Os presentamos un artículo, que se ha editado en formato abierto, donde se ha realizado la optimización a lo largo de su ciclo de vida de un puente en cajón postesado basándose en fiabilidad. Para ilustrar la metodología, se ha utilizado como ejemplo un puente situado en una zona costera y, por tanto, sometido a la corrosión por ambiente marino. Se ha optimizado el puente con múltiples objetivos simultáneos: el coste, las emisiones totales de CO₂ (incluyendo la recarbonatación), el inicio de la propagación de la corrosión y la seguridad. Primero se ha construido una frontera de Pareto con todas las soluciones óptimas con los múltiples objetivos y luego se ha estudiado el mantenimiento del puente, optimizando este mantenimiento atendiendo a criterios económicos, sociales y ambientales. Este artículo se enmarca dentro del proyecto de investigación BRIDLIFE. Espero que os sea de interés el artículo, que lo podéis descargar gratuitamente y compartir sin problemas (open-access).
Pasarela sobre el AVE en Lérida. 2001 Proyecto de PEDELTA. Arco biapoyado de 38 metros de luz y 3 de ancho. Elementos atornillados.
Los nuevos materiales compuestos basados en polímeros reforzados con fibras (PLR), están presentes en casi todos los objetos de nuestra vida diaria. También se usan en el mundo de la construcción: elementos estructurales, cerramientos opacos o traslúcidos, sanitarios, pavimentos, conducciones, elementos de instalaciones eléctricas, etc.
La historia de los plásticos podría iniciarse en 1839 con la vulcanización de la goma por Charles Goodyear, aunque los olmecas ya lo hacían hace 3500 años. En 1860 Parker patenta la parkesita, el primer celuloide. En 1869 Hyatt descubre el celuloide. En 1907 Baekeland descubre la baquelita, primer polímero sintético, y así hasta nuestros días.
Los PRF se empezaron a utilizar en la industria aeronáutica desde la década de los sesenta, pero ya en este siglo se están empezando a utilizar en los proyectos de puentes y pasarelas. Desde la construcción del primer puente de polímeros en Asturias en 2004, en España se han hecho realizaciones en otros sitios como Madrid o Cuenca, entre otros.
Suelen ser estructuras híbridas, donde se combinan elementos tradicionales con nuevos materiales. En general son de dos tipos:
Las que el tablero superior es de PRF que se apoya sobre vigas de acero, de madera o de hormigón
Las que las vigas son de PRF y sobre ellas apoya un tablero tradicional (hormigón armado, madera)
Entre las ventajas de los puentes y pasarelas realizados con plásticos reforzados con fibras, podemos resaltar las siguientes:
Ligereza
Elevada resistencia y rigidez específica
Gran resistencia a la corrosión y agentes ambientales
Baja conductividad térmica
No producen interferencias en campos electro-magnéticos
Gran libertad de formas, tamaños y diseños
Entre las desventajas:
Elevado precio inicial (necesario un análisis a lo largo de toda la vida)
Degradación de sus propiedades a temperaturas no excesivamente altas, especialmente de la matriz polimérica (100 °C)
Inercia del sector
Falta de experiencia
Inexistencia de normas y recomendaciones
Mal comportamiento en caso de incendio
A continuación os paso la serie de tuits que sobre este tema tuvimos ocasión de publicar el 15 de mayo de 2015. Espero que os gusten.
