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 especial atención a las hipótesis de carga y a 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 suelen depender de una empresa especializada. Se debe exigir que la cimbra sea estable, especialmente ante el pandeo, y que las deformaciones previstas puedan compensarse con las contraflechas necesarias.
Muchos problemas en las cimbras se deben al punto de encuentro entre las torres y el encofrado, ya que 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, provocadas 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 debido a una mala colocación de los perfiles o de los tablones. Todo ello lleva a que se deban 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 resistir las cargas horizontales. Además, una cimentación de las torres sobre tablones mal asentados o poco rígidos incrementa significativamente el asiento diferencial y, en consecuencia, el incremento de carga no previsto en alguno de los apoyos.
A continuación, os dejo 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, titulada “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 breve 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 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, lo que mejora 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, aun 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 vuelven muy complejos 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 desarrollado. Están completamente diseñados para su construcción y, para ello, constan de 40 variables discretas. Los estribos no han sido tratados previamente 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 en parejas con el coste (mediante una optimización multiobjetivo híbrida MOSAMO).
Los estribos así obtenidos son diseños óptimos que no han requerido 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 la de la tesis. Por ello, la bondad del diseño final depende en gran medida del proyectista que lo gestiona y de la bibliografía que conoce. La bibliografía sobre el diseño de estribos es escasa y no exhaustiva. Este trabajo la amplía incorporando 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 cual se han comprobado ahorros económicos superiores al 18% (fundamentalmente en la zapata). Para este ER se ha realizado un estudio paramétrico para obtener los estribos óptimos, con alturas totales entre 6 y 15 m y 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 obtienen ahorros del 60% en el 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, inferiores al 0,2 %. Con un ordenador Intel Core 2 Quad CPU Q6600 de 2.4 GHz y 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, en 1 h 35’ (38’ con el ordenador actual). Dentro del segundo grupo se desarrollan dos nuevas heurísticas, HSDLS y HSPDLS, basadas en Harmony Search e híbridas con DLS, sin penalizaciones y con penalizaciones (y con el mismo operador de mutación del primer grupo), con las que se obtienen 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 ello implica un elevado número de armaduras pasivas. La optimización MO (coste de 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 a 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.
MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2015). A postgraduate course on precast-prestressed concrete road bridges optimization. 3rd International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering CMMoST 2015, 24-26 de june, Seville (Spain), pp. 27-40. ISBN: 978-84-606-9356-7
Resumen: Este artículo se ocupa del diseño automático de estribos abiertos de hormigón armado en puentes de carretera de coste mínimo, empleando para ello dos algoritmos híbridos de escalada estocástica con operadores de mutación basados en los algoritmos genéticos. Los algoritmos empleados se basan en el recocido simulado (SAMO) y en la aceptación por umbrales (TAMO). Ambos algoritmos se aplican a un estribo definido por 40 variables discretas. Se han comprobado ahorros económicos superiores al 18 % respecto a un estribo de referencia de una altura de 9 m realmente construido, con diferencias pequeñas entre ambos algoritmos, del 0,5 % a favor de SAMO. Además, se ha realizado un estudio paramétrico para alturas de estribo entre 6 y 15 m para diferentes tensiones admisibles del terreno que ofrece criterios de predimensionamiento a los proyectistas. Se ha comprobado, además, que el ahorro económico se localiza fundamentalmente en la zapata de estas estructuras.
Cómo citar este artículo/Citation: 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.
