Cálculo de la profundidad de la hinca de una tablestaca para evitar el sifonamiento

Figura 1. Sifonamiento en la base de una tablestaca o de una pantalla.

La inestabilidad del fondo o sifonamiento ocurre cuando existe un flujo ascendente; un terreno granular no consolidado puede perder completamente su resistencia al corte y comportarse como un fluido (arenas movedizas, partículas sueltas, como en ebullición), por lo que al fenómeno también se le conoce como fluidificación. Ello ocurre cuando un incremento de la presión intersticial anula la presión efectiva, o dicho de otra forma, cuando las fuerzas producidas por la filtración superan el peso sumergido del suelo. Este fenómeno podría presentarse en pantallas o tablestacas con un empotramiento reducido (Figura 1). En un artículo anterior, al que denominamos “El efecto Renard, o por qué un suelo parece que entra en ebullición: Sifonamiento”, explicamos con cierto detalle este fenómeno y determinamos cuál debería ser la profundidad a la que se hincara una tablestaca para evitar que un suelo sin cohesión pierda por completo su resistencia al corte y pase a comportarse como un fluido.

A este respecto, ya avisamos que una cosa es la profundidad mínima de empotramiento para evitar el sifonamiento y otra bien diferente es calcular el empotramiento necesario de una tablestaca para soportar los esfuerzos de empuje a los que está sometida. Por tanto, el empotramiento real será el mayor de los dos valores. Se recomienda siempre realizar con detalle los cálculos geotécnicos y estructurales necesarios. Y sobre todo, utilizar el sentido común.

En esta ocasión os paso un problema resuelto en el que se calcula la profundidad mínima a la que debe hincarse una tablestaca para evitar el sifonamiento. Este es uno de los casos estudiados en el “Curso de Procedimientos de Construcción de cimentaciones y estructuras de contención en obra civil y edificación”. Espero que os sea de interés.

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REFERENCIAS:

  • PÉREZ VALCÁRCEL, J.B. (2004). Excavaciones urbanas y estructuras de contención. Ediciones Cat, Colegio Oficial de Arquitectos de Galicia, 419 pp.
  • POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W., DYER, M.R. (2004). Groundwater control: design and practice. CIRIA C515, London.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • 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. ISBN: 978-84-9048-903-1.
  • YEPES, V. (2021). Procedimientos de construcción para la compactación y mejora del terreno. Colección Manual de Referencia, 1ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 426 pp. Ref. 428. ISBN: 978-84-9048-603-0.
  • YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

Cursos:

Curso de Procedimientos de Construcción de cimentaciones y estructuras de contención en obra civil y edificación.

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Cálculo de la máxima profundidad de excavación frente al taponazo

Figura 1. Rotura de fondo o taponazo.

En una entrada anterior, en la que se describían los problemas del agua en las excavaciones, ya se habló del levantamiento de fondo o taponazo: el fondo de la excavación puede volverse inestable cuando el peso del terreno no es capaz de equilibrar el empuje del agua (Figura 1). Es típico de un estrato de baja permeabilidad (como una arcilla o roca sin fisuras) situado sobre un acuífero confinado de mayor conductividad hidráulica (como una grava muy permeable). Suele resolverse el problema con pozos de alivio.

En esta ocasión, os paso un problema resuelto en el que se calcula la máxima profundidad de excavación frente al taponazo. Este es uno de los casos estudiados en el “Curso de procedimientos de contención y control del agua subterránea en obras de Ingeniería Civil y Edificación”. Espero que os sea de interés.

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REFERENCIAS:

  • PÉREZ VALCÁRCEL, J.B. (2004). Excavaciones urbanas y estructuras de contención. Ediciones Cat, Colegio Oficial de Arquitectos de Galicia, 419 pp.
  • POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W., DYER, M.R. (2004). Groundwater control: design and practice. CIRIA C515, London.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • 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. ISBN: 978-84-9048-903-1.
  • YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

Cursos:

Curso de procedimientos de contención y control del agua subterránea en obras de Ingeniería Civil y Edificación

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¿Es rentable contratar un servicio de mantenimiento para el parque de maquinaria?

El mantenimiento y la reparación de los equipos representan un coste importante para los parques de maquinaria de las empresas constructoras. Una posibilidad que tienen los parques es acordar un acuerdo con un proveedor para realizar las labores de mantenimiento.

