Pavimento continuo de hormigón armado para carreteras

Figura 1. Colocación de armadura en un pavimento continuo de hormigón armado.

El Pavimento Continuo de Hormigón Armado (PCHA) no requiere juntas transversales de contracción. Básicamente, se trata de un pavimento de hormigón armado con juntas, pero con armadura suficiente para que la distancia sea infinita. Cuando se ejecuta adecuadamente, este pavimento requiere una conservación mínima. Los PCHA buscan proporcionar superficies cómodas y sin interrupciones. A través del cálculo de cargas, retracción y cambios de temperatura, se puede anticipar la resistencia del pavimento y controlar su tendencia a agrietarse, como en cualquier otra estructura de hormigón armado. Las ventajas de este tipo de pavimento son su seguridad, su costo y su capacidad para ser compatible con pavimentos existentes de mezcla bituminosa o con superficies de hormigón en mal estado, pues no requieren su eliminación previa.

La eliminación de juntas transversales se realiza a costa de aumentar la cuantía de la armadura longitudinal de acero de alto límite elástico a valores superiores a 10 kg/m². La eliminación de las juntas transversales permite reducir el espesor de la capa de hormigón y amplía su campo de aplicación, aunque su costo inicial elevado los hace más apropiados para su uso en firmes que soporten altos niveles de tráfico pesado, especialmente en autopistas y carreteras principales.

Inicialmente, estos pavimentos se utilizaban principalmente en firmes de nueva construcción. Sin embargo, en los últimos años también se han empleado como refuerzo de firmes ya existentes, tanto rígidos como flexibles, y en la reconstrucción de carriles para vehículos pesados en autopistas. Los pavimentos de hormigón armado continuo también se emplean en pistas de aterrizaje y despegue de aeropuertos, como en el aeropuerto de Narita (Tokio) y en la base francesa de Lorient-Lann-Bihoué. Además, se usan en glorietas, túneles, plataformas industriales y en carreteras donde se espera un asentamiento diferencial, ya que la corta distancia entre las grietas del pavimento permite que se divida en pseudolosas de pequeña longitud, lo que facilita su adaptación a los movimientos del terreno de base.

Figura 2. Sección de un Pavimento Continuo de Hormigón Armado (PCHA)

La utilización del PCHA comenzó en Estados Unidos en 1938, en autopistas con tráfico pesado, pero pasó más de una década hasta que se empezó a experimentar su uso en Europa. Bélgica fue el primer país en aplicarlo en tramos experimentales y en utilizarlo comúnmente en autopistas y carreteras importantes. En 1963, se realizaron pruebas experimentales en la N-II, cerca de Madrid, y se construyeron 43 km en la autopista Oviedo-Gijón-Avilés en 1975. A partir de 1990, se construyeron algunos tramos en la autopista del Cantábrico. Aunque su empleo en España es limitado, se dispone de una técnica madura y fiable para su desarrollo.

Debido a la alta cantidad de armadura principal que poseen en dirección longitudinal (entre 0,6% y 0,7%), los PCHA tienden a desarrollar fisuras transversales de manera natural en intervalos aleatorios pequeños (generalmente de 0,8 a 2,0 m). La función principal de la armadura es limitar la fisuración por retracción y temperatura, y la secundaria es absorber las tracciones estructurales. La armadura transversal, que representa del 0,05% al 0,10%, actúa como soporte para las barras longitudinales y puede ser prescindible. Según el PG-3, los solapes deberían ser menores del 20% del total.

Generalmente, se deja una distancia de aproximadamente 15 cm entre las barras longitudinales para facilitar el vertido del hormigón entre ellas. Por su parte, las armaduras transversales se ubican como soporte de las barras longitudinales y para mantener su posición relativa. No obstante, en los últimos años se ha popularizado el uso de equipos con guías para colocar las barras longitudinales en su posición final durante el vertido del hormigón, lo que permite prescindir de las armaduras transversales.

La cantidad de armadura longitudinal necesaria en un PCHA depende de varios factores, incluyendo el límite elástico del acero y la resistencia característica a flexo-tracción del hormigón. En el caso de hormigones HP-4,5 (4,5 MPa), esta cantidad suele estar en valores entre el 0,65 % y 0,7 %. Generalmente, se suelen emplear barras corrugadas de alto límite elástico (510-620 MPa) como armadura en este tipo de pavimentaciones.

La distancia entre las fisuras y su apertura son inversamente proporcionales a la cantidad de acero dispuesta. Según datos empíricos, la distancia deseable entre fisuras está entre 1 y 3 m, siendo lo óptimo entre 1,5 y 2 m. La apertura de las fisuras debe ser inferior a 0,5 mm. Además, es importante que la distribución de las fisuras sea homogénea para asegurar la transferencia de cargas a través de ellas sin desniveles ni degradación bajo el tráfico. Las fisuras deben estabilizarse a los 4 o 5 años. Para lograr lo anterior, es necesario seguir las indicaciones previas en cuanto a la cantidad de acero, la separación óptima de las barras, el porcentaje de solapes, entre otros factores.

En la historia temprana del uso del acero en PCHA, se solía colocar la armadura en el tercio superior de la losa para mantener cerradas las fisuras en esa zona y para que la armadura actuara como “armadura de piel” y resistiera los desprendimientos del hormigón debidos al tráfico. Sin embargo, con la evolución de la técnica, se ha descubierto que es preferible colocar la armadura a mitad del espesor. Esto no solo reduce el riesgo de corrosión, sino que también mejora la regularidad superficial del pavimento al evitar las ligeras ondulaciones causadas por la “reflexión” de la armadura en la superficie.

