Puente de vigas artesa prefabricadas. Fuente: Pacadar
¿Cómo se pueden diseñar puentes pretensados prefabricados en vigas artesa haciendo que el consumo energético para su fabricación y puesta en obra sea el mínimo posible?
Highlights
An automated procedure for optimizing the design of structures is presented.
There is a parabolic relation between the span length and the minimum energy.
The energy reduction has an average cost impact of 3.23€ per square meter of deck.
Since both criteria are dependent, 1€ reduction is equivalent to 4 kW h saving.
Abstract
An automated procedure for optimizing the design of precast-prestressed concrete U-beam road bridges is presented. The economic cost and the embodied energy are selected as the objective functions based on production materials, transport and placement. Heuristic optimization is used to search for the best geometry, the concrete type, the prestressing steel, and the reinforcement for the slab and the beam. The results for both objectives provide improved opportunities to learn about low-energy designs. The most influential variables for the energy efficiency goal are analyzed. The relationship between the span length and the embodied energy is described by a good parabolic fit for both optimization criteria. The findings indicate that the objectives do not exhibit conflicting behavior, and also that optimum energy designs are close to the optimum cost designs. The analysis also revealed that a reduction by 1 Euro can save up to 4 kWh. It is recommended to reduce the reinforcement in the slab as well as increase the volume of concrete in both slab and beams in order to achieve higher energy efficiency. It is also worth noting that web inclination angle should be increased when the depth increases for longer span lengths to maintain the optimum slab span lengths in the transverse direction.
Keywords
Heuristic optimization;
energy savings;
sustainable construction;
precast-prestressed concrete structures
Referencia:
MARTÍ, J.V.; GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V. (2016). Structural design of precast-prestressed concrete U-beam road bridges based on embodied energy.Journal of Cleaner Production, 120:231-240. DOI: 10.1016/j.jclepro.2016.02.024(link)
Acueducto de Tempul. Enero 1927. Fuente: http://www.cehopu.cedex.es/
El acueducto del Tempul se construyó para el abastecimiento de agua de Jerez de la Frontera (Cádiz), sobre el río Guadalete. Está formado por 11 tramos de vigas rectas de hormigón armado de 20 m de luz y un tramo central de tipo “Cantilever” de 57 m. Esta obra la diseñó y construyó Eduardo Torroja en 1925 apenas dos años después de terminar la carrera, estando trabajando en la empresa Hidrocivil. La estructura original estaba constituida por 14 tramos de vigas de 30 m de luz biapoyadas en los correspondientes pilares. Dos de estos pilares se apoyaban en el cauce del río, lo que provocaba dudas acerca de su resistencia a la socavación. Por ello Torroja decidió eliminar estas dos pilas, manteniendo el resto de la estructura. Se utilizó esta solución sustituyendo las pilas del cauce por apoyos elásticos con cimentación a 8 m de profundidad debido a la mala calidad del suelo del cauce y a través de unos tirantes continuos que pasan por la cabecera de la pila, se anclan en los extremos de los tramos adyacentes. Así el vano central del acueducto está formado por un tramo central de 17 m apoyando en las ménsulas laterales con 20 m de luz. Para eliminar estos apoyos sin aumentar excesivamente la luz dispuso unos tirantes con un cordón central de acero dulce que, pasando por encima de las pilas adyacentes a los soportes eliminados, las cuales se elevaron y rediseñaron para los nuevos esfuerzos, se anclaban a uno y otro lado de las mismas, disponiendo, por tanto, de la reacción vertical eliminada.
El principal problema de esta solución era que esa reacción provenía de la componente vertical de la tracción del tirante y, salvo que la pila sobreelevada fuese muy alta, dicha reacción no podía generarse de forma pasiva sino con una gran flecha del tramo volado y, por lo tanto, con una flexión excesiva. Por ello, Torroja empleó cables de alta resistencia y los pretensó mediante un sistema de elevación con gatos hidráulicos insertados entre las propias pilas y las cabezas de las mismas, consiguiendo además introducir una compresión adicional en los tramos de tablero entre los puntos de anclaje.
