This paper deals with the postgraduate course ‘Predictive and optimisation models for concrete structures’, offered at the Masters in Concrete Engineering of the Universitat Politècnica de València. Within this course, engineering students are introduced into different optimization algorithms, such as simulated annealing, neural networks, genetic algorithms, etc. of application in the automated design of concrete structures of any type. In recent times, such heuristic methods have turned out to be of great interest in the resolution of complex and actual engineering problems, such as the sustainable design and management of structures. This communication presents a case study where the ongoing research of the teaching body is applied so as to find the most sustainable management strategy for a particular bridge system consisting of 7 bridges whose lengths vary between 380 m and 1980 m. The optimization problem here aims to minimize both the economic and environmental life cycle impacts derived from the maintenance of the concrete decks of a bridge network by selecting the adequate maintenance intervals for every deck considering annual budgetary restrictions. A multi-objective simulated annealing algorithm is applied to find the set of Pareto optimal solutions for the presented engineering problem. The environmentally preferable maintenance strategy results in life cycle costs 4.9% greater than those related to the cost-optimal strategy, which in turn results in environmental impacts 5.6% greater than those from the environmentally optimized management option. Results are then compared to the optimal strategies considering a single bridge deck, showing that the optimality at the bridge level does not necessarily lead to a sustainable optimum at the network level. From this it follows that, when optimizing maintenance under budgetary restrictions, the network shall be analysed as a whole, and not as an aggregation of optimal strategies for each individual bridge. The case study presented here shows in a nutshell the close connection between the course curricula of the MSc course and the ongoing research of the teaching and research group.
NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2018). Heuristics in engineering education. A case study application to sustainable bridge management systems. Proceedings of ICERI2018,the 11th annual International Conference of Education, Research and Innovation, Seville (Spain), 12th-14th November 2018, pp. 9788-9797. ISBN: 978-84-09-05948-5
Figura 1. Arco apuntado del puente de San Miguel (Jaca). http://www.aspejacetania.com/lugares.php?Id=89
Siempre que tenemos un aniversario de algún evento relacionado con la ingeniería civil, aprovecho la oportunidad para escribir una pequeña entrada en mi cuaderno de bitácora. Ese es el caso del puente de San Miguel (Jaca), que en 1943, ahora hace 75 años, se declaró Monumento Nacional y actualmente es Bien de Interés Cultural.
Sobre el río Aragón, en el camino antiguo a que une Jaca con Ainsa, se encuentra un puente de perfil alomado, muy pronunciado (Figura 1), que delata su origen medieval. Era una época donde, a lo que se refiere a puentes, eran las ciudades quienes decidían la necesidad de su construcción. Aunque la fecha de su construcción no se conoce con exactitud, es muy probable que se erigiera en el siglo XV, aunque fue restaurado en 1608 y en 1816, debido a los daños de las habituales avenidas del río Aragón. En la década de 1950, el puente fue restaurado por el arquitecto Miguel Fisac, aunque la última ya se realizó en los años 2002 y 2003.
El puente facilitó durante siglos la comunicación entre Jaca y los valles occidentales del Pirineo aragonés, perteneciendo al ramal del Camino de Santiago que penetra en España por el puerto oscense de Canfranc.
Figura 2. Puente de San Miguel (Jaca). En rouge [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], from Wikimedia Commons
La obra consiste en tres bóvedas de sillería, de las cuales dos son de cañón, con una luz libre de 9,4 m, y la tercera apuntada, con una luz libre de 21,6 m. Los arcos más pequeños funcionan como aliviaderos en caso de avenidas. El resto de la fábrica es de mampostería, reforzada a base de sillería en los tajamares triangulares, rematados con un sombrerete escalonado. Se aprecian materiales usados en diferentes épocas; así los tímpanos presentan huellas de las diferentes rasantes superpuestas , y que al corresponder a fábricas de distintos momentos históricos se han separado abriendo importantes juntas entre ellas. Se trata de un puente asimétrico, de 97,5 m de longitud, con espesores de pilas de 5,0 m y 3,2 m y una altura máxima de la rasante de 18,6 m. El tablero, que apenas presenta una anchura de 4,0 m, se encuentra empedrado con cantos rodados rejuntados con mortero de cemento.
Os dejo algunos vídeos sobre el puente. Espero que os gusten.