Figura 3. Esquema de un Pavimento Continuo de Hormigón Armado (PCHA)

La técnica resulta poco competitiva debido al elevado costo del acero, pero es posible reducir su cuantía a casi la mitad mediante la sustitución de las barras por bandas corrugadas de acero de muy alto límite elástico. Estas bandas tienen una sección transversal de 2 x 40 mm², por ejemplo, y se suministran en bobinas desenrollables. Aunque su costo de construcción es más elevado que el de los pavimentos de hormigón simple con juntas, los PCHA presentan la ventaja de requerir poco mantenimiento y tener una vida útil más larga que otros tipos de pavimentos si se ejecutan correctamente. No obstante, debido a su elevado costo, no suele utilizarse este tipo de pavimento, salvo casos muy especiales de tráfico muy pesado, especialmente si se trata de refuerzos.

Os dejo una presentación de IECA sobre este tipo de pavimentos.

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Algunas organizaciones promotoras del empleo del cemento han editado publicaciones explicando las ventajas. Os dejo un vídeo explicativo de IECA donde se explica cómo se construye este pavimento. Espero que os guste.

Otro vídeo sobre el mismo tema es el siguiente:

Referencias:

IECA (2012). Firmes de hormigón en carreteras. Guías técnicas. Firmes y explanadas.

KRAEMER, C.; MORILLA, I.; DEL VAL, M.A. (1999). Carreteras II. Explanaciones, firmes, drenaje, pavimentos. Universidad Politécnica de Madrid, Madrid.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

El hormigón para pavimentos de hormigón en carreteras

Figura 1. Pavimento de hormigón. https://www.fcc.es/-/el-pavimento-de-hormigon-regresa-a-las-carreteras-espanolas

Para que el hormigón de pavimento sea efectivo, debe resistir tanto el impacto del tráfico como las condiciones climáticas. A diferencia del hormigón estructural, que se somete principalmente a la compresión, los pavimentos necesitan resistir la flexotracción. Las fisuras aparecen siempre donde la resistencia a tracción es menor que en el resto del material o en una zona donde se presenta una mayor concentración de tensiones.

Los pavimentos presentan una geometría que los hace propensos a las fisuras, pues su gran superficie inferior en contacto con la base restringe la contracción, mientras que su cara superior está expuesta a la evaporación. Para prevenir esta situación, es importante tener en cuenta las siguientes recomendaciones:

Evitar el uso de relaciones agua/cemento inferiores a 0,40.
Impedir el intercambio de humedad con la base y el ambiente mediante la saturación temprana de la base y el curado.
Evitar condiciones de restricción elevadas con la base.
Usar áridos limpios, libres de polvo y saturados.
Diseñar las mezclas de hormigón para obtener un adecuado nivel de ganancia de resistencia temprana y asegurar una apropiada exudación.

La normativa técnica exige ensayos específicos de flexotracción en probetas prismáticas para controlar su resistencia. La calidad del hormigón para carreteras debe ser superior a la de un hormigón para edificación, debido a las solicitudes repetidas del tráfico y los efectos climáticos. Debe ser homogéneo, compacto y presentar características mecánicas adecuadas para la categoría de la carretera y las condiciones climáticas. La resistencia característica a flexotracción se sitúa entre 3,5 y 4,5 MPa a 28 días, de manera general.

Para pavimentar carreteras, se requiere el uso de hormigones con una resistencia mínima a la flexotracción de 3,5-4,0 o 4,5 MPa a los 28 días. Estos hormigones se conocen como HF-3,5, HF-4,0 y HF-4,5, según el artículo 550 “Pavimentos de hormigón vibrado” del Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para Obras de Carreteras y Puentes PG-3 del Ministerio de Fomento de España. Estas designaciones corresponden aproximadamente a resistencias a la compresión de 25, 30 y 35 MPa a los 28 días. Sin embargo, la relación entre las resistencias a la compresión y a la flexotracción varía según las materias primas y la dosificación utilizadas.

En general, para los pavimentos de hormigón, no es necesario emplear cementos “especiales”. Se suelen utilizar cementos con una resistencia a la compresión de 30 a 40 MPa a los 28 días y una dosificación entre 300 y 350 kg/m³, según la categoría de la carretera, las condiciones de ejecución y las propiedades requeridas. Es posible emplear tanto cementos Portland como cementos con adiciones (como escorias, puzolanas, cenizas volantes, etc.). Estos últimos, en general, tienen una velocidad de fraguado más lenta, un menor contenido energético y un menor calor de hidratación que los Portland, lo que los hace más económicos. No obstante, se debe controlar el empleo de elevados volúmenes de adiciones, sobre todo en épocas de tiempo frío, limitándose el contenido de adiciones incluidas en el cemento al 20 %.

La dosificación mínima de cemento en el hormigón fresco será de 300 kg/m³ y la relación ponderal entre agua y cemento no deberá ser mayor a 0,46 para garantizar la resistencia y la durabilidad. En el caso de pavimentos bicapa con eliminación del mortero superficial, el contenido de cemento en la capa superior de hormigón fresco no debe ser inferior a 450 kg/m³. La consistencia más adecuada para estos hormigones es seco-plástica, con una medida de asentamiento en cono de Abrams que oscile entre 2 y 6 cm. Además, el árido grueso debe tener un coeficiente de Los Ángeles inferior a 35.