Sin embargo, para que ello sea rentable, el parque debe hacer sus números. Este es uno de los casos estudiados en el “Curso de gestión de costes y producción de la maquinaria empleada en la construcción”.

Os paso un ejemplo de problema en el que se puede ver cómo se puede ejecutar dicho cálculo. Espero que les sea de interés.

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Referencias:

YEPES, V. (2022). Gestión de costes y producción de maquinaria de construcción. Colección Manual de Referencia, serie Ingeniería Civil. Editorial Universitat Politècnica de València, 243 pp. Ref. 442. ISBN: 978-84-1396-046-3

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

Curso:

Curso de gestión de costes y producción de la maquinaria empleada en la construcción

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Programas de puntos de inspección del Código Estructural (Excel)

En una de las entradas de mi blog de las que hablaba del Programa de Puntos de Inspección del Código Estructural (PPIs), se decía que el Ministerio de Transportes, Movilidad y Agenda Urbana incluiría un enlace donde se puede acceder a unas tablas editables para la elaboración de los PPIs. Se trata de una tabla Excel editable donde aparecen las unidades de inspección y frecuencia de comprobación por lote de control de ejecución, tanto para el acero como para el hormigón. Ya los tenéis en el siguiente enlace:

¿Cómo afecta la inflación a la selección de la maquinaria en la construcción?

En un artículo anterior explicamos cómo se podría seleccionar una máquina empleada en la construcción atendiendo a criterios económicos. Para eso explicamos los conceptos de Valor Actual Neto (VAN) y Tasa Interna de Rentabilidad (TIR). Sin embargo, la inflación incide en el cálculo de estos indicadores. Vamos a explicar ahora cómo influye la variación de los precios en la selección económica de los equipos. Pero aquellos que estéis más interesados en profundizar en aspectos de gestión de costes y producción de la maquinaria, podéis consultar en el siguiente curso que he preparado: https://ingeoexpert.com/cursos/curso-de-gestion-de-costes-y-produccion-de-la-maquinaria-empleada-en-la-construccion/

Los flujos de caja de la mayor parte de las inversiones productivas, entre las que se encuentran las máquinas empleadas en la construcción, se ven afectados por la inflación. Evidentemente, la inflación provocará que la empresa incremente el precio de sus productos y, por tanto, los flujos netos de caja. Sin embargo, no se debe olvidar que la inflación también afectará a los precios de las materias primas, mano de obra, etc.

Si denominamos ej los ingresos netos en el año j, n el número de periodos, e i la tasa de actualización o coste del capital, g a la tasa de inflación y f al tanto por uno en que cada año incrementa el valor nominal de los flujos netos de caja a consecuencia de la inflación, el valor actual neto (VAN) se puede calcular de la siguiente forma:

Por otra parte, el efecto de la inflación se puede introducir en términos de elasticidad. Así, la elasticidad de los flujos netos de caja-índice general de precios se puede expresar como:

De esta forma,

Se puede calcular la tasa interna de retorno (TIR) como el valor de i que anula el VAN.

Si Ef es mayor que uno, la inflación influye favorablemente sobre la inversión, pues eleva su valor capital y su tasa de retorno. En caso contrario, repercute negativamente. En caso de ser Ef igual a la unidad, no existe repercusión de la inflación en las decisiones de inversión.

Pero creo que será mejor que veamos algunos problemas resueltos para que tengáis claro cómo se calculan estos índices con la inflación. Espero que os sean de interés.

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Referencias:

LIDÓN, J. (1998). Economía en la construcción I. Editoral de la Universidad Politécnica de Valencia, 366 pp.

PELLICER, E.; YEPES, V.; TEIXEIRA, J.C.; MOURA, H.P.; CATALÁ, J. (2014). Construction Management. Wiley Blackwell, 316 pp. ISBN: 978-1-118-53957-6.

PÉREZ GOROSTEGUI, E. (2021). Dirección de empresas. Editorial Universitaria Ramón Areces, 784 pp.

SUÁREZ, A.S. (1991). Decisiones óptimas de inversión y financiación en la empresa. Ediciones Pirámide, Madrid, 847 pp.

