Ejecución de un anclaje

Figura 1. Perforación para anclaje en muro de micropilotes. Imagen: V. Yepes

En un artículo anterior se repasó el concepto y la clasificación de los anclajes. Aquí se van a comentar brevemente los aspectos más relevantes de la ejecución de un anclaje.

Para ejecutar un anclaje se introduce la armadura en una perforación previamente realizada en el terreno al que quedan unidos con la lechada de cemento que se inyecta a continuación. Las operaciones, por tanto, son las siguientes:

  1. Perforación.
  2. Colocación del cable o bulón y ejecución del bulbo de anclaje para su fijación en el fondo de la perforación.
  3. Tensado del cable, en su caso.
  4. Inyección de la lechada y cierre de la cabeza del anclaje.

La perforación, normalmente a rotación o rotopercusión, desde 68 mm de diámetro para barras de 25 mm, hasta más de 200 mm para anclajes más complejos. En cuanto al resto de sus componentes, los anclajes pueden ser diferentes en función de la resistencia del propio anclaje y del terreno. La Figura 1 muestra la perforación de una viga riostra sobre un muro de micropilotes para realizar un anclaje al terreno. Las Figuras 2 y 3 muestran detalles de la maquinaria empleada en la realización de las perforaciones para los anclajes.

Figura 2. Maquinaria de perforación a rotopercusión. www.desdeelmurete.com

 

Figura 3. Detalle de la perforación para anclaje en muro pantalla. www.desdeelmurete.com

En los anclajes activos es primordial que el cable quede sujeto en el fondo de la perforación antes de tesar. Para ello se emplean diversos sistemas según el tipo de anclaje, con dispositivos que aíslan el bulbo de anclaje del resto de la perforación. De esta forma se impide que la lechada inyectada en la zona de empotramiento se extienda al resto del cable antes del tensado. El dispositivo más frecuente es un obturador o casquillo expansivo. La inyección en esta zona se efectúa a través de una tubería de PVC situada en el interior de la vaina que cubre el cable, a una presión que puede llegar a unos 2,5 – 3,0 MPa. Estas tuberías van provistas de válvulas anti retorno que pueden taponarla a diferentes profundidades para obtener una mayor penetración al inyectar.

Una vez asegurado el empotramiento, se tensa el cable con gatos hidráulicos bloqueando el extremo en la placa de anclaje con tuercas o conos de anclaje controlando el diagrama de tensiones-alargamientos, que debe coincidir con el teórico si la fijación en el fondo es efectiva (ver Figura 4).

Figura 4. Tesado de cables de un anclaje activo. http://www.fernandeztadeo.com/anclajes.htm

Con el cable en tensión, se inyecta la lechada en el resto de la perforación a una presión del orden de 3 MPa. No deben pasar más de 8 – 12 horas tras la perforación para minimizar la alteración y descompresión de las paredes del terreno. Con la rosca sana, los esfuerzos del cable pueden transmitirse al terreno directamente a través de la lechada; en caso contrario, que es lo más común, independizando la armadura del terreno por medio de una vaina en la que se inyecta la lechada y los productos anticorrosión. La lechada se dosifica con abundante cemento, con una relación agua/cemento entre 0,4 y 0,6 (0,4 para sellado entre la armadura y las vainas anticorrosión. Es necesario el uso de aditivos. El fraguado tarda de 3 a 7 días. En la Tabla 1 se reflejan las características de los cables más empleados.

Tabla 1. Características de los cables más empleados actualmente (Y 1860 S7 15.20)

Límite elástico (N/mm2) 1670
Carga de rotura (N/mm2) 1860
Nº de alambres 7
Diámetro nominal (pulgadas – milímetros) 0,6 – 15,2
Área (mm2) 140
Límite elástico unitario (kN) 260
Módulo de deformación (N/mm2) 200 000

 

En los anclajes pasivos el diámetro de las armaduras está comprendido entre 16 a 40 mm. Se emplean aceros dúctiles, con alargamientos en rotura superiores al 4% para reducir la probabilidad de la rotura frágil del perno. En estos anclajes la transferencia de esfuerzos entre la armadura y el terreno es directa a través de la lechada. Su ejecución es más sencilla que en los activos. La armadura se introduce en la perforación y una vez fijada (algunos pernos van provistos de un casquillo expansivo situado en su extremo que lo fija al fondo de la perforación), se rellena inyectando una lechada con una dosificación similar a la de otros anclajes (a/c ≈ 0,4 – 0,6). La lechada protege el cable y transmite las tensiones entre la armadura y el terreno. En la Tabla 2 se recogen las características de las barras de anclaje más habituales.

Tabla 2. Características de las barras de anclaje más habituales.

Tipo de barra Límite elástico (N/mm2) Carga de rotura (N/mm2)
Corrugada, Gewi o similar 500 550
Dywidag 850 1050

Os dejo a continuación algunos vídeos que espero sean de vuestro interés.

Referencias:

AETESS (2006). Guía Técnica de Seguridad AETESS. Micropilotes y anclajes.

DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (2001). Guía para el diseño y la ejecución de anclajes al terreno en obras de carretera. Madrid.

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Principios de las perforaciones a rotación

Figura 1. Principio de la perforación rotativa

En un artículo anterior explicamos los fundamentos de la perforación por extracción de material. De entre los procedimientos existentes, la perforación mecánica por rotación constituye uno de los procedimientos más habituales. Aquí vamos a explicar los principios básicos en los que se basa.

