Puente de Cangas del Narcea (Asturias). Fotografía de V. Yepes.
La visión de la Edad Media como una época tenebrosa supone ignorar el sorprendente progreso de la innovación y el saber técnico. Si bien es cierto que la caída del Imperio Romano y la caída de un poder central provocaron una caída drástica en la construcción. El inicio del nuevo milenio vino parejo al desarrollo de las ciudades y de la expansión comercial; se empiezan a construir nuevos puentes, en paralelo con las catedrales góticas. Esta actividad constructiva se reforzó con los caminos de peregrinaje hacia Roma y Santiago de Compostela, donde los monjes constructores tuvieron un papel de primera magnitud. Si se comparan con los puentes romanos, los medievales olvidan reglas estrictas en cuanto a su diseño, con arcos asimétricos, plantas curvas o quebradas, tímpanos aligerados, etc. Los medievales eran puentes pintorescos, atrevidos en ocasiones, pero de menor calidad y solidez que los romanos. La labra de los sillares en los puentes medievales es más tosca y defectuosa que la de los romanos. Los arcos suelen ser macizos, con bóvedas formadas por anillos paralelos unos a otros o bien dos roscas en los extremos con un relleno entre sí.
Sin entrar en más detalles, os propongo un concurso. Si te atreves, incluso puedes dedicar tus vacaciones a hacer un recorrido para fotografiarlos y luego nos lo cuentas. He publicado en Twitter un conjunto de puentes representativos del medievo español. No están todos, ni mucho menos. Puedes incluir los que quieras con la etiqueta #Puentes_medievales . Se trata de retuitear aquellos que más te gusten o incorporar nuevos puentes. Aunque muchos se llaman popularmente «puentes romanos», gran parte de ellos son medievales. Otros también se denominan «Puentes del Diablo«. Algunos se han rehabilitado o restaurado y han perdido parte del diseño original. Empezamos, pues. No se trata de votar la foto más bonita o al puente de tu pueblo, sino al que creas que estéticamente está más logrado, poniendo en marcha tu sentido ingenieril.
Los días 27 y 28 de mayo de 1937 fueron los días de la inauguración del puente Golden Gate. De este puente se ha escrito mucho, incluso algún post hemos escrito en este blog. Sin embargo, lo importante es que en Radio Nacional se hicieron eco de la noticia y en el programa «Esto me suena. Las tardes del Ciudadano García» y pudimos hablar durante unos minutos no sólo de este puente, sino de la importancia de la ingeniería española y de su difusión.
Os dejo el programa sacado directamente de la web de Radio Nacional. La entrevista dura hasta el minuto 18. Espero que os guste.
Dovela del puente de Île de Ré, en Francia. Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Dovela
El objetivo del tratamiento térmico del hormigón durante la prefabricación de las dovelas es acelerar los procesos de fraguado y endurecimiento para poder realizar el desencofrado lo antes posible, siempre que la resistencia final sea similar a la del hormigón que endurece sin este tipo de tratamiento. El calentamiento se puede realizar mediante estufa tradicional o bien a través de encofrados por resistencias eléctricas o por vapor a baja presión.
Para evitar que el endurecimiento acelerado no merme la resistencia final se debe utilizar preferentemente un cemento Portland artificial, cuyo contenido en C3A sea menor al 11% y cuya relación C3S/C2S sea superior a 3. Además, el agua debe presentar una temperatura de 35 °C en el momento de la fabricación. Asimismo, se deberían utilizar encofrados con rigidez suficiente para oponerse a las dilataciones del hormigón en fase plástica en el momento del calentamiento.
El ciclo de tratamiento térmico debe cuidarse para evitar una bajada de la resistencia a largo plazo del hormigón, que normalmente puede situarse entre el 5 y el 15 %. Por tanto, un ciclo debería contemplar un periodo de preparación de 2 o 3 horas con el hormigón a temperatura ambiente, una subida posterior de temperatura a una velocidad inferior a 20 °C por hora, un escalón de tratamiento térmico que no supere los 80 °C (normalmente 65 °C), con una duración que depende de las dimensiones de la sección y las características del hormigón, y una bajada de temperatura a un ritmo similar al de la subida. Por tanto, no se debe acortar el periodo de preparación, no se debe acelerar la velocidad de subida de la temperatura ni elevar la temperatura máxima del tratamiento. En cualquier caso, la temperatura máxima queda limitada en función del entorno y de la composición del cemento (ver UNE-EN 13369:2013).