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:
La minimización de costes y emisiones de CO2 conduce a un diseño de puente que favorece la eficiencia estructural minimizando la cantidad de materiales. La inclusión del objetivo de seguridad destaca las mejores variables para mejorar la seguridad y por lo tanto, la robustez de cada variable para el diseño eficiente. El objetivo de durabilidad, evaluado como el inicio de la corrosión, estableció la mejor combinación de resistencia y recubrimiento del hormigón para alcanzar un objetivo de vida de servicio.
El canto, el espesor de la losa inferior, las armaduras activas y la armadura pasiva longitudinal son las variables principales que proporcionan la resistencia a flexión. Sin embargo, no se recomienda un incremento de espesor de la losa superior y del ala para mejorar la seguridad estructural, pues conduce a pesos propios adicionales. Para mejorar el comportamiento a flexión transversal, se incrementa el espesor del arranque del ala y se disminuye la longitud del ala. La inclinación del alma puede ser constante, pues tanto la profundidad como la anchura de inclinación del alma aumentan en paralelo para mejorar la seguridad. El espesor del alma no es la variable más económica para aumentar la resistencia a esfuerzo cortante; por el contrario, se incrementa la armadura de refuerzo.
El uso de hormigón de alta resistencia puede reducir el canto o la cantidad de armadura. Sin embargo, las restricciones relativas a los estados límite de servicio y las cuantías mínimas de armadura condicionan estas variables. Por lo tanto, el hormigón de alta resistencia no es la mejor solución para mejorar la seguridad. Sin embargo, este resultado cambia cuando se tiene en cuenta el ciclo de vida. Un incremento en la resistencia del hormigón alarga la vida útil de servicio, pues se retrasa el inicio de la corrosión. Por otro lado, el incremento en la resistencia del hormigón presenta mejores resultados a lo largo del ciclo de vida para diseños con inicios de corrosión similares, en comparación con el incremento del recubrimiento de hormigón.
Un diseño inicial que incorpore la durabilidad como objetivo y no como restricción resulta especialmente beneficioso si se quiere alargar el ciclo de vida de la estructura. Diseños que retrasen el inicio de la corrosión implican un menor coste del ciclo de vida, incluso con costes iniciales más altos. Sin embargo, un nivel de seguridad inicial más alto no siempre ofrece como resultado un mejor rendimiento del ciclo de vida.
A partir de los estudios, se extrajeron estas conclusiones específicas:
El empleo de cementos con adiciones conlleva una reducción en la captura de carbono y en la vida útil debido a la carbonatación. A pesar de esto, los cementos con adiciones disminuyen las emisiones anuales. El hormigón autocompactante no es aconsejable desde el punto de vista medioambiental. En términos de coste, se obtienen pocas diferencias entre el hormigón vibrado convencional y el hormigón autocompactante.
Es fundamental reutilizar el hormigón como gravas en material de relleno para lograr una completa carbonatación y reducir las emisiones de CO2.
En el puente postesado estudiado, la reducción del coste en 1 euro disminuye las emisiones de CO2 en 2,34 kg. En cuanto al coeficiente de seguridad global, se obtienen tres relaciones lineales entre el coste y este objetivo. Para aumentar el coeficiente de seguridad global de 1,0 a 1,4, los costes aumentan en 12,5%. Después de este punto, los resultados de mejora de la seguridad son más caros. Con respecto al inicio de la corrosión, con pequeños incrementos de coste se consiguen retrasos significativos.
El estado límite de descompresión es restrictivo y condiciona variables como el canto y el número de torones de pretensado. Dado que estas variables también influyen en la flexión, este estado límite no es restrictivo hasta que el coeficiente de seguridad global alcanza 1,4.
La relación entre el coste y el CO2 se mantiene para todos los niveles de seguridad y por lo tanto, la optimización de costes es un buen enfoque para minimizar las emisiones independientemente del nivel de seguridad.
En estructuras con un espacio de soluciones factibles pequeños, el coste y la emisión se encuentran muy relacionados. Sin embargo, las estructuras de hormigón armado, que presentan espacios factibles mayores, conducen a diseños medioambientales con mayores secciones, mayor cantidad de hormigón, menor acero y horigones con la menor resistencia característica.
El plan de mantenimiento óptimo es aquel que presenta menos operaciones que reparen simultáneamente todas las superficies deterioradas. A pesar de que existe un deterioro diferente para cada una de las caras de la sección expuesta, los resultados recomiendan reparar todas las superficies conjuntamente. Las operaciones de mantenimiento deben programarse al mismo tiempo para reducir el impacto de las interrupciones del tráfico.