El principio utilizado por las perforadoras rotativas consiste en aplicar energía al terreno haciendo rotar un útil de corte o destroza conjuntamente con la acción de una fuerza de empuje. Este tipo de perforación se empezó a utilizar en minería sobre rocas blandas; sin embargo, la rapidez de desplazamiento y montaje de estos equipos, la variedad de útiles de corte han favorecido su uso en otros campos.

El giro del útil lo realiza el motor de la perforadora en superficie, que acciona una mesa o cabeza de rotación que, a su vez, mueve el tren de varillaje y éste finalmente transmite el giro al útil. Los útiles de corte que se emplean en rotación son las barrenas helicoidales, las coronas circulares y las cabezas tricono, según el tipo de terreno, del diámetro del talador y de la finalidad de la perforación (extracción de testigos o avance a destroza).

La perforación a rotación presenta características diferentes si se realiza en roca o en suelos. En roca el avance se produce por corte y compresión: el giro se realiza mediante sonda o rotor y la presión por barra de carga, varillaje y empuje hidráulico. En el caso de los suelos, si éstos son granulares no demasiado cohesivos, la perforación se realiza con una barrena helicoidal; en el caso de granulares muy sueltos es necesario el uso de cucharas.

En otros artículos anteriores ya hablamos de la perforación rotativa de rocas, de la perforación rotativa con triconos, de la perforación rotativa con cazo, del sondeo a rotación con barrena helicoidal, entre otros. También podéis leer algunas entrada que escribimos en su momento sobre técnicas de reconocimiento en el estudio geotécnico,  la ejecución de pilotes o de procedimientos de perforación horizontal dirigida con sistemas de perforación a rotación.

Sistemas de avance

El avance de la perforación rotativa en rocas se produce por la influencia simultánea de la presión que el útil de corte ejerce sobre el terreno y el efecto producido por el giro de dicho útil sobre la roca. Estas dos acciones se pueden provocar con diversos medios y potencia según las fuentes de energía y los sistemas de empuje y rotación empleados.

Las formas de energía motriz de uso más frecuente son la térmica y la eléctrica. La primera se suele utilizar en perforadoras pequeñas y medianas, generalmente montadas sobre camión en equipos accionados por el propio motor del camión o más frecuentemente por dos motores, el del camión más otro independiente. Para perforadoras montadas en equipos de mayor tamaño (diámetros de perforación superior a 250 mm, lo más normal es emplear energía eléctrica a media tensión, alimentando la perforadora con corriente alterna. En algunas instalaciones mineras también se emplean equipos diésel-eléctricos cuyo coste de mantenimiento es aproximadamente un 15% inferior al de los equipos diésel.

La aplicación de la potencia se realiza mediante mecanismos de transmisión mecánicos e hidráulicos. La energía se transmite a través de las barras de perforación, que giran al mismo tiempo que penetra la boca, debido a la intensidad de la fuerza de avance. Prácticamente, casi sin excepciones, esta fuerza de empuje se obtiene a partir de un motor hidráulico. En este tipo de perforación, las pérdidas de energía en las barras y la boca son despreciables, por este motivo, la velocidad de penetración no varía apenas con la longitud del barreno. Para girar las barras y conseguir el par necesario, estas máquinas tienen un sistema de rotación montado habitualmente sobre un bastidor que se desliza a lo largo del mástil de la perforadora. El barrido del detritus de la perforación se realiza con aire comprimido, para lo cual el equipo está dotado de uno o dos compresores ubicados en la sala de máquinas.

Figura 2. Perforación a rotación para estudios de terrenos

Empuje y elevación

El empuje a aplicar dependerá de la resistencia del terreno y del diámetro de la perforación (Figura 3). El mecanismo de empuje está diseñado para aplicar una fuerza del orden del 50% del peso de la máquina, alcanzando los equipos de mayor tamaño un peso de unas 120 t. Los sistemas de empuje, además de proporcionar la presión suficiente sobre el fondo de la perforación, sirven para elevar y manipular el conjunto de varillas o barras que hay que añadir o quitar durante la ejecución de la perforación. Se pueden emplear sistemas mecánicos (por cadena o cremallera) o hidráulicos. Los sistemas hidráulicos están formados por dos cilindros combinados, son más potentes y fácilmente controlables.

Figura 3. Mecanismos de empuje y elevación

El empuje transmitido al fondo del taladro debe ser suficiente para que el efecto conjunto sobre la roca genere una tensión superior a su resistencia a compresión. Pero tampoco conviene un empuje excesivo que aumente el desgaste del equipo. La velocidad de penetración aumenta proporcionalmente al empuje hasta un límite a partir del cual el útil se agarrota y los insertos se incrustan en la roca. En estas condiciones, el desgaste aumenta considerablemente junto con un mayor consumo de energía y, si la roca es dura, puede producirse la rotura de los dientes del útil (Figura 4).

Figura 4. Relación velocidad de avance-empuje

Como suele ser habitual, os dejo unos vídeos al respecto.

Referencias:

  • DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (1998). Manual para el control y diseño de voladuras en obras de carreteras. Ministerio de Fomento, Madrid, 390 pp.
  • INSTITUTO TECNOLÓGICO GEOMINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Serie Tecnológica y Seguridad Minera, 2ª Edición, Madrid, 541 pp.
  • MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.
  • UNIÓN ESPAÑOLA DE EXPLOSIVOS (1990). Manual de perforación. Rio Blast, S.A., Madrid, 206 pp.

