Computación cuántica y gemelos híbridos digitales en ingeniería civil y edificación

La ciudad Estado de Singapur desarrolla una copia virtual de sí misma, un proyecto basado en big data, IoT, computación en la nube y realidad virtual. https://www.esmartcity.es/2019/03/22/singapur-gemelo-digital-posibilidades-ofrece-ciudad-inteligente-tener-copia-virtual-exacta

En menos de una década, gran parte de los ingenieros dejarán de hacer proyectos, tal y como lo conocemos ahora, y pasarán a ser gestores de gemelos híbridos digitales de infraestructuras.

Este podría ser un buen titular periodístico que, incluso podría parecer ciencia ficción, pero que tiene todos los visos de convertirse en realidad en menos tiempo del previsto. Se podría pensar que las tecnologías BIM o los modelos digitales actuales ya son una realidad, es decir, se trata de dar un nuevo nombre a lo que ya conocemos y está en desarrollo, pero de lo que estamos hablando es de un nuevo paradigma que va a revolver los cimientos de la tecnología actual en el ámbito de la ingeniería. Voy a desgranar esta conclusión explicando cada uno de los avances y los conceptos que subyacen al respecto.

La semana pasada tuve la ocasión de escuchar la conferencia magistral, en el Congreso CMMoST, de Francisco Chinesta, catedrático en la ENSAM ParisTech e ingeniero industrial egresado por la Universitat Politècnica de València. Trataba de un nuevo paradigma en la ingeniería basada en datos y no era otra que la de los gemelos híbridos digitales, un paso más allá de la modelización numérica y de la minería de datos. Este hecho coincidió con el anuncio en prensa de que Google había publicado en la prestigiosa revista Nature un artículo demostrando la supremacía cuántica, un artículo no exento de polémica, pues parece ser que se diseñó un algoritmo que tiene como objetivo generar números aleatorios mediante un procedimiento matemático muy complejo y que obligaría al superordenador Summit, que es actualmente el más potente del mundo gracias a sus 200 petaflops, a invertir 10.000 años en resolver el problema, que que el procesador cuántico Sycamore de 54 qubits de Google habría resuelto en tres minutos y 20 segundos.

Si nos centramos en la supuesta supremacía cuántica de Google, se debería matizar la noticia al respecto. En efecto, IBM ya se ha defendido diciendo que su ordenador Summit no se encuentra tan alejado, pues se ha resuelto un problema muy específico relacionado con generar números aleatorios y que parece que Sycamore sabe resolver muy bien. De hecho, IBM afirma que ha reajustado su superordenador y que ahora es capaz de resolver ese mismo problema en 2,5 días con un margen de error mucho menor que el ordenador cuántico. Aquí lo importante es saber si esta computación cuántica estará, sin trabas o límites, accesible a cualquier centro de investigación o empresa para resolver problemas de altísima complejidad computacional (problemas NP-hard como pueden ser los de optimización combinatoria). Tal vez los superordenadores convencionales servirán para resolver unos problemas específicos en tareas convencionales, y los cuánticos, imparables en resolver otro tipo de problemas. Todo se andará, pero parece que esto es imparable.

Por tanto, parece que el hardware necesario para la una computación ultrarrápida está o estará a nuestro alcance en un futuro no muy lejano. Ahora se trata de ver cómo ha cambiado el paradigma de la modelización matemática. Para ello podríamos empezar definiendo al “gemelo digital”, o digital twin. Se trata de un modelo virtual de un proceso, producto o servicio que sirve de enlace entre un ente en el mundo real y su representación digital que está utilizando continuamente datos de los sensores. A diferencia del modelado BIM, el gemelo digital no representa exclusivamente objetos espaciales, sino que también podría representar procesos, u otro tipo de entes sin soporte físico. Se trata de una tecnología que, según todos los expertos, marcarán tendencia en los próximos años y que, según el informe “Beyond the hype“, de KPMG, será la base de la cuarta Revolución Industrial.

https://www.geofumadas.com/por-que-usar-gemelos-digitales-en-la-construccion/

Sin embargo, el gemelo digital no es una idea nueva, pues a principios de este siglo ya la introdujo Michael Grieves, en colaboración con John Vickers, director de tecnología de la NASA. Esta tecnología se aplica al Internet de las Cosas, que se refiere a la interconexión digital de objetos cotidianos con internet. Además, se encuentra muy relacionada con la inteligencia artificial y con la minería de datosdata-mining“. Empresas como Siemens ya están preparando convertir sus plantas industriales en fábricas de datos con su gemelo digital, o General Electric, que cuenta ya con 800.000 gemelos digitales para monitorizar virtualmente la cadena de suministro.

