Puentes – Página 3 – El blog de Víctor Yepes

Evaluación del ciclo de vida de un puente en ambiente marino con ayuda de métodos no destructivos de detección de daños

Acaban de publicarnos un artículo en el Journal of Marine Science and Engineering, revista indexada en el JCR. Se trata de la evaluación del coste del ciclo de vida con ayuda de métodos no destructivos de un puente de hormigón en ambiente costero. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

El artículo evalúa el uso de métodos no destructivos de detección de daños, específicamente la técnica de densidad espectral de potencia (PSD), para reducir el impacto ambiental durante la reparación y el mantenimiento de un puente costero de hormigón. Los resultados muestran una reducción del 23% en los impactos ambientales cuando se utiliza el enfoque PSD durante la vida útil del puente.
La investigación evalúa las capacidades no destructivas y el enfoque dinámico de la técnica PSD para predecir la cantidad y la ubicación de los daños en la evaluación del ciclo de vida (LCA) del puente. Esta evaluación ayuda a los especialistas e ingenieros en el campo de la seguridad y el mantenimiento de los puentes.

Abstract:

Recently, using economic damage identification techniques to ensure the safety of bridges has become essential. But investigating the performance of those techniques for various conditions and environments and, in addition, a life cycle assessment (LCA) through these methods depending on the situation and during the life of a structure could help specialists and engineers in this field. In these regards, analyzing the implementation of a technique for the restoration and maintenance stages of costly structures such as bridges can illustrate the effect of each damage detection method on the LCA. This research assessed non-destructive abilities and a dynamic approach to predict the amount and location of damages in the LCA. For this purpose, the power spectral density (PSD) technique’s performance by different approaches in identifying corrosion damages for a coastal bridge and the effectiveness of using this technique on reducing the environmental impact compared with a conventional method were evaluated. The results demonstrate a reduction of the environmental impacts by approximately 23% when using the PSD during the bridge’s service life. In conclusion, the PSD approach does well in anticipating the damage quantity and location on a coastal bridge, which reduces the environmental impacts during the repair and maintenance.

Keywords:

Sustainability; non-destructive damage identification technique; life cycle assessment (LCA); environmental impacts assessment; concrete coastal bridge; corrosion; power spectral density method (PSD)

Reference:

HADIZADEH-BAZAZ, M.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2023). Life Cycle Assessment of a Coastal Concrete Bridge Aided by Non-Destructive Damage Detection Methods. Journal of Marine Science and Engineering, 11(9):1656. DOI:10.3390/jmse11091656

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Evaluación de la huella de carbono en la construcción de un puente basándose en la teoría de la resiliencia

Acaban de publicarnos un artículo en Journal of Civil Engineering and Management, revista indexada en el primer cuartil del JCR. El artículo propone un procedimiento para evaluar la huella de carbono en la construcción de un puente basándose en la teoría de la resiliencia. La investigación proporciona modelos teóricos y datos sobre los impactos de la resiliencia ambiental y los modelos de gestión de la resiliencia de los proyectos, lo que contribuye al control dinámico y a la evaluación del desarrollo sostenible de las estructuras de puentes a gran escala en el futuro. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

El artículo contribuye al campo de la construcción de puentes al abordar la evaluación del impacto ambiental durante la etapa de construcción de puentes a gran escala, utilizando un enfoque multidisciplinario. Establece un sistema modelo teórico de resiliencia al impacto ambiental, proporcionando modelos teóricos detallados y datos de experiencia analítica avanzada para los impactos de la resiliencia ambiental y modelos de gestión de la resiliencia de proyectos.
La investigación destaca los beneficios de la construcción industrializada, que puede ahorrar materiales y reducir la contaminación ambiental en comparación con los métodos de construcción tradicionales. También elimina la dificultad de evaluar con precisión los factores dinámicos discretos en la construcción de puentes.
El estudio demuestra la aplicación de la teoría de la resiliencia al análisis del impacto ambiental de la construcción de puentes, proporcionando una base científica sólida para el control dinámico y la evaluación del desarrollo sostenible de las estructuras de puentes a gran escala en el futuro.
Los resultados de esta investigación pueden servir de base para la toma de decisiones en la industria de la construcción, en particular en lo que respecta a la optimización de los métodos de construcción y la minimización de la contaminación ambiental durante la fase de construcción de puentes a gran escala.

Abstract:

The construction and management of large-scale projects have the characteristics of complexity, dynamic and offline, and how to evaluate it is a research problem accurately. This study addresses this question through multidisciplinary cross-applied research. The research analyses and optimizes the environmental impact of the construction stage of superlarge bridges by establishing a theoretical model system of environmental impact resilience. The analysis shows that industrialized construction can save 56.31% of materials compared with traditional construction but increase the consumption of machinery and personnel by 11.18%. Ultimately, environmental pollution can be significantly reduced. This study breaks through the difficulty of accurately evaluating discrete dynamic factors. It has realized the application of multidisciplinary research to solve management optimization and design problems in the elastic and dynamic changes of super-large bridges during construction. This research provides rich theoretical models and advanced analytics experience data for environmental resilience impacts and project resilience management models, laying a solid scientific foundation for dynamic control and sustainable development assessment of statically indeterminate structures in the future.

Keywords:

Project management; energy; material; industrialized; environment; response.

Reference:

ZHOU, Z.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2023). Carbon impact assessment of bridge construction based on resilience theory. Journal of Civil Engineering and Management, 29(6):561-576. DOI:10.3846/JCEM.2023.19565

Al tratarse de un artículo publicado en abierto, os dejo el mismo para su descarga. Espero que os sea de interés.