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Concepto de pilote y clasificaciones

Figura 1. Armado de encepado de pilotes. Imagen: I. Serrano (www.desdeelmurete.com)

El pilotaje se utiliza cuando no es posible realizar una cimentación superficial; por ejemplo, cuando se deben transmitir cargas a gran profundidad (más de 6 m o bien más de 8 diámetros del pilote). Se trata de una solución constructiva que se remonta a los palafitos, siendo práctica habitual en los puertos o en ciudades como Murcia, donde se han usado los prefabricados de madera como cimentación. En efecto, los pilotes son piezas largas, a modo de pilares enclavados en el terreno, que alcanzan una profundidad suficiente para trasmitir las cargas de la estructura. Se denomina fuste a la parte del pilote en contacto con el suelo, mientras que altura libre es la longitud de la parte que emerge del suelo. El encepado transmite los esfuerzos de la estructura a los pilotes (Figura 1). Los pilotes pueden clasificarse de muchas formas, algunas son las siguientes.

Según la forma de trabajo (ver Figura 2) los pilotes pueden ser:

  • Pilotes por punta: alcanzan el estrato resistente, transmitiéndose las cargas por punta, comprimiéndose el pilote. El terreno circundante dificulta el pandeo. La deformación del pilote es muy pequeña por su rigidez, de forma que el movimiento relativo con el terreno no es significativa. También se llaman pilotes columna.
  • Pilotes por fuste: no alcanzan un estrato resistente, transmitiendo la carga al terreno circundante por rozamiento a través del fuste. Se llaman también pilotes flotantes o de fricción.
Figura 2. Esquema de cimentaciones profundas (pilotajes) según el Código Técnico de Edificación SE-C. Fuente: http://noticias.juridicas.com/base_datos/Admin/rd314-2006.nor7.html

Sin embargo, los pilotes trabajan de forma combinada, tanto en punta como en fuste. Además, pueden estar sometidos a tracción cuando existe subpresión que tiende a levantar la estructura por encontrarse total o parcialmente por debajo del nivel freático, es decir “flota”. En rellenos en proceso de consolidación, el pilote se ve arrastrado por el terreno que asienta, denominándose este fenómeno “rozamiento negativo”. Si la estructura recibe esfuerzos horizontales, algunos pilotes pueden trabajar a tracción y otros a compresión. También trabajan a flexión si están empotrados y resisten el empuje de las tierras al excavar.

Por tanto, los pilotes resultan muy apropiados en casos como los siguientes:

  1. Cuando se disponga de un terreno competente a poca profundidad (5-6 m)
  2. Las cargas de la estructura sean importantes y concentradas
  3. La estructura sea sensible a movimientos absolutos o diferenciales
  4. El nivel freático se encuentre muy alto y sea difícil ejecutar losas
  5. Para limitar el efecto de las cargas en estructuras próximas
  6. Como elemento de contención formando pantallas de pilotes
  7. Para contener movimientos de ladera
  8. Para resistir cargas horizontales (normalmente combinado con otros y con inclinación)
  9. Para compensar tracciones (subpresiones)

El Código Técnico de Edificación clasifica los pilotes en los siguientes tipos:

  • Pilote aislado: es un pilote alejado suficientemente de otros para no interactuar con aquellos. No se permiten pilotes aislados para diámetros menores a 45 cm. Entre 45 y 100 cm de diámetro se pueden utilizar si se arriostran lateralmente.
  • Grupo de pilotes: conjunto de pilotes suficientemente próximos para interactuar entre sí o unidos mediante elementos estructurales.
  • Zonas pilotadas: son pilotes de escasa capacidad portante individual, regularmente especiados o situados en puntos estratégicos, que sirven para reducir asientos o mejorar la seguridad frente a hundimiento de las cimentaciones.
  • Micropilotes: son aquellos compuestos por una armadura metálica formada por tubos, barras o perfiles que se introducen en un taladro de pequeño diámetro, y que pueden estar inyectados con una lechada de mortero.

El Código Técnico de Edificación también distingue los pilotes por el material:

  • Hormigón “in situ”: se pueden ejecutar mediante excavación previa del terreno o por desplazamiento de éste.
  • Hormigón prefabricado: armado (hormigones de alta resistencia) u hormigón pretensado o postensado.
  • Acero: secciones tubulares o perfiles en doble U o en H. Se hincan con protecciones en la punta (azuches).
  • Madera: para pilotar zonas blandas ampliar y como apoyo de estructuras con losa o terraplenes.
  • Mixtos: acero tubular rodeados y rellenos de mortero.

Por la forma de ejecución, este Código Técnico los clasifica en:

  • Pilotes prefabricados hincados: donde se desplaza el terreno, sin hacer excavaciones.
  • Pilotes hormigonados “in situ”: donde se excava el terreno antes de hormigonar.

Sin embargo, existen casos mixtos, con perforación e hinca, como pilotes de desplazamiento hormigonados “in situ” u otros. La tipología condiciona la alteración del terreno en el entorno del pilote y por tanto, la resistencia y deformabilidad. En lo que sigue, dividiremos los pilotes en pilotes de desplazamiento, pilotes de perforación, pilotes inyectados y micropilotes.

El profesor Celma (2014) nos sugiere los siguientes criterios para la elección del tipo de pilote (Tabla 1):

Referencias:

CELMA, J.J. (2014). Cuadernos de mecánica del suelo y cimentaciones. Apuntes Universitat Politècnica de València, 194 pp.

