Figura 1. Neumáticos de dúmperes rígidos. Imagen: V. Yepes
Los costes de los neumáticos pueden representar en las grandes máquinas (tractores pesados, mototraíllas…) un tercio de su coste total. En algunos casos, los neumáticos se venden aparte, ajustándose al tipo de trabajo realizado por el equipo.
En condiciones ideales, la vida de servicio de unos neumáticos radiales es de unas 6.000 horas. Sin embargo, lo habitual son desgastes fuertes, por lo que se reponen, por término medio, entre las 2.500 a 4.000 horas de trabajo (de 30.000 a 50.000 km). En el caso de mototraíllas o palas cargadoras en condiciones de gran dureza, la vida se reduce a unas 1.000 horas.
Para comparar la vida de los neumáticos se puede utilizar el concepto de T.V.H. que representa el producto de las toneladas medias transportadas por la velocidad media y por las horas recorridas. A mayor T.V.H., mejor comportamiento del neumático.
Las condiciones que más inciden en la duración de los neumáticos son los impactos, que producen dobleces y descascarillados, la abrasión y otros factores que dependen de las condiciones naturales y del terreno, del tipo y hábitos del operador y del mantenimiento realizado. En la Tabla 1 se recoge la duración estimada, en función de las condiciones de trabajo, para los neumáticos de distintas máquinas.
Tabla 1. Duración típica de los neumáticos, en horas (Nunnally, 2001)
Tipo de equipo
Condiciones de trabajo
Favorables
Medias
Desfavorables
Buldócer o cargadora
3.200
2.100
1.300
Motoniveladora
5.000
3.200
1.900
Mototraílla convencional
4.600
3.300
2.500
Mototraílla de doble tracción
4.000
3.000
2.300
Mototraílla push-pull y autocargable
3.600
2.700
2.100
Dúmper extravial y motovagón
3.500
2.100
1.100
En la Tabla 2 se indican los factores que habría que aplicar para calcular la longevidad de los neumáticos en el caso de equipos de acarreo para movimiento de tierras.
Tabla 2. Factores que reducen la longevidad de los neumáticos en vehículos de transporte de movimiento de tierras
Eje motriz
Tracción continua a 4 ruedas
0,9
Tracción intermitente a 4 ruedas
0,8
Eje de apoyo
1,0
Presión de inflado
Presión correcta
1,0
Presión de inflado un 10% inferior
0,9
Carga
Ninguna sobrecarga
1,0
10% sobrecarga
0,9
20% sobrecarga
0,8
Condiciones de la rodadura o ruta de transporte
Tierra blando con un poco de piedras
1,0
Camino de grava bien mantenido
1,0
Camino de grava mal mantenido
0,9
Rocas dinamitadas
0,7
Mantenimiento del sitio de carga y descarga
Excelente
1,0
Deficiente
0,9
Curvas
Ninguna o muy suaves
1,0
Cerradas
0,9
Pendientes (solo para las ruedas motrices)
No pasan del 6%
1,0
Superior al 6%
0,9
Velocidad media
16 km/h
1,0
32 km/h
0,9
Experiencia del operador
Más de 6 meses
1,0
Menos de 6 meses
0,9
Por ejemplo, la longevidad de los neumáticos radiales de un dúmper pasa de 6.000 horas a 3.540 horas al aplicar el producto de todos los coeficientes (0,59) en el caso siguiente: presión de inflado recomendada, sobrecarga del 10%, camino de transporte de grava deficientemente mantenido, mantenimiento-conducción, carga, descarga defectuoso, curvas suaves, pendientes que no sobrepasan el 6%, velocidad media aproximada de 32 km/h y operador con experiencia.
En la Tabla 3 se adjunta una tabla parecida donde se recogen los factores de reducción de la vida de los neumáticos (Solminihan y Thenoux, 2008).