Dependiendo del tipo de textura que se desee conseguir en el pavimento, se requerirá un árido fino o grueso con ciertas características específicas de desgaste y naturaleza. Si se busca una textura de árido visto en la que los vehículos estén en contacto directo con el árido grueso, se exigirá que este tenga un coeficiente de pulimento acelerado (CPA) no inferior a 0,50. Si se incrusta gravilla en la superficie del hormigón fresco, el coeficiente Los Ángeles no debe ser superior a 20. Para texturas obtenidas mediante cepillado o estriado, en las que el mortero del hormigón entra en contacto con el tráfico, se requerirá que el porcentaje de arena silícea sea superior al 35% (30% en el caso de categorías de tráfico T2 o inferiores) para garantizar su durabilidad.

Se recomienda utilizar el tipo de cemento de la menor clase resistente posible, preferiblemente 32,5, que tenga una resistencia inicial normal (N). Es aconsejable emplear cementos con alto porcentaje de adiciones activas para pavimentos. Sin embargo, si se requiere una apertura rápida al tráfico, se pueden emplear cementos con mayor categoría resistente (42,5 o 52,5) y alta resistencia inicial (R).

Es recomendable usar aditivos plastificantes para facilitar la puesta en obra del hormigón, aunque hay que tener presente que puede demorar el tiempo de fraguado. En zonas donde se presenten nevadas o heladas, es obligatorio incluir un inclusor de aire para crear poros que actúan como “cámaras de expansión”. De esta manera, el agua puede aumentar de volumen al congelarse sin causar desconchamientos durante las heladas. Además, los aditivos aireantes tienen un efecto plastificante y mejoran la tixotropía del hormigón fresco, evitando la caída de los bordes del pavimento al salir del equipo de encofrados deslizantes. La norma UNE-EN 12350-7 establece que la proporción de aire ocluido en el hormigón fresco vertido en obra no debe ser superior al 6% en volumen. En este caso, la proporción de aire ocluido en el hormigón fresco no debe ser inferior al 4,5% en volumen. Es crucial controlar el nivel de incorporación de este tipo de aditivos, pues puede provocar pérdidas de resistencia.

La homogeneidad en las características del hormigón, como su consistencia y resistencia, es fundamental para obtener buenos resultados, especialmente cuando se emplea un proceso de puesta en obra mecanizado. La norma UNE-EN 12350-2 establece que la consistencia del hormigón debe estar entre 1 y 6 cm de asentamiento. El valor y los límites admisibles de los resultados deben ser indicados por el Pliego de Prescripciones Técnicas Particulares o, en su defecto, por el Director de las Obras. Además, pueden especificarse otros procedimientos alternativos para su determinación.

Por otro lado, la masa unitaria de las partículas cernidas por el tamiz 0,125 mm (según la norma UNE-EN 933-2), incluyendo el cemento, no debe superar los 450 kg/m³. Sin embargo, en las capas superiores de pavimentos bicapa, este valor puede aumentarse en 50 kg/m³. Es importante destacar que estos pavimentos deben cumplir las limitaciones establecidas en la Tabla 550.4.

TABLA 550.4 Limitación del contenido máximo de finos en pavimentos bicapa (PG-3)

CAPA DEL PAVIMENTO	PORCENTAJE DE PARTÍCULAS CERNIDAS POR EL TAMIZ 0,063 mm (NORMA UNE-EN 933-2)
CAPA DEL PAVIMENTO	ÁRIDO GRUESO	ÁRIDO FINO
CAPA SUPERIOR	< 0,5 %	< 10 %
CAPA INFERIOR	< 1,5 %	< 10 %

Referencias:

IECA (2012). Firmes de hormigón en carreteras. Guías técnicas. Firmes y explanadas.

KRAEMER, C.; MORILLA, I.; DEL VAL, M.A. (1999). Carreteras II. Explanaciones, firmes, drenaje, pavimentos. Universidad Politécnica de Madrid, Madrid.

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Nomograma para el cálculo del radio hidráulico de una sección circular

En un artículo previo, explicamos cómo calcular el radio hidráulico para diferentes secciones. Sin embargo, en el caso de una sección circular, el uso de un nomograma es más conveniente, pues evita el cálculo intermedio del ángulo del sector circular que abarca el agua.

Además, el empleo de esta resolución gráfica permite visualizar aspectos que son difíciles de deducir directamente de las fórmulas aplicadas. En este caso, el nomograma permite observar que los radios hidráulicos pueden ser iguales para diferentes calados. También permite ver claramente el rango de variación y el valor máximo. Aunque las fórmulas también pueden proporcionar información sobre el valor extremo, es necesario calcular la derivada, igualarla a cero y resolver la ecuación.

A continuación, se presenta un problema resuelto que incluye las ecuaciones utilizadas, el nomograma y un par de gráficas que relacionan el calado normalizado con el diámetro en relación con el ángulo del sector circular y al radio hidráulico normalizado. Además, presentamos un nomograma original elaborado en colaboración con los profesores Daniel Boulet y Pedro Martínez-Pagán. Espero que esta información sea de vuestro interés.

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Pavimentos de hormigón en masa con juntas para carreteras

Figura 1. Estructura tipo de un pavimento rígido

Existen varios tipos de pavimentos de hormigón, que se clasifican en función de la existencia o no de armaduras y de la disposición de las juntas (Figura 1). Los pavimentos de hormigón en masa o de hormigón armado con juntas, y los pavimentos continuos de hormigón armado, son los más comunes en carreteras, mientras que los pavimentos de hormigón pretensado, los de hormigón armado con fibras, los de hormigón compactado con rodillo, de hormigón poroso, y los de elementos prefabricados (losas o adoquines) son menos frecuentes.

