el modelo de cálculo empleado para su diseño y comprobación. También se realizan pruebas en el caso de puentes de servicio. En este último caso se trata de ampliar el conocimiento del estado de la estructura mediante la evaluación de su comportamiento estructural, bien periódicamente o como consecuencia de inspecciones que así lo aconsejen. Para ello, se obtendrán los desplazamientos y deformaciones en determinados elementos relevantes de la misma, bajo la acción de las cargas de prueba, comparándolas con las obtenidas en pruebas anteriores.
Os paso a continuación algunos vídeos sobre este tema. En el primero vemos un reportaje sobre la prueba de carga del viaducto del embalse de Contreras, en la Línea Ferroviaria de Alta Velocidad Madrid-Levante. Se colocaron sobre el tablero 54 camiones de 38 toneladas; en total, más de 2.000 toneladas.
En este otro vídeo vemos cómo se mide la deformación del puente ante las cargas.
En un artículo reciente del blog Fieras de la Ingeniería, tuvimos ocasión de ver un sistema ingenioso de construcción de arcos flexibles de hormigón prefabricado. Este sistema, denominado FlexiArch, fue desarrollado por los ingenieros de la Escuela de Ingeniería Civil de la Universidad de Belfast. Se trata de unos arcos flexibles de hormigón prefabricado que permite agilizar enormemente las labores de construcción de puentes en arco, de modo sencillo y rápido. El concepto fue patentado en la década del 2000, y gracias a la colaboración con Macrete Ireland, pudo finalmente llevarse a la realidad por primera vez en septiembre de 2007 durante la construcción de un puente cerca de Belfast.
Os dejo un vídeo explicativo de la técnica. Espero que os guste.
Con motivo de la terminación del puente Hong Kong-Zhuhai-Macao, el programa de «Esto me suena», de Radio Nacional de España, me realizó una pequeña entrevista para explicar algunos de los aspectos de este puente. En este post os dejo la entrevista y una pequeña descripción del mismo, señalando algunas páginas donde podéis ampliar información si os interesa.
Elpuente Hong Kong–Zhuhai–Macaoes un proyecto que consiste en una serie depuentesytúnelesque conectanHong Kong,MacaoyZhuhai, las tres ciudades principales deldelta del río de las PerlasenChina. Este puente tiene una longitud total de 55 km, 6,7 de ellos bajo el agua y 23 sobre el mar, convirtiéndolo en el más largo de su tipo en el mundo. Su desarrollo conforma la red nacional de carreteras del país que une los bancos occidental y oriental del río; y servirá para transportar pasajeros y carga entre la región de Hong Kong, la parte continental de China y la región de Macao. Este puente reducirá el tiempo que se tarda en ir en coche de Hong Kong a Zhuhai, en la parte continental de China, pasando de 3 horas a solo 30 minutos.
El puente consta de dos islas que unirá un túnel de 6,7 km, permitiendo el paso del tráfico marítimo. Cada isla está construida por 130 cilindros de acero de 22 m de diámetro, 40/50 m de longitud y 450 t de peso. En el vídeo que os muestro a continuación se puede ver cómo se introducen estos grandes cilindros mediante vibración.
Hoy 30 de septiembre de 2016 ha tenido lugar la defensa de la tesis doctoral de Dª Tatiana García Segura denominada «Efficient design of post-tensioned concrete box-girder road bridges based on sustainable multi-objective criteria», dirigida por Víctor Yepes Piqueras. La tesis recibió la calificación de «Sobresaliente Cum Laude» por unanimidad, con mención internacional. Presentamos a continuación un pequeño resumen de la misma.
Resumen:
Los puentes, como parte importante de una infraestructura, se espera que reúnan todos los requisitos de una sociedad moderna. Tradicionalmente, el objetivo principal en el diseño de puentes ha sido lograr el menor coste mientras se garantiza la eficiencia estructural. Sin embargo, la preocupación por construir un futuro más sostenible ha provocado un cambio en las prioridades de la sociedad. Estructuras más ecológicas y duraderas son cada vez más demandadas. Bajo estas premisas, los métodos de optimización heurística proporcionan una alternativa eficaz a los diseños estructurales basados en la experiencia. La aparición de nuevos materiales, diseños estructurales y criterios sostenibles motivan la necesidad de crear una metodología para el diseño automático y preciso de un puente real de hormigón postesado que considere todos estos aspectos. Por primera vez, esta tesis estudia el diseño eficiente de puentes de hormigón postesado con sección en cajón desde un punto de vista sostenible. Esta investigación integra criterios ambientales, de seguridad estructural y durabilidad en el diseño óptimo del puente. La metodología propuesta proporciona múltiples soluciones que apenas encarecen el coste y mejoran la seguridad y durabilidad. Al mismo tiempo, se cuantifica el enfoque sostenible en términos económicos, y se evalúa el efecto que tienen dichos criterios en el valor óptimo de las variables.