Tabla 3. Factores de reducción de la vida de los neumáticos (Solminihan y Thenoux, 2008)
Condiciones de uso
Factor a aplicar
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
Presión del neumático (kg/cm2), en comparación con la especificada
100%
90%
80%
75%
70%
Carga del neumático, en comparación con la especificada
100%
129%
139%
150%
—
Velocidad media (km/h)
16
24
32
40
48
Posición de la rueda
Traseras de arrastre
Frontales
De tracción en vagonetas de acarreo de materiales
Motora
Clase de superficie del recorrido
Tierra blanda, suave o suelta
Camino de grava, grava angulosa
Roca angulosa
Como la vida de los neumáticos es inferior a la de la máquina, los costes de propiedad y de operación de ambos se estudian por separado. Así, la amortización de este tipo de maquinaria se hará deduciendo el coste de las cámaras y neumáticos del de adquisición de aquella. Su coste horario se calcula como la relación entre el coste de las cámaras y de los neumáticos y las horas de vida útil, considerando un 10% sobre el costo por reparaciones: recauchutados, pinchazos, etc.
Referencias:
NUNNALLY, S.W. (2001). Construction Methods and Management. 5th edition, Prentice Hall, New Yersey, 549 pp.
SOLMINIHAC, H.; THENOUX, G. (2008). Procesos y técnicas de construcción. Quinta edición, Ediciones de la Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile, 545 pp.
Deterioro prematuro del hormigón. Imagen: V. Yepes
No es extraño encontrar en medios de prensa noticias relacionadas con las costosas reparaciones de estructuras de hormigón de todo tipo. Lejos quedó la consideración del hormigón armado como un material resistente a cualquier tipo de ataque. La alcalinidad del hormigón y el recubrimiento de sus armaduras parecían suficientes para asegurar una larga vida útil para estas estructuras. Pues no, la vida útil de las estructuras de hormigón es una realidad que obliga a reparaciones si lo que se pretende es alcanzar una vida prevista suficientemente holgada. Sobre este tema ya hemos hablado en artículos anteriores. Por ejemplo, cuando poníamos en entredicho una vida útil de 100 años para los puentes; cuando exponíamos los métodos matemáticos para estimar la vida útil de los puentes; o cuando definíamos la durabilidad y la vida útil de las infraestructuras, entre otros muchos más artículos, a los que remitimos al lector dentro de este mismo blog.
En este artículo nos centramos en resumir, de forma breve, los materiales que se utilizan en la reparación del hormigón estructural. Estos materiales deben resistir acciones químicas, físicas o mecánicas que afecten a la durabilidad de la estructura y que requieran a su reparación. Fernández Cánovas (1994) indicaba que las condiciones que debe cumplir un material de reparación deberían ser, entre otras, las siguientes: mayor durabilidad que el material estructural existente; protección del acero al mejorar la alcalinidad del medio y aumentar la impermeabilidad; buena estabilidad dimensional con una mínima retracción y fluencia; y una buena adherencia tanto en acero como en hormigón. Además, como cualquier material de construcción, se debe exigir a estos productos requisitos relativos a la funcionalidad, seguridad, durabilidad, estética y economía.
Aunque es posible encontrar diversas clasificaciones de los materiales empleados en la reparación del hormigón estructural, la literatura europea los clasifica en tres grupos atendiendo al ligante que sirve de cohesión. Pueden ser estos ligantes hidráulicos, como el cemento; orgánicos, como las resinas sintéticas, o mixtos, es decir, que sean a la vez ligantes hidráulicos y orgánicos. Los ligantes hidráulicos pueden estar modificados o no por un polímero orgánico. Los productos basados en resinas sintéticas varían según la estructura del polímero resultante. Los materiales de base mixta se benefician tanto de las propiedades debidas al endurecimiento de los ligantes hidráulicos como de la reticulación del polímero.
Desde el 1 de Enero de 2009, es de obligado cumplimiento en toda la Unión Europea la Norma UNE-EN 1504, que especifica los requisitos para la identificación, comportamiento y seguridad de los productos y sistemas a utilizar para la reparación y protección estructural y no estructural del hormigón.
Veamos una pequeña clasificación de dichos materiales (Pelufo, 2003):
Materiales de base inorgánica
Se trata de productos basados en el cemento. Pueden ser de base inorgánica tradicional como los cementos portland (lechadas, morteros, microhormigones y hormigones). Las no tradicionales pueden emplear cemento portland, aluminoso, sin retracción, cementos basados en fosfato de magnesio, etc. Estos últimos son materiales de reparación con propiedades especiales: retracción compensada, endurecimiento rápido, altas resistencias, etc.
