Quisiera felicitar públicamente a nuestro estudiante de doctorado Mehrdad Hadizadeb-Bazaz por su Premio al mejor trabajo en la modalidad de póster otorgado por la Escuela de Doctorado de la Universitat Politècnica de València, dentro del IX Encuentro de Estudiantes de Doctorado. Tengo el honor y el placer de dirigir su tesis doctoral junto con el profesor Ignacio J. Navarro. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal. Es el segundo año consecutivo que Mehrdad consigue este premio.
Hoy en día, debido a los elevados costes de construcción, reparación y mantenimiento de grandes estructuras como los puentes, así como la creciente atención al ciclo de vida sostenible en todas las etapas, desde el diseño hasta el final de su vida útil, es crucial emplear diversos métodos para identificar daños y evaluar su eficacia en diferentes estructuras y condiciones. Esto no solo puede aumentar la vida útil de las estructuras y reducir los costes, sino también minimizar el impacto ambiental y social.
En este estudio, se examina la precisión de diversos métodos de detección de daños, tanto dinámicos como no destructivos, para identificar la magnitud, ubicación y momento en que se produce el daño en la estructura a lo largo de su vida útil. Se evalúa la precisión y posibles variaciones de cada uno de los métodos de detección de daños en distintos entornos, especialmente en ambientes costeros y ambientes agresivos. Además, se realiza una evaluación del desempeño y comparación de diferentes métodos de detección de daños no destructivos, teniendo en cuenta casos de sostenibilidad de diseño y evaluación del ciclo de vida, incluyendo aspectos económicos, ambientales e impactos sociales.
Os dejo el póster completo, para que lo podáis leer.
Figura 2. Encofrado perdido de hormigón entre vigas prefabricadas de puente.
El empleo del hormigón como encofrado se utiliza en distintos casos de forma eficiente. En el caso de puentes de vigas, se utiliza en prelosas o losas, ya sean armadas o pretensadas, integrándose a la sección resistente de la pieza de hormigón mediante una conexión adecuada. Estos elementos sirven, cuando se hormigona, como encofrados perdidos de hormigón entre las vigas prefabricadas de un puente (Figura 1). Los encofrados perdidos pueden ser de distintos materiales, pero este artículo se centra en los fabricados en hormigón.
La placa de encofrado perdido es un componente construido con hormigón pretensado esencial para la conformación de los tableros de vigas. Por un lado, actúan como elementos autoportantes que sirven como encofrado del tablero durante la fase de hormigonado “in situ”, eliminando la necesidad de emplear otros sistemas de encofrado de la estructura. Por otro lado, colaboran en las cargas del puente en servicio. Normalmente, son de sección maciza, aunque también se han llegado a fabricar losas alveoladas.
Estos elementos se ubican entre las alas superiores de las vigas, proporcionando un soporte para la instalación de la armadura de la losa in situ, lo que facilita el vertido de hormigón y actúa como encofrado. De este modo, el elemento queda completamente integrado dentro del hormigón de la losa. Estas prelosas están compuestas por una losa de hormigón con un espesor variable entre 6 y 20 cm, junto con celosías o nervios de acero dispuestos a lo largo de toda su longitud, ya sea de sección constante o variable.
Se pueden dar varios tipos:
Losas de encofrado perdido entre vigas
Esta técnica es comúnmente utilizada para encofrar los espacios entre vigas doble T o vigas artesa, así como los vanos internos en las vigas artesa (Figura 1). Sin embargo, no permiten la creación de voladizos en el exterior de las vigas laterales. Normalmente, tienen un espesor de 6 a 7 cm, aunque en casos excepcionales puede reducirse a 5 cm, o bien emplear otros materiales, como chapas grecadas, que son comunes en tableros de vigas adosadas en T invertida.