A continuación, se detallan los pavimentos de hormigón en masa con juntas, los cuales se consideran los más económicos y sencillos de construir (Figura 2). Estos pavimentos son usuales en diversas categorías de tráfico, soportando un promedio de hasta 2.000 vehículos pesados por carril y día. El control de la fisuración se logra mediante la inclusión de juntas, ya sean estas longitudinales o transversales, y pueden cumplir diferentes funciones como juntas de construcción, de contracción o de dilatación, dependiendo de su diseño.

Figura 2. Pavimento de hormigón en masa con juntas.

La fisuración se controla dividiendo al pavimento en losas con una separación entre juntas transversales de 3,5 a 6,0 m, que depende, entre otros factores, del tipo de base, el espesor y el coeficiente de expansión térmica (Figura 3). La separación entre juntas en una losa está estrechamente relacionada con su espesor. Si no hay grandes gradientes de temperatura, la distancia entre las juntas no debería exceder 25-30 veces el espesor de la losa. Si hay gradientes importantes de temperatura, la separación entre juntas debe reducirse a 15-20 veces el espesor de la losa. Se recomienda colocar las juntas a distancias inferiores a 5 m, y si no hay pasadores, no deben superar los 4 m. Como regla general, las losas deben ser rectangulares, y la relación entre sus lados no debe ser superior a 1,5. En calzadas con un ancho mayor de 5 m, se deben disponer juntas longitudinales.

Figura 3. Esquema de un pavimento de hormigón en masa con juntas

La transferencia de carga a través de las juntas es un factor relevante que condiciona el desempeño de los pavimentos. Una mala transferencia de carga puede provocar problemas como el escalonamiento de las juntas, la erosión de las bases debido a la eyección de agua con suelo fino (también conocido como “bombeo”) y roturas de las esquinas. En este tipo de juntas, existen dos mecanismos de transferencia de carga: la trabazón entre los áridos y el uso de pasadores.

Con frecuencia, se colocan barras de unión de acero corrugado en las juntas longitudinales para mantener unidas las losas adyacentes. Estas barras permiten la deformación debida al gradiente térmico, pero evitan la separación de las juntas entre carriles de circulación y el escalonamiento causado por el tráfico. A pesar de ello, estos fenómenos suelen ocurrir con poca frecuencia en las juntas longitudinales.

Con tráficos medios (IMD entre 200 y 2.000 vehículos pesados), suele ser común el empleo de pasadores en las juntas transversales para mejorar la transmisión de cargas entre las losas. Son barras lisas de acero no adheridas al hormigón, situadas a mitad de espesor, paralelas entre sí y al eje de la vía. De esta manera, se garantiza que las losas a ambos lados de la junta tengan una deflexión similar al paso de los vehículos. A pesar de que el empleo de pasadores reduce el espesor de las losas y aumenta la separación entre las juntas, también se han logrado excelentes resultados en pavimentos sin pasadores cuando las juntas se han dispuesto a distancias inferiores a 4 m.

El diseño “californiano” prescinde de los pasadores (Figura 4), aunque solo se utiliza en España para el tráfico medio y ligero. Sin embargo, cuando se espera más de 200 vehículos pesados por carril y sentido, se adoptan medidas para prolongar la vida útil del pavimento. Estas incluyen bases resistentes al desgaste como el hormigón magro o el gravacemento con mayor contenido de conglomerante, sistemas de drenaje para evitar la acumulación de agua en las juntas y bordes del pavimento (drenes laterales o bases porosas) y la construcción de losas cortas (aproximadamente de 4 m) con juntas inclinadas 1:6 para minimizar las tensiones.

Figura 4. Pavimento de hormigón en masa con juntas transversales inclinadas (Kraemer *et al*., 1999)

Hay que evitar los finos de los arcenes cercanos para prevenir el escalonamiento del pavimento. Se pueden implementar soluciones como zanjas longitudinales porosas o bases drenantes sin finos o estabilizadas empleando gravacemento o suelocemento. Sin embargo, la opción más efectiva suele ser un arcén de hormigón en masa con barras de unión al carril adyacente y una junta longitudinal sellada. Se comprueba que, con estas medidas, los pavimentos de hormigón en masa con juntas sin pasadores soportan el tráfico pesado, siempre y cuando no haya mucha lluvia. Además, es importante considerar el efecto positivo que tiene un arcén de hormigón en la estructura y en la prevención de la erosión. No obstante, en España, los pasadores son obligatorios para el tráfico pesado y medio-alto.

La técnica californiana se adapta bien a las pavimentadoras de encofrados deslizantes, pues no requiere pasadores. Antes de la década de 1980, los pasadores se introducían mediante vibración con una máquina que rodaba sobre encofrados fijos, o bien, la pavimentadora debía detenerse en cada junta para colocar los pasadores mediante horquillas, lo que empeoraba la regularidad superficial. Actualmente, las pavimentadoras cuentan con dispositivos que introducen los pasadores sin interrupciones y sin afectar al hormigón de la junta, lo que simplifica el proceso y aumenta su eficiencia. Además, el sobrecoste de utilizar pasadores es mínimo, lo que hace que esta solución sea competitiva para tráficos pesados y medios-alto.

Os dejo un webminar, desarrollado en 2020, del Instituto del Cemento Portland Argentino, sobre la ejecución de pavimentos de hormigón con tecnología convencional. Espero que os sea útil.

También recomiendo la videoconferencia sobre diseño y ejecución de juntas en pavimentos de hormigón, cuyo ponente es César Bartolomé, director del Área de Innovación de IECA. Espero que os guste.

Referencias:

IECA (2012). Firmes de hormigón en carreteras. Guías técnicas. Firmes y explanadas.