YEPES, V. (1997). Equipos de movimiento de tierras y compactación. Problemas resueltos. Colección Libro Docente nº 97.439. Ed. Universitat Politècnica de València. 253 pág. Depósito Legal: V-4598-1997. ISBN: 84-7721-551-0.

YEPES, V. (2022). Gestión de costes y producción de maquinaria de construcción. Colección Manual de Referencia, serie Ingeniería Civil. Editorial Universitat Politècnica de València, 243 pp. Ref. 442. ISBN: 978-84-1396-046-3

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

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Lean Higher Education: eliminar desperdicios en la educación universitaria

He de agradecer a Alfonso González Hermoso de Mendoza la oportunidad que me brindó de ofrecer mi visión sobre los títulos universitarios y la nueva burocracia generada para acreditar dichos títulos. Esta invitación fue fruto del seminario que impartí en la Universidad de Alicante sobre los resultados de aprendizaje.

Este artículo se ha publicado en Espacios de Educación Superior bajo el título: La filosofía Lean aplicada a la gestión de los títulos universitarios. Cómo incrementar el valor añadido en la educación superior eliminando la burocracia. Os dejo el artículo completo por si os resulta de interés.

“Estuve a principios de julio en la Universidad de Alicante impartiendo una charla sobre los resultados de aprendizaje en el ámbito universitario. Fue una experiencia enriquecedora, pues me permitió conocer de primera mano algunas opiniones sobre el nuevo enfoque que se está desarrollando en torno a la enseñanza de grados y másteres. Nos encontramos ante un cambio de paradigma, impulsado por Bolonia, que busca centrar el proceso de aprendizaje en el estudiante y propone garantizar la calidad de los títulos universitarios.

En efecto, el aseguramiento de la calidad de la enseñanza pasa por establecer un sistema de gestión que impulse la mejora continua. Se basa en procesos y evidencias que permiten una auditoría externa que avale la calidad. Aspectos como el contrato-programa, la definición de resultados de aprendizaje, el sistema común de créditos (ECTS), entre otros, permiten establecer un sistema de aseguramiento de la calidad que, por desgracia, conlleva un incremento desmesurado de la burocracia necesaria, lo que aleja al profesorado de los objetivos últimos del proceso de aprendizaje.

Una pequeña encuesta realizada en dicha charla apuntaba a que los profesores opinaban que la universidad debe centrarse en el estudiante y que es necesario asegurar la calidad de los títulos universitarios mediante su acreditación. Sin embargo, su opinión era contraria a la necesidad de tanta burocracia que conlleva dicha acreditación. Este problema no es exclusivo del ámbito universitario, sino que es habitual en cualquier tipo de organización. Así, muchas empresas tienen certificado su sistema de gestión de calidad mediante la norma ISO 9001, pero ello supone para ellas una carga administrativa costosa. En demasiadas ocasiones, en el mes anterior a la auditoría, encontramos a todo el mundo rellenando papeles y preparando evidencias para superar el examen periódico al que se ven sometidos. Es decir, existe un alejamiento real entre la calidad del sistema de gestión y la realidad de la organización. Lo más sangrante es que aquellas organizaciones que cuenten con un buen equipo dedicado al papeleo pueden enfrentarse a una auditoría de una certificación mejor que otras, independientemente de la excelencia de la organización. Lo mismo puede pasar con la acreditación de los títulos universitarios.

Un paso más allá del aseguramiento de la gestión está la gestión estratégica de la calidad, llamada en algunos foros “Calidad Total”. En este escalón de madurez, la calidad se integra en la gestión cotidiana de la organización. La preocupación no es solo la satisfacción del cliente, sino también la de todos los grupos de interés. Esta filosofía podría aplicarse a la universidad, donde los interesados son los estudiantes, los profesores, el personal de administración y servicios y, como no, la propia sociedad, entre otros muchos.

En este escalón de madurez, lo importante es incorporar valor añadido a nuestros procesos, no solo para los clientes, sino también para todos los grupos de interés. Bolonia incide en situar al estudiante en el foco del proceso, pero no habría que olvidar al resto de agentes que participan o se benefician de las actividades desarrolladas en los campus.