En este contexto, se formula una optimización multiobjetivo que proporciona soluciones eficientes y de compromiso entre los criterios económicos, ecológicos y sociales. Un programa de optimización del diseño selecciona la mejor combinación de geometría, tipo de hormigón, armadura y postesado que cumpla con los objetivos seleccionados. Se ha escogido como caso de estudio un puente continuo en cajón de tres vanos situado en la costa. Este método proporciona un mayor conocimiento sobre esta tipología de puentes desde un punto de vista sostenible. Se ha estudiado el ciclo de vida a través de la evaluación del deterioro estructural del puente debido al ataque por cloruros. Se examina el impacto económico, ambiental y social que produce el mantenimiento necesario para extender la vida útil del puente. Por lo tanto, los objetivos propuestos para un diseño eficiente han sido trasladados desde la etapa inicial hasta la consideración del ciclo de vida.
Para solucionar el problema del elevado tiempo de cálculo debido a la optimización multiobjetivo y el análisis por elementos finitos, se han integrado redes neuronales en la metodología propuesta. Las redes neuronales son entrenadas para predecir la respuesta estructural a partir de las variables de diseño, sin la necesidad de analizar el puente. El problema de optimización multiobjetivo se traduce en un conjunto de soluciones de compromiso que representan objetivos contrapuestos. La selección final de las soluciones preferidas se simplifica mediante una técnica de toma de decisiones. Una técnica estructurada convierte los juicios basados en comparaciones por pares de elementos con un grado de incertidumbre en valores numéricos que garantizan la consistencia de dichos juicios. Esta tesis proporciona una guía que extiende y mejora las recomendaciones sobre el diseño de estructuras de hormigón dentro del contexto de desarrollo sostenible. El uso de la metodología propuesta lleva a diseños con menor coste y emisiones del ciclo de vida, comparado con diseños que siguen metodologías generales. Los resultados demuestran que mediante una correcta elección del valor de las variables se puede mejorar la seguridad y durabilidad del puente con un pequeño incremento del coste. Además, esta metodología es aplicable a cualquier tipo de estructura y material.
MARTÍ, J.V.; ALCALÁ, J.; GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V. (2016). Heuristic design of precast-prestressed concrete U-beam and post-tensioned cast-in-place concrete slab road bridges.
Abstract: This paper proposes simulated annealing and threshold accepting procedures for the automatic design of two different bridge types. Both cases are prestressed concrete road bridge decks typically used in public road construction. Simulated annealing is first applied to a precast beam of 30-30 meters of longitudinal spans and 12.00 m of width. The beam has a double U-shape cross-section and a beam spacing of 6 m. This problem involves 59 discrete design variables for the geometry of the beam and the slab, concrete grade, reinforcing steel and prestressing steel. The simulated annealing method indicates savings of about 5% with respect to a traditional design. The second bridge case is a 20-36-20 m post-tensioned cast-in-place concrete slab road bridge deck. This example needs 33 discrete variables to define the complete structure. The threshold accepting method is used for the optimization. Our findings indicate savings of about 7.5% with respect to the design based on experience. Finally, the results show that heuristic optimization provides other options to reduce the design costs of real prestressed bridge decks.
GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; ALCALÁ, J. (2016). Computer-Support Tool for Automatically Optimize Bridges.
Abstract: In bridge design, many variables like material grades, cross-sectional dimensions, passive and pre-stressing steel need to be modeled to evaluate the structural performance. Efficiency gains are intended while satisfying the serviceability and ultimate limit states imposed by the structural code. In this paper, a computer-support tool is presented to analyze continuous post-tensioned concrete (PSC) box-girder road bridges, to minimize the cost, and to provide the optimum design variables. The program encompasses six modules to perform the optimization process, the finite-element analysis and the limit states verification. The methodology is defined and applied to a case study. A harmony search algorithm optimizes 32 variables that define a three-span PSC box-girder bridge located in a coastal region. However, the same procedure could be implemented to optimize any structure. This tool enables one to define the fixed parameters and the variables that are optimized by the heuristic algorithm. Moreover, the output provides useful rules to guide engineers in designing PSC box-girder road bridges.
YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GARCÍA-SEGURA, T. (2016). Design optimization of precast-prestressed concrete road bridges with steel fiber-reinforcement by a hybrid evolutionary algorithm.