Referencia:
AENOR (2013): UNE-EN 13369:2013 Reglas comunes para productos prefabricados de hormigón.
Una de las actividades con más éxito que suelen celebrarse en muchas escuelas de ingeniería civil es el famoso concurso de puentes de palillos. La idea es sencilla. Con los mismos materiales y con unas reglas mínimas de diseño, se trata de ver qué estructura es la que más peso soporta. Ese fue el caso del Primer Concurso de Puentes de Palillos que tuvo lugar ayer en la Escuela de Ingenieros de Caminos de Valencia con motivo de la festividad del Santo Patrón y la Semana de la Ingeniería Civil. El diseño más resistente fue capaz de soportar más de 1500 kg. Sin embargo, ¿por qué tienen tanto éxito este tipo de eventos?
En primer lugar, es de las pocas veces que los alumnos abandonan el individualismo de los estudios y los exámenes y se incorporan a un reto común. Además, es divertido y se suma a una actividad lúdica donde el compañerismo entre alumnos (e incluso profesores) se hace patente. Por otra parte, vemos cómo algunos diseños de los alumnos de primer curso, que sin haber cursado estructuras se atreven con todo, dejan volar su imaginación e intuición. Tampoco es desdeñable la observación y la predicción por parte de muchos de cuál va a ser el motivo del fallo de la estructura y porqué. En fin, más de uno ha aprendido más estructuras en una tarde que en todo un cuatrimestre.
Curiosamente, algunos hijos pequeños y no tan pequeños de algunos profesores empezaron a «oler» lo que puede ser una profesión como la nuestra. No está mal en tiempos tan complicados como los que vivimos. ¡Enhorabuena a la Escuela y a la Delegación de Alumnos por esta iniciativa! Seguro que al año que viene vendrán mejores diseños, pues los equipos vendrán con la lección aprendida. Os dejo algunas fotografías y vídeos del evento (agradezco a la profesora María José Pelufo algunas de las fotografía, otras son mías).
Puente de vigas artesa prefabricadas. Fuente: Pacadar
¿Cómo se pueden diseñar puentes pretensados prefabricados en vigas artesa haciendo que el consumo energético para su fabricación y puesta en obra sea el mínimo posible?
Highlights
An automated procedure for optimizing the design of structures is presented.
There is a parabolic relation between the span length and the minimum energy.
The energy reduction has an average cost impact of 3.23€ per square meter of deck.
Since both criteria are dependent, 1€ reduction is equivalent to 4 kW h saving.
Abstract
An automated procedure for optimizing the design of precast-prestressed concrete U-beam road bridges is presented. The economic cost and the embodied energy are selected as the objective functions based on production materials, transport and placement. Heuristic optimization is used to search for the best geometry, the concrete type, the prestressing steel, and the reinforcement for the slab and the beam. The results for both objectives provide improved opportunities to learn about low-energy designs. The most influential variables for the energy efficiency goal are analyzed. The relationship between the span length and the embodied energy is described by a good parabolic fit for both optimization criteria. The findings indicate that the objectives do not exhibit conflicting behavior, and also that optimum energy designs are close to the optimum cost designs. The analysis also revealed that a reduction by 1 Euro can save up to 4 kWh. It is recommended to reduce the reinforcement in the slab as well as increase the volume of concrete in both slab and beams in order to achieve higher energy efficiency. It is also worth noting that web inclination angle should be increased when the depth increases for longer span lengths to maintain the optimum slab span lengths in the transverse direction.