La filosofía “Lean”, muy presente en empresas como Toyota, busca eliminar todo tipo de desperdicios, es decir, procesos o actividades que no aportan valor añadido al cliente. En el ámbito universitario, Lean debería definir el valor deseado para cada grupo de interés, identificar las actividades que añaden valor a lo largo de la cadena de valor, asegurar que estas fluyan sin interrupciones y acelerar el ciclo de mejora, buscando la perfección. A este nuevo paradigma se le ha denominado Lean Higher Education (LHE), que es la adaptación del pensamiento Lean a la educación superior. Por tanto, se trata de identificar los desperdicios que no aportan valor añadido, en especial los innecesarios. Entre ellas, el exceso de burocracia que se ha generado hoy en día para acreditar los títulos universitarios.

Sin embargo, esta reducción del papeleo no podría acometerse sin cambiar los procesos y sin incorporar realmente la calidad en la gestión. Es decir, no se puede eliminar automáticamente la etapa de aseguramiento de la calidad, sino que hay que superarla. Organizaciones de todo tipo ya aplican la teoría del “cero defectos” a sus productos y servicios. Ello evita desperdicios y errores, lo que reduce los costes de producción. En este estadio, donde la gestión permite que los fallos sean esporádicos, el esfuerzo por el control de la calidad disminuye y, por tanto, la burocracia. La eliminación de esta barrera supondría un mayor acercamiento del profesorado a la mejora continua, tal como la excelencia en la educación superior nos exige.

En consecuencia, ante la barrera que supone el incremento de la burocracia en la acreditación de los títulos universitarios, se plantea un cambio cultural en la propia universidad. Se trata de comprender quién es el cliente de esta organización y respetar las necesidades del resto de los grupos de interés. Se debe añadir valor a los procesos, reducir los plazos de entrega, aumentar el rendimiento de nuestros estudiantes y su satisfacción, entre otras muchas cosas. En definitiva, se precisa un giro que permita la excelencia en la educación superior adecuada a los nuevos retos, que plantea un futuro cada vez más cambiante y acelerado”.

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Cálculo de la duración de un cable de acero

https://blog.bextok.com/guia-cable-de-acero/

Para la máxima duración de un cable, interesa que las solicitaciones se aproximen al límite de fatiga, pero se alejen del límite elástico, evidentemente, para lograr una mayor seguridad. Que se cumplan ambos requisitos a veces resulta complicado.

Por eso, para estimar la vida útil de un cable, Gustav Niemann proporciona la siguiente expresión (Larrodé y Miravete, 1996) que intenta aunar estos dos criterios:

Donde W es el número de flexiones sufridas por el cable hasta su rotura (plegado sobre la polea y desplegado); D es el diámetro de la polea (m); d es el diámetro del cable (m); σe es el esfuerzo de extensión (MPa). Este valor suele variar entre 30.000 flexiones en el caso de polipastos y 150.000 en el de grandes grúas.

El coeficiente n presenta los siguientes valores:

                1             flexión en el mismo sentido

                1,5          flexión en sentido contrario, cable cruzado

                2             flexión en sentido contrario, cable Lang

El coeficiente b1 depende de la forma de la garganta

                para radio de garganta, r = 0,54 d

                               b1 = 1 cable cruzado y Lang

                para radio de garganta, r = ∞

                               b1 = 0,72 cable cruzado

                               b1 = 0,65 cable Lang

                para garganta en V a 45º

                               b1 = 0,72 cable cruzado

                               b1 = 0,60 cable Lang

El coeficiente b2 depende de la forma del cable

                               b2 = 1,04 cable cruzado 6 x 37, 1600 MPa

                               b2 = 1,11 cable Lang 6 x 37, 1600 MPa

Os dejo un problema resuelto por si os resulta de interés.

PROBLEMA. Se quiere estimar la vida útil de un cable de un puente grúa que debe elevar una carga total de 120 kN. El diámetro de las poleas es de 1200 mm; el cable es cruzado; su resistencia es de 1770 N/mm² y su diámetro es de 30 mm. Se supone que la flexión siempre se realiza en el mismo sentido.

Solución:

Utilizamos la fórmula de Niemann,

donde D = 1200 mm; d = 30 mm, h1 = 1 (para un radio de garganta r = 0,54d), b2 = 1,04.

Por otra parte, el esfuerzo de extensión σe (MPa) se calcula de la siguiente forma (son dos ramales):

Por tanto,

Este valor es muy superior al límite inferior de 150.000 flexiones requerido para las grandes grúas.

