En una entrada anterior repasábamos algunos instrumentos y directrices para el desarrollo sostenible en la construcción. Aquí voy a recoger dos artículos firmados por Alejandro López Vidal, que es el Director Técnico de ANDECE y Secretario Técnico del Subcomité AENOR AEN/CTN 198/sc1 Edificación Sostenible, donde se explica en detalle qué son y para qué sirven las declaraciones ambientales de los productos prefabricados de hormigón. Espero que os sean de interés.
Hoy hace justo un año que realicé mi defensa pública de la plaza de Catedrático de Universidad en el Área de Ingeniería de la Construcción. Tuve en aquel momento la oportunidad de exponer como parte de la prueba un trabajo de investigación, basado fundamentalmente en los trabajos realizados por nuestro grupo. Se trataba del diseño eficiente de puentes de hormigón postesado de sección en cajón unicelular mediante una optimización multiobjetivo basada en criterios sostenibles. Las conclusiones que aquí se resumen son fruto de varios estudios previos para examinar el uso de cementos con adiciones, la importancia de la carbonatación en la captura de CO2 y en la durabilidad, la reutilización del hormigón, el uso del hormigón autocompactante, los diseños sostenibles de puentes artesa prefabricados de hormigón pretensado, la relación entre el coste y el CO2, así como la energía, los diseños sostenibles de pasarelas de hormigón postesado, los algoritmos heurísticos y las técnicas de toma de decisiones para analizar y reducir el conjunto óptimo de Pareto. Los resultados de estos estudios previos fueron la base del trabajo presentado. Se planteó una optimización multiobjetivo basada en criterios económicos, ambientales, de durabilidad y de seguridad. Además, se formuló una herramienta informática que permitió el uso de software comercial para realizar el análisis del puente con elementos finitos, en un proceso de diseño automático. Al final de la entrada os he dejado referencias directamente relacionadas con la investigación de nuestro grupo en optimización multiobjetivo y toma de decisión multicriterio de puentes a lo largo de su ciclo de vida.
En primer lugar, se estudió el diseño óptimo de puentes de carreteras de hormigón postesado de sección en cajón considerando los costes, las emisiones de CO2 y el coeficiente de seguridad global. Para aplicar la metodología propuesta, se realizó un estudio de caso de un puente continuo de tres vanos situado en una zona costera. Los resultados mostraron que tanto el coste económico como la reducción de las emisiones de CO2 conducen a una reducción en el consumo de material y por lo tanto, son objetivos alineados. Ello indica que la optimización de costes es un buen enfoque para lograr un diseño respetuoso con el medio ambiente. El análisis de la frontera de Pareto indicó las variables más eficientes para mejorar la seguridad con el coste mínimo y las emisiones de CO2. Dado que el coste y las emisiones estaban estrechamente relacionados, el desafío se tradujo en la conversión de las limitaciones estructurales de seguridad y durabilidad en funciones objetivo. Este enfoque permitió encontrar múltiples soluciones alternativas que, con un incremento muy pequeño en el coste, consiguen mayor seguridad y durabilidad. Además, se destacó la eficiencia del aumento de la resistencia y del recubrimiento del hormigón para prolongar la vida útil. La frontera de Pareto se utilizó posteriormente para seleccionar planes de mantenimiento del puente óptimos, basados en su nivel inicial de seguridad y durabilidad. Este planteamiento es consistente con el argumento de que el proceso de deterioro puede causar una reducción en la seguridad estructural. Este estudio permitió analizar las ventajas que presenta un diseño optimizado para prolongar la vida útil de la estructura y mejorar su seguridad. Se llevó a cabo una optimización de la vida útil sostenible a través de un enfoque probabilístico. El plan de mantenimiento óptimo tiene como objetivo minimizar los impactos económicos, ambientales y sociales mientras se satisface el objetivo de fiabilidad durante una vida útil. Finalmente, se compararon los costes del ciclo de vida y las emisiones entre las distintas alternativas.
En paralelo, se desarrolló un metamodelo basado en redes neuronales, para reducir el tiempo de cálculo. Las ANNs se entrenaron para predecir la respuesta estructural en términos de los estados límite en función de las variables de diseño, sin necesidad de un análisis completo del puente. Se propuso una metaheurística mejorada basada en la búsqueda de la armonía multiobjetivo. Se mejoró la diversificación y la intensificación en la búsqueda de soluciones para mejorar la convergencia. Finalmente, se propuso una técnica de toma de decisiones llamada AHP-VIKOR bajo incertidumbre para reducir la frontera de Pareto a un conjunto de soluciones preferidas. Este método permite al decisor introducir fácilmente las preferencias en un criterio específico sujeto a incertidumbre.