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

 

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Concepto y clasificación de las cimentaciones

Figura 1. Cargas sobre un cimiento superficial (Yepes, 2016)

La cimentación de una estructura es aquello que la sustenta sobre el terreno. Generalmente está enterrada y transmite al terreno su propio peso y las cargas recibidas, de modo que la estructura que soporta sea estable, la presión transmitida sea menor a la admisible y los asientos se encuentren limitados (ver Figura 1). La cimentación consta de dos partes, el elemento estructural encargado de transmitir las cargas al terreno, o cimiento, y la zona del terreno afectada por dichas cargas, o terreno de cimentación. La cimentación debe resistir las cargas y sujeta la estructura frente a acciones horizontales como el viento y el sismo, conservando su integridad. La interacción entre el suelo y la estructura depende de la naturaleza del propio suelo, de la forma y tamaño de la cimentación y de la flexibilidad de la estructura.

Las cimentaciones se diseñan para no alcanzar los estados límites últimos o de servicio. Los primeros llevan a la situación de ruina (estabilidad global, hundimiento, deslizamiento, vuelco o rotura del elemento estructural), mientras que los segundos limitan su capacidad funcional, estética, etc. (por ejemplo, movimientos excesivos). Se denomina capacidad portante a la máxima presión que transmite una cimentación sin alcanzar el estado último, mientras la presión admisible es aquella que no se alcanza en ningún estado límite, ya sea último o de servicio, presentando un coeficiente de seguridad respecto a la capacidad portante.

Otros problemas a considerar son la estabilidad de la excavación, los problemas de ataques químicos al hormigón, la posibilidad de heladas, el crecimiento de vegetación que deteriore la cimentación, los agrietamientos y levantamientos asociados a las arcillas expansivas, la disolución cárstica, la socavación, los movimientos del nivel freático, los daños producidos a construcciones existentes (Figura 2) o futuras, las vibraciones de maquinaria o los efectos sísmicos sobre el terreno, especialmente cuando existe posibilidad de licuefacción.

Los procedimientos constructivos influyen notablemente en el comportamiento de una cimentación. Hay que tener en cuenta que la construcción de la cimentación altera el terreno circundante, lo cual puede modificar algunas de las hipótesis de cálculo. A modo de ejemplo, los pilotes perforados descomprimen el terreno influyendo en la resistencia por fuste. La hinca de pilotes en limos y arenas sueltas saturadas aumenta la presión intersticial, lo que disminuye temporalmente la capacidad del pilote e incluso causar la licuefacción del terreno.

Figura 2. Descalce de una cimentación vecina durante la excavación. Imagen: E. Valiente

La cimentación puede clasificarse atendiendo a la profundidad a la que se realiza (ver Figura 3). Así, si llamamos D a la profundidad a la que se encuentra el contacto entre la cimentación y el terreno y B la dimensión menor de la cimentación, éstas se pueden clasificar en:

  • Cimentación superficial o directa:

D/B < 4

D < 3 m

  • Cimentación semiprofunda o pozos:

4 ≤ D/B ≤ 8

3 m ≤ D ≤ 6 m

  • Cimentación profunda o pilotaje:

D/B > 8

D > 6 m

Figura 3. Clasificación de las cimentaciones en función de la profundidad de apoyo (Yepes, 2016)

Existen distintos tipos de cimentaciones superficiales, tal y como se aprecia en la Figura 4.

Figura 4. Algunos tipos de cimentaciones superficiales. Imagen elaborada a partir de: http://www.generadordeprecios.info/

En la Tabla 1 se ha asignado a cada cimiento directo el tipo de elemento estructural al que sirve de cimentación.

Referencia:

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

 

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Correspondencia jerárquica entre las competencias y los resultados de aprendizaje. El caso de “Procedimientos de Construcción”

El mes pasado se desarrolló en la Universitat Politècnica de València el IV Congreso Nacional de Innovación Educativa y Docencia en Red. A parte de pertenecer al Comité Científico de dicho congreso. En este congreso, la mayor parte de las comunicaciones se presentan en formato póster y solo una pocas se presentan en comunicación oral. Ese ha sido el caso de la presentación oral que hice de una comunicación que presenté una propuesta jerárquica sobre las competencias y los resultados de aprendizaje. Esa comunicación es la que os dejo a continuación.

 

Para los que queráis tener acceso directo a todas las comunicaciones del congreso, podéis acceder a través del siguiente enlace: http://ocs.editorial.upv.es/index.php/INRED/INRED2018/schedConf/presentations

Resumen

El objetivo del artículo es establecer una estructuración de correspondencias jerárquicas entre las competencias y los resultados de aprendizaje de una asignatura. Para ello, tras comprobar las distintas interpretaciones que existen entre ambos conceptos, se opta por considerar que los resultados del aprendizaje son concreciones de las competencias para un determinado nivel y que son el resultado del proceso de enseñanza-aprendizaje. Además, el necesario alineamiento entre los programas de una asignatura, la adquisición de competencias y resultados de aprendizaje y la evaluación del estudiante, aconseja jerarquizar los resultados de aprendizaje en dos niveles. Como resultado de lo anterior, se muestra la aplicabilidad de esta correspondencia jerárquica a dos asignaturas del Grado de Ingeniería Civil de la Universitat Politècnica de València: “Procedimientos de Construcción I y II”.

Palabras clave

Competencias, resultados de aprendizaje, correspondencia jerárquica, procedimientos de construcción, ingeniería civil.

