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Durabilidad y rediseño de un puente de hormigón en ambiente costero mediante un método no destructivo de detección de daños

Durante los días 10-13 de julio de 2023 tuvo lugar en Donostia-San Sebastián (Spain) el 27th International Congress on Project Management and Engineering AEIPRO 2023. Fue 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 la primera de las comunicaciones presentadas. Cabe destacar que este trabajo recibió el accésit del Premio “Jaume Blasco” a la innovación, por lo que hay que felicitar al doctorando Mehrdad Hadizadeh-Bazaz por el extraordinario trabajo realizado. A ello hay que sumar el Premio que recibió al mejor trabajo en la modalidad de póster otorgado por la Escuela de Doctorado de la Universitat Politècnica de València, dentro del VIII Encuentro de Estudiantes de Doctorado.

Durante algún tiempo, los expertos y los gobiernos han estado enfocados en reducir los costos de reparación y mantenimiento de estructuras cruciales como los puentes a través de un enfoque continuo en el mantenimiento y la reparación. En este estudio, se investiga la rentabilidad de dos métodos de predicción de daños: el método de densidad espectral de potencia (PSD) en comparación con el método convencional de detección de daños a través del 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 ubicación y extensión de los daños a lo largo de la vida útil del puente, y compara los costos totales de mantenimiento y reparación. Los resultados revelan que si bien el método PSD es efectivo para estructuras con recubrimientos de hormigón bajos, aumentar el espesor del recubrimiento de hormigón puede dar lugar a mayores costes de reparación.

El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

Palabras clave:

Evaluación del costo del ciclo de vida, métodos no destructivos de detección de daños, puente costero de hormigón, corrosión del acero, corrosión por cloruros, técnicas de mantenimiento y reparación.

Agradecimientos:

This research was funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033, grant number PID2020-117056RB-I00 and The APC was funded by ERDF A way of making Europe.

Referencia:

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), pp. 386-401. DOI:10.61547/3371

A continuación os dejo un vídeo donde presentamos el trabajo. Espero que os sea de interés.

Os dejo la comunicación completa, pues está editada en abierto. Espero que os sea de interés.

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Evaluación del coste del ciclo de vida mediante la función de densidad espectral de potencia en un puente de hormigón en ambiente costero

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 mediante la función de densidad espectral de potencia en 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.

En los últimos tiempos, se han llevado a cabo reparaciones y mantenimiento en estructuras para prevenir el colapso súbito y los consiguientes daños económicos y humanos. La presencia de iones cloruro es un factor natural que contribuye a la degradación de las estructuras en entornos marinos, reduciendo su vida útil. Por lo tanto, es esencial supervisar regularmente el estado de los edificios costeros de hormigón para repararlos a tiempo. El objetivo de este estudio es evaluar el método de densidad espectral de potencia (PSD) como un método no destructivo de detección de daños para monitorizar la ubicación y cantidad de daños causados por los iones cloruro durante la vida útil de una estructura. Se utilizan diferentes enfoques, como la evaluación del ciclo de vida (LCA) y su coste (LCCA).

En este sentido, en primer lugar, se calculó el daño por corrosión causado por los cloruros en función de la distancia de la zona al agua de mar para determinar la vida útil de cada parte de un puente de hormigón en ambiente marino mediante el método convencional. A continuación, se estimó el deterioro del hormigón, basándose en la corrosión de las barras de refuerzo cada año. El método PSD permitió controlar la pérdida anual de sección transversal de la armadura, las variaciones en las características dinámicas (como la rigidez y la masa) y la vida útil de la estructura del puente mediante ecuaciones de sensibilidad y el algoritmo de mínimos cuadrados lineales. Por último, se compararon los costes del ciclo de vida (CCV) y los costes de mantenimiento y reparación del método PSD con el método convencional en función de la ubicación y calidad de los daños en cada año de vida del puente hasta el final de su vida útil. Los resultados mostraron que esta estrategia fue muy eficaz para reducir y optimizar los costes de mantenimiento y reparación causados por la corrosión por cloruros.

Figura 1. Dimensiones de un vano del puente de Arosa

Abstract:

Repairs and maintenance have recently been necessary to prevent sudden collapses of structures, which can lead to human and financial damage. Chloride ions are a natural factor in marine environments that deteriorate structures and reduce lifespan. Therefore, it is essential to regularly monitor the condition of concrete coastal buildings to ensure timely repairs. This study aims to evaluate the performance of the power spectral density (PSD) method as a non-destructive damage detection method for monitoring the location and amount of damage caused by chloride ions during a structure’s lifespan. The study employs different approaches, including life-cycle assessment (LCA) and life-cycle cost assessment (LCCA). The conventional method calculates the chloride corrosion damage dependent on the zone’s distance from seawater to determine the service life of each part of a coastal concrete bridge. The next stage forecasts the bridge’s concrete deterioration based on the rebar corrosion each year. The PSD method monitors the annual loss of reinforcement cross-sectional area, dynamic characteristics such as stiffness and mass changes, and the bridge structure’s lifespan using sensitivity equations and the linear-least-squares algorithm. Finally, the LCCA and maintenance and repair costs of the PSD method are compared to the conventional method based on the location and quality of damage in each year of the bridge’s life until the end of its service life. The results show that this strategy effectively reduces and optimizes the maintenance and repair costs caused by chloride corrosion.