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Tesis doctoral: Optimal deep learning assisted design of socially and environmentally efficient steel concrete composite bridges under constrained budgets

Hoy 19 de julio de 2023 ha tenido lugar la defensa de la tesis doctoral de D. David Martínez Muñoz titulada “Optimal deep learning assisted design of socially and environmentally efficient steel concrete composite bridges under constrained budgets“, dirigida por Víctor Yepes Piqueras y José V. Martí Albiñana. La tesis recibió la máxima calificación de sobresaliente “cum laude” y presenta la mención internacional. Presentamos a continuación un pequeño resumen de la misma.

Resumen:

El diseño de infraestructuras está fuertemente influido por la búsqueda de soluciones que tengan en cuenta el impacto en la economía, el medio ambiente y la sociedad. Estos criterios están muy relacionados con la definición de sostenibilidad que hizo la Comisión Brundtland en 1987. Este hito supuso un reto para técnicos, científicos y legisladores. Este reto consistía en generar métodos, criterios, herramientas y normativas que permitieran incluir el concepto de sostenibilidad en el desarrollo y diseño de nuevas infraestructuras. Desde entonces, se han producido pequeños avances en la búsqueda de la sostenibilidad, pero se necesitan más a corto plazo. Como plan de acción, las Naciones Unidas establecieron los Objetivos de Desarrollo Sostenible, fijando el año 2030 como meta para alcanzarlos. Dentro de estos objetivos, las infraestructuras se postulan como un punto crítico. Tradicionalmente, se han desarrollado métodos para obtener diseños óptimos desde el punto de vista del impacto económico. Sin embargo, aunque en los últimos tiempos se ha avanzado en la aplicación y utilización de métodos de análisis del ciclo de vida completo, aún falta un consenso claro, especialmente en el pilar social de la sostenibilidad. Dado que la sostenibilidad engloba diferentes criterios, que en principio no van necesariamente de la mano, el problema de la búsqueda de la sostenibilidad se plantea no solo como un problema de optimización, sino también como un problema de toma de decisiones multi-criterio.

El objetivo principal de esta tesis doctoral es proponer diferentes metodologías para la obtención de diseños óptimos que introduzcan los pilares de la sostenibilidad en el diseño de puentes mixtos acero-hormigón. Como problema estructural representativo se sugiere un puente viga en cajón de tres vanos mixto. Dada la complejidad de la estructura, en la que intervienen 34 variables discretas, la optimización con métodos matemáticos resulta inabordable. Por ello, se recomienda el uso de algoritmos metaheurísticos. Esta complejidad también se traduce en un alto coste computacional para el modelo, por lo que se implementa un modelo de redes neuronales profundas que permite la validación del diseño sin necesidad de computación. Dada la naturaleza discreta del problema, se proponen técnicas de discretización para adaptar los algoritmos al problema de optimización estructural. Además, para mejorar las soluciones obtenidas a partir de estos algoritmos discretos, se introducen métodos de hibridación basados en la técnica K-means y operadores de mutación en función del tipo de algoritmo. Los algoritmos utilizados se clasifican en dos ramas. La primera son los basados en trayectorias como el Simulated Annealing, Threshold Accepting y el Algoritmo del Solterón. Por otra parte, se emplean algoritmos de inteligencia de enjambre como Jaya, Sine Cosine Algorithm y Cuckoo Search. La metodología de Análisis del Ciclo de Vida definida en la norma ISO 14040 se usa para evaluar el impacto social y medioambiental de los diseños propuestos. La aplicación de esta metodología permite evaluar el impacto y compararlo con otros diseños. La evaluación mono-objetivo de los diferentes criterios lleva a la conclusión de que la optimización de costes está asociada a una reducción del impacto medioambiental y social de la estructura. Sin embargo, la optimización de los criterios medioambientales y sociales no reduce necesariamente los costes. Por ello, para realizar una optimización multi-objetivo y encontrar una solución de compromiso, se implementa una técnica basada en la Teoría de Juegos, recomendando una estrategia de juego cooperativo. La técnica multi-criterio empleada es la Teoría de la Entropía para asignar pesos a los criterios para la función objetivo agregada. Los criterios considerados son los tres pilares de la sostenibilidad y la facilidad constructiva de la losa superior. Aplicando esta técnica se obtiene un diseño óptimo relativo a los tres pilares de la sostenibilidad y a partir del cual se mejora la facilidad constructiva.

Referencias:

MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; GARCÍA, J.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2023). Hybrid swarm intelligence optimization methods for low-embodied energy steel-concrete composite bridges. Mathematics, 11(1):140. DOI:10.3390/math11010140

MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; GARCÍA, J.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2022). Optimal design of steel-concrete composite bridge based on a transfer function discrete swarm intelligence algorithm. Structural and Multidisciplinary Optimization, 65:312. DOI:10.1007/s00158-022-03393-9

GARCÍA, J.; VILLAVICENCIO, G.; ALTIMIRAS, F.; CRAWFORD, B.; SOTO, R.; MINTATOGAWA, V.; FRANCO, M.; MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; YEPES, V. (2022). Machine learning techniques applied to construction: A hybrid bibliometric analysis of advances and future directions. Automation in Construction, 142:104532. DOI:10.1016/j.autcon.2022.104532

MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; GARCÍA, J.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2022). Discrete swarm intelligence optimization algorithms applied to steel-concrete composite bridges. Engineering Structures, 266:114607. DOI:10.1016/j.engstruct.2022.114607

MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2022). Social Impact Assessment Comparison of Composite and Concrete Bridge Alternatives. Sustainability, 14(9):5186. DOI:10.3390/su14095186.