Por lo general, la optimización del coste de mantenimiento también conduce a la minimización de las emisiones de CO2. Esto se atribuye al hecho de que tanto las emisiones como los costes pretenden reducir el número total de operaciones de mantenimiento. Sin embargo, la optimización de costes intenta retrasar la fecha de la primera reparación. Por lo tanto, la determinación del número de operaciones y el retraso de la primera fecha de mantenimiento, reduce también el coste al mínimo.
Las redes neuronales constituyen una buena herramienta para predecir la respuesta de la estructura, proporcionar una buena dirección de búsqueda y reducir el coste computacional. Sin embargo, al final del proceso de búsqueda, se necesitan modelos de análisis completo para converger más cerca de la frontera de Pareto real.
La transición de la diversificación a la intensificación, que elimina progresivamente la combinación de soluciones y la selección aleatoria, mejora el rendimiento del algoritmo.
El método AHP-VIKOR bajo incertidumbre redujo el conjunto de Pareto a pocas soluciones preferidas. Para este estudio de caso, se prefieren las soluciones con el mayor tiempo de inicio de la corrosión, pues la mejora de la durabilidad no implica grandes diferencias de costes.
Referencias:
PENADÉS-PLÀ, V.; GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V. (2019). Accelerated optimization method for low-embodied energy concrete box-girder bridge design.Engineering Structures, 179:556-565. DOI:10.1016/j.engstruct.2018.11.015
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. DOI:1016/j.eiar.2018.10.001
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. DOI:1016/j.jclepro.2018.08.177
NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2018). Life cycle impact assessment of corrosion preventive designs applied to prestressed concrete bridge decks.Journal of Cleaner Production, 196: 698-713. DOI:10.1016/j.jclepro.2018.06.110
NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2018). Social life cycle assessment of concrete bridge decks exposed to aggressive environments.Environmental Impact Assessment Review, 72:50-63. DOI:1016/j.eiar.2018.05.003
SIERRA, L.A.; YEPES, V.; PELLICER, E. (2018). A review of multi-criteria assessment of the social sustainability of infrastructures.Journal of Cleaner Production, 187:496-513. DOI:1016/j.jclepro.2018.03.022
SIERRA, L.A.; YEPES, V.; GARCÍA-SEGURA, T.; PELLICER, E. (2018). Bayesian network method for decision-making about the social sustainability of infrastructure projects.Journal of Cleaner Production, 176:521-534. DOI:1016/j.jclepro.2017.12.140
GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; FRANGOPOL, D.M. (2017). Multi-Objective Design of Post-Tensioned Concrete Road Bridges Using Artificial Neural Networks.Structural and Multidisciplinary Optimization, 56(1):139-150. DOI:1007/s00158-017-1653-0
SIERRA, L.A.; PELLICER, E.; YEPES, V. (2017). Method for estimating the social sustainability of infrastructure projects. Environmental Impact Assessment Review, 65:41-53. DOI:10.1016/j.eiar.2017.02.004
SIERRA, L.A.; YEPES, V.; PELLICER, E. (2017). Assessing the social sustainability contribution of an infrastructure project under conditions of uncertainty.Environmental Impact Assessment Review, 67:61-72. DOI:10.1016/j.eiar.2017.08.003
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GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; ALCALÁ, J.; PÉREZ-LÓPEZ, E. (2015). Hybrid harmony search for sustainable design of post-tensioned concrete box-girder pedestrian bridges. Engineering Structures, 92:112-122. DOI:10.1016/j.engstruct.2015.03.015
MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2015). Memetic algorithm approach to designing of precast-prestressed concrete road bridges with steel fiber-reinforcement.Journal of Structural Engineering, 141(2): 04014114. DOI:10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0001058
YEPES, V.; GARCÍA-SEGURA, T.; MORENO-JIMÉNEZ, J.M. (2015). A cognitive approach for the multi-objective optimization of RC structural problems. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 15(4):1024-1036. DOI:10.1016/j.acme.2015.05.001
YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GARCÍA-SEGURA, T. (2015). Cost and CO2 emission optimization of precast-prestressed concrete U-beam road bridges by a hybrid glowworm swarm algorithm. Automation in Construction, 49:123-134. DOI:10.1016/j.autcon.2014.10.013
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MARTÍ-VARGAS, J.R.; FERRI, F.J.; YEPES, V. (2013). Prediction of the transfer length of prestressing strands with neural networks. Computers and Concrete, 12(2):187-209. DOI:10.12989/cac.2013.12.2.187
TORRES-MACHÍ, C.; YEPES, V.; ALCALA, J.; PELLICER, E. (2013). Optimization of high-performance concrete structures by variable neighborhood search. International Journal of Civil Engineering, 11(2):90-99.
