Acaban de publicarnos en DYNA, revista indexada en el JCR, un artículo sobre la mejora de la evaluación de la sostenibilidad de puentes en entornos agresivos mediante la decisión grupal multicriterio. Aborda el desafío de combinar las dimensiones económica, ambiental y social en un único indicador holístico para la toma de decisiones en el diseño de infraestructuras. 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 evaluación de la sostenibilidad de los puentes en entornos agresivos mediante la aplicación de técnicas de toma de decisiones grupales en el ámbito de los criterios múltiples. Aborda el desafío de combinar las dimensiones económica, ambiental y social en un único indicador holístico para la toma de decisiones en el diseño de infraestructuras.
El estudio evalúa cinco alternativas de diseño diferentes para un puente de hormigón expuesto a un entorno costero utilizando cuatro técnicas de toma de decisiones (ANP, TOPSIS, COPRAS y VIKOR). Los resultados indican que los hormigones que contienen pequeñas cantidades de humo de sílice funcionan mejor a lo largo de su ciclo de vida que otras soluciones que suelen aumentar la durabilidad.
La investigación contribuye al desarrollo de herramientas y métodos para evaluar la sostenibilidad de las infraestructuras y guiar las futuras acciones de diseño en diversas estructuras. Se alinea con el enfoque en promover las iniciativas de economía circular y el cumplimiento de los requisitos ambientales y sociales específicos en las licitaciones de proyectos públicos
Abstract:
The construction industry is increasingly recognized as critical in achieving Sustainable Development Goals. Construction activities and infrastructure have both beneficial and non-beneficial impacts, making infrastructure design a focal point of current research investigating how best to contribute to sustainability as society demands. Although methods exist to assess infrastructures’ economic, environmental, and social life cycle, the challenge remains in combining these dimensions into a single holistic indicator to facilitate decision-making. This study applies four decision-making techniques (ANP, TOPSIS, COPRAS, and VIKOR) to evaluate five different design alternatives for a concrete bridge exposed to a coastal environment. The results indicate that concretes containing even small amounts of silica fume perform better over their life cycle than other solutions usually considered to increase durability, such as water/cement ratio reduction or concrete cover increase.
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)
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.
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.
Durante los días 10-13 de julio de 2023 tiene lugar en Donostia-San Sebastián (Spain) el 27th International Congress on Project Management and EngineeringAEIPRO 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.
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.
Figura 1. El puente sobre el río Arga de la A-12, en Puente la Reina (Navarra), de Javier Manterola, con 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 se caracterizan por su belleza estética. Al igual que los puentes de vigas, están formados por un tablero y pilas, y el tablero está sujeto a flexión. Sin embargo, a diferencia de los puentes de vigas, las pilas generan empujes horizontales significativos en los cimientos, por lo que se requiere un terreno resistente para minimizar los desplazamientos horizontales. Si el terreno no cumple los requisitos necesarios, por ejemplo, si es blando, las pilas pueden abrirse, colapsar o reducir el empuje horizontal, por lo que la ley de momentos se asemejaría nuevamente a la de una viga con dos apoyos.
El objetivo principal del 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, es posible construir puentes con luces más amplias. Sin embargo, la unión rígida del tablero con los estribos o las pilas para formar pórticos plantea desafíos en cuanto a las fuerzas axiales generadas por las cargas térmicas y las reacciones horizontales que el sistema del pórtico ejerce sobre las cimentaciones.
Para 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 está 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, en 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 una mayor esbeltez del 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 de un puente pórtico cumple dos funciones principales. En primer lugar, reduce la longitud del vano central del dintel e introduce una componente axial significativa en dicha sección. Además, permite un mejor empotramiento en el vano central, compensado por 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, por lo que 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, el empotramiento entre las pilas y el dintel se reduce. En este caso, el tablero actúa más bien 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. Si la unión es empotrada, la deformación seguirá el patrón indicado en la Figura 4, lo cual dependerá de si el terreno ejerce empujes horizontales.
Figura 4. A la izquierda, el terreno no resiste los empujes horizontales; a la derecha, sí (Jurado, 2016).
En el caso de un puente pórtico biarticulado, la deformación es similar 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 imaginar como si el pórtico se hubiera dividido en una viga recta, apoyada en los puntos de unión entre la viga y la pila, en los extremos y sometida a la carga presente en el vano central. En este tipo de puente se producen interacciones constantes entre el suelo y la estructura, similares a las de los puentes en arco. A medida que el puente es más pequeño, estas interacciones son más importantes.