ATA-ALI, N.; PENADÉS-PLÀ, V.; MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; YEPES, V. (2021). Recycled versus non-recycled insulation alternatives LCA analysis for different climatic conditions in Spain. Resources, Conservation and Recycling, 175, 105838. DOI:10.1016/j.resconrec.2021.105838

MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2021). Comparative life cycle analysis of concrete and composite bridges varying steel recycling ratio. Materials, 14(15):4218. DOI:10.3390/ma14154218

MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; MARTÍ, J.V.; GARCÍA, J.; YEPES, V. (2021). Embodied energy optimization of buttressed earth-retaining walls with hybrid simulated annealing. Applied Sciences, 11(4):1800. DOI:10.3390/app11041800

NAVARRO, I.J.; PENADÉS-PLÀ, V.; MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; REMPLING, R.; YEPES, V. (2020). Life cycle sustainability assessment for multi-criteria decision making in bridge design: A review. Journal of Civil Engineering and Management, 26(7):690-704. DOI:10.3846/jcem.2020.13599.

MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2020). Steel-concrete composite bridges: design, life cycle assessment, maintenance and decision making. Advances in Civil Engineering, 2020:8823370. DOI:10.1155/2020/8823370

PENADÉS-PLÀ, V.; MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; GARCÍA-SEGURA, T.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2020). Environmental and social impact assessment of optimized post-tensioned concrete road bridges. Sustainability, 12(10), 4265. DOI:10.3390/su12104265

YEPES, V.; DASÍ-GIL, M.; MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; LÓPEZ-DESFILÍS, V.J.; MARTÍ, J.V. (2019). Heuristic techniques for the design of steel-concrete composite pedestrian bridges. Applied Sciences, 9(16), 3253; DOI:10.3390/app9163253

Comunicaciones presentadas al 27th International Congress on Project Management and Engineering AEIPRO 2023

Durante los días 10-13 de julio de 2023 tiene lugar en Donostia-San Sebastián (Spain) el 27th International Congress on Project Management and Engineering AEIPRO 2023. Es una buena oportunidad para debatir y conocer propuestas sobre dirección e ingeniería de proyectos. Nuestro grupo de investigación, dentro del proyecto de investigación HYDELIFE, presenta varias comunicaciones. A continuación os paso los resúmenes.

BRUN-IZQUIERDO, A.; YEPES-BELLVER, L.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2023). Optimización energética de tableros tipo losa pretensados aligerados mediante modelos Kriging. 27th International Congress on Project Management and Engineering, AEIPRO, 10-13 de julio, Donostia/San Sebastián (Spain).

El objetivo de este trabajo es desarrollar una metodología para optimizar la energía en la construcción de tableros losa pretensado aligerados. Se lleva a cabo un análisis de la sección transversal para determinar los parámetros de diseño a través de un estudio del estado del arte. A partir de ese análisis, se identifican las variables de diseño que mejorarán la eficiencia energética del tablero. La metodología se divide en dos fases: primero, se utiliza una técnica estadística llamada hipercubo latino para muestrear las variables del tablero y determinar una superficie de respuesta; y en segundo lugar, se optimiza la superficie de respuesta mediante un modelo de optimización basado en Kriging. Como resultado, se ha desarrollado una metodología que reduce el costo energético en la construcción de tableros losa pretensado aligerados. Las recomendaciones para mejorar la eficiencia energética incluyen emplear esbelteces elevadas (alrededor de 1/28), reducir el consumo de hormigón y armadura activa, y aumentar la cantidad de armadura pasiva.

HADIZADEH-BAZAZ, M.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2023). Durability assessment and re-design of coastal concrete bridge through a non-destructive damage detection method. 27th International Congress on Project Management and Engineering, AEIPRO, 10-13 de julio, Donostia/San Sebastián (Spain).

Los expertos y los gobiernos llevan tiempo centrándose en reducir los costes de reparación y mantenimiento de estructuras cruciales como los puentes mediante un mantenimiento y una reparación continuos. Este estudio explora la rentabilidad de dos métodos de predicción de daños mediante el método de densidad espectral de potencia (PSD) en comparación con el método convencional de detección de daños mediante el rediseño de diferentes espesores de recubrimiento de hormigón para un puente costero de hormigón armado. El estudio evalúa el impacto de los iones cloruro en la localización y extensión de los daños a lo largo de la vida útil del puente y compara los costes totales de mantenimiento y reparación. Los resultados muestran que, si bien el método PSD es eficaz para estructuras de hormigón con recubrimientos de hormigón bajos, el aumento del espesor del recubrimiento de hormigón puede dar lugar a mayores costes de reparación.

YEPES, V.; MARTÍNEZ-PAGÁN, P.; ROSCHIER, L.; BOULET, D.J.; BLIGHT, T. (2023). Códigos abiertos basados en Python para la construcción de nomogramas y su aplicación en la ingeniería de proyectos. 27th International Congress on Project Management and Engineering, AEIPRO, 10-13 de julio, Donostia/San Sebastián (Spain).