Con todo, tal y como explicó el profesor Chinesta (Chinesta et al., 2018), existe actualmente un cambio de paradigma hacia los gemelos digitales híbridos que, extrapolando su uso, va a significar la gran revolución en la forma de proyectar y gestionar las infraestructuras, tal y como avancé al principio del artículo.

En efecto, los modelos utilizados en ciencia y en ingeniería son muy complejos. 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 automáticomachine-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 paradimg“. 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 a tiempo real con el gemelo virtual. Por tanto, estamos ante otra realidad, que es el gemelo virtual híbrido.

Por tanto, estamos ahora en disposición de centrarnos en la afirmación que hice al principio. La nueva tecnología en gemelos digitales híbridos, junto con la nueva capacidad de cálculo numérico en ciernes, va a transformar definitivamente la forma de entender, proyectar y gestionar las infraestructuras. Ya no se trata de proyectar, por ejemplo, un puente. Ni tampoco estamos hablando de diseñar un prototipo en 3D del mismo puente, ni siquiera de modelar en BIM dicha estructura. Estamos hablando de crear un gemelo digital que se retroalimentará continuamente del puente real, que estará monitorizado. Se reajustarán los parámetros de cálculo del puente con los resultados obtenidos de la prueba de carga, se podrán predecir las labores de mantenimiento, se podrá conocer con antelación el comportamiento ante un fenómeno extraordinario como una explosión o un terremoto. Por tanto, una nueva profesión, que será la del ingeniero de gemelos virtuales híbridos de infraestructuras será una de las nuevas profesiones que reemplazarán a otras que quedarán obsoletas.

Se tratará de gestionar el gemelo durante el proyecto, la construcción, la explotación e incluso el desmantelamiento de la infraestructura. Se podrán analizar cambios de usos previstos, la utilización óptima de recursos, monitorizar la seguridad, y lo más importante, incorporar nuevas funciones objetivo como son la sostenibilidad económica, medioambiental y social a lo largo del ciclo de vida completo. Este tipo de enfoque es el que nuestro grupo de investigación tiene en el proyecto DIMILIFE. Proyectos como puentes, presas, aeropuertos, redes de carreteras, redes de ferrocarriles, centrales nucleares, etc. tendrán su gemelo digital. Para que sea efectivo, se deberá prever, desde el principio, la monitorización de la infraestructura para ayudar a la toma de decisiones. Además, servirá para avanzar en la aproximación cognitiva en la toma de decisiones (Yepes et al., 2015).

Os paso a continuación un vídeo sobre el uso de los gemelos digitales en la ciudad de Singapur.

A continuación os pongo un vídeo sacado de la página de Elías Cueto, de la Universidad de Zaragoza, en la que vemos cómo se interactúa con un gemelo virtual de un conejo.

 

En este otro vídeo, el profesor Chinesta explica el cambio de paradigma del que hemos hablado anteriormente en el artículo.

¿Qué es la computación cuántica? Aquí tenemos un vídeo de Eduardo Sáenz de Cabezón:

Referencias:

Chinesta, F.; Cueto, E.; Abisset-Chavanne, E.; Duval, J.L. (2018). Virtual, Digital and Hybrid Twins: A New Paradigm in Data-Based Engineering and Engineered Data. Archives of Computational Methods in Engineering, DOI: 10.1007/s11831-018-9301-4

Yepes, V.; García-Segura, T.; Moreno-Jiménez, J.M. (2015). A cognitive approach for the multi-objective optimization of RC structural problems. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 15(4):1024-1036. DOI:10.1016/j.acme.2015.05.001

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Tipología de las estaciones de bombeo

https://commons.wikimedia.org/wiki/

Las estaciones de bombeo son un elemento fundamental en el conjunto de los sistemas hidráulicos. El conjunto de elementos que, junto con las bombas, sirven para dar y controlar la presión en las instalaciones así como suministrar caudal, se encuentran en la estación de bombeo. Los tipos de estaciones dependen del papel que la misma juegue en el conjunto del sistema, desde las más amplias trayendo agua potable hasta las de pozo o de instalaciones de aguas residuales. En el presente objeto se realiza una panorámica de todas ellas. Veamos la explicación de la profesora: Petra Amparo López Jiménez, de la Universitat Politècnica de València. Espero que os sea 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.