MARTÍNEZ-MARTÍN, F.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; HOSPITALER, A.; YEPES, V. (2013). A parametric study of optimum tall piers for railway bridge viaducts. Structural Engineering and Mechanics, 45(6): 723-740. DOI: 12989/sem.2013.45.6.723
MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; YEPES, V.; ALCALÁ, J. (2013). Design of prestressed concrete precast road bridges with hybrid simulated annealing. Engineering Structures, 48:342-352. DOI:10.1016/j.engstruct.2012.09.014
Man-Chung Tang, Dr., P.E. T.Y. Lin International, USA
Durante el último congreso IALCCE, que tuvo lugar en Gante en octubre de 2018, tuve la oportunidad de escuchar la lección magistral (Fazlur R. Khan Lecture) del doctor Man-Chung Tang, denominada «Durability of bridges«. Fue una conferencia brillante, donde la gran experiencia y conocimiento de este gran ingeniero de puentes, dejó muy claros algunos conceptos de gran importancia.
El doctor Tang, nacido en Zhaoqing (China), en 1938, es el Presidente del Consejo de Administración y el Director Técnico de la firma T.Y. Lin International ubicada en San Francisco (Estados Unidos). Se trata de una empresa multinacional en el ámbito de las infraestructuras e ingeniería de todo tipo, que emplea a más de 2500 ingenieros, arquitectos y científicos. Además, recibió el premio Senior Award del IALCCE del 2018 (al igual que Tatiana García Segura recibió el Junior Award).
La lección magistral, tal y como la introduce el propio Congreso, se presentaba de la siguiente forma:
«In the past, life cycle cost of a bridge is usually defined as the sum of initial costs, operation costs, maintenance costs, rehabilitation costs and disposal costs. Today, we may add environmental costs and social costs to arrive at a more realistic “total life cycle cost”. But the total life cycle cost of a bridge by itself does not have much meaning unless we also know the service life of the bridge. The economic efficiency of the bridge is the total life cycle cost divided by the service life of the bridge. The main factor affecting the service life is the durability of the bridge.«
Lo que más me llamó la atención es la llamada internacional a que los puentes se diseñen para una vida útil de 300 años. Se trata de una opinión que suscribo plenamente y que se debería llevar lo antes posible a los foros correspondientes. Son muchos ya los problemas de durabilidad y los accidentes que presentan estas estructuras para no tomar esta valiente decisión. Para ello hay que entender lo que significa la gestión del puente a lo largo de su ciclo de vida.
En efecto, muchas normas e instrucciones prescriben actualmente para la mayoría de los puentes una vida útil de 100 años para los grandes puentes y de 75 años para el resto. En España, la vida útil nominal indicada en la Instrucción de Hormigón Estructural EHE-08 es de 100 años para puentes de longitud total igual o superior a 10 metros y otras estructuras de ingeniería civil de repercusión económica alta.
Durante su lección magistral, el doctor Tang diferenció claramente la vida de servicio (service life) de un puente de lo que sería la vida útil para la que fue diseñada la estructura (design life). La vida de servicio se considera como el tiempo durante el cual un puente se puede utilizar de forma segura, de acuerdo con los criterios de diseño establecidos. Sin embargo, cuando se proyecta un puente, es difícil saber a ciencia cierta cuánto tiempo realmente dicho puente podrá estar en servicio. La vida de servicio, por tanto, no tiene por qué coincidir con la vida útil de diseño puesto que es evidente que un puente se puede encontrar en perfectas condiciones el día posterior a la caducidad de su vida de servicio, y no por ello debe procederse a su demolición. También es posible que, antes de alcanzar el fin de su vida útil, el puente quede fuera de servicio por múltiples motivos.
Por otra parte, un puente es durable si su vida de servicio es suficientemente larga. Como un puente debe ser seguro, funcional, económico y tener una buena presencia, ello implica que un puente será durable si es durable en cuanto a su seguridad, funcionalidad, economía y buena presencia. Este concepto de durabilidad, como es fácil de entender, está asociado a la probabilidad de incumplimiento de alguna de las funciones señaladas.