Las conclusiones generales de este trabajo de investigación fueron las siguientes:
A partir de los estudios, se extrajeron estas conclusiones específicas:
Referencias:
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Es un honor haber dirigido la tesis doctoral de Tatiana García Segura “Efficient design of post-tensioned concrete box-girder road bridges based on sustainable multi-objective criteria”. Esta joven doctora ingeniera de caminos acaba de recibir el Premio Internacional al mejor investigador joven del mundo en el ámbito del análisis de estructuras e infraestructuras a lo largo de su ciclo de vida. Se trata del Junior Award IALCCE 2018, que premia al mejor investigador, con una edad menor a 42 años. Es la primera vez que un español gana este galardón, lo cual es un hito para la Escuela de Ingenieros de Caminos de Valencia y para la Universitat Politècnica de València.
Tatiana, que fue becaria FPI del proyecto de investigación HORSOST e investigadora del ICITECH, ya ganó el primer premio Cemex en sostenibilidad por su trabajo fin de máster “Métricas para el diseño eficiente de estructuras con hormigones no convencionales basados en criterios sostenibles multiobjetivo”Máster Universitario en Ingeniería del Hormigón, desarrollado dentro del . En este momento, es profesora ayudante doctor en el Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Civil, e investigadora en los proyectos BRIDLIFE y DIMALIFE. Un futuro muy brillante para esta joven investigadora y profesora.
A continuación os dejo un listado de los artículos científicos indexados en revistas de fuerte impacto del JCR donde ha participado Tatiana hasta este momento.
Referencias:
Repercusión en la prensa:
https://www.lasprovincias.es/comunitat/mejor-ingeniera-civil-20181109011059-ntvo.html
http://www.upv.es/noticias-upv/noticia-10576-tatiana-garcia-es.html
Va siendo ya habitual colaborar de vez en cuando con el periodista José Antonio García Muñoz, conocido como Ciudadano García, sobre temas de ingeniería. Como ya he comentado en alguna entrada anterior, la labor de divulgación de las ciencias, y en particular de la ingeniería, resulta una tarea agradable y enriquecedora.
Hoy hemos hablado acerca del viaducto sobre el río Almonte de Garrovillas de Alconétar (Cáceres) con motivo de haber sido la obra ganadora de los premios anuales a la Excelencia en la Construcción con hormigón que otorga el ACI (American Concrete Institute). Con una longitud total de 996 m, la luz del vano principal es 384 m, que lo convierte en el puente ferroviario más grande de España y en el puente de arco de hormigón para servicio ferroviario de alta velocidad más grande del mundo. Si se compara sólo con puentes de arco de hormigón, fuera del uso ferroviario, es el tercero de mayor luz a nivel mundial; por detrás del puente de Waxian que presenta un arco de 421 m en China y el puente KRK con un arco de 390 m en Croacia. Destaca el uso de hormigón autocompactante de 80 MPa y su construcción monitorizada, que aportó información sobre el comportamiento de la estructura durante la construcción y la entrada en servicio.
Tener la oportunidad de comunicar aspectos de nuestra profesión a más de 300.000 oyentes supone todo un reto, más si lo que se busca es transmitir de forma sencilla y para todo el mundo, aspectos técnicos que, a veces, solo somos capaces de hacerlo con colegas o estudiantes. Insisto, todo un reto y una oportunidad que se agradece.
Os dejo a continuación el audio por si queréis escucharlo. Se grabó en directo, y suena tal cual se hizo. Espero que os guste.
También os dejo un vídeo del procedimiento constructivo, obra de FCC.
Nos acaban de publicar en la revista de Elsevier del primer cuartil, Environmental Impact Assessment Review, un artículo donde se optimiza el mantenimiento de un puente considerando el ciclo de vida. Este artículo forma parte de nuestra línea de investigación DIMALIFE en la que se pretenden optimizar estructuras atendiendo no sólo a su coste, sino al impacto ambiental y social que generan a lo largo de su ciclo de vida.