Evaluación aproximada de caudales de bombeo en excavación de solares

Figura 1. Vaciado de solar en recinto apantallado bajo nivel freático. https://www.obrasurbanas.es/pantallas-tablestacas-excavaciones/

Resulta muy habitual en edificación excavar sótanos que se encuentran bajo nivel freático. Esta excavación suele realizarse al abrigo de un recinto de muros o pantallas y se hace necesario drenar el agua que queda al fondo de la excavación. Para un estudio en detalle del flujo hidráulico en un medio poroso deberíamos acudir a la ecuación de Laplace y realizar la integración de este tipo de ecuación en derivadas parciales atendiendo a las condiciones de contorno. Sin embargo, vamos a dar aquí una solución aproximada que puede servir en obra para realizar una previsión de las bombas de achique necesarias o tomar decisiones tales como prolongar las pantallas lo suficiente como para empotrarlas en un sustrato impermeable. Como siempre, cada caso es particular y requiere de un estudio económico para ver la mejor opción.

Vamos a suponer que se va a excavar un solar, de dimensiones “a·b” en presencia de nivel freático en un terreno poroso con un coeficiente de permeabilidad “k“.  Las pantallas se encuentran empotradas una longitud “L“, el fondo de excavación se encuentra a una profundidad “H” respecto al nivel freático y existe un estrato impermeable a una distancia “h‘” respecto a la pantalla (ver Figura 2). Se pretende calcular el caudal de achique de forma que el agua no se encharque en el fondo de la excavación. Se supone que se ha realizado una evaluación previa para evitar el sifonamiento, el levantamiento de la excavación y el cálculo mecánico de las pantallas, entre otros aspectos.

Figura 2. Flujo de agua bajo un recinto apantallado

Para resolver el problema emplearemos la Ley de Darcy, que establece que la velocidad de un fluido en medio poroso es proporcional al gradiente hidráulico. Multiplicando esa velocidad por la sección que atraviesa el flujo, tendremos la evaluación del caudal según la siguiente expresión, donde “Q” es el caudal, “k” es el coeficiente de permeabilidad”, “i” es el gradiente hidráulico y “S” es la sección atravesada por el flujo.

En el problema que nos ocupa, el caudal puede atravesar dos secciones, una lateral determinada por el estrato impermeable y el fondo de la pantalla “S1”, y la formada por el fondo de la excavación del solar “S2”. Calculemos en ambos casos el caudal. Es posible realizar una estimación aproximada considerando el flujo del agua próximo a la pantalla, puesto que es la línea de flujo más corta y la que supone un mayor gradiente crítico. En este caso, i=H/(H+2L).

Para la sección “S1″, el caudal “Q1″ tendrá el siguiente valor:

 

Análogamente, para la sección”S2″, el caudal “Q2″ tendrá el siguiente valor:

El caudal estimado será el menor ambas dos estimaciones: Q=min(Q1, Q2).

Igualando ambos caudales se puede determinar la distancia del sustrato impermeable al fondo de la pantalla a partir de la cual dicho sustrato no influye en la estimación del caudal:

En el caso de un solar cuadrado, si el sustrato impermeable se encuentra a una distancia superior a la cuarta parte del lado del solar, todo el flujo pasa por el fondo de la excavación.

A todo caso, de las expresiones anteriores se deduce que el caudal máximo que puede entrar en la excavación se da cuando el sustrato impermeable se encuentra a una distancia del fondo de la pantalla superior al cociente entre el área y el perímetro del recinto. Si la capa impermeable se encuentra más cerca, el caudal baja proporcionalmente hasta anularse teóricamente cuando llega a tocar a la pantalla.

Referencias:

PÉREZ VALCÁRCEL, J.B. (2004). Excavaciones urbanas y estructuras de contención. Ediciones Cat. Colegio Oficial de Arquitectos de Galicia.

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.

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El efecto Renard, o por qué un suelo parece que entra en ebullición: Sifonamiento

Figura 1. Arenas movedizas. https://churbuck.com/category/clamming/page/2/

Cuando existe un flujo ascendente de agua en un terreno, la corriente circula en sentido contrario al peso del terreno. Este empuje puede ser tan algo que supere al peso del terreno, con lo cual tenemos la impresión que el terreno se ha licuado y se comporta como un líquido en ebullición. Este efecto, muy estudiado en cualquier libro de geotecnia, tiene lugar cuando las tensiones efectivas se anulan. Se produce el fenómeno del sifonamiento o licuefacción, también llamado “efecto Renard”. En este caso, una arena, por ejemplo, pierde su consistencia y parece que entre en ebullición. Esto se debe a que un suelo sin cohesión pierte completamente su resistencia al corte y pasa a comportarse como un fluido.

Resulta sencillo demostrar que este fenómeno ocurre cuando se alcanza un gradiente crítico, cuyo valor es el cociente entre el peso específico sumergido del suelo y el peso específico del agua. Este valor se aproxima en muchos casos a la unidad. Cualquier objeto que se sitúe sobre un terreno con licuefacción que tenga un peso específico superior al del la mezcla fluida de terreno y agua, se hundirá; esto es especialmente importante si tenemos maquinaria dentro de la excavación o existen cimentación que se apoye en esa zona. Se trata del conocido fenómeno de las arenas movedizas.

