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, 1062) 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.
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.
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.
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.
El punto de funcionamiento o de operación de una bomba centrifuga se define como el flujo volumétrico de fluido que esta enviara cuando se instale en un sistema dado. El régimen de trabajo se determina por el punto de intersección de las características de la bomba y de la tubería, y por eso, al ser la característica de la conducción (tubería) invariable, salvo que se actúe sobre la válvula de impulsión, el cambio del número de revoluciones de la bomba provocará el desplazamiento del punto de trabajo a lo largo de la característica de la tubería. Si ésta corta a una parábola de regímenes semejantes, al cambiar el número de revoluciones y pasar a otra curva característica, la semejanza se conservará, pudiéndose considerar en este caso que el cambio del número de revoluciones de la bomba no alterará la semejanza de los regímenes de trabajo.
Para aclarar un poco más este tema, os dejo un problema resuelto con los conceptos básicos resueltos. Espero que os sea de interés.
Referencia:
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.
La gestión del mantenimiento de las presas existentes constituye un proceso complejo que requiere la aplicación de la toma de decisiones atendiendo a múltiples criterios para evitar las severas consecuencias sociales, económicas y medioambientales que pueden acarrear. A continuación os dejo un artículo científico que nos acaban de publicar al respecto. Realiza una revisión profunda del estado del arte en la materia. Espero que os sea de interés.
Hasta el 17 de marzo de 2017 te puedes descargar GRATUITAMENTE el artículo en el siguiente enlace:
Decisions for aging-dam management requires a transparent process to prevent the dam failure, thus to avoid severe consequences in socio-economic and environmental terms. Multiple criteria analysis arose to model complex problems like this. This paper reviews specific problems, applications and Multi-Criteria Decision Making techniques for dam management. Multi-Attribute Decision Making techniques had a major presence under the single approach, specially the Analytic Hierarchy Process, and its combination with Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution was prominent under the hybrid approach; while a high variety of complementary techniques was identified. A growing hybridization and fuzzification are the two most relevant trends observed. The integration of stakeholders within the decision making process and the inclusion of trade-offs and interactions between components within the evaluation model must receive a deeper exploration. Despite the progressive consolidation of Multi-Criteria Decision Making in dam management, further research is required to differentiate between rational and intuitive decision processes. Additionally, the need to address benefits, opportunities, costs and risks related to repair, upgrading or removal measures in aging dams suggests the Analytic Network Process, not yet explored under this approach, as an interesting path worth investigating.
Keywords:
Ageing dams;
Dam management;
Decision making;
Multiple criteria analysis;
Risk
Referencia:
ZAMARRÓN-MIEZA, I.; YEPES, V.; MORENO-JIMÉNEZ, J.M. (2017). A systematic review of application of multi-criteria decision analysis for aging-dam management.Journal of Cleaner Production, 147:217-230. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652617301051
De Musgosos – Trabajo propio, GFDL, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=9976266
Tras el letargo medieval, los túneles, al igual que la cultura, se ven marcados por el Renacimiento. Leonardo da Vinci concibe niveles subterráneos en sus diseños de ciudades y piensa la posibilidad de perforar montañas para llevar agua a través de canales subterráneos. Pero estas ideas se tenían que llevar a la realidad. Ello fue posible con el primer túnel del Renacimiento, la Mina de Daroca, que se convirtió, posiblemente, en una de las obras públicas más importantes del siglo XVI en Europa. Se trata de un túnel de unos 650 m de longitud y 6,7 m de anchura, con altura variable entre los 7 y 8 m, que atraviesa el cerro de San Jorge. Se construyó entre 1555 y 1560 por el ingeniero, arquitecto y escultor francés Quinto Pierres Bedel, especialista en aquella época en obras hidráulicas, famoso por haber construido el acueducto de Teruel. Dentro del túnel destaca una chimenea de ventilación que salva las presiones de la boca del túnel, zona reforzada con un tramo de bóveda construida en piedra de cantería para evitar la debilidad de la zona. Se trataba de una obra cuya finalidad era conducir y desviar las aguas torrenciales de la villa aragonesa de Daroca hacia el río Jiloca. En efecto, la calle Mayor de Daroca, columna vertebral de la ciudad, coincide con el fondo de un barranco, por lo que las avenidas torrenciales de agua, muy frecuentes, discurrían por el centro de la ciudad, siguiendo el trazado de la calle y ocasionando fuertes daños. Además, esta construcción tiene otros usos, como ruta para el ganado y como camino más corto para ir a la zona de pastos. El decreto de 2-VII-1968 que declara conjunto histórico artístico a la ciudad de Daroca incluye como obras dignas de conservación, entre otras, a su famosa Mina.
Os dejo a continuación un vídeo donde se describe esta obra de ingeniería subterránea. Espero que os interese.
Busto de Juanelo Turriano realizado por Alonso Berruguete. Wikipedia
Juanelo Turriano o Giovanni Torriani (1501 — 1585) fue un ingeniero e inventor italo-español. Turriano se había forjado como maestro relojero en el taller de su padre y adquirida cierta reputación como ingeniero e inventor, por haber fabricado, entre otros, una grúa mecánica para elevar cañones o una dragadora para la laguna de Venecia.
Pero quizás lo más conocido de este inventor sea una máquina hidráulica diseñada en el siglo XVI para llevar agua del río Tajo a la ciudad de Toledo salvando un desnivel de más de 100 metros . La primera subida de agua tuvo lugar el 23 de febrero de 1569 y suministraba a la ciudad 14 100 litros de agua al día, que era una vez y media lo pactado. Fue uno de los grandes inventos del Renacimiento y alcanzó gran popularidad nacional e internacional y fue mencionado por muchos escritores del Siglo de Oro en sus obras. Baste decir que, hasta aquella obra sólo se había conseguido subir agua a 40 metros con un tornillo de Arquímedes en Habsburgo.