MANTEROLA, J. (2006). Puentes II.Apuntes para su diseño, cálculo y construcción. Colección Escuelas. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Madrid.
Figura 1. Gran Puente de Akashi Kaikyō, el puente colgante de mayor vano del mundo. Wikipedia.
El sistema de construcción de puentes colgantes condiciona directamente su comportamiento estructural, ya que la estructura evoluciona progresivamente hasta alcanzar su configuración definitiva. La secuencia de ejecución se organiza en varias fases: construcción de cimientos, anclajes y torres, tendido de cables principales, instalación de péndolas o tirantes verticales y montaje del tablero suspendido. A lo largo de este proceso, el sistema resistente atraviesa estados intermedios en los que no responde al esquema final, pasando de configuraciones parcialmente autoportantes a un sistema en el que los cables principales adoptan una directriz de catenaria que transmite las cargas hacia las torres y los anclajes. Por este motivo, resulta necesario un análisis detallado de las fases constructivas, junto con un control riguroso de las tensiones y deformaciones en cada etapa.
En las primeras fases, la construcción suele iniciarse con la ejecución de los anclajes y de las torres. Los anclajes implican importantes trabajos de movimiento de tierras y se materializan, en general, mediante macizos de hormigón armado de gran volumen, diseñados para resistir las fuerzas horizontales de tracción de los cables principales mediante su peso propio y la interacción con el terreno. A continuación, se construyen las torres o mástiles, que pueden ser de acero o de hormigón, lo que introduce condicionantes específicos asociados a la ejecución en altura. En torres metálicas, el montaje se realiza mediante módulos prefabricados unidos por soldadura o por tornillos de alta resistencia, y los módulos se izan mediante grúas trepadoras ancladas a la propia torre. En torres de hormigón, se emplean encofrados trepadores o deslizantes. En ambos casos, es necesario prever medios auxiliares capaces de elevar cargas de gran peso a cotas elevadas, siendo habitual que las grúas crezcan solidariamente con la estructura. De forma simultánea, se deben controlar las tolerancias geométricas, la verticalidad y los efectos del viento, particularmente relevantes en elementos esbeltos.
Según el sistema de anclaje, la secuencia constructiva difiere significativamente. Cuando los cables se anclan externamente, los contrapesos resultan necesarios y constituyen un elemento fundamental del sistema, ya que permiten transmitir las fuerzas de tracción a los macizos de anclaje. La ejecución de estos sistemas requiere una colocación precisa de los dispositivos metálicos de anclaje, garantizando una adecuada transferencia de esfuerzos y evitando concentraciones de tensiones o deslizamientos. Desde el punto de vista resistente, el conjunto puede interpretarse como un sistema equivalente a un arco invertido que actúa a tracción. En cambio, en los puentes colgantes autoanclados, los cables principales se fijan al propio tablero, lo que elimina la necesidad de contrapesos. En este caso, el tablero pasa a ser el primer elemento a construir, lo que obliga a disponer de estructuras auxiliares provisionales que aseguren su estabilidad hasta el cierre del sistema estructural. Esta configuración implica la pérdida de la posibilidad de construir el tablero por etapas, independientemente de su posición definitiva, lo que condiciona el proceso constructivo.
Una vez completadas las torres y los anclajes, se inicia el montaje de los cables principales, que constituyen el elemento resistente fundamental del puente colgante y cuya correcta ejecución condiciona la geometría final y la distribución de esfuerzos en servicio. Estos cables están formados por miles de alambres de acero galvanizado de alta resistencia, agrupados para trabajar conjuntamente a tracción, siendo determinante la precisión en su trazado geométrico.
El proceso comienza con el tendido de un cable guía que conecta los anclajes entre sí y atraviesa las torres. Tradicionalmente, este cable se disponía mediante embarcaciones en zonas navegables; en la práctica actual, se emplean helicópteros o drones, lo que permite su instalación en emplazamientos de difícil acceso. Este cable guía sirve de soporte para las operaciones posteriores y define la dirección geométrica del cable principal.
A continuación, se instalan las pasarelas de servicio o catwalks, que permiten el acceso continuo a lo largo del vano. En estas pasarelas se monta el cableado mediante dos procedimientos principales. El primero es el método de devanado aéreo o air spinning, en el que los alambres individuales se transportan mediante un carro móvil que recorre repetidamente la distancia entre anclajes, acumulándose progresivamente hasta formar el cable. El segundo es el método de cordones paralelos prefabricados (PPWS), en el que se colocan directamente haces de alambres previamente fabricados en el taller. El método air spinning permite un control preciso del número y la distribución de alambres, mientras que el sistema de cordones prefabricados reduce los tiempos de ejecución en obra.