Este problema es importante cuando tenemos que excavar bajo nivel freático una profundidad “h” (ver Figura 2). Una forma de solucionar evitar el sifonamiento consiste en utilizar tablestacas o ataguías que tengan una longitud de empotramiento “x” suficiente. En este caso, la línea de filtración más corta del agua tiene una longitud igual a h+2x.

Figura 2. Longitud de empotramiento para evitar el sifonamiento

Supongamos que nos dan como datos el peso específico de las partículas sólidas de un suelo “γs ” y su porosidad “n”. El peso específico del agua es  “γw“. Vamos a considerar un coeficiente de seguridad  “η”. Como el gradiente es h/(h+2H), se puede comparar con el gradiente crítico dividido por su coeficiente de seguridad. De este modo, es fácil demostrar que la longitud de empotramiento es:

En la Figura 3 se representa la evolución del empotramiento en función de la profundidad de la excavación bajo nivel freático y de la porosidad del suelo. Se ha supuesto γs = 2,65 t/m3   y un coeficiente de seguridad η = 3. Es fácil comprobar la relación lineal entre el empotramiento y la altura del nivel freático sobre la excavación. Además, cuanto más poros presenta el terreno, más empotramiento es necesario.

Figura 3. Profundidad de empotramiento de una tablestaca para evitar el sifonamiento

Respecto al coeficiente de seguridad frente al sifonamiento, el Código Técnico de la Edificación (CTE), en su Documento Básico SE-C Cimientos, se indica que, en el caso de las pantallas, el coeficiente de seguridad será η = 2.

Nota muy importante: una cosa es la profundidad mínima de empotramiento para evitar el sifonamiento y otra bien diferente es calcular el empotramiento necesario de una tablestaca para soportar los esfuerzos de empuje a los que está sometido. Por tanto, el empotramiento real será el mayor de los dos valores. Se recomienda siempre efectuar con detalle los cálculos geotécnicos y estructurales necesarios. Y sobre todo, utilizar el sentido común.

Referencias:

  • DAS, B. (2005). Fundamental of Geotechnical Engineering2nd ed, Technomic Publishing Co.
  • GONZÁLEZ DE VALLEJO, L.I. et al. (2004). Ingeniería Geológica. Pearson, Prentice Hall, Madrid.
  • 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.

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Inundaciones, desastre de Biescas y normativa de campamentos de turismo

Con motivo de los episodios de fuertes lluvias que está sufriendo el sureste de España (DANA, depresión aislada en niveles altos), traigo a colación una aportación personal que hice en su momento en la legislación reguladora de los campamentos de turismo de la Comunidad Valenciana. Esta normativa tuvo muy en cuenta la tragedia del camping de Biescas (Huesca) ocurrida el 7 de agosto de 1996, donde murieron 87 personas y 187 resultaron heridas. Saco este tema a la luz para resaltar la importancia de la intervención técnica y de los estudios necesarios para evitar este tipo de catástrofes. Nunca la ciencia, la técnica, la legislación y las emergencias se necesitan tanto unas de otras.

En efecto, el antecedente fue el DECRETO 119/2002, de 30 de julio, del Gobierno Valenciano, Regulador de los Campamentos de Turismo de la Comunidad Valenciana. [2002/X8720] (DOGV núm. 4307 de 05.08.2002) que fue sustituido por el DECRETO 167/2005, de 11 de noviembre, del Consell de la Generalitat, por el que se modifica el Decreto 119/2002, de 30 de julio, Regulador de los Campamentos de Turismo de la Comunidad Valenciana. [2005/12617] que, a su vez, ha sido derogado a favor del actual DECRETO 6/2015, de 23 de enero, del Consell, regulador de los campings y de las áreas de pernocta en tránsito para autocaravanas de la Comunitat Valenciana. [2015/563].

Los artículos que tienen que ver con el riesgo de inundación, en los que intervine directamente, fueron los siguientes:

Artículo 14. Cumplimiento general de la normativa

Todos los campings deberán cumplir y hacer cumplir las obligaciones que se deriven de las disposiciones vigentes en materia de accesos, accesibilidad, construcción y edificación, instalación y funcionamiento de maquinaria, sanidad, seguridad de instalaciones, medio ambiente, acústica, prevención de incendios forestales, seguridad pública y riesgo de inundación, así como cualquier otra disposición de carácter sectorial que les afecten.

Artículo 15. Sistema de seguridad y protección

Todos los campings deberán disponer de las medidas e instalaciones de prevención, protección y seguridad para casos de incendio, inundación u otras emergencias previstas en la normativa vigente en estas materias.