Pasarela en Lleida sobre la línea de AVE. 38 m de luz. Íntegramente con perfiles pultruídos de fibra de vidrio pic.twitter.com/QbkmD0NBJ3
El método de construcción acelerada de puentes tiene un gran arraigo en Estados Unidos, y únicamente se puede llevar a cabo mediante el empleo de soluciones industrializadas. Este caso que traemos es llamativo, pues la demolición del puente anterior y su restitución por uno nuevo, solo necesitó 80 horas para realizarlo, en lugar del año aproximado que hubiera tardado en caso de haberlo realizado enteramente por la vía tradicional. En su construcción, se recurrió al empleo de elementos prefabricados de hormigón que conformaron un único vano de 36 metros, mediante losas prefabricadas de cierre, muros de contención, pretiles y losas peatonales. Con este ejemplo, se ilustra una vez más que una construcción rápida y ordenada, es la ideal para la creación de pasos elevados nuevos o reposición de los antiguos, y normalmente acaba siendo la solución más económica al término de la obra. Y es que cuanto más tarde una construcción en ejecutarse, los gastos (personal, grúas, plataformas elevadoras de personal, otra maquinaria, imprevistos, etc.) más se disparan, sin contar con el perjuicio ocasionado para las zonas contiguas (desvíos provisionales del tráfico, atascos, etc.) que también repercuten social y económicamente.
Os paso un vídeo que me ha recomendado Alejandro López (ANDECE) para que lo veáis:
Acaban de publicarnos un artículo donde se utilizan cuatro algoritmos heurísticos: Descent Local Search, Threshold Accepting Algorithm with Mutation Operation, Genetic Algorithm y Memetic Algorithm para el diseño automático de puentes pretensados.
YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GARCÍA-SEGURA, T.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2017). Heuristics in optimal detailed design of precast road bridges.Archives of Civil and Mechanical Engineering, 17(4):738-749. DOI: 10.1016/j.acme.2017.02.006
Abstract:
This paper deals with the cost optimization of road bridges consisting of concrete slabs prepared in situ and two precast-prestressed U-shaped beams of self-compacting concrete. It shows the efficiency of four heuristic algorithms applied to a problem of 59 discrete variables. The four algorithms are the Descent Local Search (DLS), a threshold accepting algorithm with mutation operation (TAMO), the Genetic Algorithm (GA), and the Memetic Algorithm (MA). The heuristic optimization algorithms are applied to a bridge with a span length of 35 m and a width of 12 m. A performance analysis is run for the different heuristics, based on a study of Pareto optimal solutions between execution time and efficiency. The best results were obtained with TAMO for a minimum cost of 104184 euros. Among the key findings of the study, the practical use of these heuristics in real cases stands out. Furthermore, the knowledge gained from the investigation of the algorithms allows a range of values for the design optimization of such structures and pre-dimensioning of the variables to be recommended.
Construcción de la pasarela peatonal de Kingsgate (1966), en Durham (Inglaterra), de 31 m de luz. Foto: Ove Arup.
Constituye una alternativa a la traslación longitudinal del tablero en el que el giro se efectúa tras construir el puente sobre cimbra apoyada sobre el terreno, colocada paralelamente al obstáculo, por ejemplo, en la orilla de un río. Posteriormente, mediante un giro en eje vertical alrededor de un apoyo, se lleva a su posición definitiva. Se puede apoyar el extremo del tablero que gira en una barcaza, o bien llevarlo en voladizo. También se pueden construir dos semipuentes en cada lado y luego girarlos sobre las pilas hasta situarlos en prolongación y cerrar la clave. A diferencia del puente empujado, esta forma de construir el tablero permite una gran libertad de diseño al proyectista, pues se pueden girar puentes viga, pórtico, arco o atirantados.
Para realizar el giro, el tablero queda sustentado en tres apoyos, el pivote y otros dos apoyos móviles, separados para mantener el equilibrio. En el caso de puentes ligeros, los dos apoyos se sitúan en el extremo del tablero. Pero si son tableros pesados, como por ejemplo en sección de cajón de hormigón, una parte del tablero queda en voladizo y en la otra de contrapeso se sitúan los dos apoyos restantes.