KRAEMER, C.; MORILLA, I.; DEL VAL, M.A. (1999). Carreteras II. Explanaciones, firmes, drenaje, pavimentos. Universidad Politécnica de Madrid, Madrid.

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Repercusión en prensa de nuestra investigación en optimización de aerogeneradores

Es de agradecer al área de comunicación de la Universitat Politècnica de València, y en especial, a Luis Zurano, su labor en la difusión del trabajo de investigación realizado en nuestra universidad.

En este caso, se ha hecho eco de uno de nuestros trabajos relacionados con la optimización de la cimentación de aerogeneradores mediante metamodelos tipo kriging. Os paso la noticia, tal y como ha salido en la web de nuestra universidad, así como en otros medios de prensa.

También ha aparecido en otros medios de comunicación, como los que siguen:

https://www.europapress.es/comunitat-valenciana/noticia-investigadores-upv-ofrecen-disenos-mas-sostenibles-revolucionar-aerogeneradores-20230312112050.html

https://valenciaplaza.com/investigadores-ofrecen-disenos-sostenibles-revolucionar-aerogeneradores?amp=1

https://www.lavanguardia.com/local/valencia/20230312/8819071/investigadores-upv-ofrecen-disenos-mas-sostenibles-revolucionar-aerogeneradores.html

https://cadenaser.com/comunitat-valenciana/2023/03/12/un-estudio-de-la-upv-revoluciona-el-diseno-de-los-aerogeneradores-radio-valencia/

https://noticiasdelaciencia.com/art/46265/hacia-una-revolucion-en-el-diseno-de-los-aerogeneradores

https://nationworldnews.com/upv-researchers-offer-more-sustainable-designs-for-revolutionary-wind-turbines/

https://techxplore.com/news/2023-03-revolutionize-turbine.html

UPV Study Revolutionizes Wind Turbine Design

https://www.tekniikkatalous.fi/uutiset/tutkijoiden-uusi-tekniikka-voi-mullistaa-tuulivoimalan-suunnittelun-parantaa-energiatehokkuutta-rakentamisvaiheessa/6b54c3cc-e9ec-4c7c-9677-8e480c5d41c4

También tenéis un corte de la noticia emitida por Radio Nacional de España:

Y en este otro corte, podéis ver la noticia en la SER:

Diseño revolucionario

Un estudio de la Universitat Politècnica de València revoluciona el diseño de los aerogeneradores

Un estudio realizado por investigadores de la Universitat Politècnica de València (UPV), pertenecientes al Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH), en colaboración con la Universidad Tecnológica Chalmers de Goteborg (Suecia), promete revolucionar el diseño estructural de los aerogeneradores. Su trabajo ofrece soluciones entre un 8 y un 15 % más sostenibles que los diseños tradicionales de estas infraestructuras,

Este estudio presenta un método innovador y eficiente para optimizar el diseño de cimentaciones de aerogeneradores, mejorando así la eficiencia energética en su construcción. Los resultados obtenidos en el estudio, publicados en la revista Structural and Multidisciplinary Optimization, demuestran su aplicabilidad en proyectos grandes y complejos y su potencial para ser utilizado en otras estructuras civiles.

“Nuestro método permite diseñar estructuras de manera más sostenible y facilitar su construcción, a través de un software que puede analizar diferentes condiciones y optimizar así el producto final. Utiliza metamodelos, como Kriging, para mejorar la eficiencia y reducir el costo computacional del proceso de optimización del diseño”, explica Víctor Yepes, investigador del Instituto ICITECH de la Universitat Politècnica de València.

En su estudio, el equipo de la Universitat Politècnica de València y la Universidad Tecnológica Chalmers aplicaron el método a un ejemplo real de cimientos para turbinas eólicas en Suecia. “Comprobamos que con nuestra propuesta se pueden obtener mejores diseños, analizando solo veinte en lugar de mil diseños diferentes. Además, constatamos que estos diseños son más sostenibles que los diseños convencionales”, destaca Víctor Yepes, investigador del Instituto ICITECH de la Universitat Politècnica de València.

Entre las ventajas de este “revolucionario método” destaca también una significativa reducción de los costes – tanto económicos como computacionales— y tiempos a la hora de diseñar las cimentaciones de los aerogeneradores.

Otras aplicaciones

Aunque este estudio se centra en el diseño de cimientos para turbinas eólicas, el método propuesto por los investigadores españoles y suecos puede ser aplicado a otras estructuras empleadas en la ingeniería civil o en la edificación. Además, la técnica de metamodelado de Kriging es ampliamente utilizada en la industria y puede ser aplicada a una amplia variedad de proyectos de diseño estructural.

“Nuestro trabajo puede ser de gran utilidad para la optimización de otras estructuras de ingeniería civil como puentes o edificios. Además, el método propuesto podría ser aplicado en otros campos como la optimización de procesos de fabricación o el desarrollo de nuevos materiales. En definitiva, se trata de una novedosa técnica con un gran potencial para afrontar y resolver una amplia variedad de problemas de diseño de ingeniería”, concluye Víctor Yepes.

El desarrollo de este método se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE, financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación y el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER).