La Nomografía es una disciplina científica que se encarga de representar gráficamente fórmulas complejas mediante nomogramas, permitiendo el cálculo de tres o más variables matemáticas. Durante el siglo XX, esta técnica fue ampliamente utilizada en áreas como la ingeniería, medicina, electrónica, ciencias físicas, biológicas, etc. Sin embargo, con la llegada de las calculadoras y computadoras, la construcción de nuevos nomogramas y su enseñanza en la universidad disminuyeron. En los últimos años, la nomografía ha resurgido gracias a la ayuda de códigos de programación como PyNomo y Nomogen, basados en Python, que pueden generar un nomograma en cuestión de segundos, frente a las horas que antes requerían. En este trabajo se presentan estos códigos abiertos y algunos nomogramas generados con ellos, analizando su usabilidad, precisión y contribución a la relación entre las variables de las expresiones matemáticas. Finalmente, se destacan las posibilidades del uso de los nomogramas en la enseñanza e ingeniería de proyectos.

Estribos cerrados de puentes

Figura 1. Esquema de estribo cerrado. Imagen: V. Yepes

El estribo cerrado es uno de los tipos más comunes de estribos utilizados en puentes. Consiste en un muro frontal, que constituye la estructura principal del estribo, aletas laterales (con o sin muro lateral), un murete guarda y una losa de transición. En la Figura 1 se puede ver el esquema de su sección transversal. El muro frontal se encarga de recibir la carga del tablero a través de los apoyos, los cuales permiten que el tablero se mueva de forma independiente a los movimientos ocasionados por las tierras circundantes. Además, el estribo cerrado se apoya en el terreno natural, en lugar de hacerlo sobre el terraplén, lo que ayuda a reducir los asientos a largo plazo. Esto es especialmente beneficioso para evitar asentamientos que podrían afectar al tablero si este fuera hiperestático.

El diseño de la parte superior del estribo se determina según el tipo de carga y los movimientos del tablero. Por otro lado, la parte inferior está influenciada por las acciones del tablero y el empuje de las tierras, especialmente cuando el estribo es alto. En el caso de puentes ferroviarios, donde el empuje horizontal en la parte superior debido al frenado es significativo, el diseño de la parte inferior del estribo, incluyendo la variación de los espesores, el tamaño del cimiento, entre otros aspectos, también se ve afectado por este efecto. En los viaductos destinados a trenes de alta velocidad, es común utilizar anclajes tipo Gewi o cables de pretensado para sujetar el tablero a uno de los estribos. Este estribo se denomina estribo fijo, mientras que la junta de dilatación se ubica en el estribo opuesto.

El cierre lateral del estribo depende de si hay posibilidad de derrame de tierras por delante de él. En el caso poco frecuente de estribos cerrados donde se pueda producir derrame, se soluciona colocando una pequeña aleta triangular perpendicular al muro frontal del estribo. La altura y longitud de la aleta dependerán del grosor del tablero y la inclinación del derrame del terraplén. En el caso más frecuente, donde no hay derrame de tierras por delante del estribo, existen dos soluciones posibles. La primera es extender muros en continuación del muro frontal, conocidos como “aletas en prolongación”. La segunda es disponer muros adyacentes al propio muro frontal y perpendiculares a este, conocidos como “muros en vuelta”. En este último caso, dependiendo de la altura del estribo y la inclinación de las tierras, puede ser necesario construir verdaderos muros de contención para contener el terraplén.

Este tipo de estribo permite no verter tierras por delante de él, lo cual es especialmente útil cuando se desea evitar invadir la vía inferior. En caso de que haya edificaciones cercanas, se puede extender lateralmente el estribo mediante la construcción de un muro en vuelta, que puede prolongarse según sea necesario. Estos muros en vuelta pueden tener un ángulo de 90º con el estribo (Figura 2), siguiendo la disposición del vial en caso de que el estribo se desvíe, o pueden formar un ángulo (generalmente de 30º) siguiendo la inclinación del terraplén.

Figura 2. Paso elevado sobre la línea del ferrocarril en el término municipal de Lodosa. http://www.navarra.es/NR/rdonlyres/36F08D42-4369-4D8F-B831-194DE72E5827/103157/110408op61b2.JPG

En el caso de estribos de gran altura, generalmente a partir de unos 8 m, existen dos opciones alternativas en lugar de mantener un espesor constante, que suele ser significativo y solo necesario en los últimos metros inferiores, donde el cortante y el momento flector son más altos. La primera opción es establecer un espesor variable, en la cual se suele cambiar el espesor cada 4 m, que coincide con la altura típica de las capas de hormigonado. La segunda opción es utilizar un muro frontal nervado con rigidizadores verticales. En este caso, el muro frontal transmite el empuje de las tierras a través de la flexión horizontal a los nervios, y estos, a su vez, lo transmiten verticalmente a la cimentación.

La impermeabilización es un elemento esencial en un estribo, tanto para garantizar su funcionalidad como para reducir los empujes del trasdós. Por esta razón, todos los estribos deben contar con una capa de material filtrante en el trasdós, así como con un tubo de drenaje en el fondo que permita la evacuación de las aguas acumuladas detrás del muro frontal hacia el exterior.

Los asientos que ocurren en el terraplén de acceso son más significativos que los que se producen en el muro. En los puentes de carretera, se evita el resalto abrupto que se generaría en la unión entre ambos elementos mediante el uso de una losa de transición. Esta losa se apoya en las tierras de un lado y en el muro del otro, proporcionando una transición suave entre ambos extremos. El tamaño de esta losa dependerá de la diferencia de asientos entre el muro y el terraplén, así como de la altura y calidad del terraplén. Por lo general, una losa de transición de 4 a 5 m de longitud suele ser suficiente (Manterola, 2006).