Materiales de base orgánica
Se basan en un aglomerante de resinas o polímeros, normalmente termoestables, como las resinas epoxídicas, los poliuretanos o los poliésteres. Estos ligantes polimerizan con un endurecedor. En el mercado existe una gran variedad de este tipo de materiales.
Materiales de base mixta
Hay quien opina que si el producto está compuesto por un conglomerante hidráulico y un polímero que se disuelve de forma estable en agua, éste producto pertenece al grupo de materiales de base inorgánica. No obstante, otros autores como Fernández Cánovas (1994) los consideran como materiales de base mixta. Estos productos de base mixta suelen tener por base cemento portland y polímeros termoplásticos. Las resinas que lo componen suelen ser acrílicas, estireno-butadieno, polivinilo y archilamidas. Como no podía ser de otra forma, las propiedades variarán en función de los componentes y proporciones utilizadas.
Os dejo algunos vídeos sobre este tema de la reparación de estructuras de hormigón. Espero que os gusten.
Referencias:
Fernández Cánovas; M. (1994). Patología y terapéutica del hormigón armado. 3ª edición, Servicio de Publicaciones del Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Madrid.
Pelufo, M.J. (2003). Caracterización del comportamiento mecánico y frente a la corrosión de morteros de reparación del hormigón estructural. Tesis doctoral. Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Civil, Universidad Politécnica de Valencia.
Figura 1. ¿Cuál es la vida económica de un equipo? No confundirla con la vida útil. Imagen: V. Yepes
Resulta paradójico deshacerse de una máquina cuando el coste horario de la misma es el más bajo posible. Este concepto, difícil de entender en ocasiones, provoca que muchas empresas se resistan a sustituir su maquinaria, alargando su vida de trabajo por encima de lo que la economía aconseja. En no pocas ocasiones se confunde la vida económica con la vida útil de un equipo. Pero analicemos con cierto detalle esta presunta paradoja para aclarar el concepto.
El cociente entre los gastos acumulados a origen respecto a las horas trabajadas por una máquina es elevado al principio, poco después de su adquisición. Al envejecer la máquina, los costes por reparaciones y sustituciones de piezas son cada vez mayores. Por tanto, existe un punto intermedio donde la relación de los costes acumulados respecto a las horas trabajadas es mínima. Dicho punto define la vida económica de un equipo, y es en ese momento cuando debería ser sustituido. La relación entre los costes horarios de una máquina a lo largo del tiempo se ha representado en la Figura 2.
Figura 2. Variación de los costos horarios y vida económica de un equipo
Los contratistas que no registran los costes horarios pueden usar sus máquinas más allá de su vida económica, con lo que sus costes unitarios de producción serán mayores a los de su competencia. El reconocimiento y el tratamiento sistemático de la renovación de los bienes de equipo proporciona a las empresas amplias ventajas, reduciendo:
Los costos de conservación.
Los costos de producción, salvando la competencia.
Las pérdidas por chatarra o retoques.
Las demoras y tiempos perdidos.
La vida económica óptima varía con la máquina y su trabajo, y es independiente de su vida técnica o física. Así, un equipo puede superar la vida económica y seguir funcionando correctamente, o bien puede retirarse antes por obsolescencia. Ahora bien, es absurdo pretender que una máquina trabaje indefinidamente. Al cabo de cierto tiempo, los gastos de mantenimiento y de recuperación incrementan considerablemente el coste. Un cuidado concienzudo y las revisiones generales sistemáticas retrasan la fecha de su inutilización, pero invariablemente llega el día en que conviene desembarazarse de la máquina; sobre todo cuando el riesgo de fallo en alguna pieza esencial, por exceso de fatiga, se hace inadmisible. A los equipos de obras públicas se les exige una fiabilidad elevada y si la empresa no quiere deshacerse de la máquina, se dispondrá ésta en reserva, después de revisarla a fondo.