Keywords
Heuristic optimization;
energy savings;
sustainable construction;
precast-prestressed concrete structures
Referencia:
MARTÍ, J.V.; GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V. (2016). Structural design of precast-prestressed concrete U-beam road bridges based on embodied energy.Journal of Cleaner Production, 120:231-240. DOI: 10.1016/j.jclepro.2016.02.024(link)
Acueducto de Tempul. Enero 1927. Fuente: http://www.cehopu.cedex.es/
El acueducto del Tempul se construyó para el abastecimiento de agua de Jerez de la Frontera (Cádiz), sobre el río Guadalete. Está formado por 11 tramos de vigas rectas de hormigón armado de 20 m de luz y un tramo central de tipo “Cantilever” de 57 m. Esta obra la diseñó y construyó Eduardo Torroja en 1925 apenas dos años después de terminar la carrera, estando trabajando en la empresa Hidrocivil. La estructura original estaba constituida por 14 tramos de vigas de 30 m de luz biapoyadas en los correspondientes pilares. Dos de estos pilares se apoyaban en el cauce del río, lo que provocaba dudas acerca de su resistencia a la socavación. Por ello Torroja decidió eliminar estas dos pilas, manteniendo el resto de la estructura. Se utilizó esta solución sustituyendo las pilas del cauce por apoyos elásticos con cimentación a 8 m de profundidad debido a la mala calidad del suelo del cauce y a través de unos tirantes continuos que pasan por la cabecera de la pila, se anclan en los extremos de los tramos adyacentes. Así el vano central del acueducto está formado por un tramo central de 17 m apoyando en las ménsulas laterales con 20 m de luz. Para eliminar estos apoyos sin aumentar excesivamente la luz dispuso unos tirantes con un cordón central de acero dulce que, pasando por encima de las pilas adyacentes a los soportes eliminados, las cuales se elevaron y rediseñaron para los nuevos esfuerzos, se anclaban a uno y otro lado de las mismas, disponiendo, por tanto, de la reacción vertical eliminada.
El principal problema de esta solución era que esa reacción provenía de la componente vertical de la tracción del tirante y, salvo que la pila sobreelevada fuese muy alta, dicha reacción no podía generarse de forma pasiva sino con una gran flecha del tramo volado y, por lo tanto, con una flexión excesiva. Por ello, Torroja empleó cables de alta resistencia y los pretensó mediante un sistema de elevación con gatos hidráulicos insertados entre las propias pilas y las cabezas de las mismas, consiguiendo además introducir una compresión adicional en los tramos de tablero entre los puntos de anclaje.
Dispositivos de elevación de las cabezas de los pilares. Fuente: http://www.cehopu.cedex.es/Esquema de esfuerzos al elevar los gatos
Según cuenta Torroja, poco después de finalizar el hormigonado del tramo central apoyado en los voladizos atirantados, sobrevino una fuerte riada que comenzó a arrastrar la cimbra. Viendo peligrar la integridad de la estructura, y puesto que el hormigón ya había alcanzado una resistencia que se estimó suficiente, se procedió a accionar los gatos, levantando el cabezal de las pilas unos 25 cm, lo que bastó para elevar el extremo de los tramos colgados unos 5 cm, separando la estructura de las cimbras que fueron finalmente arrastradas por el agua.
La cimbra es una estructura provisional que requiere su propio proyecto y cálculo, con una especial atención a las hipótesis de carga y los detalles de diseño y montaje. No son extraños los accidentes, especialmente con las cimbras diáfanas, por no existir un proyecto adecuado. Dicho proyecto y las operaciones de montaje y desmontaje de estos elementos suele depender de una empresa especializada. Se debe exigir que la cimbra sea estable, especialmente a pandeo y que las deformaciones previstas se puedan compensar con las contraflechas necesarias.
Muchos problemas en las cimbras se encuentran en el punto de encuentro entre las torres y el encofrado, pues esta transición no está normalizada. El encuentro consta de varios niveles de perfiles o tablones apoyados sobre horquillas que, normalmente, no son solidarias con el husillo que las soporta, lo cual puede provocar inestabilidad si no se monta adecuadamente. Un ejemplo son las cargas excéntricas sobre los husillos provocada por la colocación inclinada de los perfiles originada por la pendiente del tablero, que muchas veces no se consideran en el cálculo. Otra circunstancia no contemplada en los cálculos puede ser el mal reparto de las cargas en las patas de las torres por una mala colocación de los perfiles o los tablones. Todo ello lleva a que se tengan que adoptar coeficientes de seguridad elevados, normalmente de 2 cuando las condiciones de montaje son muy estrictas, e incluso de 3, tal y como propugna la norma ACI.
Otros aspectos de gran importancia son el arriostramiento horizontal e inclinado de las torres para evitar el pandeo y para resistir las cargas horizontales. Además, una cimentación de las torres sobre tablones mal asentados o poco rígidos incrementa significativamente el asiento diferencial y el consiguiente incremento de carga no previsto en alguno de los apoyos.
Os dejo a continuación un vídeo de una cimbra cuajada T-60 y ENKOFORM HMK – ULMA. Espero que os guste la animación.