Keywords:

Life-cycle cost assessment (LCCA); non-destructive damage-detection technique; chloride ion attack; steel corrosion; power spectral density method (PSD); concrete coastal bridge.

Reference:

HADIZADEH-BAZAZ, M.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2023).  Life-cycle cost assessment using the power spectral density function in a coastal concrete bridge. Journal of Marine Science and Engineering, 11(2):433. DOI:10.3390/jmse11020433

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Densidad espectral de potencia en la detección de daños por ataque de cloruros en un puente en ambiente marino

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Structural Engineering and Mechanics, revista indexada en el JCR. En este caso se ha analizado el rendimiento del método de la densidad espectral de potencia para detectar daños por ataque de cloruros en un puente de hormigón situado en un ambiente marino. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

El deterioro causado por la penetración de cloruros y la carbonatación desempeña un papel importante en una estructura de hormigón en un entorno marino. La corrosión por cloruros en algunas estructuras en ambientes costeros puede ser peligrosa en caso de colapso repentino. Por lo tanto, como novedad, esta investigación estudia la capacidad de un método no destructivo de detección de daños denominado Densidad Espectral de Potencia (PSD) para diagnosticar daños causados únicamente por iones cloruro en estructuras de hormigón. Además, se investigó la precisión de este método para estimar la cantidad de daños anuales causados por el cloruro en diversas partes y posiciones expuestas al agua de mar. Para ello, se modeló y analizó numéricamente el puente de Arosa, en España, que conecta la isla con el continente a través del agua de mar. Como primer paso, se calculó la posición de puente de cada elemento, junto con el porcentaje de corrosión por cloruros en las armaduras. A continuación, se predijo la existencia, localización y momento de los daños en toda la parte de hormigón del puente en función de la cantidad de corrosión de las armaduras cada año. El método PSD se utilizó para controlar la pérdida anual del área de la sección transversal de las armaduras, los cambios en las características dinámicas, como la rigidez y la masa, y cada año de la vida útil de la estructura del puente mediante ecuaciones de sensibilidad y el algoritmo de mínimos cuadrados lineales. Este estudio demostró que la utilización de diferentes enfoques del método PSD basados en la corrosión por cloruros de las armaduras y la asunción de errores del 10% en el análisis del software pueden ayudar a predecir la ubicación y la cantidad casi exacta de las zonas dañadas a lo largo del tiempo.

Se puede solicitar una copia del artículo a los autores a través del siguiente enlace: https://www.researchgate.net/publication/367283962_Hadizadeh-Bazaz_et_al_2023

Abstract:

The deterioration caused by chloride penetration and carbonation plays a significant role in a concrete structure in a marine environment. The chloride corrosion in some marine concrete structures is invisible but can be dangerous in a sudden collapse. Therefore, as a novelty, this research investigates the ability of a non-destructive damage detection method named the Power Spectral Density (PSD) to diagnose damages caused only by chloride ions in concrete structures. Furthermore, the accuracy of this method in estimating the amount of annual damage caused by chloride in various parts and positions exposed to seawater was investigated. For this purpose, the RC Arosa bridge in Spain, which connects the island to the mainland via seawater, was numerically modeled and analyzed. As the first step, each element’s bridge position was calculated, along with the chloride corrosion percentage in the reinforcements. The next step predicted the existence, location, and timing of damage to the entire concrete part of the bridge based on the amount of rebar corrosion each year. The PSD method was used to monitor the annual loss of reinforcement cross-section area, changes in dynamic characteristics such as stiffness and mass, and each year of the bridge structure’s life using sensitivity equations and the linear least squares algorithm. This study showed that using different approaches to the PSD method based on rebar chloride corrosion and assuming 10% errors in software analysis can help predict the location and almost exact amount of damage zones over time.

Keywords:

Damage identification; Concrete bridge; Chloride attack; Steel corrosion; Power Spectral Density method (PSD); Non-destructive technique.