Dispositivos de elevación de las cabezas de los pilares. Fuente: http://www.cehopu.cedex.es/Esquema de esfuerzos al elevar los gatos
Según cuenta Torroja, poco después de finalizar el hormigonado del tramo central apoyado en los voladizos atirantados, sobrevino una fuerte riada que comenzó a arrastrar la cimbra. Viendo peligrar la integridad de la estructura, y puesto que el hormigón ya había alcanzado una resistencia que se estimó suficiente, se procedió a accionar los gatos, levantando el cabezal de las pilas unos 25 cm, lo que bastó para elevar el extremo de los tramos colgados unos 5 cm, separando la estructura de las cimbras que fueron finalmente arrastradas por el agua.
Un cable es un conjunto de alambres trenzados según una cierta ley que, en todas sus fases de trabajo, se comporta como un elemento unitario. Los cables constituyen una parte muy importante de determinadas máquinas empleadas en la construcción, como las dragalinas, los blondines, los planos inclinados o las excavadoras de cables.
Estructura de un cable.
Elementos que componen un cable:
Alambres: son los elementos básicos que componen el cable. Son de acero de alta resistencia mecánica, con un valor que oscila entre 1 y 2 kN/mm².
Cordón: es un conjunto formado por una serie de alambres arrollados en una sola capa; en algunos casos, estos se arrollan alrededor de otro alambre que sirve de base de apoyo, llamado alambre central.
Alma: es el elemento central del cable y sirve de base o soporte para los cordones que lo envuelven, y a la vez almacena grasa para su lubricación. El alma puede ser tanto de acero como de fibra textil, pero lo que se gana en resistencia con el acero se pierde en flexibilidad.
Composición de un cable
Tipos de arrollamientos.
Se denomina arrollamiento a la forma en que se disponen los alambres en los cordones y los cordones en el cable. Se definen los siguientes tipos:
Cruzado: los cordones que forman el cable están arrollados en sentido contrario al de los alambres que los componen. Son los más utilizados cuando los extremos giran libremente. Se manejan fácilmente, pues no tienden a descablearse; además, son resistentes al aplastamiento y a las deformaciones. Son poco resistentes al desgaste.
Lang: los cordones y los alambres están arrollados en el mismo sentido. Este cable es muy resistente a la abrasión y al desgaste y puede tener una gran flexibilidad (más que el anterior), siempre y cuando se realice un amarre muy cuidadoso de los extremos, debido al elevado momento de giro que se produce al cargar el cable.
Antigiratorio o alternado: estos cables están formados por dos o más capas de cordones arrolladas en sentidos diferentes. Así, los cordones compensan esfuerzos y eliminan la tendencia a girar sobre sí mismos, debido a la tensión ejercida por la carga suspendida. En las grúas torre se emplea como cable de elevación. Tiene la desventaja de que necesita el oxicorte para ser cortado, ya que el cizallado solo permite desmontarlo.
A continuación, os paso un vídeo en el que se puede ver el proceso de fabricación de un cable. Espero que os resulte de interés.
Referencias:
YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.
Tercer depósito del Canal de Isabel II en Madrid: vista del muro divisorio y de la cubierta del cuarto compartimento, antes del derrumbe. Fuente: http://www.cehopu.cedex.es/hormigon/fichas/img_ficha.php?id_img=3
El hormigón armado tuvo unos inicios complicados en España debido al terrible accidente ocurrido durante la construcción del tercer depósito del Canal de Isabel II para el abastecimiento de Madrid. Se produjeron 29 víctimas mortales y 60 heridos y que, además de suponer la mayor catástrofe ocurrida en España en las construcciones realizadas con el nuevo material, estuvo a punto de hacer desaparecer a la empresa de José Eugenio Ribera. La adopción de una solución de hormigón armado para las cubiertas por parte del Consejo Superior de Obras Públicas demostraba la aceptación del material por la Administración. Iba a ser, con más de 80.000 m², la principal construcción española de hormigón armado hasta la fecha y la mayor del mundo en su género.
El enorme depósito, con unas dimensiones en planta de 360 x 216 m2, que permite almacenar 461.000 m3 de capacidad lo proyectó el propio Ribera mediante un audaz diseño de pilares muy esbeltos sobre los que apoyaban, a través de una viga un forjado abovedado, todo ello de hormigón armado. El arriesgado planteamiento estructural de Ribera, aunque ya había sido probado en obras similares, como el depósito de aguas de Gijón, levantó suspicacias desde el primer momento. El depósito estaba sometido fundamentalmente a la importante carga permanente del relleno de tierras bajo el que debía quedar enterrado, por lo que las acciones de dos arcos adyacentes se compensaban horizontalmente, haciendo trabajar a los pilares eminentemente a compresión, de ahí la pequeña sección transversal diseñada por Ribera.