La primera obra que se ejecutó con giro desde los dos lados fue la pasarela de Kingsgate en Durham, de Ove Arup, de 31 m de luz, construida en 1966. Un ejemplo de puente girado con apoyo en flotación es la construcción del puente de La Barqueta, en Sevilla (1989-1992), proyectada por Juan J. Arenas y Marcos J. Pantaleón. El puente se montó en una de las orillas, y mediante flotadores se llevó el extremo del puente a la otra orilla. A continuación se procede a desmontar la rótula provisional que propició el giro. El puente, tipo bowstring, tiene una luz de 168 m. También se construyó así la pasarela de la Cartuja (1991), en Sevilla, de Fritz Leonhardt y Luis Viñuela, que es una viga metálica en cajón de 170 m de vano que se giró con un apoyo mediante barcaza en el giro.
Puente de la Barqueta, en pleno proceso de giro flotando sobre el río. Foto: J.M. Serrano.
Los apoyos móviles pueden sustentarse por flotación o bien desplazarse sobre caminos curvos sobre viga o muro de hormigón, habitualmente rematado por un carril metálico. En cuanto al sistema de empuje, si el giro es por flotación, se pueden usar dos cabrestantes, uno de tracción y otro de retenida, que actúan sobre los flotadores. Sin embargo, es aconsejable forzar el movimiento del tablero mediante gatos desde el extremo opuesto al eje de giro para evitar problemas de sincronización y control direccional de tiros.
En el siguiente vídeo podemos ver cómo se construyó la pasarela de Kingsgate.
En el vídeo siguiente podemos ver el «barquetazo», donde se habla del problema que tuvo el Puente de la Barqueta, en su giro a su posición definitiva.
Detalle de las torres sobre los durmientes de madera y de la zahorra compactada. Imagen: V. Yepes.
Una cimbra no deja de ser una estructura que debe estar perfectamente apoyada sobre un terreno con suficiente capacidad portante que, además, minimice sus asientos diferenciales. Normalmente, se suele exigir un mínimo de 0,10 MPa de tensión admisible al terreno que sirve de apoyo a una cimbra tubular. Para ello se compacta el suelo y se le suele mejorar con unos 30 cm de un material granular (grava-cemento o zahorras), para facilitar el drenaje en caso de lluvias. También se deben colocar durmientes de madera paralelos a la directriz del tablero para apoyar los pies de las torres. Este elemento sirve para repartir las cargas y reducir la tensión transmitida.
Cimentación provisional para soportar las torres de una cimbra diáfana. Imagen: V. Yepes
En el caso de terrenos flojos o cuando las cargas son elevadas, se puede sustituir el terreno o, incluso, hay que recurrir a cimentaciones auxiliares. La cimbra se debe estabilizar también en la proximidad de los terraplenes laterales, próximos a los estribos. Para ello se escalona el terreno, ejecutando unos pequeños muros de hormigón para reforzar la seguridad de los apoyos.
Escalonamiento con pequeños muros de hormigón junto al estribo. Imagen: V. Yepes
Un aspecto importante es la disposición de cimbras sobre ríos o torrenteras. Una lluvia torrencial imprevista puede originar arrastres y avenidas que pueden erosionar el apoyo de las cimbras, ocasionando su desplome. Este incidente es especialmente grave cuando se ha vertido el hormigón y no se ha alcanzado la resistencia suficiente para pretensar el tablero de forma que soporte su propio peso. Para prevenir esta circunstancia, una buena práctica consiste en cimentar la cimbra sobre una losa de hormigón protegida lateralmente mediante escollera. Otra buena práctica consiste en prever alguna zanja aguas arriba para dar salida al agua con una zanja lateral que atraviese la planta del tablero y vierta aguas abajo.
Las cimbras cuajadas se utilizan cuando no existen obstáculos topográficos, de capacidad portante del terreno, paso de vehículos o corrientes de agua. A diferencia de las cimbras diáfanas, las cuajadas presentan la ventaja de distribuir las cargas de forma más uniforme sobre el terreno. Se emplean habitualmente en alturas de hasta 6 o 7 m, no siendo económicas cuando las alturas de rasante son excesivas, por encima de 20 – 30 m, en cuyo caso se recurren a torres y cuchillos metálicos. Por ejemplo, la Dirección General de Ferrocarriles en España recomienda el uso de cimbra cuajada para el proyecto de sistemas constructivos en puentes ferroviarios de hormigón, no superar los 15 m de altura y siempre que no existan obstáculos que obliguen a distanciar los apoyos de las cimbras.