Referencia

MATHERN, A.; PENADÉS-PLÀ, V.; ARMESTO BARROS, J.; YEPES, V. (2022). Practical metamodel-assisted multi-objective design optimization for improved sustainability and buildability of wind turbine foundations. Structural and Multidisciplinary Optimization, 65:46. DOI:10.1007/s00158-021-03154-0

https://link.springer.com/article/10.1007/s00158-021-03154-0

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Textura en los pavimentos de hormigón en carreteras

Figura 1. Texturizado de pavimentos de hormigón con peine metálico transversal. https://web1.icpa.org.ar/wp-content/uploads/2019/04/2014-04-Texturas-pavimentos.pdf

En los últimos años, ha aumentado la preocupación por las texturas superficiales de los pavimentos de hormigón debido al incremento progresivo del tráfico y de la velocidad de circulación. Anteriormente, la texturización se vinculaba a la reducción de accidentes por deslizamiento en superficies húmedas, pero en la actualidad, también se considera la generación de ruido entre el pavimento y el neumático. La textura superficial garantiza la rugosidad para la adherencia, el drenaje, la baja sonoridad y reduce la reflectancia del pavimento. Una adecuada textura superficial se realiza mediante el arrastre o pasaje de algún elemento sobre el hormigón fresco, procediendo inmediatamente al curado. En resumen, el objetivo del texturizado es conseguir una resistencia mínima al deslizamiento en condiciones húmedas, mantener un buen drenaje y escurrimiento superficial del agua, reducir los niveles de ruido y brindar resistencia al desgaste y la durabilidad.

Existen diversas técnicas para aplicar una textura sobre la superficie del hormigón, que pueden ejecutarse con equipamiento mecánico o manualmente. Asimismo, se pueden aplicar otras técnicas en estado endurecido en pavimentos en servicio o nuevos para mejorar el desempeño de la superficie en parámetros como la fricción, el drenaje superficial y el ruido.

Es importante aplicar la textura de forma homogénea para producir condiciones uniformes de fricción y circulación, independientemente de la técnica utilizada. Los factores que más influyen en la textura cuando se aplica en estado fresco son la consistencia y características del hormigón, el momento o tiempo en el cual se realiza, la presión con la que se aplican las herramientas de texturizado, su limpieza y la presencia de agua de exudación en la superficie del hormigón, entre otros.

Existen diferentes tipos de texturas que se pueden utilizar en la superficie del pavimento, entre ellas:

Estriado transversal: se crea mediante el uso de peines de púas metálicas o de plástico. Esta textura proporciona una alta adherencia y resistencia a la frenada, así como un buen drenaje. Sin embargo, también es ruidosa, por lo que se recomienda su utilización en arcenes y en zonas muy lluviosas.
Estriado longitudinal oscilante: se consigue mediante el empleo de cepillos o peines, que generalmente están integrados en el carro del equipo de curado. Es fundamental que el dispositivo de creación de la textura tenga un movimiento lateral, combinado con el avance, que provoque una ondulación sinusoidal para evitar el guiado de las ruedas. Generan un bajo nivel de ruido.
Terminación con arpillera: se logra aplicando una arpillera húmeda lastrada para obtener una microtextura adherente de baja rugosidad. Esta técnica se suele realizar en combinación con alguna de las otras texturas mencionadas anteriormente. Esta técnica es de sencilla ejecución y puede aplicarse tanto en forma manual como automática, y además, tiene una baja generación de ruido. Entre las debilidades destaca una baja profundidad de textura y una mayor pérdida de fricción inicial.
Árido visto: se consigue eliminando el mortero superficial del pavimento mediante la aplicación de un retardador de superficie sobre el hormigón fresco, lo que impide que el mortero se endurezca en los milímetros superiores. Luego se aplica un producto filmógeno de curado o una lámina de plástico sobre el retardador. Después de que el resto del hormigón ha adquirido suficiente resistencia, que generalmente toma alrededor de un día, se elimina el mortero mediante barrido, dejando el árido parcialmente visible. Este método bien desarrollado permite obtener pavimentos con alta rugosidad, buenas características de evacuación del agua de lluvia, antideslizantes y de muy baja sonoridad, manteniendo estas cualidades durante toda su vida útil. Entre sus ventajas se encuentran elevados índices de fricción, baja generación de ruido y elevada durabilidad. Sin embargo, también presenta algunas debilidades, como la necesidad de utilizar métodos y equipos especiales, un costo elevado y la importancia de contar con un constructor calificado.

Figura 2. Texturizado con cepillo en sentido transversal (manual y automatizada). https://web1.icpa.org.ar/wp-content/uploads/2019/04/2014-04-Texturas-pavimentos.pdf

Os dejo algunos vídeos que, espero, os sean de interés.

Referencias:

KRAEMER, C.; MORILLA, I.; DEL VAL, M.A. (1999). Carreteras II. Explanaciones, firmes, drenaje, pavimentos. Universidad Politécnica de Madrid, Madrid.

IECA (2012). Firmes de hormigón en carreteras. Guías técnicas. Firmes y explanadas.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Ejercicios resueltos de sistemas de transporte continuo: bombas y cintas transportadoras

Tengo el placer de presentar un nuevo libro que acaba de salir de imprenta. Se trata de una colaboración con los profesores Pedro Martínez Pagán y Marcos A. Martínez Segura, de la Universidad Politécnica de Cartagena.

Es un libro que está editado en abierto, por lo que es posible su descarga gratuita. Se trata de un libro sobre ejercicios resueltos de sistemas de transporte continuo, centrado en bombas y cintas transportadoras.

Lo podéis descargar directamente en esta dirección del Repositorio Digital de la Universidad Politécnica de Cartagena: https://repositorio.upct.es/handle/10317/12154

Los problemas tipo que aquí se abordan son similares a los tratados durante las clases de resolución de problemas y casos prácticos que se imparten en la asignatura de Ingeniería Minera del Grado en Recursos Minerales y Energía (GIRME) de la Universidad Politécnica de Cartagena (España). De esta forma, el libro es apropiado para todos aquellos estudiantes de grado o cursos de máster relacionados con la industria mineral, de los áridos o de la obra civil; donde se presenta la necesidad de resolver problemas sobre bombeo de pulpas, elevación de agua, transporte de materias primas, etc.