Referencia

YEPES, V. (2018). Correspondencia jerárquica entre las competencias y los resultados de aprendizaje. El caso de “Procedimientos de Construcción”. Congreso Nacional de Innovación Educativa y Docencia en Red IN-RED 2018, Valencia, pp. 1-15. ISSN 2603-5863

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Construcción de puentes mediante lanzador de vigas

http://www.mexpresa.com

Cuando no es posible el uso de grúas, se puede recurrir a los lanzadores de vigas, vigas de lanzamiento o cimbras autolanzables. Se trata de un procedimiento excepcional debido a su compleja puesta en obra y a su baja productividad. Se emplean si el ritmo de llegada de las vigas a obra es pequeño, por ejemplo un par de vigas al día. Las vigas de lanzamiento requieren personal especializado en su manejo y montaje debido a que los movimientos son complejos y los esfuerzos generados pueden comprometer la estabilidad del conjunto. Estos problemas se complican cuando la rasante vertical del puente presenta acuerdos de radios menores a 12000 m, en cuyo caso la viga se apoya en tres puntos, con sus consiguientes esfuerzos hiperestáticos.

Lanzador de vanos completos. http://www.weiku.com

Las vigas de lanzamiento cubren luces entre 35 y 75 m, con pesos entre 600 kN y 4500 kN y pendientes máximas para el lanzamiento del 5%. Constan de dos vigas reticuladas unidas en sus extremidades sobre las que rueda el tren de los cabrestantes, compuesto por dos carros para elevar la viga a lanzar y un tercero para el desplazamiento longitudinal de la viga y el armazón. Las vigas prefabricadas se transportan desde el acopio al lanzador mediante carros elefante. Téngase en cuenta que los carros pueden moverse a velocidades de 5 km/h mientras que el lanzador solo alcanza los 3 m/minuto.

Os paso a continuación una pequeña presentación que he preparado para explicar este procedimiento constructivo de puentes. También os paso algún vídeo más al respecto que espero os resulten interesantes.

 

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Los resultados de aprendizaje de la asignatura “Procedimientos de Construcción”

By Lord Koxinga [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) or GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], from Wikimedia Commons

En entradas anteriores se comentaron las competencias en el Grado de Ingeniería Civil de la Universitat Politècnica de València y las dificultades que existían en definir, a partir de ellas, los resultados de aprendizaje en el ámbito universitario. Pues bien, ahora explicitamos los resultados de aprendizaje de las asignaturas “Procedimientos de Construcción (I)” y “Procedimientos de Construcción (II)” de dicho grado.

 

 

 

 

 

Propuesta de resultados de aprendizaje de la asignatura “Procedimientos de Construcción I

Los resultados de aprendizaje propuestos para “Procedimientos de Construcción I” se han formulado considerando las competencias y los contenidos de la asignatura, influyendo los criterios de evaluación seguidos para su consecución. En la Tabla 1 se recogen las relaciones entre los resultados de aprendizaje y las competencias asociadas. A modo de resumen, al terminar con éxito esta asignatura los estudiantes serán capaces de “comprender los diferentes procedimientos constructivos y aplicar la maquinaria y los medios auxiliares necesarios para realizar dichos trabajos, especialmente en lo relativo a los sondeos y mejora de terrenos, las excavaciones y voladuras y a la ejecución de firmes, así como entender el funcionamiento de las instalaciones de fabricación de áridos y de aglomerado asfáltico”.

Tabla 1. Resultados de aprendizaje de la asignatura “Procedimientos de Construcción I”

 

Donde:

A01 – Analizar críticamente los procesos propios de la Ingeniería Civil.

A04 – Comprender y utilizar el lenguaje propio de la ingeniería así como la terminología propia de la Ingeniería Civil.

A10 – Tener la capacidad para organizar y gestionar técnica, económica y administrativamente los distintos medios de producción propios de la Ingeniería Civil.

A12 – Comprender los condicionamientos de carácter técnico y legal que se plantean en la construcción de una obra pública, y capacitación para emplear métodos contrastados y tecnologías acreditadas, para de conseguir la mayor eficacia de la construcción respetando el medio ambiente y la protección de la seguridad y salud de los trabajadores y usuarios de la obra.

C09 – Analizar la problemática de la seguridad y salud en las obras de construcción.

C12 – Comprender los procedimientos constructivos, la maquinaría de construcción y las técnicas de organización, medición y valoración de obras.

 

Propuesta de resultados de aprendizaje de la asignatura “Procedimientos de Construcción II

Los resultados de aprendizaje propuestos para la asignatura “Procedimientos de Construcción II” se han formulado considerando las competencias y los contenidos de la asignatura, influyendo asimismo los criterios de evaluación seguidos para su consecución. En la Tabla 2 se recogen las relaciones entre los resultados de aprendizaje y las competencias asociadas.

A modo de resumen, al terminar con éxito esta asignatura los estudiantes serán capaces de “comprender los diferentes procedimientos constructivos y aplicar la maquinaria y los medios auxiliares necesarios para realizar dichos trabajos, especialmente en lo relativo a la ejecución de cimentaciones y estructuras, así como entender el funcionamiento de las instalaciones de fabricación de hormigón y de prefabricados, evaluar los costes y la producción de los equipos y organizar y planificar las obras”.

Tabla 2. Resultados de aprendizaje de la asignatura “Procedimientos de Construcción II”

 

Donde:

A01 – Analizar críticamente los procesos propios de la Ingeniería Civil.