Ayer 12 de enero de 2016 tuvo lugar la defensa de la tesis doctoral de D. Alejandro José Luz Ivars denominada “Diseño óptimo de estribos abiertos de hormigón armado en puentes de carretera mediante optimización heurística”, dirigida por Fernando González Vidosa y Víctor Yepes Piqueras. La tesis recibió la calificación de “Sobresaliente cum laude” por unanimidad. Presentamos a continuación un pequeño resumen de la misma.
Resumen
La infraestructura de mayor implantación en el territorio es la carretera. Los tramos en puente y en túnel son los más singulares y costosos, aunque los primeros son más numerosos que los segundos. Hoy en día los puentes de paso superior son uno de los más frecuentes en todas las carreteras importantes. El estribo más recomendable y habitual para este tipo de puentes es el abierto porque, se esconde bajo el terraplén, mejorando la visibilidad de los conductores de la vía inferior, y, ahorra materiales respecto al cerrado a partir de una altura de terraplén suficiente. Muchos esfuerzos se han dedicado al cálculo y diseño de los tableros de puente, menos a las pilas, y, aún menos, a los estribos. Esta tesis se ocupa del diseño óptimo de estribos abiertos de hormigón armado en puentes de carretera. Se suma a las investigaciones del Grupo de Investigación, al que pertenece de Procedimientos de la Construcción, Optimización y Análisis de Estructuras (GPRC); que ya ha optimizado tableros (de losa pretensados y de vigas artesa) y pilas (rectangulares huecas), así como, muros, bóvedas y pórticos.
Solución de referencia
Los métodos de optimización más antiguos son los exactos, pero se complican mucho y pierden eficiencia cuando el número de variables es muy alto y las condiciones que deben cumplir las soluciones (comprobaciones resistentes de los materiales) no son lineales. Por el contrario, con ayuda de los ordenadores actuales, los métodos heurísticos están en gran auge, permitiendo, con algoritmos sencillos y “mucho coste” computacional, pero en tiempo razonable, resolver de manera automática, problemas tan complejos como los reales, sin simplificaciones, y no solo optimizando el coste como hasta ahora, sino también, otros criterios o, varios a la vez, con gran facilidad. Los estribos óptimos de la tesis se obtienen mediante estos métodos heurísticos y un programa informático que se ha realizado. Están completamente diseñados para ser construidos, y para ello constan de 40 variables discretas. Los estribos no han sido antes tratados en la bibliografía de optimización. Las funciones objetivo son el coste, la seguridad estructural, la constructibilidad y la sostenibilidad ambiental, tanto de forma aislada como por parejas con el coste (con una optimización multiobjetivo híbrida MOSAMO).
Los estribos así obtenidos son diseños óptimos que no han precisado la experiencia previa de un proyectista de estructuras que proponga, como se ha venido haciendo hasta la actualidad, el diseño inicial a comprobar. Si no cumple alguna comprobación resistente (a efectuar, bien manualmente, bien, como actualmente, mediante uno o varios programas informáticos de estructuras), el diseño inicial se retoca ligeramente por el ingeniero mediante un procedimiento de prueba y error. Los programas actuales aún no incluyen rutinas de optimización como el de la tesis. Por ello la bondad del diseño final depende mucho del proyectista que los maneja y de la bibliografía que conoce. La bibliografía sobre el diseño de estribos es escasa y no completa. Este trabajo la amplía aportando las relaciones geométricas, los órdenes de magnitud y los mecanismos resistentes de los estribos óptimos (criterios de predimensionamiento) y los compara con los de la bibliografía y con los de un estribo de referencia ER. Estribo con una altura de 9 m, realmente construido y proyectado por reconocidos ingenieros, respecto al que se han comprobado ahorros económicos superiores al 18% (fundamentalmente en la zapata). Para este ER se ha realizado un estudio paramétrico obteniendo los estribos óptimos con alturas totales entre 6 y 15 m y para tensiones admisibles entre 0,2 y 0,5 MPa.