En particular, contarán:

1. Con un plan de emergencia y autoprotección, redactado por técnico competente y ajustado a las disposiciones vigentes, en el que se contemplen las diferentes hipótesis de emergencia y los planes de actuación para cada una de ellas, así como las condiciones de uso y mantenimiento de las instalaciones afectas al plan.

El plan de emergencia y autoprotección justificará, en todo caso, la hipótesis de riesgo de inundación de forma que, para un caudal asociado a un periodo de retorno mínimo de cien años, no se permitirá que el calado del agua supere los 0,80 metros, ni que la velocidad máxima del agua exceda los 0,50 m/seg. Asimismo, y para dicho caudal, se garantizarán las condiciones necesarias que permitan la evacuación rápida, completa y segura de las personas, indicándose expresamente el tiempo de evacuación requerido.

Artículo 35. Cumplimiento general de la normativa

Todas las áreas de pernocta en tránsito para autocaravanas deberán cumplir y hacer cumplir las obligaciones que se deriven de las disposiciones vigentes en materia de riesgo de inundación, accesibilidad, construcción y edificación, instalación y funcionamiento de maquinaria, sanidad, seguridad de instalaciones, medio ambiente y seguridad pública, así como cualquier otra disposición de carácter sectorial que les afecten.

Artículo 36. Sistema de seguridad y protección

Las áreas de pernocta en tránsito para autocaravanas deberán disponer de las medidas e instalaciones de prevención, protección y seguridad para casos de incendio, inundación u otras emergencias previstas en la normativa vigente en estas materias, tal y como indica el artículo 15 de este decreto.

Resulta evidente que este tipo de disposiciones no solo son necesarias en el ámbito de los campamentos de turismo, sino que son extrapolables a cualquier ámbito donde se ponga en riesgo a las personas. Asimismo resalto la importancia de la intervención técnica de profesionales competentes, con experiencia y bien formados. También es cierto que, este tipo de normativa, está sujeta a cambios y actualizaciones en función de las investigaciones y aportaciones técnicas y científicas que mejoren el estado de conocimiento actual.

Instalación de bombas centrífugas

La bomba centrífuga constituye el tipo más frecuentemente utilizado. Puede bombear todo tipo de líquidos, incluso con sólidos en suspensión. Se utilizan en toda clase de bombeos excepto si la carga a vencer es demasiado elevada. Esta clase de bomba se indica para caudales moderados y alturas notables. La bomba puede ser sumergible o estar instalada en seco. En éste último caso, la instalación puede estar en aspiración o en carga.

Son máquinas hidráulicas donde el líquido, al entrar en la cámara por la parte central y en la dirección del eje del rotor, es impulsada por éste y al girar lanzada hacia el exterior por la fuerza centrífuga. El líquido adquiere energía cinética que en el difusor se convierte en un aumento de presión. Transforman, por tanto, un trabajo mecánico en otro de tipo hidráulico, siendo su funcionamiento análogo, pero inverso, a las turbinas hidráulicas.

Los elementos constitutivos de que constan son:

  1. Una tubería de aspiración, que concluye prácticamente en la brida de aspiración.
  2. El impulsor o rodete, formado por una serie de álabes de formas distintas que giran dentro de una carcasa circular. El rodete va unido solidariamente al eje y es la parte móvil de la bomba.
  3. Una tubería de impulsión, donde el líquido adquiere la presión cedida por la energía cinética en la voluta de la bomba.

 

Perspectiva de una bomba centrífuga

Os dejo a continuación un vídeo explicativo de cómo se instala una bomba centrífuga. Espero que os sea de utilidad.

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.

Turbina Pelton

Turbina Pelton. Wikipedia

Una turbina Pelton, también conocida como rueda hidráulica tangencial o turbina de presión, constituye una turbomáquina motora de flujo tangencial, admisión parcial y de acción. Se basa en un rodete con cucharas en su periferia que convierte la energía del chorro del agua. La energía cinética del agua es la responsable del giro de la turbina. Estas turbinas se clasifican generalmente por la posición del eje que mueven, por lo que se distinguen las de eje horizontal y vertical. Su nombre se debe al ingeniero norteamericano Lester Allen Pelton (1829-1908).

Estas turbinas se utilizan habitualmente para producir electricidad en plantas hidroeléctricas, para explotar grandes saltos hidráulicos de bajo caudal. Las centrales hidroeléctricas dotadas de este tipo de turbina cuentan, en su mayoría, con una larga tubería llamada galería de presión para transportar el fluido desde grandes alturas, en alturas a partir de 300 metros hasta unos 700 metros, incluso a veces más altura. Al final de la galería de presión se suministra el agua a la turbina por medio de una o varias válvulas de aguja, también llamadas inyectores, los cuales tienen forma de tobera para aumentar la velocidad del flujo que incide sobre las cucharas.