Os dejo un pequeño vídeo donde se explican los estribos de los puentes, incluido el estribo cerrado. Espero que os sea de interés.

Referencias:

ARENAS, J.J.; APARICIO, A.C. (1984). Estribos de puente de tramo recto. Santander: Universidad de Cantabria.

DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (1994). Manual para el proyecto y ejecución de estructuras de suelo reforzado. Ministerio de Obras Públicas, Transportes y Medio Ambiente.

JURADO, C. (2016). Puentes (I). Evolución, tipología, normativa, cálculo. 2ª edición, Madrid.

MANTEROLA, J. (2006). Puentes II. Apuntes para su diseño, cálculo y construcción. Colección Escuelas. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Madrid.

YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328.

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

Puente pórtico, entre el arco y las vigas

Figura 1. El puente sobre el río Arga de la A-12, en Puente la Reina (Navarra), de Javier Manterola, de 120 m de luz. https://www.hortacoslada.com/es/proyectos/puente-rio-arga/

El puente pórtico se caracteriza por ser un sistema estructural en el que el dintel trabaja en conjunto con las pilas, presentándose como un caso intermedio entre un puente arco y un puente viga. Estos puentes son reconocidos por su belleza estética. Al igual que los puentes de vigas, constan de un tablero y pilas, estando el tablero está sujeto a flexión. Sin embargo, a diferencia de los puentes de vigas, las pilas generan empujes horizontales significativos en los cimientos, lo que requiere un terreno resistente para minimizar los desplazamientos horizontales. En caso de que el terreno no cumpla con los requisitos adecuados, como en el caso de un terreno blando, las pilas pueden abrirse, colapsar o reducirse el empuje horizontal, lo que hace que la ley de momentos se asemeje nuevamente a la de una viga con dos apoyos.

El objetivo principal al emplear el sistema de aporticado es reducir los momentos flectores generados en el puente mediante el empotramiento parcial proporcionado por la rigidez de las pilas. Como resultado de esta configuración, se originan momentos negativos en la unión entre los pilares y el dintel. Al reducir los momentos máximos en el dintel, se pueden construir puentes con luces más amplias. No obstante, la unión rígida del tablero con los estribos o las pilas para formar pórticos plantea desafíos en términos de las fuerzas axiales generadas por las cargas térmicas y las reacciones horizontales que el sistema del pórtico ejerce sobre las cimentaciones.

Con el fin de evitar el desplazamiento horizontal de la base de las pilas, es esencial contar con un terreno capaz de soportar las reacciones horizontales. Este requisito implica que el dintel del puente esté sometido a compresión. Esta respuesta estructural se conoce comúnmente como efecto pórtico, que presenta ligeras diferencias respecto al efecto arco, donde todo el puente en arco se somete a compresión.

Figura 2. El viaducto Sfalassà es un viaducto de 254 metros de altura situado cerca de Bagnara Calabra, Calabria, Italia. https://es.wikipedia.org/wiki/Viaducto_Sfalass%C3%A0

Existen diferentes tipologías básicas de puentes pórtico, que se describen a continuación:

Pórtico de dos o tres vanos con pilares verticales y apoyos deslizantes en los estribos. Este tipo de estructura se utiliza cuando se requiere un gálibo muy estricto. Las pilas pueden dividirse en dos elementos en forma de V, lo que logra un resultado estético agradable y mayor esbeltez en el vano (Figura 3).
Pórtico en forma de “pi” de tres vanos con pilares inclinados y apoyos deslizantes en los estribos. Esta solución es típica para la construcción de pasos superiores de autopistas.
Pilas altas y flexibles, desde las cuales parten dos dinteles construidos mediante voladizos simétricos. Estos dinteles se unen en el centro de los vanos para formar pórticos. Normalmente, se emplean apoyos deslizantes en los estribos.

Figura 3. Nuevo puente de Anyos (Andorra, 2002). https://www.cfcsl.com/portfolio/nuevo-puente-de-anyos-andorra-2002/

La inclinación de las pilas en un puente pórtico cumple dos funciones principales. En primer lugar, reduce la longitud del vano central del dintel y, al mismo tiempo, introduce una importante componente axial en esa sección. Además, busca un mejor empotramiento en el vano central, lo cual se compensa mediante la continuidad de los vanos laterales del dintel. Cuando las pilas están inclinadas, la respuesta estructural se asemeja a la de un puente en arco con un tablero conectado al arco sin montantes intermedios. En realidad, la forma en que estas dos estructuras soportan las cargas es muy similar, y la distinción entre ellas es en gran medida arbitraria.

Por otro lado, si las pilas del puente pórtico son altas y esbeltas en comparación con la longitud del vano central, se reduce el empotramiento entre las pilas y el dintel. En este caso, el tablero funciona más como una viga continua apoyada en las pilas. En esta configuración, el efecto pórtico se reduce considerablemente, lo que implica una pérdida de la eficacia buscada en la estructura.

Si la unión entre las pilas y el dintel es de articulación simple, la deformación del tablero bajo cargas verticales será similar a la de una viga simplemente apoyada. En cambio, si la unión es empotrada, la deformación seguirá el patrón indicado en la Figura 4, y esto dependerá de si el terreno ejerce o no empujes horizontales.

Figura 4. En la izquierda el terreno no resiste los empujes horizontales, en la derecha, sí (Jurado, 2016).