A02. – Aprender de manera autónoma nuevos conocimientos y técnicas adecuados para la Ingeniería Civil.

A04 – Comprender y utilizar el lenguaje propio de la ingeniería así como la terminología propia de la Ingeniería Civil.

A07 – Conocer y comprender las ciencias y las tecnologías correspondientes para la planificación, proyecto, construcción y explotación de las obras propias del Sector de la Ingeniería Civil.

A08 – Dirigir y coordinar grupos de trabajo en el ámbito de la Ingeniería Civil, proponiendo métodos de trabajo estándar y herramientas a utilizar.

A10 – Tener la capacidad para organizar y gestionar técnica, económica y administrativamente los distintos medios de producción propios de la Ingeniería Civil.

A11 – Capacitar científica y técnicamente para el ejercicio de la profesión de Ingeniero Técnico de Obras Públicas con conocimiento de las funciones de asesoría, análisis, diseño, cálculo, proyecto, construcción, mantenimiento conservación y explotación.

C09 – Analizar la problemática de la seguridad y salud en las obras de construcción.

C12 – Comprender los procedimientos constructivos, la maquinaría de construcción y las técnicas de organización, medición y valoración de obras.

Referencias

Yepes, V. (2017). Proyecto Docente. Concurso de Acceso a Plaza de Catedrático de Universidad. Universitat Politècnica de València.

 

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Efecto del voladizo en la construcción de puentes atirantados

Puente Ingeniero Carlos Fernández Casado, en embalse de Barrios de Luna (León)
Puente Ingeniero Carlos Fernández Casado, en embalse de Barrios de Luna (León). Fotografía de V. Yepes.

La construcción del tablero de un puente atirantado puede realizarse mediante voladizos parciales que pueden construirse en obra o bien pueden ser prefabricados. El procedimiento constructivo es similar al de la construcción de tableros de puentes tipo viga, con la diferencia de que aquí se van montando los tirantes para fijar las estructuras parciales, que se van montando con grúas o similar.

En este tipo de procedimiento constructivo es necesario considerar que la estructura parcial formada por el voladizo en el frente de avance provoca en numerosas ocasiones esfuerzos sobre el tablero mayores de los que va a tener cuando el puente esté en servicio. Es por ello que estos voladizos se reducen en su dimensión lo máximo posible, aumentando con ello el número de tirantes necesarios.

Atirantado momentos 1
Ley de flectores antes de tesar la dovela. Dibujo: V. Yepes.

La diferencia de esfuerzos entre la estructura parcial y la definitiva son, entre otros, los siguientes:

  1. La estructura final tiene presenta un tablero continuo, que muestra un comportamiento estructural diferente al caso de tener los extremos en voladizo durante la construcción.
  2. El tablero definitivo se encuentra en un estado de compresión axil importante, superior al tablero en proceso de construcción, a excepción del centro del vano principal y de los extremos de los vanos de compensación, el tablero presenta un estado.
  3. El voladizo en construcción debe soportar al siguiente elemento hasta que se monta, además del peso de los medios auxiliares si el montaje se realiza desde la parte ya construida.
  4. El momento flector del voladizo se prolonga más allá de la ménsula libre, con un máximo que se sitúa varios tirantes atrás, dependiendo del peso del tablero, de los medios auxiliares y de las rigideces del dintel y tirantes.

 

Para solucionar este efecto contraproducente del voladizo se pueden aplicar varios procedimientos constructivos:

  1. Se puede reforzar el voladizo mediante un pretensado adicional para reducir los momentos máximos del voladizo. Este exceso de carga debe retirarse en cuanto pase el efecto del voladizo para evitar sobreesfuerzos en la estructura. Este proceso de tesado y destesado puede complicar la construcción, por lo que a veces se sobredimensionan los materiales en el dintel o se sobretesan los tirantes, tal y como se hizo en el puente de Barrios de Luna.
  2. Se puede reducir peso en el voladizo si se construye una parte del tablero. Una vez se atiranta, y tras un desfase en el ciclo de avance, se completa su construcción. Este método se ha utilizado mucho, por ejemplo en el puente de Oberkassel, en Düsseldorf, que presenta tirantes muy separados. Aquí se avanzó sólo con la célula central del cajón, procedimiento que también se utilizó en el puente Flehe, cerca de la misma ciudad. En el puente de Annancis (Canadá) se avanzaba con vigas metálicas laterales y transversales, hormigonándose después la losa.
  3. Otra posibilidad es cimbrar el voladizo hasta que se atirante. Se puede atirantar provisionalmente el carro de avance hasta el hormigonado, tal y como se hizo en el puente sobre el río Waal (Holanda). Otra posibilidad menos costosa y fácil es la cimbra convencional que obliga a inmovilizar el extremo de la zona construida, lo que obliga a soportar una gran parte del peso de la dovela anterior. Esta solución se ha empleado en el puente de Sama.
  4. Cuando la distancia entre tirantes es grande, se pueden colocar tirantes provisionales desde la torre definitiva o mediante torres auxiliares. Las torres provisionales se apoyan en el mismo lugar de los anclajes definitivos anteriormente montados para evitar flexiones adicionales. El atirantamiento se traslada sucesivamente según avanza la construcción. Este procedimiento se usó en el puente Kniebrucke en Düsseldorf.
  5. Otra posibilidad que se aleja del procedimiento de construcción por voladizos sucesivos consiste en disponer apoyos provisionales bajo el tablero, o bien un único apoyo en el extremo del voladizo que se eliminará al colocar los tirantes. Así se construyó el puente de Bratislava sobre el Danubio.
Puente de Oberkassel sobre el Rhin, en Düsseldorf. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Oberkassel_Bruecke.jpg