Os dejo a continuación unos vídeos explicativos sobre este tipo de turbina, que espero os sean de interés.

 

 

Abatimiento del nivel freático en excavaciones

Figura 1. Agua en excavación. http://www.saboredo.com/el-agua-en-la-obra-civil/

Cuando se quiere construir bajo el nivel freático, es necesario desecar el subsuelo antes de realizar la excavación para permitir que los trabajos se efectúan en condiciones relativamente secas (Figura 1). La ausencia de agua (sin llegar a un estado completamente seco) en la excavación estabiliza el fondo y los taludes, reduce las cargas laterales en los taludes, hace que el material de excavación sea más ligero y fácil de manejar y evita un fondo movedizo y lodoso, muy inconveniente para las actividades posteriores.

Para conservar una excavación libre de agua, en casi todos los tipos de suelos, el nivel freático se debe mantener a una profundidad, por lo menos de 60 cm o, preferentemente, a 150 cm por debajo del fondo de la excavación.

Aunque son los contratistas especializados en este tipo de trabajos los que determinan con mayor detalle las necesidades y los posibles rendimientos de la operación, siempre es necesario un análisis simplificado que definir “a priori” qué equipos serían necesarios y la viabilidad de la operación.

En la Figura 2 se muestra un esquema simplificado de la operación del abatimiento del nivel freático. En él se puede ver cómo varía la depresión en el nivel freático con la distancia al punto de bombeo. Se pueden utilizar pozos de observación o piezómetros a ciertas distancias (como r1 y r2) para controlar la depresión realizada.

Figura 2. Esquema del abatimiento del nivel freático mediante un pozo

Un análisis simplificado del fenómeno implica, tal y como indica Dupuit (Harr, 1962) asumir que (a) para una pequeña inclinación de la línea de filtración, las líneas de flujo son horizontales y (b), que el gradiente hidráulico es igual a la inclinación de la superficie libre y es independiente de la profundidad.

La ecuación que rige el caudal en este caso es la siguiente:

En este caso, se asume que toda la capa de terreno es homogénea con un coeficiente de permeabilidad hidráulica “k”.

Si se cumple que “q” es constante a lo largo del flujo, la ecuación anterior se puede integrar entre las distancias r1 y r2, obteniéndose la siguiente expresión:

Por tanto, una vez se ha determinado la extensión de la excavación, usando los parámetros r1, r2, h1 y h2, se puede utilizar la expresión anterior para determinar la capacidad requerida por la bomba. Asimismo, se podría utilizar la expresión anterior para determinar el coeficiente medio de permeabilidad del terreno sabiendo el caudal bombeado.

Es evidente que, en un caso real, existen muchas capas de terreno, con diferentes propiedades, por lo que la ecuación anterior debe particularizarse. Remitimos al lector al trabajo de Cedergreen (1989) para situaciones diferentes a las descritas. También podéis ver algunos problemas resueltos que pusimos en su momento en una entrada anterior.

Referencias

Cedergreen, H.R., 1989, Seepage, Drainage and Flow Nets, John Wiley, New York.

Harr, M., 1962, Groundwater and Seepage, McGraw-Hill, New York.

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Pinceladas acerca de la ingeniería en la antigua China

Quin Shi Huang, fundador de la Dínastia Quin.

En entradas anteriores ya hemos hecho mención a la ingeniería primitiva, la desarrollada en Mesopotamia o en la Grecia Clásica. Mención especial merecen los desarrollos alcanzados en la Antigua China, que en el siglo I ya tenía 57 millones de habitantes, superando a Roma, aunque ambos imperios apenas llegaran a conocerse entre ellos. Por tanto, hoy vamos a dar dos pinceladas a las realizaciones de la milenaria China, sabiendo que dejamos muchísima información por el camino. Los cuatro grandes inventos chinos fueron el papel, la brújula, la pólvora y la imprenta.

Una de las más grandes realizaciones de todos los tiempos fue la Gran Muralla China, con más de 4 km de muro en total. Esta muralla tiene unos 10 m de altura, 8 m de espesor en la base y 5 m en la parte superior, por donde discurre un camino pavimentado. Su construcción requirió un elevado número de personas. Los bloques de piedra se traían con rodillos a las zonas previamente excavadas para su colocación. Su construcción se complicaba en zonas con fuertes vientos o en otras de clima desértico. Los materiales empleados fueron los disponibles en cada sitio: piedra caliza, granito o ladrillo cocido. Especialmente eficaz a los impactos de armas de asedio fueron las tapias de arcilla y arena cubiertas con varias paredes de ladrillo. Para hacerse una idea, en el reinado de Qin Shi Huang, que empezó a gobernar en el 221 a.C., se construyeron caminos y vías. Nada menos que 6.800 km durante sus 20 años de imperio, lo cual es muy llamativo si tenemos en cuenta que los romanos, 300 años después, tuvieron un total de 5.984 km, casi mil menos.