Reference:

HADIZADEH-BAZAZ, M.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2023). Power Spectral Density method performance in detecting damages by chloride attack on coastal RC bridge. Structural Engineering and Mechanics, 85(2):197-206. DOI:10.12989/sem.2023.85.2.197

Análisis comparativo del ciclo de vida de los puentes de hormigón y mixtos en función del reciclaje del acero

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Materials, revista indexada en el primer cuartil del JCR. En este caso se ha realizado un análisis comparativo del ciclo de vida de los puentes de hormigón y mixtos en función del porcentaje de acero reciclado utilizado. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

En este trabajo se propone la evaluación del ciclo de vida (ACV) y la comparación de cuatro alternativas de tableros de puentes para diferentes longitudes de vano con el fin de determinar cuáles son las soluciones más sostenibles. Se utiliza el método ReCiPe para realizar el análisis del ciclo de vida, mediante el cual se obtiene el valor de impacto para cada alternativa y longitud de vano. Se ha utilizado la base de datos Ecoinvent 3.3. El ciclo de vida se ha dividido en cuatro fases: fabricación, construcción, uso y mantenimiento, así como su desmantelación. Se han tenido en cuenta las incertidumbres asociadas, y los resultados se muestran tanto en los enfoques de punto medio como de punto final. Los resultados muestran que, para vanos inferiores a 17 m, la mejor alternativa es la losa maciza de hormigón pretensado. Para luces entre 17 y 25 m, dado que no se utiliza la solución de viga cajón, la losa aligerada de hormigón pretensado es la mejor alternativa. Para luces entre 25 y 40 m, la mejor solución depende del porcentaje de acero estructural reciclado. Si este porcentaje es superior al 90%, la mejor alternativa es el tablero de puente compuesto de vigas cajón. Sin embargo, si el porcentaje es inferior, la alternativa más limpia es el tablero de vigas cajón de hormigón pretensado. Por lo tanto, los resultados muestran la importancia de reciclar y reutilizar el acero estructural en los diseños de los tableros de los puentes.

Abstract:

Achieving sustainability is currently one of the main objectives, so a consensus between different environmental, social, and economic aspects is necessary. The construction sector is one of the main sectors responsible for environmental impacts worldwide. This paper proposes the life cycle assessment (LCA) and comparison of four bridge deck alternatives for different span lengths to determine which ones are the most sustainable solutions. The ReCiPe method is used to conduct the life cycle analysis, by means of which the impact value is obtained for every alternative and span length. The Ecoinvent 3.3 database has been used. The life cycle has been divided into four phases: manufacturing, construction, use and maintenance, and end of life. The associated uncertainties are considered, and the results are shown in both midpoint and endpoint approaches. The results of our research show that for span lengths less than 17 m, the best alternative is the prestressed concrete solid slab. For span lengths between 17 and 25 m, since the box-girder solution is not used, then the prestressed concrete lightened slab is the best alternative. For span lengths between 25 and 40 m, the best solution depends on the percentage of recycled structural steel. If this percentage is greater than 90%, then the best alternative is the composite box-girder bridge deck. However, if the percentage is lower, the cleanest alternative is the prestressed concrete box-girder deck. Therefore, the results show the importance of recycling and reusing structural steel in bridge deck designs.

Keywords:

Life cycle assessment; sustainability; structures; ReCiPe; environment; bridges

Referencia:

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

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Valoración social del ciclo de vida de un puente en un ambiente agresivo

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Environmental Impact Assessment Review (primer decil del JCR), de la editorial ELSEVIER, en el que se realiza una valoración del impacto social a lo largo del ciclo de vida de un puente de hormigón sometido a un ambiente costero, donde los clorhídricos suponen una agresión que supone un mantenimiento de la infraestructura.

En el trabajo se analizan 15 alternativas diferentes durante el mantenimiento en relación con los impactos sociales. Los resultados indican que el uso de acero inoxidable en las armaduras y la adición de humo de sílice son preferibles a otras alternativas convencionales. Os dejo a continuación el resumen y las conclusiones.

Referencia:

NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2018). Social life cycle assessment of concrete bridge decks exposed to aggressive environments. Environmental Impact Assessment Review, 72:50-63. https://doi.org/10.1016/j.eiar.2018.05.003

Abstract:

Sustainable design of structures includes environmental and economic aspects; social aspects throughout the life cycle of the structure, however, are not always adequately assessed. This study evaluates the social contribution of a concrete bridge deck. The social performance of the different design alternatives is estimated taking into account the impacts derived from both the construction and the maintenance phases of the infrastructure under conditions of uncertainty. Uncertain inputs related to social context are treated through Beta-PERT distributions. Maintenance needs for the different materials are estimated by means of a reliability based durability evaluation. Results show that social impacts resulting from the service life of bridges are not to be neglected in sustainability assessments of such structures. Designs that minimize maintenance operations throughout the service life, such as using stainless steel rebars or silica fume containing concretes, are socially preferable to conventional designs. The results can complement economic and environmental sustainability assessments of bridge structures.

Keywords:

Social life cycle assessment; Chloride corrosion; Preventive measures; Guidelines; Concrete bridge; Sustainable design

Highlights:

  • Social Life Cycle Assessment of different design strategies for bridge decks in marine environments.
  • 15 design alternatives were studied and compared according to the Guidelines methodology.
  • Less maintenance results in better social performance.
  • Impacts during maintenance phase are main contributors to social performance
  • Stainless steel and the addition of silica fume are socially preferable to conventional designs.