Abstract: In this paper, the influence of steel fiber-reinforcement when designing precast-prestressed concrete road bridges with a double U-shape cross-section is studied through heuristic optimization. A hybrid evolutionary algorithm (EA) combining a genetic algorithm (GA) with variable-depth neighborhood search (VDNS) is formulated to minimize the economic cost and CO2 emissions, while imposing constraints on all the relevant limit states. The case study proposed is a 30-m span-length with a deck width of 12 m. The problem involved 41 discrete design variables. The algorithm requires the initial calibration. Moreover, the heuristic is run nine times so as to obtain statistical information about the minimum, average and deviation of the results. The evolution of the objective function during the optimization procedure is highlighted. Findings show that heuristic optimization is a forthcoming option for the design of real-life prestressed structures. This paper provides useful knowledge that could offer a better understanding of the steel fiber-reinforcement in U-beam road bridges.
Preservar las infraestructuras en un estado mínimamente adecuado de conservación y mantenimiento es una necesidad de primer orden en cualquier sociedad. Sin embargo, por motivos que a veces son estructurales y otras coyunturales, los responsables de esta tarea no prestan la atención y los recursos necesarios para este cometido. Parece que la inversión en conservación de los activos siempre ha sido insuficiente incluso en países desarrollados.
En efecto, parece evidente que el desarrollo económico que tuvo lugar en países como el nuestro en la última parte del siglo XX se centró, en el caso por ejemplo de las carreteras, en ampliar la red para apoyar dicho desarrollo. Si bien es cierto que estas nuevas infraestructuras nacen con un periodo de vida relativamente largo, también es cierto que una parte nada desdeñable de dicha infraestructura está empezando a notar el paso del tiempo, y lo que es peor, parece que podemos vivir dentro de un horizonte no tan lejano, a un verdadero colapso en los niveles de servicio prestados por estos activos. Lo peor de todo ello es que estas infraestructuras se financiaron a largo plazo y la siguiente generación se va a encontrar con la sorpresa de tener que pagar Continue reading «La «crisis» de las infraestructuras»→
Disposición general de un cajón neumático (adaptado de Wilson y Sully, 1949)
Un cajón es una estructura que hundida a través del terreno o del agua permite colocar la cimentación a la profundidad de proyecto, y que posteriormente pasa a formar parte de la estructura definitiva. Estos cajones pueden ser de fondo abierto o de fondo cerrado (ver cajones flotantes). Nos centraremos en este post en los cajones de fondo abierto en las que existe una cámara de trabajo sometida a una presión superior a la atmosférica para impedir que el agua entre en la excavación. Se trata de las cimentaciones mediante cajones neumáticos o de aire comprimido.
Alguien puede preguntarse a qué viene un post sobre una técnica que tiene riesgos evidentes de ejecución y que ya en un artículo de Presa y Eraso (1970) nos avisaba que era una técnica en trance de desaparecer. Hoy día existen procedimientos (por ejemplo pilotes de gran diámetro) que son más sencillos de construir, suficientemente seguros, rápidos y económicos que permiten evitar riesgos innecesarios, especialmente los procesos de compresión y descompresión que requieren tiempos suficientes, tal y como ocurre en los trabajos realizados por los buzos o submarinistas. Pues bien, razones históricas y docentes nos llevan a analizar brevemente este procedimiento constructivo y a dejar unas cuantas referencias al lector curioso que quiera ampliar información al respecto.
En 1830 el británico Thomas Cochrane ideó y patentó un sistema para cimentar en seco, mientras que en Francia, de forma paralela, el ingeniero de minas francés Jacques Triger ideó en el año 1839 un sistema para poder excavar en el interior de la mina de Chalonnes -que dirigía- en la zona cubierta por el agua del cercano río Loira. Mediante una cámara llena de aire a presión conseguía evitar la entrada del agua y así poder trabajar cómodamente. Habían inventado el cajón de aire comprimido.