Abstract:
Sustainability is of paramount importance when facing the design of long-lasting, maintenance-demanding structures. In particular, a sustainable life cycle design for concrete structures exposed to aggressive environments may lead to significant economic savings and reduced environmental consequences. The present study evaluates 18 different design alternatives for an existing concrete bridge deck exposed to chlorides, analyzing the economic and environmental impacts associated with each design as a function of the maintenance interval chosen. Results are illustrated in the context of a reliability-based maintenance optimization on life cycle costs and environmental impacts. Maintenance optimization significantly reduces life cycle impacts if compared to the damage resulting from performing the maintenance actions when the end of the structure’s service life is reached. Using concrete with 10% silica fume is the most effective prevention strategy against corrosion of reinforcement steel in economic terms, reducing the life cycle costs of the original deck design by 76%. From an environmental perspective, maintenance based on the hydrophobic treatment of the concrete deck surface results in the best performance, allowing for a reduction of the impacts associated with the original design by 82.8%.
Keywords:
Life cycle assessment; Life cycle cost analysis; Chloride corrosion; Sustainable design; Maintenance optimization; Reliability
Reference:
NAVARRO, I.J.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2019). Reliability-based maintenance optimization of corrosion preventive designs under a life cycle perspective. Environmental Impact Assessment Review, 74:23-34. https://doi.org/10.1016/j.eiar.2018.10.001
El martes 18 de septiembre de 2018 tuvo lugar la defensa de dos trabajos fin de máster complementarios que versaron sobre la optimización de puentes postesados con modelos tipo Kriging. Se propuso una nueva metodología para el estudio de soluciones de este tipo de puentes que conseguía reducciones de coste entorno al 7%. Sus autores fueron Alejandro Brun Izquierdo y Lorena Yepes Bellver, y obtuvieron la máxima calificación de Sobresaliente 10, Matrícula de Honor. Sus directores fueron los profesores Julián Alcalá González y Tatiana García Segura. Estos TFMs se enmarcan dentro del proyecto de investigación DIMALIFE “Diseño y mantenimiento óptimo robusto y basado en fiabilidad de puentes e infraestructuras viarias de alta eficiencia social y medioambiental bajo presupuestos restrictivos”. Además, se da la circunstancia que estos dos estudiantes son los primeros matriculados en el Doble Máster en Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos e Ingeniería del Hormigón. ¡Enhorabuena a todos ellos!
Las estructuras de hormigón presentan distintos tipos de juntas, que responden a condiciones diferentes, que a veces se confunden entre sí. Las juntas pueden ser de dilatación, de hormigonado, de retracción o de asiento. Esta entrada trata de las juntas de asiento.
Las juntas de asiento se disponen en el hormigón para permitir asientos diferentes en dos zonas de una estructura. Sirven para separar la estructura en varias partes y afectan a la totalidad, por ejemplo, de un edificio, incluida la cimentación. La necesidad de independizar la estructura en partes se debe, por ejemplo, cuando existen grandes diferencias de cargas, que provocarían asientos diferenciales y distorsiones angulares. Es el caso de una torre de gran altura y pequeña superficie en planta, rodeada en su zona baja de un área edificada en una gran extensión, pero con poca altura (ver Figura). Otro caso sería la separación de dos tipos de cimentación, una superficial y otra profunda. Incluso se debería colocar una junta de asiento en el caso de que una cimentación se sustente en terrenos de comportamiento muy diferente. Hay que tener presente que, se puede hacer coincidir una junta de asiento con una junta de dilatación.
Los encofrados están formados por una composición de distintos materiales que, trabajando de forma conjunta, sirven como molde para el hormigón en estado fresco. En la Norma UNE 180201:2016 “Encofrados. Diseño general, requisitos de comportamiento y verificaciones“, se recogen los requisitos que deben cumplir dichos materiales.
Tanto el fabricante del material, como el fabricante de los elementos constitutivos de los encofrados, deben garantizar, mediante los ensayos correspondientes, las características mecánicas que expresan características resistentes de dichos materiales y del propio encofrado en su conjunto, mediante valores característicos obtenidos con un percentil del 5%.
Esos valores característicos se minoran con coeficientes (γM) de ponderación, para cada uno de los materiales, cuando se realizan los cálculos correspondientes al dimensionado de los elementos constitutivos de los encofrados.
En el caso de materiales compuestos, no existen normas disponibles. En este caso, el fabricante debe garantizar las características mecánicas del material compuesto, obtenidas mediante ensayos, mediante valores característicos obtenidos con un percentil del 5%.