Además, hoy día el concepto de sostenibilidad implica un cambio radical en la forma de proyectar, construir y mantener los puentes. Si los romanos fueron capaces de construir puentes que han durado más de dos mil años, hoy es inconcebible que se proyecten puentes para una vida útil de 100 años.
El doctor Tang, basándose en sus observaciones y experiencia, expuso claramente su propuesta de elevar a 300 años la vida útil en el proyecto de los puentes. Ello no incrementaría en exceso el coste del puente. Además, muchos de los materiales empleados pueden durar esos 300 años si se realiza un mantenimiento conveniente. Nuestro grupo de investigación ha comprobado cómo realizando una optimización multiobjetivo de un puente se puede incrementar su vida útil muy por encima de los 100 años con incrementos muy pequeños en los costes (García-Segura et al., 2017).
Habrá quien argumente que antes de lo que esperamos la tecnología cambiará tanto que no tenga sentido el aumentar la vida útil de los puentes (coches voladores, por ejemplo). Sin embargo, ya hemos visto que desde el punto de vista de la sostenibilidad de los recursos naturales, desde el punto de vista económico, y sobre todo, para tratar de evitar tragedias como las que se han vivido recientemente, está más que justificada la revisión de la vida útil de diseño de las infraestructuras (no solo puentes, sino viviendas, obras hidráulicas, carreteras, puertos, etc.).
Por tanto, suscribo plenamente la opinión bien argumentada del doctor Tang: la vida útil de los puentes debe modificarse en las normas e instrucciones para subirla a un mínimo de 300 años.
Referencias:
GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; FRANGOPOL, D.M. (2017). Multi-Objective Design of Post-Tensioned Concrete Road Bridges Using Artificial Neural Networks.Structural and Multidisciplinary Optimization, 56(1):139-150.
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
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:
Sustainable criteria
Uncertainty
Decision-making
Multi-objective optimization
Energy efficiency
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
Figura 1. Puente de Morandi (Génova). https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Genova_ponte_Morandi.jpg#/media/File:Genova_ponte_Morandi.jpg
La tragedia del colapso de un tramo del puente de Morandi en Génova (Italia), el 14 de agosto de 2018, me sugiere escribir esta entrada. Se trata de explicar cómo se construyen los puentes atirantados cuando los tirantes se fabrican «in situ». Como se puede ver, la técnica usada en los puentes atirantados de Morandi, si bien fue novedosa en su tiempo, en este momento es una técnica que no se utiliza en la construcción de este tipo de estructuras.
Un puente atirantado consiste en un tablero soportado por cables rectos e inclinados, llamados tirantes, que se fijan en los mástiles. Existen multitud de tipos de tirantes, unos formados por barras, otros por hilos paralelos, otros por torones y por último el cable cerrado. Sin embargo, el sistema de tirante de torones es el que se está imponiendo debido a sus ventajas en cuanto a anclaje y protección contra la corrosión. Solo el tirante de cable cerrado, el más antiguo de los sistemas, aún convive con el sistema de torones, si bien están en desuso debido a su menor capacidad de carga y mayor precio.
Los tirantes pueden dividirse en dos grandes grupos atendiendo a su montaje, los fabricados “in situ” y los prefabricados.
Aunque ya no se recurre al sistema de montaje de tirantes «in situ», vamos a describir aquí las distintas formas de fabricar en obra tirantes compuestos. Así, en el puente japonés de Toyosato-Ohashi los tirantes se montan hilo a hilo, de forma parecida a los cables de los puentes colgantes. También se pueden hacer los tirantes con hormigón pretensado, como los utilizados por Morandi en sus puentes. Otro procedimiento sería enfilar los tirantes torón a torón dentro de una vaina de polietileno para inyectar posteriormente lechada de cemento. El principal problema de este procedimiento es el hormigón, puesto que los cables se montan fácilmente.
Figura 2.Puente de Toyosato-Ohashi (Japón). By Nkns (Nkns took a photograph.) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html), CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/) or CC BY-SA 2.1 jp (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.1/jp/deed.en)], via Wikimedia Commons
Sin embargo, la forma actual de construir tirantes en obra es con vaina inyectada, pues no sólo es más fácil de montar, sino que puede utilizarse cualquier tipo y tamaño de tirante, siendo un procedimiento económico. Las vainas más usadas hoy en día son de polietileno, por su facilidad de montaje, si bien las metálicas permiten la inyección de una sola vez al admitir mayores presiones.