 

Puente Flehe sobre el Rhin, cerca de Düsseldorf. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fleher_Br%C3%BCcke-2.jpg

 

Puente Kniebrucke en Düsseldorf sobre el Rhin. Fuente: https://de.wikipedia.org/wiki/Rheinkniebr%C3%BCcke#/media/File:Duesseldorf_1915.JPG

 

Puente de Bratislava, sobre el Danubio. Fuente: https://en.wikipedia.org/wiki/Cable-stayed_bridge#/media/File:Novy_Most_d.JPG

Referencias:

FERNÁNDEZ-TROYANO, L. (1999). Tierra sobre el agua. Visión histórica universal de los puentes. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Colección de Ciencias, Humanidades e Ingeniería nº 55, Madrid.

 

 

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Pinceladas acerca de la ingeniería en la antigua China

Quin Shi Huang, fundador de la Dínastia Quin.

En entradas anteriores ya hemos hecho mención a la ingeniería primitiva, la desarrollada en Mesopotamia o en la Grecia Clásica. Mención especial merecen los desarrollos alcanzados en la Antigua China, que en el siglo I ya tenía 57 millones de habitantes, superando a Roma, aunque ambos imperios apenas llegaran a conocerse entre ellos. Por tanto, hoy vamos a dar dos pinceladas a las realizaciones de la milenaria China, sabiendo que dejamos muchísima información por el camino. Los cuatro grandes inventos chinos fueron el papel, la brújula, la pólvora y la imprenta.

Una de las más grandes realizaciones de todos los tiempos fue la Gran Muralla China, con más de 4 km de muro en total. Esta muralla tiene unos 10 m de altura, 8 m de espesor en la base y 5 m en la parte superior, por donde discurre un camino pavimentado. Su construcción requirió un elevado número de personas. Los bloques de piedra se traían con rodillos a las zonas previamente excavadas para su colocación. Su construcción se complicaba en zonas con fuertes vientos o en otras de clima desértico. Los materiales empleados fueron los disponibles en cada sitio: piedra caliza, granito o ladrillo cocido. Especialmente eficaz a los impactos de armas de asedio fueron las tapias de arcilla y arena cubiertas con varias paredes de ladrillo. Para hacerse una idea, en el reinado de Qin Shi Huang, que empezó a gobernar en el 221 a.C., se construyeron caminos y vías. Nada menos que 6.800 km durante sus 20 años de imperio, lo cual es muy llamativo si tenemos en cuenta que los romanos, 300 años después, tuvieron un total de 5.984 km, casi mil menos.

 

Vista parcial del sistema de irrigación de Dujiangyan.
Vista parcial del sistema de irrigación de Dujiangyan.

También China tuvo canales desde hace miles de años. El sistema de irrigación de Dujiangyan comenzó en el siglo III a.C., basándose su construcción en un canal que tuvo que atravesar una montaña, lo cual no fue una tarea fácil teniendo en cuenta los procedimientos constructivos de la época. Para salvar dicho problema, se recurrió al calentamiento y enfriamiento repetido de la roca, lo cual fractura la roca y permitía su excavación.  Para evitar la acumulación de limo en el sistema de irrigación, se construyó un dique en el centro del río, cimentados en unos enormes gaviones hechos de bambú.Además, fueron los primeros constructores de puentes, con características únicas. Algunos de sus puentes más antiguos fueron de suspensión, con cables hechos de fibra de bambú.Aunque sin basarse en teorías científicas, los antiguos constructores chinos empleaban un método que está relacionado con los “drenes de arena”. En sus suelos aluviales blandos hincaban pilotes de madera que extraían, a continuación, por rotación. Los agujeros eran rellenados con cal viva bien compactada. Estos pozos de cal absorbían el agua que los rodeaba, produciendo, de este modo, una consolidación acelerada del suelo, siendo éstos los principios del empleo de las técnicas de mejora del terreno.

 

 

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Concepto de puente viga y algo de historia

Puente en cajón postesado sobre el Turia (Quart de Poblet). Proyectado por Javier Manterola y construído por Dragados y Construcciones en 1991.

Una viga constituye una pieza lineal apoyada que resiste fundamentalmente a flexión. Estas estructuras presentan un canto e inercia crecientes con luz, puesto que la flexión es directamente proporcional al cuadrado de la luz. Los puentes viga, por tanto, se basan en secciones de máxima inercia y de mínimo peso (secciones en doble T, cajones, etc.).

Aunque morfológicamente el puente viga puede parecer el sistema más simple y directo de atravesar un río, su mecanismo resistente, la flexión, es más complejo y difícil de intuir que el esfuerzo axil, ya sea de tracción o compresión, predominante en otras tipologías estructurales, como los arcos (ver un post anterior).