Prelosas o semilosas entre vigas o con vuelos exteriores
Presentan espesores de hasta 8 cm, tal y como se muestra en la Figura 2. Sin embargo, valores más altos no resultan económicos y generan acciones en las vigas difíciles de compensar, especialmente al actuar sobre la sección de la viga sola. Además, dificultan la colocación de armaduras in situ, especialmente para el anclaje de los pretiles de borde. Para contrarrestar estas dificultades, se emplean disposiciones de armadura en forma de celosía plana (una barra superior y una inferior) o de sección triangular (una barra superior y dos inferiores), hormigonando luego el espesor restante de la losa. En caso necesario, se incorporan conectores de armadura entre ambos hormigones. Este sistema se ha utilizado en tableros con grandes vuelos exteriores y amplias separaciones entre vigas para las losas de tablero pretensadas transversalmente, aunque no es una solución común. Algunos fabricantes ofrecen una variante compleja de prelosas con formas especiales, como nervios rigidizadores o quebradas, que pueden alcanzar anchuras del orden de 15 m. Esta solución es frecuente en estructuras mixtas, con vigas metálicas (Figura 3), o en ampliaciones de puentes existentes, donde en lugar de una viga artesa prefabricada se utiliza un zuncho de apoyo y anclaje en la estructura existente.
Figura 2. Losas de hormigón pretensado como encofrado colaborante entre vigas de puente. http://www.paolini.com.ar/montaje-vigas-preslosas-del-puente/
Figura 3. Losas de hormigón pretensado como encofrado colaborante entre vigas de puente mixto. http://www.paolini.com.ar/montaje-vigas-preslosas-del-puente/
Losas de espesor completo
Son frecuentes en proyectos de ampliación de trazados, como carreteras a media ladera y estructuras existentes, donde los equipos de construcción pueden circular sobre las losas ya instaladas, agilizando considerablemente el progreso de la obra (Figura 4). Por lo general, estas losas cubren toda la anchura del tablero y se utilizan en tableros que descansan sobre dos vigas en doble T o una monoviga. Se unen entre sí mediante juntas transversales in situ y a las vigas mediante ventanas también hormigonadas in situ, lo que permite que los conectores de las vigas se coloquen en áreas localizadas en lugar de distribuirse por toda la viga sin interrupciones. En el caso de que no cubran toda la anchura del tablero, requieren juntas longitudinales, las cuales son más complicadas de realizar, ya que afectan la armadura transversal del tablero, que es más importante y densa que la armadura longitudinal.
Figura 4. Losa de espesor completo. Fuente: https://www.prenava.com/prelosas-semilosas-losas-vigas-y-jabalcones-prefabricados-para-tableros-de-puente/
A continuación os dejo un vídeo de montaje de prelosas y vigas.
Referencias:
AFECI (2021). Guía sobre encofrados y cimbras. 3ª edición, Asociación de fabricantes de encofrados y cimbras, 76 pp.
Durante los días 10-13 de julio de 2023 tuvo lugar en Donostia-San Sebastián (Spain) el 27th International Congress on Project Management and EngineeringAEIPRO 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.
Este simposio tiene como objetivo divulgar e impulsar el desarrollo de trabajos de investigaciones en el campo de las estructuras, la geotecnia, las obras viales y las obras hidráulicas, en el marco de la IV Convención Científica Internacional “Ciencia, Tecnología y Sociedad “CCI 2023” a celebrarse del 13 al 17 de noviembre de 2023 en el Destino Turístico Cayos de Villa Clara, Cuba. Agradezco al Prof. Dr. Ernesto Chagoyen, de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Méndez, de Cuba, su invitación al evento.
La conferencia tiene como título “Optimización híbrida del ciclo de vida de puentes y estructuras mixtas y modulares de alta eficiencia social y medioambiental bajo presupuestos restrictivos (HYDELIFE)”. En este caso se trata de ofrecer la motivación y los resultados obtenidos de nuestro último proyecto de investigación competitivo.