Puente de Saltash (Isambar Brunel, 1854-1859)
El aire comprimido fue empleado por primera vez en cajones de puentes por John Wright en 1851 para los pilares de puente Rochester, y algunos años más tarde por Isambard Brunel en el puente Saltash. El primero que lo utilizó en cimentaciones de puentes muy grandes fue James B. Eads, en el puente St. Louis sobre el río Mississippi, comenzado en 1864. El capitán Eads conocía muy bien el Mississippi, por eso sabía que el lecho era muy socavable. En una ocasión había buceado con escafandra durante una de las crecidas del rió y pudo observar el movimiento de las arenas del fondo. Por eso no dudó en bajar las cimentaciones a gran profundidad por debajo del lecho del río. Los dos pilares situados en el río se hundieron por medio de aire comprimido hasta profundidades de 26 y 28 m bajo el nivel del agua, lo que constituyó un éxito notable ya que los efectos fisiológicos al trabajar bajo elevadas presiones de aire eran más o menos desconocidos por aquel tiempo. Los métodos de hundimiento ideados por Eads han variado hasta ahora únicamente en algunos detalles. Daniel E. Moran introdujo en 1936 un nuevo tipo de cajón conocido con el nombre de “cajón de flotación”, siendo empleado para el puente sobre la bahía de San Francisco-Oakland.
Puente de St. Louis sobre el río Mississippi (James B. Eads, 1864-1874)
Puente de Brooklyn, Nueva York (John Augustus Roebling, 1867-1883)
Puente de Brooklyn, Nueva York (John Augustus Roebling, 1867-1883)
En Estados Unidos el ejemplo más llamativo en el uso de cajones de aire comprimido es el puente de Brooklyn. Se trata de cajones de 52 por 31 m, en el lado de Nueva York, que se dividieron en seis habitaciones donde trabajaban entre 15 y 20 personas en cada una de ellas –hasta 180 personas en su interior- y lo bajaron cerca de 24 metros bajo las aguas del East River. Hubieron grandes problemas y accidentes con las descompresiones, donde la mitad de los trabajadores sufrieron graves secuelas, y donde el propio Washington Roebling, ingeniero jefe tras la muerte de su padre John A. Roebling, diseñador del puente, sufrió también las secuelas tras una visita de obra.
El procedimiento constructivo consiste en la hinca de un cajón con su borde inferior biselado o con forma de cuchilla que se va construyendo a medida que progresa la excavación del material que va quedando encerrado en su interior. Cuando se alcanza el lecho de roca, la cámara de trabajo se llena de hormigón y se convierte en la base permanente para la cimentación. Su uso se limita a terrenos muy permeables o flojos debido al posible sifonamiento, cuando no sea posible el uso de un método alternativo. Antes de iniciar el proceso constructivo se hunde como un cajón abierto, tan profundo como sea posible. Mediante la inyección de aire comprimido se evita el desmoronamiento de las paredes.
El cajón de aire comprimido suele tener un cilindro de acceso para los trabajadores, y otro cilindro independiente para los cangilones donde se coloca el material excavado. Hay unas compuertas herméticas que permiten mantener constante la presión de la campana durante la entrada y la salida de trabajadores y materiales. La presión debe equilibrarse en ambos lados de la compuerta para poder abrirla.
Mediante este método se pueden llegar a estratos de hasta 35 m de profundidad bajo el nivel del agua (pues los hombres on pueden trabajar a presiones de aire superiores a los 3,5 kg/cm2), no es necesario el agotamiento, es posible el acceso directo al fondo para vencer ciertos obstáculos durante el proceso de hinca y el fondo, una vez alcanzado, se puede observar y limpiar directamente, por lo que se garantiza unas condiciones buenas de cimentación. Sin embargo, entre los inconvenientes de este tipo de técnica destacan los siguientes: costes unitarios por material excavado altos y primas por peligrosidad a los trabajadores, pues se puede producir la muerte de los trabajadores por asfixia si hay una descompresión rápida de la cámara de trabajo. Ello obliga a duplicar las fuentes de energía para mantener la seguridad en la presión de aire.
Referencias:
Marsal, R.; Lloréns, M. (1980). Cimentaciones semiprofundas, en Jiménez-Salas, J.A. (Ed.) Geotecnia y Cimientos III: 212-251. Editorial Rueda, Madrid.
Presa, J.; Eraso, A. (1970). Las cimentaciones realizadas con cajones de aire comprimido. Una técnica en trance de desaparecer.Revista de Obras Públicas, 117(3064):855-862.
Tomlinson, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos.Urmo, S.A. de Ediciones, Bilbao.
Willson, W.S.; Sully, F.W. (1949). Compressed-air caisson foundations. Inst. C.E. Works Comstruction Paper núm. 13.
En un artículo reciente del blog 
Preservar las infraestructuras en un estado mínimamente adecuado de conservación y mantenimiento es una necesidad de primer orden en cualquier sociedad. Sin embargo, por motivos que a veces son estructurales y otras coyunturales, los responsables de esta tarea no prestan la atención y los recursos necesarios para este cometido. Parece que la inversión en conservación de los activos siempre ha sido insuficiente incluso en países desarrollados.