Las primeras intuiciones sobre el mecanismo de la flexión en una viga surgen en el Renacimiento con Leonardo da Vinci, aunque fue Galileo el primero que intentó dar una explicación científica al comportamiento de una viga. Sin embargo, fue Coulomb (1736-1806) el primero que propuso las condiciones de equilibrio de las secciones de la viga y Navier (1785-1836) el que resolvió en 1824 completamente el problema basándose en la proporcionalidad de tensiones y deformaciones (ley de Hooke) y en la hipótesis de la conservación de las secciones planas. Continuadores de Navier fueron Saint-Venant y Bresse que hicieron importantes aportaciones a la resistencia de materiales y al cálculo de las estructuras hiperestáticas. Sin embargo, no fue hasta 1954 el año en que Livesley inició el método matricial del cálculo de estructuras empleado hoy masivamente con el empleo de los ordenadores personales.

La modelización para el cálculo de un puente viga puede seguir un análisis como estructura lineal. Sin embargo, el tablero del puente es una superficie, y por tanto, deber estudiarse adecuadamente el efecto del reparto de las cargas. En los puentes oblicuos se requiere incluso un estudio tridimensional de tensiones. Es habitual, por tanto, emplear modelos de cálculo bidimensionales basados en la losa ortótropa (rigidezes distintas en las dos direcciones). Es habitual el empleo del modelo del emparrillado, el de láminas plegadas, el de bandas o de elementos finitos.

En cuanto a las soluciones estructurales, éstas han pasado, según crecía la luz a salvar por el puente, por la losa maciza, la losa aligerada, el tablero de vigas de alma llena, las vigas en celosía o trianguladas y las vigas cajón. Con las triangulaciones se llega a la máxima reducción de material, constituyendo los puentes viga que cubren las luces mayores. Sin embargo, en las vigas cajón se consigue la máxima eficacia resistente por su excelente comportamiento tanto a flexión como a torsión.

Puente viga isostática tipo Howe
Puente viga isostática tipo Howe

Las vigas pueden estar simplemente apoyadas en sus extremos, o bien ser vigas continuas, es decir, apoyadas en varios puntos. Los puentes viga biapoyados constituyen estructuras isostáticas, de cálculo sencillo, que han sido empleados para cubrir pequeñas y medianas luces. Los puentes en viga continua son estructuras hiperestáticas, que permiten reducir considerablemente la flexión de cálculo, debido al cambio de signo de estos esfuerzos en los apoyos y en el centro del vano.

Los puentes continuos presentan ciertas ventajas frente a los simplemente apoyados. Se requiere un menor número de apoyos y de juntas (superficie de rodadura sin interrupciones), los cantos son menores y, asimismo, la deflexión y la vibración son menores. Sin embargo, los asientos diferenciales pueden afectar a la estructura. Otro inconveniente, aunque menor, es la mayor complejidad en el análisis del puente continuo, sin embargo, es una dificultad relativa con los potentes medios de cálculo actuales. Además, en los puentes prefabricados, es habitual un sistema constructivo evolutivo que pasa del isostatismo al hiperestatismo al unir las piezas prefabricadas a una losa de hormigón y además se da una continuidad longitudinal. En estos casos deben contemplarse las redistribuciones de esfuerzos en el tiempo por la fluencia y retracción del hormigón, y si, además, la sección evoluciona, aparecen también redistribuciones internas de tensiones. Estas redistribuciones no son despreciables y deben considerarse en el cálculo en el proyecto y en la construcción.

Una tercera opción lo constituyen las vigas Gerber o en cantilever, que introducen articulaciones en una viga continua con tal de hacerla isostática. En este último caso se suman las ventajas de las vigas continuas (cambio de signo en los momentos) y las vigas biapoyadas (no se ven afectadas por asientos del terreno).

Los puentes viga se han construido con materiales tan diversos como la madera, el acero, el hormigón armado y el hormigón pretensado. Los puentes de vigas en celosía y trianguladas en madera se desarrollaron en el siglo XIX sobre todo en Estados Unidos con la extensión del ferrocarril. Se llegó con vigas Town de madera a luces de 70 m en el puente de Blenheim en 1853. En 1840 Howe patentó la primera viga mixta de madera y hierro, sin embargo pronto se impusieron las vigas puramente metálicas.

Hacia 1830 la producción industrial de hierro comienza a desarrollarse con el ferrocarril, y con ello se recurrió a este nuevo material en forma de vigas trianguladas o de vigas de alma llena. En esta última categoría destaca el puente Britannia, sobre el Menai (Gales), finalizado en 1850 por Stephenson, con dos tramos centrales de 140 m de luz.

La sección de caja original del Puente Britannia, circa 1852.
La sección de caja original del Puente Britannia, circa 1852.

A finales del siglo XIX el acero sustituyó completamente al hierro y, por supuesto, a la fundición. Los puentes viga de acero se impusieron rápidamente por su ligereza. Para luces medias, y por encima de los 75 m, las soluciones metálicas entran en competencia con el hormigón pretensado. La luz de 300 metros del vano central de puente de Niteroi (Río de Janeiro, Brasil) se puede considerar límite en puentes metálicos en viga continua con sección en cajón, porque la solución más adecuada para estas luces es la atirantada. Otras tipologías como los puentes atirantados o los colgantes, quedan fuera de la clasificación de los puentes viga.

Tampoco se entrará en la descripción de los puentes viga de hormigón armado, pues éstos quedan relegados a las pequeñas obras de fábrica (menos de 15 m de luz), estando ampliamente superada su tecnología con el hormigón pretensado para luces mayores. Sin embargo, el puente viga de hormigón armado de mayor luz del mundo es la pasarela de Irvy sobre el Sena (París), con 134,5 m de luz, construida en 1930; su tipología corresponde con una viga triangulada. Para otros post dejamos los aspectos constructivos de estos puentes.

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