Referencias:

LARRODÉ, E.; MIRAVETE, A. (1996). Grúas. Servicio de Publicaciones, Centro Politécnico Superior, Universidad de Zaragoza, 554 pp.

YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

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Ecuación de Euler-Eytelwein: tensión de la correa en una polea

Mecanismos como el freno de cinta o las bandas transportadoras utilizan el rozamiento entre la correa y el disco sobre el cual giran. La ecuación de Euler-Eytelwein describe la tensión de la correa sobre una polea.

A continuación os paso la demostración de esta ecuación y la resolución de un problema. Son apuntes sobre este tema que suelo impartir a mis estudiantes de la asignatura de Procedimientos de Construcción. Además, os dejo un vídeo de canalfdet para ver cómo se obtienen las condiciones de carga que sacan a un sistema del equilibrio. Espero que todo os interese.

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El vídeo es el siguiente:

Referencias:

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

Diseño óptimo de un puente mixto basado en un algoritmo de inteligencia de enjambre discreto

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Structural and Multidisciplinary Optimization (revista indexada en el JCR en el primer cuartil) sobre la optimización de puentes mixtos de hormigón y acero mediante un algoritmo de inteligencia de enjambre discreto y funciones de transferencia. El trabajo se enmarca en el proyecto de investigación HYDELIFE, que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

La optimización de puentes puede resultar compleja debido al gran número de variables que intervienen en el problema. En este trabajo se han ejecutado dos optimizaciones de puentes mixtos de sección en cajón, considerando el coste y las emisiones de CO₂ como funciones objetivo. Tomar las emisiones de CO₂ como función objetivo permite incorporar criterios de sostenibilidad para comparar los resultados con el coste. Se han aplicado las metaheurísticas SAMO2, SCA y Jaya para alcanzar este objetivo. Se implementaron funciones de transferencia para adaptar SCA y Jaya a la naturaleza discontinua del problema de optimización del puente. Además, se ha llevado a cabo un Diseño de Experimentos para afinar el algoritmo y establecer sus parámetros. En consecuencia, se ha observado que SCA muestra valores similares para la función objetivo de coste que SAMO2, pero mejora el tiempo de computación en un 18% y obtiene valores más bajos para la desviación del resultado de la función objetivo. A partir de un análisis de optimización de costes y CO₂, se observa una reducción de 2,51 kg de CO₂ por cada euro reducido utilizando técnicas metaheurísticas. Además, para ambos objetivos de optimización, se comprueba que la adición de celdas a las secciones de los puentes mejora no solo el comportamiento de la sección, sino también los resultados de la optimización. Por último, los resultados muestran que el diseño propuesto de doble acción mixta en los apoyos permite eliminar los rigidizadores longitudinales continuos dispuestos en el ala inferior en este estudio.

Abstract:

Bridge optimization can be complex because of the large number of variables involved in the problem. In this paper, two box-girder steel–concrete composite bridge single objective optimizations have been carried out considering cost and CO₂ emissions as objective functions. Taking CO₂ emissions as an objective function allows adding sustainable criteria to compare the results with cost. SAMO2, SCA, and Jaya metaheuristics have been applied to reach this goal. Transfer functions have been implemented to fit SCA and Jaya to the discontinuous nature of the bridge optimization problem. Furthermore, a Design of Experiments has been conducted to tune the algorithm and set its parameters. Consequently, it has been observed that SCA shows similar values for objective cost function as SAMO2 but improves computational time by 18% while also getting lower values for the objective function result deviation. From a cost and CO₂ optimization analysis, it has been observed that a reduction of 2.51 kg CO₂ is obtained by each euro reduced using metaheuristic techniques. Moreover, for both optimization objectives, it is observed that adding cells to bridge cross-sections improves not only the section behavior but also the optimization results. Finally, it is observed that the proposed double-composite action in the supports enables this study to remove the continuous longitudinal stiffeners from the bottom flange.

Keywords:

Swarm intelligence; Steel–concrete composite structures; Bridges; Optimization; Metaheuristics; Sustainability

Reference:

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

El artículo está publicado en abierto, por lo que podéis realizar su descarga gratuita en este enlace: https://link.springer.com/article/10.1007/s00158-022-03393-9

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