En una entrada anterior, se destacó la importancia de definir adecuadamente el plazo de descimbrado, un asunto de considerable relevancia debido a sus implicaciones tanto en la economía como en la seguridad del proceso constructivo. La determinación de este plazo está intrínsecamente ligada al momento en el cual el hormigón puede resistir los esfuerzos durante la construcción. En consecuencia, la edad mínima para llevar a cabo el descimbrado se ve influenciada por diversos factores, tales como la evolución de la resistencia y el módulo de deformación del hormigón, el proceso de curado, la deformabilidad y la proporción de la carga permanente que actúa en el momento del descimbrado.
Para establecer este plazo mínimo, se pueden considerar dos métodos: el primero se basa en la resistencia a tracción del hormigón, mientras que el segundo se adhiere a los métodos propuestos por la EHE-08 en su artículo 74. No obstante, es crucial señalar que los plazos indicados por la EHE-08 no son compatibles con desencofrados rápidos.
Para agilizar el proceso de descimbrado, es esencial determinar el desarrollo de las resistencias mecánicas del hormigón a corto plazo, factor que depende en gran medida de la composición de la mezcla y la temperatura. La resistencia directamente vinculada con los fenómenos de anclaje y corte es la resistencia a tracción. Aunque esta resistencia no se incorpora directamente en los cálculos para estructuras de hormigón armado, reviste una importancia crucial en la estimación de los plazos de descimbrado. En algunos casos, la adherencia puede ser el aspecto crítico, pero, a efectos prácticos, se puede considerar la resistencia a tracción como determinante para el descimbrado.
Así, si tenemos una estructura con una acción característica de proyecto y en el momento de descimbrar está sometida a una fracción de esta acción, podremos realizar el descimbrado si se cumple la siguiente condición:
Por simplificar, se llama:
donde fckt,j es la resistencia a tracción del hormigón a los j días, fckt,28 es la resistencia a tracción del hormigón en curado estándar a los 28 días, γ’fg es el coeficiente de mayoración de acciones aplicable a la situación correspondiente al descimbrado (por tratarse de una situación temporal puede ser menor de la del proyecto, sin ser inferior a 1,25), γfg es el coeficiente de mayoración de acciones de proyecto (1,50 para situación persistente o transitoria de efecto desfavorable para una acción permanente de valor no constante, por ejemplo) y α es la relación entre la carga característica de construcción y la característica de la estructura. Conviene fijarse que γ’fg depende del nivel de control; así, Calavera (2002) propone que sea de 1,30 para obras de control de ejecución intenso, de 1,35 para obras de control de ejecución normal y de 1,40 para obras de control reducido.
Aunque la fórmula previa es precisa, la complejidad radica en la precisa determinación de los valores asociados. En este sentido, un método práctico de aplicación en laboratorio implica la obtención de la resistencia a tracción indirecta del hormigón a través del ensayo brasileño. Para llevar a cabo este procedimiento, es necesario curar las probetas en condiciones semejantes a las de la estructura en cuestión. Mediante la realización de ensayos a distintas edades, podemos identificar el momento en el cual se alcanza el valor mínimo necesario para proceder al descimbrado.
Una alternativa para calcular el plazo de descimbrado implica el uso de curvas de referencia, las cuales ofrecen la evolución de la resistencia a tracción en relación con la temperatura y el tipo de cemento utilizado. En la Figura 2, se presentan las curvas elaboradas por Alvarado et al. (2005) para un hormigón con resistencia característica a compresión de 25 MPa y endurecimiento normal. Para ajustar la evolución de la temperatura del hormigón en obra, se emplea el método de madurez, una herramienta que evalúa la resistencia del hormigón recién colocado al relacionar el tiempo y las mediciones de temperatura con los valores de resistencia reales. El Anexo A de la norma UNE 83160-1 IN proporciona un ejemplo práctico de aplicación de los métodos de madurez.