Se han empleado con éxito algoritmos heurísticos a los estribos de los dos grandes grupos existentes: por un lado, de Búsqueda Secuencial por Entornos o Hill Climbing; y, por otro, de los llamados Algoritmos Poblacionales o Evolutivos; en ambos casos, tanto con soluciones factibles como infactibles. En esta tesis, mediante una nueva propuesta de penalización de la función objetivo, se consiguen, ahorros del 60% en tiempo de cálculo. Los algoritmos empleados se basan en el recocido simulado (SAMO) y en la aceptación por umbrales (TAMO). Son dos algoritmos híbridos de escalada estocástica con operadores de mutación basados en los algoritmos genéticos. Las diferencias entre ellos no son significativas, menores del 0.2%. Con un ordenador Intel Core 2 Quad CPU Q6600 de 2.4 GHz y con 3.24 GB de memoria RAM se consigue la optimización (con penalizaciones altas) en tan solo una ejecución del algoritmo, como novedad frente a otras investigaciones, de 1 h 35’(38’ con ordenador actual). Dentro del segundo grupo se desarrollan dos nuevas heurísticas HSDLS y HSPDLS basadas en Harmony Search e hibridadas con DLS sin y con penalizaciones (y el mismo operador de mutación primer grupo) con las que se consiguen resultados similares pero con tiempos 9 y 6 veces superiores respectivamente.
Tanto la optimización monobjetivo como la multiobjetivo (MO) ponen de manifiesto la equivalencia de optimizar en coste, en CO₂ o en energía con diferencias menores del 1.5%, si bien es, a costa de un elevado número de armaduras pasivas. La optimización MO (coste barras) ofrece un ahorro medio en barras del 78.4% con un incremento medio de los otros tres criterios de 7.85% siendo el ahorro económico respecto ER todavía de un 12,23%.
El enfilado consiste en colocar la armadura dentro de la vaina, y puede realizarse antes o después de colocar la vaina en posición. Enfilar antes suele hacerse en el taller, para elementos no muy largos, pero en el caso de un puente, suele hacerse con la vaina ya colocada. El enfilado de la armadura activa de un puente suele llevarse a cabo el día anterior al hormigonado para evitar los riesgos de un posible abollamiento o rotura de la vaina durante el hormigonado. En cualquier caso, hay que evitar tiempos prolongados entre el enfilado y la puesta en tensión de los cables.
Para realizar el enfilado, se necesita una bobina de acero pretensado y una enfiladora. Una vez montada la bobina de cordón en la devanadora, se procede al enfilado de los distintos cordones que constituyen un tendón mediante la enfiladora. La enfiladora es una máquina de tracción mecánica que empuja de forma semicontinua el torón de pretensado hacia el interior de la vaina. En cualquier caso, dispone de un elemento esférico o con punta redondeada en la parte delantera para que no se produzcan muescas o entallas en la vaina. Se debe dejar aproximadamente un metro en cada extremo del tablero para que el gato pueda realizar las operaciones de tesado. Durante esta operación, la enfiladora debe fijarse lo mejor posible para evitar desplazamientos. Además, el especialista que maneja la enfiladora debe estar perfectamente comunicado con el operario situado en el extremo contrario con el fin de indicar la parada de la máquina.
Suele ocurrir que el último torón que se debe enfilar para completar los necesarios en una vaina puede ser difícil de enfilar, especialmente si el diámetro de esta vaina es muy ajustado. Una solución consiste en soldar dos torones a uno que ya esté enfilado y tirar del extremo contrario del torón ya enfilado para introducir los otros dos que hemos soldado. Sin embargo, es preferible elegir un diámetro de vaina suficiente para evitar estos problemas. En el extremo de cada cable se coloca una pieza metálica en forma de bala que evita que se desfleje y dañe la vaina.
Una vez realizado el enfilado de todos los cables, se debe repasar el trazado en alzado de las vainas para comprobar que no se han movido durante el enfilado. Suele taparse el metro que sobresale por cada extremo para evitar la caída de mortero durante el hormigonado del tablero, lo que dificultaría el tesado de la unidad al requerirse una limpieza cuidadosa que, obviamente, se evita protegiendo con bolsas de plástico.
Es muy habitual observar cómo el acero pretensado pierde el color gris metálico si se deja la bobina a la intemperie durante unos días. Esto no supone problema alguno, ya que la capa de óxido superficial es pasivizante y no corroe la armadura. Este comentario también es válido para armaduras pasivas y vainas de pretensado. En la figura se puede ver cómo la bobina se coloca en un bastidor fijo al suelo para que no se mueva durante el traqueteo que supone el enfilado.
Os dejo un par de vídeos donde podéis ver cómo se enfilan los cables para el postesado del puente.