En el caso de un puente pórtico biarticulado, la deformación se asemeja a la de una viga continua con tres vanos. El vano central corresponde a la longitud del pórtico, mientras que las luces de los vanos laterales representan la altura de las pilas. Se puede visualizar como si se hubiera dividido el pórtico en una viga recta apoyada en los puntos de unión entre la viga y el pilar, y en los extremos, sometida a la carga presente en el vano central. En este tipo de puente, se producen interacciones constantes entre el suelo y la estructura, similar a los puentes en arco. A medida que el puente disminuye de tamaño, estas interacciones se vuelven más significativas.

Referencias:

JURADO, C. (2016). Puentes (I). Evolución, tipología, normativa, cálculo. 2ª edición, Madrid.

MANTEROLA, J. (2006). Puentes II. Apuntes para su diseño, cálculo y construcción. Colección Escuelas. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Madrid.

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

Proceso constructivo de un puente colgante

Figura 1. Gran Puente de Akashi Kaikyō, el puente colgante de mayor vano del mundo. Wikipedia.

El sistema de construcción de puentes colgantes tiene un impacto significativo en su estructura. Las fases principales en la ejecución de un puente colgante pasa por la construcción de las torres y contrapesos, el montaje de los cables principales y la ejecución del tablero.

Lo habitual es que el proceso constructivo comience con la ejecución de los anclajes y las torres. Los anclajes implican trabajos importantes de movimiento de tierras. Las torres o mástiles pueden ser de acero o de hormigón, presentando el desafío de la construcción en altura. En el caso del acero, se emplean técnicas bien desarrolladas de unión, como soldadura y tornillos de alta resistencia. Las torres de acero se montan por módulos prefabricados que se elevan mediante grúas trepadoras ancladas a la propia torre. En el caso del hormigón, se utilizan encofrados trepadores o deslizantes. En cualquier caso, se deben considerar los medios necesarios para elevar cargas de peso considerable a grandes alturas. Las grúas pueden ir creciendo a medida que las torres se elevan, estando ancladas a ellas.

Cuando los cables se anclan externamente, los contrapesos se vuelven indispensables y constituyen un elemento fundamental en la ejecución de la estructura. Los contrapesos requieren una precisa colocación de las piezas metálicas que servirán de anclaje al cable. En el caso de los puentes colgantes autoanclados, los cables principales se anclan al tablero, lo que elimina la necesidad de contrapesos. Por tanto, el tablero se convierte en el primer elemento a construir. Sin embargo, esta configuración conlleva la pérdida de una de las principales ventajas de la construcción de puentes colgantes, que es la capacidad de construir el tablero por etapas, sin importar la ubicación del puente.

Una vez ejecutadas las torres y los anclajes, es necesario proceder al montaje del cable principal, el cual constituye el elemento fundamental de la estructura resistente del puente colgante. El montaje de los cables principales es la fase más compleja, pues implica superar el vano existente entre las dos torres, lo que requiere tenderlo en el vacío. Se comienza lanzando unos cables guía, que son los primeros en abarcar la luz del puente y alcanzar los puntos de anclaje. En la mayoría de los puentes colgantes ubicados en áreas navegables, es posible pasar estos cables iniciales utilizando un remolcador. En la actualidad, este proceso ya no representa un problema gracias al uso de helicópteros e incluso drones.

Figura 2. Montaje de los cables en un puente colgante. https://www.ihi.co.jp/iis/en/technology/airspining/index.html

A partir del cable inicial, se instalan las pasarelas que se emplean para devanar los alambres del cable, ya sea mediante alambres individuales “in situ” (air spinning) o por cordones. Durante esta etapa, el viento representa el desafío más significativo, ya que puede ocasionar grandes desplazamientos laterales en la polea móvil. En algunas ocasiones, esto ha llevado a detener el proceso de montaje del puente, generando retrasos significativos en la construcción. Finalmente, se compacta el cable principal de manera discontinua por bandas de presión o de forma continua mediante recubrimiento de alambre.

En cuanto al montaje del tablero, se suele realizar por voladizos sucesivos, avanzando simétricamente desde una torre hacia el centro del vano y hacia los extremos. También es posible llevar las dovelas a su posición definitiva mediante flotación y elevarlas desde los cables principales con cabrestantes, colgándolas en su ubicación final con las péndolas.

Una vez se han montado los cables principales, adoptando la curva catenaria correspondiente a su propio peso, se procede al montaje del tablero. El proceso de montaje del tablero se suele realizar por voladizos sucesivos, avanzando simétricamente desde una torre hacia el centro del vano y hacia los extremos. Este método requiere el uso de grúas ubicadas sobre el tablero ya construido, capaces de elevar piezas de diferentes tamaños. También es posible llevar las dovelas estancas que se transportan flotando hasta su posición y se elevan elevarlas desde los cables principales con cabrestantes, colgándolas en su ubicación final con las péndolas. Este sistema de montaje resulta más económico que el anterior y, en este caso, la secuencia de montaje se ejecuta desde el centro del vano hacia las torres, de manera simétrica.

Os dejo algún vídeo sobre la construcción de este tipo de puentes. También os recomiendo mi artículo sobre la construcción del puente del Estrecho de Mackinac.

Referencias:

JURADO, C. (2016). Puentes (I). Evolución, tipología, normativa, cálculo. 2ª edición, Madrid.

MANTEROLA, J. (2006). Puentes II. Apuntes para su diseño, cálculo y construcción. Colección Escuelas. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Madrid.