Al final del texto se facilitan algunos libros y enlaces que los autores sugieren para completar o adquirir conocimientos que serían recomendables para la resolución de algunos de los problemas que aquí se presentan, así como las plantillas y ábacos utilizados en la resolución de los problemas. Los autores quieren agradecer las útiles sugerencias y aportaciones recibidas durante la elaboración de este trabajo por todos aquellos especialistas en esta materia, especialmente a D. Juan Luis Bouso Aragonés, presidente de Eral Chile, S.A.

También aquí, como en otros libros anteriores, esperamos y deseamos que su consulta sea útil y que el lector sepa disculpar posibles erratas que hayan podido producirse.

Resumen:

Este libro lo componen unos 40 problemas tipo totalmente resueltos, abordando la resolución de sistemas hidráulicos de bombeo para el transporte de aguas y pulpas y transporte de material sólido a granel por medio de cintas transportadoras, unidades imprescindibles encargadas de favorecer y mantener el flujo continuo entre unidades de procesos en la industria minera y civil. Por ello, estos equipos se encuentran instalados de una manera muy extendida en la industria: plantas de tratamiento de recursos minerales, petroquímicas, canteras para la fabricación de áridos, cementeras, obras civiles, etc. En definitiva, estos ejercicios resueltos pretenden ayudar a dimensionar y seleccionar adecuadamente estas unidades, siguiendo criterios internacionalmente establecidos, por lo que lo convierten en un libro de consulta idóneo para aquellos profesionales o especialistas relacionados con los procesos de minerales, las plantas de áridos, la construcción, la obra civil, etc.

Palabras clave:

Cintas transportadoras; bombas; transporte de graneles sólidos; transporte hidráulico de pulpas; sustancias minerales; mineralurgia; procesos minerales; materias primas

Referencia:

MARTÍNEZ-PAGÁN, P.; YEPES, V.; MARTÍNEZ-SEGURA, M.A. (2023). Ejercicios resueltos de sistemas de transporte continuo: bombas y cintas transportadoras. Ediciones UPCT. Universidad Politécnica de Cartagena, 284 pp.

También tenéis la opción de descargarlo aquí mismo:

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El artículo más citado de nuestro grupo de investigación en la Web of Science: Optimización de muros de hormigón

En 2008, publiqué un artículo en la revista Engineering Structures, la cual está indexada en el primer cuartil del JCR. El artículo, titulado “A parametric study of optimum earth-retaining walls by simulated annealing”, fue uno de los primeros que publicamos en nuestro grupo de investigación sobre optimización de estructuras. Desde entonces, ha seguido siendo muy citado por la comunidad científica, con un total de 112 citas hasta la fecha y una media de 7 citas por año. Estas cifras son notables dado que la optimización estructural es un campo de especialización pequeño en comparación con otros ámbitos del conocimiento. Además, en numerosas ocasiones, son los artículos de revisión del estado del arte los que más se citan. No es este el caso, que es un artículo de investigación. Por ese motivo, me gustaría compartir el contenido del artículo y proporcionar la referencia para aquellos interesados en echar un vistazo.

Este artículo se centra en la optimización económica de los muros de contención de tierras construidos con hormigón armado, que se utilizan comúnmente en la construcción de carreteras. El método propuesto para optimizar los muros es el algoritmo de recocido simulado. El problema se formula con 20 variables de diseño, que incluyen cuatro variables geométricas relacionadas con el espesor del alzado y la zapata, así como la longitud de la punta y el talón en la cimentación; cuatro tipos de materiales; y 12 variables para la disposición de las armaduras. El estudio evalúa la importancia relativa de factores como el coeficiente de fricción de la base, el ángulo de fricción muro-relleno y la limitación de las deflexiones del bordillo.

Además, el documento presenta un estudio paramétrico de muros comunes de 4 a 10 metros de altura, bajo diferentes condiciones portantes y rellenos. Se calculan expresiones medias para el coste total, el volumen de hormigón, el espesor del bordillo y la zapata, y la longitud de la zapata y el talón, que pueden ser útiles para el diseño práctico de muros. El estudio también establece un límite superior de 50 kg/m³ de armadura en el bordillo y 60 kg/m³ para todo el muro.

Lo más interesante de este estudio es que permite extraer fórmulas de predimensionamiento óptimo. Estas fórmulas las podéis ver en el artículo, pero también en el siguiente enlace: https://victoryepes.blogs.upv.es/2015/02/28/%c2%bfcomo-predimensionar-un-muro-sin-calculadora/

Podéis pedir el artículo en el siguiente enlace: https://www.researchgate.net/publication/222227130_A_parametric_study_of_optimum_earth-retaining_walls_by_simulated_annealing

Abstract:

This paper examines the economic optimization of reinforced concrete earth-retaining walls used in road construction. The simulated annealing algorithm is the proposed method to optimize walls. The formulation of the problem includes 20 design variables: four geometrical ones dealing with the thickness of the kerb and the footing, as well as the toe and the heel lengths; four material types; and 12 variables for the reinforcement set-up. The study estimates the relative importance of factors such as the base friction coefficient, the wall-fill friction angle and the limitation of kerb deflections. Finally, the paper presents a parametric study of commonly used walls from 4 to 10 m in height for different fills and bearing conditions. Average expressions are calculated for the total cost, the volume of concrete, the thickness of the kerb and the footing, the lengths of the footing and the heel, which may be useful for the practical design of walls. An upper bound of 50 kg/m³ of reinforcement in the kerb and 60 kg/m³ for the overall wall is reported.