Esquema de funcionamiento estructural del depósito del Canal de Isabel II
Sin embargo, durante la ejecución del relleno de las tierras se produjo un importante error que modificó las condiciones previstas de trabajo de la estructura, pues en lugar de proceder por capas de pequeño espesor extendidas en toda la superficie de la cubierta, se empezó a rellenar desde un extremo, lo que originó unos esfuerzos no previstos en los pilares.
Condiciones de carga no previstas en los pilares
Finalmente, en 1907 Ribera fue exonerado en el proceso judicial en que se vio envuelto a causa del accidente. En su defensa participaron muy activamente, entre otros, José Echegaray que, además de Ingeniero de Caminos, era muy conocido por su actividad política en la década de los 70 del XIX, y por su premio Nobel de literatura del año 1904.
Figura 1. Hélice de excavación de un pilote en seco. Imagen: V. Yepes
Según la NTE, se denomina CPI-7 al pilote perforado a rotación y hormigonado “in situ”, en el que, debido a las características del terreno, no se precisa el sostenimiento de las paredes. Es un pilote rápido de ejecución y económico, idóneo cuando el terreno es estable durante la perforación. Los diámetros habituales oscilan entre 450 y 1500 mm, con profundidades de hasta 40 m. El tipo de terreno determina la forma de excavación. En el caso de terrenos blandos y medios, la excavación se realiza mediante barrenas de hélice cortas. En cambio, con terrenos más duros deberíamos incluir en la barrena de dientes puntas de widia. En terrenos muy competentes y de roca, la perforación pasa por una corona circular con puntas de widia. Una vez alcanzada la profundidad objetivo, se efectúa la limpieza del fondo de la excavación mediante un cazo (“bucket”).
Posteriormente, al limpiar el fondo, se procede a introducir la armadura de acero con la ayuda de un equipo auxiliar (grúa). Para garantizar el recubrimiento mínimo necesario de la misma, se levantan 20 cm sobre el fondo de la excavación y se colocan separadores para su correcto centrado.
Figura 2. Cuchara para extraer material durante la ejecución de pilotes CPI-7. Imagen: V. Yepes
Después de colocar la armadura, se comienza con el hormigonado. Se utiliza un tubo «Tremie» para verter el hormigón en la perforación, de modo que se eviten segregaciones y exudaciones. Este tubo se introduce por dentro de la armadura hasta el fondo de la perforación. A continuación, se comienza a bombear el hormigón, que debe ser homogéneo y de consistencia fluida, con conos de Abrams de 15-16 cm, recomendándose dosificaciones de hormigón de 350 kg de cemento por m³ y la utilización de áridos no superiores a 20 mm.
Conforme avanza la fase de hormigonado, se va subiendo simultáneamente el tubo Tremie, pero con la precaución de mantenerlo siempre unos dos metros introducido en el hormigón fresco. Cuando el hormigón alcanza la cota de la rasante del terreno, se concluye con el hormigonado. Por último, se procede al descabezado de los pilotes.
Os dejo una animación que describe el procedimiento.
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También podéis ver a continuación un vídeo de Polimedia donde se explica la construcción de este tipo de pilotes.
Ayer, 12 de enero de 2016, tuvo lugar la defensa de la tesis doctoral de D. Alejandro José Luz Ivars, titulada “Diseño óptimo de estribos abiertos de hormigón armado en puentes de carretera mediante optimización heurística”, dirigida por Fernando González Vidosa y Víctor Yepes Piqueras. La tesis recibió la calificación de “Sobresaliente cum laude” por unanimidad. Presentamos a continuación un breve resumen de la misma.