Resumen de la conferencia:
La sostenibilidad económica y el desarrollo social de la mayoría de los países dependen, entre otros, del comportamiento fiable y duradero de sus infraestructuras. HYDELIFE aborda el reto de la sostenibilidad social y medioambiental de las estructuras a lo largo de su ciclo de vida. Para ello se propone una metodología híbrida emergente entre Deep Learning (DL) procedente de la inteligencia artificial, metamodelos y metaheurísticas de optimización multiobjetivo y técnicas de toma de decisión multicriterio. El foco se centra en el diseño robusto y resiliente aplicado a la construcción industrializada modular, tanto en edificación, como en puentes mixtos de hormigón y acero y en estructuras híbridas de acero. Las emergentes metaheurísticas híbridas son capaces de extraer información no trivial de las inmensas bases de datos procedentes de la optimización y mejorar la calidad y el tiempo de cálculo tanto en el diseño automático como en el mantenimiento óptimo de puentes y estructuras. Esta hipótesis debe extenderse a los procesos de toma de decisión multicriterio que atienda a la sostenibilidad social y ambiental del ciclo de vida completo, que contemple las fluctuaciones tanto de los parámetros como de los escenarios posibles, especialmente en el caso de fuertes restricciones presupuestarias. Esta metodología presenta, no obstante, serias dificultades, por lo que se deben explorar metamodelos y DL capaces de acelerar los complejos procesos de cálculo. Los resultados esperados detallan qué tipologías, actuaciones concretas de conservación y alternativas de demolición y reutilización son adecuadas para minimizar los impactos ambientales y sociales considerando la variabilidad.
Os dejo la presentación que he grabado. La presentación será en directo dentro del congreso, pero la he grabado para que podáis escucharla. Espero que os sea interesante.
Acaban de publicarnos un artículo en Structures, 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 artículo presenta una metodología que utiliza el aprendizaje profundo para acelerar los cálculos de las restricciones estructurales en un contexto de optimización, específicamente para un puente mixto de hormigón y acero. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
El modelo de aprendizaje profundo óptimo está integrado por tres metaheurísticas: el método Obamo (Old Bachelor Acceptance with a Mutation Operator), el Cuckoo Search (CS) y los algoritmos de coseno sinusoidal (SCA). Esta integración da como resultado un posible aumento de 50 veces en la velocidad computacional en ciertos escenarios. El estudio destaca la viabilidad económica, las ramificaciones ambientales y las evaluaciones del ciclo de vida social de las soluciones de diseño optimizadas. Demuestra las ventajas de combinar el aprendizaje profundo con la optimización del diseño de la ingeniería civil, especialmente en lo que respecta al aumento del límite elástico del acero para cumplir objetivos medioambientales y sociales. La metodología propuesta en el documento se puede adaptar a una variedad de otras configuraciones estructurales, por lo que es aplicable más allá del caso específico del puente compuesto
The ability to conduct life cycle analyses of complex structures is vitally important for environmental and social considerations. Incorporating the life cycle into structural design optimization results in extended computational durations, underscoring the need for an innovative solution. This paper introduces a methodology leveraging deep learning to hasten structural constraint computations in an optimization context, considering the structure’s life cycle. Using a composite bridge composed of concrete and steel as a case study, the research delves into hyperparameter fine-tuning to craft a robust model that accelerates calculations. The optimal deep learning model is then integrated with three metaheuristics: the Old Bachelor Acceptance with a Mutation Operator (OBAMO), the Cuckoo Search (CS), and the Sine Cosine Algorithms (SCA). Results indicate a potential 50-fold increase in computational speed using the deep learning model in certain scenarios. A comprehensive comparison reveals economic feasibility, environmental ramifications, and social life cycle assessments, with an augmented steel yield strength observed in optimal design solutions for both environmental and social objective functions, highlighting the benefits of meshing deep learning with civil engineering design optimization.
Keywords:
Deep learning; Sustainability; Optimization; Bridges; Machine learning; Composite structures
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. 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.
Quisiera felicitar públicamente a nuestro estudiante de doctorado Mehrdad Hadizadeb-Bazaz por su Premio al mejor trabajo en la modalidad de póster otorgado por la Escuela de Doctorado de la Universitat Politècnica de València, dentro del IX Encuentro de Estudiantes de Doctorado. Tengo el honor y el placer de dirigir su tesis doctoral junto con el profesor Ignacio J. Navarro. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal. Es el segundo año consecutivo que Mehrdad consigue este premio.