Keywords:

Structural design; Economic optimization; Heuristics; Concrete structures

Reference:

YEPES, V.; ALCALÁ, J.; PEREA, C.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2008). A Parametric Study of Optimum Earth Retaining Walls by Simulated Annealing. Engineering Structures, 30(3): 821-830. DOI:10.1016/j.engstruct.2007.05.023

¿Quién lidera la investigación científica española en ingeniería civil?

El Grupo DIH, (Grupo para la Difusión del Índice h) cuyo objetivo es la difusión del índice h, ha publicado una clasificación de investigadores científicos que residen en España y se basa en dicho índice. El ranking se elabora a partir de la base de datos de publicaciones científicas ISI Web of Knowledge y establece una clasificación específica para cada una de las diez áreas de conocimiento consideradas: agricultura, biología, ciencias de los materiales, ciencias de la salud, ciencias de la tierra, física, informática, ingeniería, matemáticas y química.

De acuerdo con la metodología utilizada, Fh se define como la relación entre el índice h del investigador y el promedio de los índices de otros autores que figuran en el ranking de su área. En el caso de que el autor aparezca en varias áreas, Fhm se calculará como la media de estos valores.

Aunque es posible que existan algunas críticas basadas en el índice h, este permite una evaluación objetiva de la carrera investigadora, si bien no es un indicador tan adecuado para investigadores jóvenes. Si deseáis ampliar detalles sobre este tema, podéis consultar un artículo que escribí previamente.

A continuación se presenta la tabla actualizada a febrero de 2023 en el área de ingeniería civil. Es un honor ocupar la tercera posición, detrás de dos figuras destacadas en nuestro país: Íñigo Losada y Enrique Castillo. Sin embargo, es importante mencionar que hay otros ingenieros de caminos que lideran en investigación en distintas áreas. Por ejemplo, Eugenio Oñate, del CIMNE, encabeza la lista en el área de aplicaciones interdisciplinarias de matemáticas; Jaime Gómez, de nuestra universidad, se encuentra en los primeros puestos en el área de recursos hídricos; Antonio Aguado, de la UPC, destaca en el área de tecnología de la construcción; y Alfredo García, también de nuestra universidad, sobresale en ciencia y tecnología del transporte. Seguramente, hay muchos más investigadores destacados que se han quedado fuera de esta lista. Les recomiendo explorar y conocer a todos ellos.

Visibilidad para el grupo de investigación CONSTRUCTION OPTIMIZATION – ICITECH UPV

En mi blog personal, suelo destacar los logros personales de los miembros de nuestro grupo de investigación, compuesto por profesores e investigadores jóvenes de varios países, que tienen su sede en el ICITECH (Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón) de la Universitat Politècnica de València. Sin embargo, estos logros a menudo pasan desapercibidos debido a la falta de una vía de comunicación propia.

Desde 2006, nuestro grupo ha centrado sus investigaciones en la optimización multiobjetivo y la toma de decisiones multicriterio para garantizar la sostenibilidad económica, social y medioambiental a lo largo del ciclo de vida de puentes e infraestructuras. Hasta la fecha, hemos publicado unos 150 artículos científicos indexados en el JCR y hemos presentado numerosas comunicaciones en congresos nacionales e internacionales. Ya se han leído 15 tesis doctorales y, en este momento, se encuentran otras 10 en marcha.

No obstante, consideramos que es crucial aumentar la visibilidad de nuestro trabajo para acercarlo a la sociedad. De esta manera, esperamos que nuestra investigación pueda contribuir a la construcción de infraestructuras más sostenibles y eficientes en el futuro.

Como podréis observar, hemos diseñado un logotipo para identificar nuestro trabajo. El diseño sigue el estilo institucional de los grupos de investigación de nuestra universidad. En la parte inferior, en color rojo destacado, aparece el acrónimo de la UPV, mientras que encima figuran dos palabras que consideramos fundamentales: “CONSTRUCTION” y “OPTIMIZATION”. Las hemos escrito en inglés porque queremos comunicar nuestro trabajo a nivel internacional.

La primera de ellas transmite que nuestro objeto de investigación no se limita a las estructuras de hormigón o puentes, sino que abarcamos un amplio espectro de infraestructuras, como edificios, carreteras, ferrocarriles, puertos y presas, entre otros. Además, la palabra “optimización” resume la base y los inicios de nuestro grupo, ya que buscamos mejorar la sostenibilidad integral de las infraestructuras a lo largo de su ciclo de vida.

Sin lugar a dudas, lo más complicado para nosotros ha sido crear una silueta que capture, a modo de paraguas, el núcleo central de nuestro mensaje. Hemos creado un arco que simboliza un puente y también tiene la intención de representar una cúpula de un edificio, un tramo de carretera o una sección de una presa bóveda. En resumen, hemos buscado un diseño que sea fácil de comprender y que simbolice el trabajo que llevamos a cabo en nuestro grupo.

Pues bien, podéis encontrar toda la información que vaya generando el grupo en las siguientes redes de comunicación. Os invito a que las sigáis para estar al tanto de lo que está ocurriendo en la punta de lanza del conocimiento en este ámbito de la ingeniería de la construcción.

Twitter: https://twitter.com/ConstOptUPV

Facebook: https://www.facebook.com/groups/231497652653826

LinkedIn: https://www.linkedin.com/groups/12794089/