Por último, podríamos utilizar la relación que existe entre la resistencia a tracción directa y la resistencia a compresión. Así, la EHE-08 propone la siguiente relación, cuyo mayor inconveniente es que solo es válida para edades superiores a 7 días y para hormigones de resistencia característica menor o igual a 50 MPa:
sustituyendo las expresiones que relacionan la resistencia a tracción con la resistencia a compresión a edades jóvenes, se obtiene la siguiente condición de la EHE-08 (solo válida para edades superiores a 7 días):
Por otra parte, sabiendo que la resistencia a tracción pura (fckt) está relacionada con la resistencia a tracción indirecta obtenida en el ensayo brasileño (f ‘ckt) mediante la siguiente relación aproximada:
se puede concluir que la condición de descimbrado, en función de la resistencia a tracción el ensayo brasileño, sería la siguiente (solo válido para edades superiores a 7 días):
Sin embargo, esta expresión de la EHE-08, donde se requiere una resistencia característica mínima a compresión en el momento de descimbrar, puede resultar poco restrictiva para determinados tipos de cementos. Para un cemento CEM II/A-V 42.5, Alvarado et al (2005) proponen la siguiente ecuación, más ajustada que la anterior, para determinar la resistencia a compresión necesaria para el momento del descimbrado:
Finalmente, como medida de precaución y a pesar de lo expuesto anteriormente, se recomienda un plazo que no sea inferior a 3 días, considerando la incertidumbre inherente al cálculo de la evolución de las resistencias del hormigón en edades tempranas. Además, se desaconseja el descimbrado en casos donde las resistencias sean inferiores a los 10 N/mm2 por razones estéticas, como cambios en el color, desconchones, textura, entre otros, especialmente si la superficie de hormigón tiene un propósito específico.
Referencias:
ALVARADO, Y.A.; CALDERÓN, P.A.; ADAM, J.M.; PAYÁ, I.J.; PELLICER, T.; PALLARÉS, F.J.; MORAGUES, J.J. (2009). An experimental study into the evolution of loads on shores and slabs during construction of multistory buildings using partial striking. Engineering Structures, 31(9):2132-2140.
ALVARADO, Y.A.; CALDERÓN, P.A.; PALLARÉS, F.J.; PELLICER, T. (2005). Estimation of shore removal times in bidirectional in situ concrete floor slabs applying the maturity method. Bangkok, Thailand.
CALAVERA, J. (2002). Cálculo, construcción, patología y rehabilitación de forjados de edificación: unidireccionales y sin vigas-hormigón metálicos y mixtos. Intemac Ediciones, Madrid.
CALAVERA, J., FERNÁNDEZ, J. (1991). Cuaderno Nº 3: Criterios para el descimbrado de estructuras de hormigón. INTEMAC, Madrid.
CALDERÓN, P.A.; ALVARADO, Y.A.; ADAM, J.M. (2011). “A new simplified procedure to estimate loads on slabs and shoring during the construction of multistorey buildings”, Engineering Structures (2011),
FERNÁNDEZ, J. (1986). Estudio experimental de la evolución de las características mecánicas del hormigón curado en diversas condiciones y su aplicación al cálculo de los procesos de descimbrado. Tesis Doctoral, Universidad Politécnica de Madrid, Madrid.
MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Cimbras, andamios y encofrados. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2004.441.
MINISTERIO DE FOMENTO (2008). Instrucción de hormigón estructural. EHE-08. Comisión Permanente del Hormigón, Madrid.
YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3
Nos acaban de publicar en la revista de Elsevier del primer decil, Journal of Cleaner Production, un artículo donde se propone una nueva metodología en la toma de decisiones del diseño óptimo de un puente bajo criterios de sostenibilidad y bajo incertidumbre. Este artículo forma parte de nuestra línea de investigación BRIDLIFE en la que se pretenden optimizar estructuras atendiendo no sólo a su coste, sino al impacto ambiental y social que generan a lo largo de su ciclo de vida.
Abstract:
Today, bridge design seeks not only to minimize cost but also to minimize adverse environmental and social impacts. This multi-criteria decision-making problem is subject to variability of stakeholders’ opinions regarding the importance of criteria for sustainability. As a result, this paper proposes a method for designing and selecting optimally sustainable bridges under the uncertainty of criteria comparison. A Pareto set of solutions is obtained using a metamodel-assisted multi-objective optimization. A new decision-making technique introduces the uncertainty of the decision-makers preference through triangular distributions and thereby ranks the sustainable bridge designs. The method is illustrated by a case study of a three-span post-tensioned concrete box-girder bridge designed according to the embodied energy, overall safety, and corrosion initiation time. In this case, 211 efficient solutions are reduced to two preferred solutions with a probability of being selected of 81.6% and 18.4%. In addition, a sensitivity analysis validates the influence of the uncertainty regarding the decision-making. The approach proposed allows actors involved in the bridge design and decision-making to determine the best sustainable design by finding the probability of a given design being chosen.
Keywords:
Reference:
GARCÍA-SEGURA, T.; PENADÉS-PLÀ, V.; YEPES, V. (2018). Sustainable bridge design by metamodel-assisted multi-objective optimization and decision-making under uncertainty. Journal of Cleaner Production, 202:904-915. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.08.177