Figura 3. Puente General Urdaneta, sobre el lago Maracaibo (Venezuela). By The Photographer – Own work, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=29236260
Se pueden utilizar dos procedimientos diferentes en el caso de la construcción de tirantes “in situ” con vaina inyectada. Se pueden anclar los cables a la torre y al tablero, o bien se pueden hacer pasar los cables por una silla en la torre. En el primer caso, es fácil enfilar los cables, pero se complica el diseño de la torre por el cruce de vainas y el alojamiento de los anclajes.
Tras situar la vaina, se enfilan los cables en su interior subiendo la bobina del cable por encima del anclaje superior. Mediante una enfiladora se lleva el cable hasta el anclaje inferior. Después se corta el cable a la salida de la bobina y se fija al anclaje superior. Se le da una tensión mínima para garantizar que todos los cables lleven la misma tensión. Tras el enfilado, se tensa el tirante del conjunto de cables o tirando hilo a hilo, siendo más cómodo tesar desde lo alto de la torre. Por último, se inyectan los anclajes mediante resina y a continuación se inyecta la vaina mediante lechada de cemento. En el puente de Sama de Langreo se retesaron los tirantes desde la torre, mientras que en el de Barrios de Luna, se hizo desde el tablero.
Si se pasan los cables por una silla en la torre, formada por un tubo curvo, los cables se empujan desde un anclaje hasta llegar al otro, o bien mediante un cable piloto que tire de uno o varios cables.
Como resumen de lo anterior, se puede comprobar cómo el sistema utilizado por Morandi en la construcción del puente de Génova no se utiliza en la actualidad. Con todo, la tragedia de este puente nos debe hacer reflexionar sobre la necesidad de destinar recursos suficientes al mantenimiento y monitorización de las infraestructuras críticas (puentes, carreteras, presas, edificios, etc.).
Puente de Hradeck, en Liubliana (Eslovenia). Imagen: V. Yepes (2018)
Con motivo de la Conferencia Internacional HPSM/OPTI 2018, que tuvo lugar en Liubliana (Eslovenia), tuve la oportunidad de visitar la ciudad y sus puentes. Me llamó la atención el puente de Hradeck.
Se trata de uno de los pocos puentes de hierro fundido que sobrevive en Europa. El primer puente de este tipo, el de Coalbrookdale (Inglaterra), se construyó entre 1777 y 1779. Este puente, construido después, se inauguró el 18 de octubre de 1867, aunque a lo largo de los años se ha cambiado hasta dos veces de su posición original. Este puente, que sustituyó al antiguo Puente de Zapatero de madera, presenta una longitud total de 30,8 m y un ancho de 6,42 m. Su proyectista fue Johann Hermann. El puente está compuesto de elementos prefabricados de perfil triangular, que se transportaron a Liubliana y se conectaron en obra con tornillos. En el año 2011 se trasladó el puente a su ubicación actual, siendo su uso actual sólo para peatones y ciclistas.
Os dejo un vídeo sobre el puente, que espero que os guste.
Os dejo a continuación, en abierto, un estudio paramétrico que hemos realizado sobre pasarelas de hormigón postesado de sección en cajón. Espero que os sea de interés.
Referencia:
YEPES, V.; PÉREZ-LÓPEZ, E.; ALCALÁ, J.; GARCÍA-SEGURA, T. (2018). Parametric study of concrete box-girder footbridges.Journal of Construction Engineering, Management & Innovation, 1(2):67-74. doi:10.31462/jcemi.2018.01067074
ABSTRACT:
This paper presents a study of the parametric variability of post-tensioned concrete box-girder pedestrian bridges. SAMO2 algorithm is used for the parametric study. This algorithm combines SA with a mutation operator, to find the economic solutions. A span-length parametric study analyzes the characteristics for the best design of a three-span deck in which the main span ranges from 30 to 60 m. The depth and the number of strands were adjusted according to span length, while the thickness of the slabs presented the same optimum values in all cases. Results show that the amount of steel and volume of concrete per square meter of deck shows a good correlation with the main span length. This study demonstrates that by increasing the main span length by one meter, the total cost per square meter of the deck increases by 6.38 euros on average. Thus, this paper shows the relationship between the span length and geometrical and steel variables to produce and build a cost-efficient pedestrian bridge.
ABSTRACT