Una vez completado el montaje de los alambres o cordones, el cable se somete a un proceso de compactación mediante prensas hidráulicas hasta obtener una sección aproximadamente circular. Posteriormente, se recubre con alambre helicoidal y se aplican sistemas de protección frente a la corrosión, como pinturas o envolventes estancas. Estas operaciones permiten mejorar la densidad del cable, reducir los vacíos internos y optimizar su comportamiento frente a las acciones aerodinámicas y a los fenómenos de fatiga..
Figura 2. Montaje de cables en un puente colgante. https://www.ihi.co.jp/iis/en/technology/airspining/index.html
Durante la ejecución de los cables principales, el viento constituye la acción más condicionante, ya que puede provocar desplazamientos transversales en los carros de tendido y en las plataformas de trabajo. Por ello, se emplean sistemas de arriostramiento provisional y amortiguadores, estableciéndose límites operativos en función de la velocidad del viento que pueden obligar a la suspensión temporal de los trabajos.
Una vez finalizados los cables principales, se instalan las péndolas mediante dispositivos de fijación denominados cable bands, que se colocan en posiciones previamente definidas a lo largo de los cables. Cada péndola se dimensiona y ajusta a una longitud específica para garantizar la correcta rasante del tablero y la adecuada distribución de cargas en el sistema de suspensión.
En lo relativo al montaje del tablero, este puede realizarse mediante distintos procedimientos. Uno de los más habituales consiste en el avance mediante voladizos sucesivos, desarrollados de forma simétrica desde las torres hacia el centro del vano y hacia los extremos. Este método requiere el uso de grúas situadas sobre el tablero ya construido, capaces de izar dovelas de distintos tamaños; dichas grúas suelen desplazarse sobre carriles provisionales dispuestos sobre el propio tablero en construcción.
De forma alternativa, las dovelas pueden transportarse por flotación hasta su posición definitiva y elevarse mediante cabrestantes suspendidos de los cables principales, quedando finalmente colgadas mediante las péndolas. Este procedimiento suele presentar ventajas económicas y, en este caso, se ejecuta desde el centro del vano hacia las torres, manteniendo una secuencia simétrica. La elección del método depende de factores como la navegabilidad del entorno, las condiciones logísticas, la altura libre requerida o la disponibilidad de medios auxiliares.
Una vez finalizado el montaje estructural, se desarrolla una fase de ajuste y comprobación en la que se controlan las tensiones de los cables, la nivelación del tablero y la geometría de la catenaria. Estas operaciones pueden implicar el reajuste de las longitudes de las péndolas o la redistribución de tensiones en el sistema de suspensión. De forma complementaria, se realizan pruebas de carga estática y dinámica para verificar el comportamiento global de la estructura antes de su puesta en servicio y contrastar los resultados con los modelos de cálculo empleados en el proyecto.
El mantenimiento del puente se inicia desde su puesta en servicio. Los cables principales, las péndolas y los anclajes están sometidos a esfuerzos continuos y a la acción de agentes ambientales agresivos, lo que exige inspecciones periódicas. Las operaciones habituales incluyen la limpieza y repintado de los cables, el control de la corrosión, la sustitución de péndolas o alambres deteriorados y la supervisión del comportamiento aerodinámico frente al viento. En estructuras de gran luz, es frecuente la implantación de sistemas de monitorización estructural que permiten registrar variables como tensiones, deformaciones y vibraciones en tiempo real.
En este contexto, la durabilidad del puente depende de la eficacia de las estrategias de mantenimiento y de los sistemas de protección frente a la corrosión. Una planificación adecuada de estas actuaciones permite alcanzar vidas útiles superiores a los cien años, mantener condiciones de servicio adecuadas y limitar la necesidad de intervenciones estructurales de gran envergadura.
MANTEROLA, J. (2006). Puentes II.Apuntes para su diseño, cálculo y construcción. Colección Escuelas. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Madrid.
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.
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.
DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (1994). Manual para el proyecto y ejecución de estructuras de suelo reforzado. Ministerio de Obras Públicas, Transportes y Medio Ambiente.
Acaban de publicarnos en DYNA, revista indexada en el JCR, un artículo sobre la mejora de la evaluación de la sostenibilidad de puentes en entornos agresivos mediante la decisión grupal multicriterio. Aborda el desafío de combinar las dimensiones económica, ambiental y social en un único indicador holístico para la toma de decisiones en el diseño de infraestructuras. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