Artificio de Juanelo Turriano. Wikipedia
Pero creo que lo mejor será que veáis este vídeo donde se explica el funcionamiento del artificio.
El sistema de entubado ajustado (Close-Fit) consiste en la renovación de tuberías de redes urbanas mediante tecnología sin zanja con una nueva tubería el polietileno de alta densidad (PEAD) con un diámetro exterior completamente ajustado a la tubería que se pretende renovar y sin necesidad de rellenar el espacio anular entre ambas. Esta técnica se desarrolló por British Gas a principios de los años 90. Se utiliza en agua potable, saneamiento, petróleo, gas, minería, industria, etc.
La nueva tubería es en forma de U reduciendo su sección un 40%, lo que facilita enormemente su transporte e instalación. Es aplicable a tramos largos (típico 500 m) o cortos (50 m en cruce de puentes), siendo el rango de aplicación de 100 a 1200 mm de diámetro. El nuevo tubo puede ser estructural, semiestructural o un revestimiento. Utiliza una tubería estándar de PEAD con un diámetro ligeramente más grande que el diámetro de la tubería antigua.
Para instalar la nueva tubería, se instala un equipo de reducción en el inicio de la tubería y un cabestrante de tiro en el punto final, deslizando el cable de tiro en toda la longitud. La nueva tubería se hace pasar por el aro de reducción lo que genera una reducción de diámetro que permite la instalación dentro de la antigua. Una vez instalada la tubería, se retira la tracción del cabrestante y la tubería vuelve a su estado original, ajustándose completamente a la tubería existente.
Os dejo a continuación un vídeo de la empresa Sinzatec. Espero que os guste.
Referencias:
UNE-EN ISO 11295:2011. Clasificación e información sobre el diseño de sistemas de canalización en materiales plásticos utilizados en la renovación. (ISO 11295:2010)
Una bomba es una máquina destinada al transporte y elevación de líquidos, para lo cual absorbe fluido dentro de sí misma a través de un orificio de entrada y lo impulsa hacia fuera a través de una lumbrera de salida. Para accionarlas precisan de la energía proporcionada por un motor, que suele ser en la mayoría de los casos eléctricos, y en otros de combustión.
En ingeniería civil son empleadas para la elevación de agua de pozos para el abastecimiento de poblaciones, agotamientos de niveles freáticos, aspiración de fondos marinos, bombeos de líquidos de un lugar a otro, elevación de aguas negras, etc.
Los parámetros básicos necesarios para seleccionar una bomba son los siguientes:
El caudal de diseño.
Los parámetros que definen el líquido a transportar.
La altura manométrica en el caso de una instalación de bombeo o las necesidades de oxígeno si se trata de un agitador para una planta depuradora.
Las bombas se pueden clasificar atendiendo a diversos criterios. En la figura siguiente se establece la clasificación habitual de las bombas atendiendo a su forma de trabajo.
Clasificación de las bombas hidráulicas
Otra posible clasificación se establece atendiendo al régimen de funcionamiento:
Bombas de caudal constante: donde el caudal de salida es proporcional al régimen de giro de la bomba, es decir, que el caudal de líquido desplazado por cada revolución es fijo. Estas máquinas no consideran la necesidad de presión del sistema y por tanto debe existir un medio capaz de reconducir el caudal sobrante. Las bombas de engranajes son de caudal constante.
Bombas de caudal variable: el caudal a la salida es independiente de la velocidad de la bomba, por lo que el caudal de líquido desplazado por cada revolución es variable. En este caso el caudal desplazado es el que necesita el sistema. Las bombas de paletas y pistones pueden ser tanto de caudal constante como variable.
En la Tabla siguiente se comparan las características más importantes de las bombas hidráulicas.
Comparación de las propiedades generales de las bombas
Os dejo uno vídeos explicativos sobre este tema.
Aquí os dejo una serie de vídeos divulgativos sobre las bombas hidráulicas.
Referencia:
YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; ALCALÁ, J. (2012). Maquinaria auxiliar y equipos de elevación. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814.
Son bombas con rodetes radiales o semiaxiales de múltiples etapas superpuestas diseñadas para bombear desde pozos profundos (hasta 350 m) y de pequeña sección (4” a 14”). Se pueden impulsar caudales de hasta 450 m3/h. Constan de un motor eléctrico del tipo “jaula de ardilla” de 2 a 250 kW, provisto de estator con bobinado de conducciones especialmente aislado con PVC y compensador de dilataciones y contracciones por cambios de temperatura.
El factor más desfavorable para este tipo de bombas es la presencia de arena (daños a partir de más de 25 g de arena por m3). Análogamente hay que determinar la composición del agua, su pH, el contenido de CO2, etc. Estas circunstancias son importantes en el momento de elegir la bomba adecuada a la presencia de estos componentes corrosivos o abrasivos.
No son imprescindibles los cuidados de mantenimiento, no se producen averías por heladas, ni ocurren problemas de aspiración ni de ruido; estas circunstancias justifican la economía de su uso, siempre que los grupos utilizados estén bien proyectados y sean resistentes y equilibrados. Sin embargo, en caso de avería del motor se debe extraer toda la columna.
Os dejo un par de vídeos sobre la instalación de este tipo de bombas.
Referencia:
YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; ALCALÁ, J. (2012). Maquinaria auxiliar y equipos de elevación. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 200 pp.