Resumen
La infraestructura de mayor implantación en el territorio es la carretera. Los tramos en puente y en túnel son los más singulares y costosos, aunque los primeros son más numerosos que los segundos. Hoy en día los puentes de paso superior son de los más frecuentes en todas las carreteras importantes. El estribo más recomendable y habitual para este tipo de puentes es el abierto, porque se esconde bajo el terraplén, lo que mejora la visibilidad de los conductores de la vía inferior, y ahorra materiales respecto al cerrado a partir de una altura de terraplén suficiente. Muchos esfuerzos se han dedicado al cálculo y diseño de los tableros de puente, menos a las pilas y, aun menos, a los estribos. Esta tesis se ocupa del diseño óptimo de estribos abiertos de hormigón armado en puentes de carretera. Se suma a las investigaciones del Grupo de Investigación, al que pertenece, de Procedimientos de la Construcción, Optimización y Análisis de Estructuras (GPRC), que ya ha optimizado tableros (de losa pretensados y de vigas artesa) y pilas (rectangulares huecas), así como muros, bóvedas y pórticos.
Solución de referencia
Los métodos de optimización más antiguos son los exactos, pero se vuelven muy complejos y pierden eficiencia cuando el número de variables es muy alto y las condiciones que deben cumplir las soluciones (comprobaciones resistentes de los materiales) no son lineales. Por el contrario, con ayuda de los ordenadores actuales, los métodos heurísticos están en gran auge, permitiendo, con algoritmos sencillos y “mucho coste” computacional, pero en tiempo razonable, resolver de manera automática problemas tan complejos como los reales, sin simplificaciones, y no solo optimizando el coste como hasta ahora, sino también otros criterios o varios a la vez, con gran facilidad. Los estribos óptimos de la tesis se obtienen mediante estos métodos heurísticos y un programa informático desarrollado. Están completamente diseñados para su construcción y, para ello, constan de 40 variables discretas. Los estribos no han sido tratados previamente en la bibliografía de optimización. Las funciones objetivo son el coste, la seguridad estructural, la constructibilidad y la sostenibilidad ambiental, tanto de forma aislada como en parejas con el coste (mediante una optimización multiobjetivo híbrida MOSAMO).
Los estribos así obtenidos son diseños óptimos que no han requerido la experiencia previa de un proyectista de estructuras que proponga, como se ha venido haciendo hasta la actualidad, el diseño inicial a comprobar. Si no cumple alguna comprobación resistente (a efectuar, bien manualmente, bien, como actualmente, mediante uno o varios programas informáticos de estructuras), el diseño inicial se retoca ligeramente por el ingeniero mediante un procedimiento de prueba y error. Los programas actuales aún no incluyen rutinas de optimización como la de la tesis. Por ello, la bondad del diseño final depende en gran medida del proyectista que lo gestiona y de la bibliografía que conoce. La bibliografía sobre el diseño de estribos es escasa y no exhaustiva. Este trabajo la amplía incorporando las relaciones geométricas, los órdenes de magnitud y los mecanismos resistentes de los estribos óptimos (criterios de predimensionamiento), y los compara con los de la bibliografía y con los de un estribo de referencia ER. Estribo con una altura de 9 m, realmente construido y proyectado por reconocidos ingenieros, respecto al cual se han comprobado ahorros económicos superiores al 18% (fundamentalmente en la zapata). Para este ER se ha realizado un estudio paramétrico para obtener los estribos óptimos, con alturas totales entre 6 y 15 m y tensiones admisibles entre 0,2 y 0,5 MPa.
Se han empleado con éxito algoritmos heurísticos a los estribos de los dos grandes grupos existentes: por un lado, de Búsqueda Secuencial por Entornos o Hill Climbing; y, por otro, de los llamados Algoritmos Poblacionales o Evolutivos; en ambos casos, tanto con soluciones factibles como infactibles. En esta tesis, mediante una nueva propuesta de penalización de la función objetivo, se obtienen ahorros del 60% en el tiempo de cálculo. Los algoritmos empleados se basan en el recocido simulado (SAMO) y en la aceptación por umbrales (TAMO). Son dos algoritmos híbridos de escalada estocástica con operadores de mutación basados en los algoritmos genéticos. Las diferencias entre ellos no son significativas, inferiores al 0,2 %. Con un ordenador Intel Core 2 Quad CPU Q6600 de 2.4 GHz y 3.24 GB de memoria RAM, se consigue la optimización (con penalizaciones altas) en tan solo una ejecución del algoritmo, como novedad frente a otras investigaciones, en 1 h 35’ (38’ con el ordenador actual). Dentro del segundo grupo se desarrollan dos nuevas heurísticas, HSDLS y HSPDLS, basadas en Harmony Search e híbridas con DLS, sin penalizaciones y con penalizaciones (y con el mismo operador de mutación del primer grupo), con las que se obtienen resultados similares, pero con tiempos 9 y 6 veces superiores, respectivamente.