El sistema más habitual de cimbra cuajada es la cimbra tubular (cimbra PAL), con torres de planta triangular o cuadrangular que cubren toda la planta del tablero. Los perfiles de las barras son tubos huecos, montándose cada torre a partir de módulos planos que se enganchan por las esquinas. Además, para garantizar la estabilidad de la cimbra, se hace necesario colocar barras de arriostramiento longitudinales y transversales para unir las distintas torres.
Figura 2. Esquema de la sección de un puente losa cimbrado con torres tubulares. Imagen: V. Yepes
Para que las torres estén perfectamente aplomadas, se calzan los pies usando para ello tablones, tarugos y cuñas. Las placas de los pies de las torres llevan agujeros para clavarlas a los tablones que sirven de base o a las cuñas. También suelen llevar tornillos de nivelación para ajustar la altura del pie. En la parte superior de la torre se disponen husillos, que son piezas en U que reciben los largueros de madera del encofrado. Los usillos se conectan a la torre mediante tornillos de nivelación para conseguir la geometría de cotas del tablero. Los husillos bajan para descimbrar la losa una vez se ha realizado el pretensado. No se suelen dar contraflechas debido a que las flechas de peso propio y del pretensado son muy parecidas. Asimismo, es necesario atender a su apoyo en el terreno, para lo cual os remitimos al artículo correspondiente.
En cuanto a rendimientos medios, se puede decir que una cimbra tubular de un paso superior se puede montar en una semana con una cuadrilla de cinco operarios.
Os dejo un vídeo explicativo que espero os sea útil.
Figura 1. Puente Long Key, Layton, Florida (1982). Fuente: http://www.figgbridge.com/long_key_bridge.html
La potencia de los actuales medios auxiliares permite la construcción prefabricada de puentes vano a vano, que puede ser mediante dovelas previamente ensambladas o bien de un vano completo prefabricado. La construcción del vano mediante dovelas prefabricadas supone ensamblar dichas dovelas sobre una cimbra auxiliar que se apoya sobre las pilas del vano, realizando posteriormente la transferencia del tramo del tablero formado con el resto de la estructura. En cambio, la construcción de un vano completo normalmente se realiza en tramos metálicos o mixtos (la losa se realiza en una segunda fase), estando condicionada la operación por la capacidad de los medios de elevación.
El puente Long Key, en Florida (Muller, 1980), se construyó mediante dovelas prefabricadas. En este caso se dispuso una viga metálica triangulada entre las pilas que actuaba como cimbra y sobre ella se colocaban una a una las dovelas mediante grúa. Posteriormente, se unían las dovelas mediante el pretensado, apoyándose el vano sobre las pilas y descargando la cimbra. En el caso del puente de Seven Mile (Florida, 1978), las dovelas se ensamblaron sobre una pontona flotante, izándose posteriormente.
La otra opción es el montaje del vano de una sola pieza. Esta posibilidad solo sería rentable en el caso de una repetición elevada en el número de vanos, pues los medios auxiliares de elevación son muy costosos. En tramos de hormigón, esta forma de construir deriva de la evolución de los tableros de vigas artesa, dejando la incorporación de la losa superior en una segunda fase, de igual forma que en las estructuras mixtas. Un ejemplo de construcción con vigas por vanos completos es el viaducto en el enlace A3-M45 de Madrid (Álvarez et al., 2008), donde las vigas se montan por vanos completos, con un peso máximo de 170 t para una luz máxima de 41,6 m. Se trata en este caso de vigas artes que trabajan como isostáticas de forma provisional hasta que se da más adelante un pretensado de continuidad. Posteriormente, se colocan las prelosas pretensadas colaborantes.