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Estribos abiertos de puente

Figura 1. Esquema de estribo abierto. Imagen: V. Yepes

Se recomienda utilizar el estribo oculto bajo el terraplén en los puentes tipo paso superior, ya que esto mejora la visibilidad de los conductores que transitan por la vía inferior, lo cual a su vez aumenta la comodidad y la funcionalidad de la infraestructura. Si el estribo permite el paso de tierras a través de él, se considera un estribo abierto; de lo contrario, se clasifica como cerrado. En el caso de puentes con alturas superiores a 4 o 5 m, el uso de un estribo abierto ahorra materiales en comparación con uno cerrado. Estas alturas suelen ser comunes en los pasos superiores de las carreteras.

En esencia, un estribo abierto o falso se compone de un dintel o cargadero que sirve de apoyo para el tablero del puente. Este dintel descansa sobre pantallas o diafragmas que transfieren las cargas a la cimentación. Una característica importante del estribo abierto es que permite el vertido de tierra sobre él, lo cual ayuda a reducir el empuje horizontal ejercido por el terraplén. Para lograr esto, se crea una transición entre la viga cabezal que sostiene el dintel y el suelo de cimentación mediante el empleo de pantallas, pilotes u otros elementos que permiten el paso de la tierra. En esta solución, las pantallas desempeñan un papel crucial al reemplazar en gran medida el muro frontal del estribo cerrado, lo que resulta en un ahorro significativo de hormigón.

Estos estribos suelen estar compuestos por tres elementos principales (ver Figura 1): una viga cabezal que alberga los neoprenos y sirve como soporte y protección del tablero contra las tierras del terraplén; un murete de guarda o tape colocado sobre la viga para evitar la entrada de tierra en la zona de apoyo, con una aleta en cada extremo para mayor protección; dos pantallas que sustentan la viga cabezal o cargadero y permiten el paso del terraplén frente a ellas; y una zapata corrida que distribuye las cargas provenientes de las pantallas hacia el terreno de cimentación. Además, se incluye una losa de transición entre el terraplén y el tablero, la cual se apoya en la viga cabezal. Es frecuente que las alturas totales de los estribos y las tensiones admisibles de cimentación se encuentren en un rango de 6 a 15 m y de 0,2 a 0,5 MPa, respectivamente.

Figura 2. Geometría del estribo abierto: variables y principales parámetros (Luz *et al*, 2015).

La cantidad de pantallas a utilizar, así como su espesor y altura en la base, dependerán del ancho total del tablero y la altura del estribo. Incluso es posible contar con estribos abiertos que requieran solamente dos pantallas para tableros de aproximadamente 20 m de ancho, aunque en casos de tableros más anchos podrían ser necesarios diafragmas adicionales.

En este tipo de configuración, el dintel o cargadero se construye una vez completado el terraplén y los pilotes. Los pilotes, a su vez, se instalan después de finalizar los terraplenes para reducir en la medida de lo posible las presiones ejercidas por las tierras.

Sin embargo, este tipo de estribo no se considera apropiado para su uso en cauces fluviales debido a que la presencia de agua puede provocar la erosión del talud. Su utilización se limita a cruces de carreteras o vías férreas. Es imprescindible que el desbordamiento de tierras no cause inundaciones en la plataforma de tráfico inferior. Por lo tanto, el estribo debe estar adecuadamente separado de dicha plataforma, lo que implica que el tablero deba tener una longitud mayor.

Referencias:

ARENAS, J.J.; APARICIO, A.C. (1984). Estribos de puente de tramo recto. Santander: Universidad de Cantabria.

DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (1994). Manual para el proyecto y ejecución de estructuras de suelo reforzado. Ministerio de Obras Públicas, Transportes y Medio Ambiente.

LUZ, A., YEPES, V., GONZÁLEZ-VIDOSA, F., MARTÍ, J. V. (2015). Diseño de estribos abiertos en puentes de carretera obtenidos mediante optimización híbrida de escalada estocástica. Informes de la Construcción, 67(540): e114, doi: http://dx.doi.org/10.3989/ic.14.089.

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Estribos de puente de tierra estabilizada mecánicamente

Figura 1. Estribo de tierra estabilizada mecánicamente. Fuente: http://www.tierra-armada.com/

En situaciones en las que no es factible verter tierra frente al alzado del estribo debido a un terreno con baja capacidad portante, deformable o no se pueden realizar excavaciones, se requiere utilizar técnicas de tierra estabilizada mecánicamente, conocido también como suelo reforzado o bajo el nombre comercial de Tierra Armada®. Estas técnicas también son aplicables en zonas urbanas, donde es necesario evitar el derrame del terraplén y aprovechar las características estéticas que ofrecen este tipo de muros. Consisten en reforzar el material del terraplén mediante pletinas o flejes presentes en las escamas, fabricadas generalmente con materiales galvanizados o de fibra de carbono, que se colocan en el frente del estribo. Estas pletinas absorben eficientemente los empujes horizontales al interactuar con el suelo a través de la fricción.

El muro se complementa con escamas prefabricadas de hormigón, a las cuales se fijan los refuerzos (Figura 1). Estas escamas se entrelazan entre sí, presentando diversas formas, colores y texturas. En el trasdós de estas escamas se alojan armaduras o flejes que contrarrestan el empuje de las tierras mediante el rozamiento. La longitud de las armaduras debe ser igual o mayor a 0,7 veces la altura H del muro. En el caso de estructuras hiperestáticas, que pueden ser muy sensibles a los movimientos del macizo de tierra reforzada, es común separar el apoyo extremo del tablero del muro de tierra reforzada mediante la disposición de lo que podría considerarse como una pila adicional. En la coronación del muro, es posible disponer de un cargadero o durmiente que brinda soporte al tablero. Es frecuente separar el apoyo del tablero del muro mediante la colocación de una pila-estribo ubicada delante de este (Figura 2). La ejecución debe realizarse con cuidado para prevenir patologías, como descensos significativos o abultamiento de la pared exterior, entre otros problemas.