Tanto la optimización monobjetivo como la multiobjetivo (MO) ponen de manifiesto la equivalencia de optimizar en coste, en CO₂ o en energía, con diferencias menores del 1,5 %, si bien ello implica un elevado número de armaduras pasivas. La optimización MO (coste de barras) ofrece un ahorro medio en barras del 78,4 % con un incremento medio de los otros tres criterios de 7,85 %, siendo el ahorro económico respecto a ER todavía de un 12,23 %.
Os presento en este post un nuevo libro que he publicado sobre los procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. El libro trata de los aspectos relacionados con los procedimientos constructivos, maquinaria y equipos auxiliares empleados en la construcción de cimentaciones superficiales, cimentaciones profundas, pilotes, cajones, estructuras de contención de tierras, muros, pantallas de hormigón, anclajes, entibaciones y tablestacas. Además de incluir la bibliografía para ampliar conocimientos, se incluyen cuestiones de autoevaluación con respuestas y un tesauro para el aprendizaje de los conceptos más importantes de estos temas. Este texto tiene como objetivo apoyar los contenidos lectivos de los programas de los estudios de grado relacionados con la ingeniería civil, la edificación y las obras públicas.
El libro tiene 202 páginas, 242 figuras y fotografías, así como 140 cuestiones de autoevaluación resueltas. Los contenidos de esta publicación han sido evaluados mediante el sistema doble ciego, siguiendo el procedimiento que se recoge en: http://www.upv.es/entidades/AEUPV/info/891747normalc.html
Sobre el autor: Víctor Yepes Piqueras. Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Catedrático de Universidad del Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Civil de la Universitat Politècnica de Valéncia. Número 1 de su promoción, ha desarrollado su vida profesional en empresas constructoras, en el sector público y en el ámbito universitario. Es director académico del Máster Universitario en Ingeniería del Hormigón (acreditado con el sello EUR-ACE®), investigador del Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH) y profesor visitante en la Pontificia Universidad Católica de Chile. Imparte docencia en asignaturas de grado y posgrado relacionadas con procedimientos de construcción y gestión de obras, calidad e innovación, modelos predictivos y optimización en la ingeniería. Sus líneas de investigación actuales se centran en la optimización multiobjetivo, la sostenibilidad y el análisis de ciclo de vida de puentes y estructuras de hormigón.
Referencia:
YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.
A continuación os paso las primeras páginas del libro, con el índice, para hacerse una idea del contenido desarrollado.
Os presento a continuación un vídeo de 1 hora del webinar celebrado el 1 de diciembre y organizado por ANDECE y STRUCTURALIA, para, por un lado, presentar la situación actual del mercado, la creciente demanda de construcciones sostenibles y el encaje del prefabricado de hormigón como tecnología puntera y con un gran margen de crecimiento todavía. Espero que os sea de interés.
An automated procedure for optimizing the design of precast-prestressed concrete U-beam road bridges is presented. The economic cost and the embodied energy are selected as the objective functions based on production materials, transport and placement. Heuristic optimization is used to search for the best geometry, the concrete type, the prestressing steel, and the reinforcement for the slab and the beam. The results for both objectives provide improved opportunities to learn about low-energy designs. The most influential variables for the energy efficiency goal are analyzed. The relationship between the span length and the embodied energy is described by a good parabolic fit for both optimization criteria. The findings indicate that the objectives do not exhibit conflicting behavior, and also that optimum energy designs are close to the optimum cost designs. The analysis also revealed that a reduction by 1 Euro can save up to 4 kWh. It is recommended to reduce the reinforcement in the slab as well as increase the volume of concrete in both slab and beams in order to achieve higher energy efficiency. It is also worth noting that web inclination angle should be increased when the depth increases for longer span lengths to maintain the optimum slab span lengths in the transverse direction.