 

Vista parcial del sistema de irrigación de Dujiangyan.
Vista parcial del sistema de irrigación de Dujiangyan.

También China tuvo canales desde hace miles de años. El sistema de irrigación de Dujiangyan comenzó en el siglo III a.C., basándose su construcción en un canal que tuvo que atravesar una montaña, lo cual no fue una tarea fácil teniendo en cuenta los procedimientos constructivos de la época. Para salvar dicho problema, se recurrió al calentamiento y enfriamiento repetido de la roca, lo cual fractura la roca y permitía su excavación.  Para evitar la acumulación de limo en el sistema de irrigación, se construyó un dique en el centro del río, cimentados en unos enormes gaviones hechos de bambú.Además, fueron los primeros constructores de puentes, con características únicas. Algunos de sus puentes más antiguos fueron de suspensión, con cables hechos de fibra de bambú.Aunque sin basarse en teorías científicas, los antiguos constructores chinos empleaban un método que está relacionado con los “drenes de arena”. En sus suelos aluviales blandos hincaban pilotes de madera que extraían, a continuación, por rotación. Los agujeros eran rellenados con cal viva bien compactada. Estos pozos de cal absorbían el agua que los rodeaba, produciendo, de este modo, una consolidación acelerada del suelo, siendo éstos los principios del empleo de las técnicas de mejora del terreno.

 

 

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¿Fueron los romanos más ingenieros que arquitectos?

Reconstrución de un Polyspastos romano en Bonn, Alemania.

En una entrada anterior tuvimos la ocasión de repasar brevemente algunos aspectos de la ingeniería romana, como fue la construcción de calzadas o puentes. Como podréis comprobar, el tema da para varias enciclopedias y el objetivo aquí es simplemente dar un par de pinceladas para despertar la curiosidad sobre aspectos históricos de la ingeniería. Además, en internet existen multitud de enlaces que permiten ampliar el tema considerablemente.

Podríamos empezar por la ingeniería municipal. Las ciudades del imperio romano disponían de sistemas de drenaje y suministro de agua, calefacción, baños públicos, calles pavimentadas, mercados de carne y pescado y otras infraestructuras municipales comparables a las actuales. La aplicación de la ingeniería en las artes militares y en los problemas de navegación, adecuación de puertos y bahías implicó, como en los otros casos, el uso de máquinas, materiales y procesos, que hablan del grado de desarrollo de la ingeniería romana, de la cual quedó constancia escrita en muchos tratados escritos en aquel tiempo y entre los cuales descuellan los trabajos de Marco Vitruvio. Su libro De Archítectura, lo escribió durante primer siglo d.C., donde incluyó el concocimiento del momento sobre materiales y métodos de construcción, hidráulica, mediciones, diseño y planificación urbana. Otra innovación en el ámbito urbano fue la invención del alumbrado público en la ciudad de Antioquía, aproximadamente hacia el año 3~0 d.C. Una innovación interesante de esa época fue la reinvención de la calefacción doméstica central indirecta, que se había usado cerca de 1200 a.C., en Beycesultan, Turquía. Lo extraño es que, tras la caída del Imperio Romano, este tipo de calefacción no se volviera a utilizar.

Restos de los acueductos Aqua Claudia y Anio Novus, integrados como portones de la Muralla Aureliana en el año 271.

Los romanos también fueron buenos ingenieros hidráulicos. En comparación con los anteriores, sus acueductos  eran mayores y más numerosos. Casi todo lo que se sabe actualmente del sistema romano de distribución de aguas proviene del libro “De Aquis Urb’is Romae” de Sexto Julio Frontino, quien fue autor del Aquarum de Roma, de 97 a 104 a.C. Frontino llevaba registros de la utilización del agua, que indican que el emperador usaba el 17%, el 39% se usaba en forma privada, y el 44% en forma pública. Se calcula que en Roma diariamente se consumían entre 380 y 1 100 millones de litros de agua. La fracción del 44% para uso público estaba subdividida adicionalmente en 3% para los cuarteles, el 24% para los edificios públicos, incluidos once baños públicos, 4% para los teatros, y 13% para las fuentes. Había 856 baños privados a la fecha del informe. En todo caso, la administración del agua en Roma era una tarea considerable e importante. Gran parte del agua que supuestamente debería entrar a la ciudad jamás lo hizo, debido a las derivaciones que tenían escondidas los usuarios privados.