Figura 2. Estribo de tierra estabilizada mecánicamente. Fuente: http://www.tierra-armada.com/

La construcción de este tipo de estribos se caracteriza por ser rápida, sencilla y económica, lo que resulta en ahorros significativos, del orden del 15% al 40%, en comparación con estribos de puente ejecutados mediante sistemas convencionales. No obstante, es fundamental que estos estribos se ejecuten con gran precisión para evitar problemas posteriores como la ruptura de las escamas o desplazamientos.

El cargadero o estribo flotante debe diseñarse de manera que la presión transmitida al macizo de tierra reforzada sea adecuada, evitando una carga excesiva que requiera un alto número de armaduras en los niveles inferiores de escamas. Como referencia, se recomienda dimensionar la planta del durmiente de tal manera que la presión transmitida al lecho no supere los 0,2 MPa.

En el caso de estribos de altura moderada, la distancia mínima requerida entre el borde del durmiente y el paramento es de 10 cm. Por el contrario, para muros de 10 m de altura, dicha distancia no debe ser inferior a 15 cm. Es importante garantizar que el espacio entre el eje de los apoyos del tablero y el borde exterior del paramento no sea inferior a 1 m.

Al considerar las características geométricas de un estribo de tierra estabilizada mecánicamente, es fundamental tener en cuenta varios aspectos clave. Primero, la anchura B del macizo de suelo reforzado, determinada por la longitud de los flejes, debe ser mayor al 70% de H siempre que H sea inferior a 20 m, y mayor al 60 % de H más 2 m en el caso de muros más bajos. Además, la profundidad D del muro en el terreno debe ser de al menos 0,40 m, a menos que esté cimentado sobre un terreno compacto no susceptible a heladas, y generalmente supera el 10 % de H en estribos normales. Asimismo, la presión transmitida por el durmiente debido a las cargas permanentes debe ser inferior a 0,2 MPa, y la distancia entre el eje de los apoyos del tablero y el borde exterior del paramento debe ser de al menos 1 m. Es relevante que el estribo flotante se asiente sobre una capa de suelo tratado con un 3% a 5% de cemento, con un espesor mínimo de 0,50 m. La parte frontal del durmiente debe separarse al menos 10 cm del paramento, y en el caso de estribos con una altura superior a 10 m, se requiere una distancia mínima de 15 cm. Además, el durmiente debe contar con un resguardo mínimo de suelo tratado en su parte trasera de 30 cm.

En algunas ocasiones, se separa la función de contener las tierras de la de soportar el dintel. En este caso, el dintel estará pilotado y se ubicará por delante del muro. Sin embargo, es importante considerar que la carga del muro puede generar rozamientos negativos en los pilotes, lo que podría hacer que trabajen en tracción. Para evitar esta situación, se recomienda construir primero el muro y posteriormente ejecutar el pilotaje del durmiente. Es preferible pilotar lo más tarde posible para permitir que se produzca la mayor parte del asiento del muro antes de su ejecución.

Os dejo algunos vídeos de interés:

También os paso el manual de la Dirección General de Carreteras para el proyecto y ejecución de estructuras de suelo reforzado.

Descargar (PDF, 93.29MB)

Referencias:

DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (1994). Manual para el proyecto y ejecución de estructuras de suelo reforzado. Ministerio de Obras Públicas, Transportes y Medio Ambiente.

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Premio para Mehrdad Hadizadeh-Bazaz en el VIII Encuentro de Estudiantes de Doctorado

Mehrdad Hadizadeb-Bazaz, junto al trabajo galardonado.

Quisiera felicitar públicamente a nuestro estudiante de doctorado Mehrdad Hadizadeb-Bazaz por su Premio al mejor trabajo en la modalidad de póster otorgado por la Escuela de Doctorado de la Universitat Politècnica de València, dentro del VIII Encuentro de Estudiantes de Doctorado. Tengo el honor y el placer de dirigir su tesis doctoral junto con el profesor Ignacio J. Navarro. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal.

En la actualidad, debido a los altos costos de construir grandes estructuras como puentes, resulta sumamente importante prestar atención a la reparación y mantenimiento de dichas estructuras, con el fin de aumentar su vida útil y utilizar los métodos adecuados para reducir los costos asociados a su mantenimiento y reparación. En este sentido, resulta crucial emplear métodos apropiados y no destructivos para diagnosticar y predecir los daños en estas estructuras. Además, es importante considerar la evaluación del ciclo de vida y la sostenibilidad de los diferentes métodos de detección de daños.

En este estudio, se examina la precisión de diversos métodos de detección de daños, tanto dinámicos como no destructivos, para identificar la magnitud, ubicación y momento en que se produce el daño en la estructura a lo largo de su vida útil. Se evalúa la precisión y posibles variaciones de cada uno de los métodos de detección de daños en distintos entornos, especialmente en ambientes costeros y ambientes agresivos. Además, se realiza una evaluación del desempeño y comparación de diferentes métodos de detección de daños no destructivos, teniendo en cuenta casos de sostenibilidad de diseño y evaluación del ciclo de vida, incluyendo aspectos económicos, ambientales e impactos sociales.

Os dejo el póster completo, para que lo podáis leer.

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