Figura 2. Vista con cuatro vigas montadas en el viaducto del enlace A3-M45 de Madrid (Álvarez et al., 2008)Figura 3. Montaje de prelosas sobre jabalcones provisionales (Álvarez et al., 2008)
A continuación os dejo un vídeo donde se ve el montaje del tramo completo de una viga artesa.
En este otro vídeo se puede ver un lanzavigas, ampliándose la longitud del vano por medio de vigas partillo en las pilas.
Referencias:
Álvarez, J.J.; Lorente, G.; Ortega, M.; Matute, L. (2008). Viaducto en el enlace A3-M45 (Madrid). IV Congreso de la Asociación Científico-Técnica del Hormigón Estructura-Congreso Internacional de Estructuras, 24-27 de noviembre.
Muller, J. (1980). Construction of Long Key Bridge. Journal – Prestressed Concrete Institute, 25(6), 97-111.
Nos acaban de publicar en línea en la revista Structural and Multidisciplinary Optimization (revista indexada en JCR en el primer cuartil) un trabajo de investigación en el que utilizamos las redes neuronales artificiales junto para el diseño multiobjetivo de puentes postesados de carreteras. Os paso a continuación el resumen y el enlace al artículo por si os resulta de interés. El enlace del artículo es el siguiente: http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs00158-017-1653-0
Referencia:
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, doi:10.1007/s00158-017-1653-0
Abstract:
In order to minimize the total expected cost, bridges have to be designed for safety and durability. This paper considers the cost, the safety, and the corrosion initiation time to design post-tensioned concrete box-girder road bridges. The deck is modeled by finite elements based on problem variables such as the cross-section geometry, the concrete grade, and the reinforcing and post-tensioning steel. An integrated multi-objective harmony search with artificial neural networks (ANNs) is proposed to reduce the high computing time required for the finite-element analysis and the increment in conflicting objectives. ANNs are trained through the results of previous bridge performance evaluations. Then, ANNs are used to evaluate the constraints and provide a direction towards the Pareto front. Finally, exact methods actualize and improve the Pareto set. The results show that the harmony search parameters should be progressively changed in a diversification-intensification strategy. This methodology provides trade-off solutions that are the cheapest ones for the safety and durability levels considered. Therefore, it is possible to choose an alternative that can be easily adjusted to each need.
El puente Fabricio, o ponte dei Quattro Capi, es un puente que se construyó en el año 62 d.C. sobre el río Tíber. Se trata de un puente de piedra que comunica el Campo de Marte con el lado este de la isla Tiberina. Su nombre se debe a Lucio Fabricio, curator viarum al que se encargó su construcción. Sirvió para reemplazar un puente de madera anterior que se destruyó en un incendio.
El puente tiene una longitud de 62 m y 5,5 m de ancho. Dispone de dos arcos de 24 m de longitud, apoyado en un pilar central en medio del cauce. El pilar central se encuentra aligerado con una gran ventana que permite aumentar el desagüe hidráulico. Los tímpanos están revestidos con ladrillo los arcos son de piedra caliza blanca, lo cual supone un contraste visual de interés estético. Los arcos son muy esbeltos, lo que unido a sus arranques verticales que quedan debajo de la lámina de agua, dan una imagen ciertamente moderna. Debajo del ladrillo se ve la sillería romana y el interior de las bóvedas también es original. El puente se restauró en el año 1679 por el Papa Inocencio XI.
Uno de los aspectos más interesantes de este puente, desde el punto de vista estructural, es que los arcos no son los típicos de medio punto, sino que se encuentran cerrados sobre sí mismos, formando unas bóvedas circulares que distribuyen las cargas al fondo del cauce y no a la pila, como es habitual. Esta disposición proporciona una fortaleza estructural excepcional reforzada por una doble rosca y arcos que quedan sumergidos por debajo del cauce.