Para resolver el problema de la toma de agua para las ciudades, los romanos construyeron acueductos  siguiendo en esencia el mismo diseño, que usaba arcos semicirculares de piedra montados sobre una hilera de pilares. Cuando un acueducto cruzaba una cañada, con frecuencia requería niveles múltiples de arcos. Uno de los mejor conservados de la actualidad es el Pont du Gard en Nimes, Francia, que tiene tres niveles. El nivel inferior también tenía una carretera. Los romanos usaron tubería de plomo y luego comenzaron a sospechar que no eran salubres. Sin embargo, el envenenamiento por plomo no se diagnosticó específicamente sino hasta que Benjamín Franklin escribió una carta en 1768 relativa a su uso.

Las técnicas utilizadas en la edificación por los romanos eran muy depuradas empleando, ya en aquellos tiempos, en sus edificios públicos el hormigón y el ladrillo, construyendo grandes bóvedas, como la del Panteón de Roma de 44 m de luz, realizada en el siglo II a.C. e impresionantes acueductos. Estas técnicas no fueron superadas en Europa hasta cerca del 1800. Uno de los grandes triunfos de la construcción pública durante este periodo fue el Coliseo, que fue el mayor lugar de reunión pública hasta la construcción del Yale Bowl en 1914.

El Coliseo de Roma

En el campo de las cimentaciones de los edificios, una de las innovaciónes reseñables son sus plataformas de hormigón en masa, donde la capacidad hidráulica del cemento puzolánico permitió la colocación de las plataformas de cimentación incluso bajo el agua. En algunos casos, la utilización de estas cimentaciones continuas de gran espesor (losa de cimentación), supuso una solución eficaz en suelos pobres, con riesgo de asientos diferenciales. Así, por ejemplo, El Coliseo se alza sobre el antiguo lago del palacio de Nerón, sobre un anillo macizo de 12 m de profundidad y 170 m de diámetro, compuesto de hormigón y de grandes bloques de piedra. De forma similar el Panteón descansa sobre un anillo sólido de 4,5 m de profundidad y más de 7 m de anchura.

El Panteón de Agripa o Panteón de Roma.

La ingeniería civil romana, y sobre todo la rama que se dedicó a las obras marítimas, experimentó un gran avance cuando descubrió la forma de fabricar morteros y hormigones hidráulicos. Vitruvio comentaba las condiciones para la construcción de distintas obras marítimas. Por ejemplo, en el caso de un dique vertical de hormigón en masa establecía que era necesaria la existencia de una playa apropiada, calidad de los fondos aceptable, posibilidad de utilizar en obra el cemento puzolánico y solicitaciones de oleaje de pequeña entidad. El procedimiento constructivo comenzaba construyendo un recinto tablestacado mediante la hinca de maderas de roble. Posteriormente se procedía a sanear sus capas superficiales dragando, al mismo tiempo que se realizaba el perfilado de la cimentación. Las dragas eran manuales, iguales a las que se han utilizado hasta principios del siglo XIX. Posteriormente se hormigonaba bajo el agua, llenando el recinto de conglomerado hidráulico. Se desencofraba retirando las tablestacas y se procedía a un nuevo avance repitiendo los pasos descritos. Se finalizaba la obra coronando el dique con un cabecero realizado mediante muros perimetrales de ladrillo o sillería. El hueco entre ellos se rellenaba de “todo uno” y sobre este material disgregado, se construía la calzada. Se desarrollaron grúas y barcazas que se utilizaron intensivamente en la construcción. Otro de los procedimientos constructivos a destacar es la de los cajones flotantes celulares herméticos, precursor de los diques monolíticos actuales. También hicieron uso de diques con baja cota de coronación (como en Cesarea Marítima, Israel en el 20 a.C.) para reducir la energía del oleaje antes de alcanzar el dique principal. El mayor complejo portuario artificial fue el Puerto Imperial de Roma, diseñado por Trajano, con una dársena hexagonal y un tráfico de trigo con Egipto y Francia de 300,000 t anuales.

Por supuesto, nos dejamos para otros posts, otros aspectos que irán surgiendo sobre la ingeniería y la arquitectura romanas.

Os dejo un vídeo explicativo de la construcción de los muros en este periodo.

 

Referencias:

ADAM, J.P. (2002).  La construcción romana. Materiales y técnicas. Editorial de los Oficios, 2ª edición, León.

FERNÁNDEZ, M. (2001). Ingeniería militar e ingeniería civil, dos ingeniería íntimamente vinculadas. Revista de Obras Públicas, 3.413: 47-57.

FERNÁNDEZ CASADO, C. (1983). Ingeniería hidráulica romana. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Madrid.

YEPES, V. (2009). Breve historia de la ingeniería civil y sus procedimientos. Universidad Politécnica de Valencia.

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