Los costos horarios de reparación siguen una curva ascendente con las horas acumuladas de trabajo. Si se disponen de datos históricos sobre los costes totales de reparaciones RH, para un número H de horas trabajadas, se pueden ajustar los coeficientes λ, μ y ρ de la siguiente parábola:
A los costes propios de la máquina, deberían sumarse los de otros equipos obligados a parar cuando el primero de ellos se detiene por una avería. Esta circunstancia evidencia cierto recorte de la vida económica de aquellas máquinas de las cuales dependen otras. También sugiere la duplicidad de estos equipos y su trabajo en paralelo.
Al representar la acumulación de los costes a origen en relación con el tiempo, aparece una línea quebrada tal y como queda representada en la Figura 3. La recta que desde el origen de coordenadas es tangente a la curca de los costes acumulados representa la mínima pendiente y por tanto el mínimo coste horario posible. En la Figura 3 el valor alcanza su mínimo para el ángulo BOX. El punto B señala el límite de la vida económica. Considerando que la mano de obra, los consumos y las reparaciones, se pagan a muy diferentes precios en los distintos países, se comprueba que el óptimo económico varía de unos a otros.
Figura 3. Método gráfico para determinar el coste horario mínimo y la vida económica de un equipo
Cada máquina tiene su vida económica. 10,000 horas pueden ser adecuadas para un tractor sobre orugas, pero en una bomba de hormigón estacionaria dicha vida se reduce a la mitad. Algunos autores estiman una vida económica de 6,000, 10,000 o 16,000 horas de trabajo, según se trate de material, pesado o extraordinariamente pesado.
Figura 1. La fiabilidad de la maquinaria garantiza su productividad. Imagen: V. Yepes
Una unidad simple o compuesta, bajo unas condiciones determinadas, puede no completar la misión para la cual estuvo diseñada y, por lo tanto, dar lugar a un fallo. Los mecanismos llevan a un elemento al fracaso se deben a deterioros por desgaste, al medio ambiente o al azar. Los fallos pueden clasificarse en dos categorías:
Fallo de parada o avería: causa el cese de una función.
Fallo de deterioro: afecta a la calidad o causa deterioro funcional. El equipo sigue trabajando, pero las imprecisiones y otros tipos de degradación funcional crean defectos en el producto acabado o afecta a su productividad.
El concepto de fiabilidad se encuentra relacionado con el de disponibilidad y el de mantenimiento. En efecto, las máquinas no son infalibles, y por tanto para aumentar su tiempo disponible en las obras se requiere una correcta política de reparación y mantenimiento (Figura 1).
Se define la fiabilidad como la probabilidad de que una unidad funcione satisfactoriamente en un intervalo de tiempo determinado, sin que sufra interrupciones de su trabajo por fallo de alguno de sus componentes, siempre que dicho dispositivo se emplee en condiciones establecidas.
La fiabilidad se relaciona con el promedio de horas entre averías, o tiempo medio entre fallos (TMEF), definiéndose para un equipo reparable como la relación del número de horas trabajadas en un intervalo de tiempo y el número de averías sufridas en ese mismo período.
Los equipos siguen a menudo un modelo de fallo similar. La curva de fiabilidad de una máquina representa la evolución de la tasa de fallos de una máquina a lo largo del tiempo. También recibe el nombre de “curva de la bañera”, por su forma. En dicha curva aparecen tres zonas que se diferencian por la frecuencia de los fallos y su causa (ver Figura 2):
1.- Período de mortalidad infantil o de fallos prematuros. Caracterizada por una tasa de fallos elevada que disminuye rápidamente con el tiempo. Las causas de los fallos normalmente se deben a errores de diseño, de fabricación, de utilización u otras causas identificables, que una vez resueltas no suelen repetirse. Los fallos precoces ocurren durante la fase de rodaje de la máquina.
2.- Período de tasa de fallos constante o vida útil. Los fallos aparecen de forma aleatoria y accidental debido a limitaciones del diseño más los percances causados por el uso o por un mal mantenimiento. Es aconsejable limitar la utilización de las máquinas a este período. Para reducir la cuota de fallos durante la vida útil, se debería rediseñar el equipo.
3.- Período de desgaste. Caracterizado por deterioros crecientes con el tiempo, debidos a la vejez y terminación de la vida útil del equipo. Para reducir la tasa de fallos se requiere el reemplazamiento preventivo de los componentes gastados, antes de un incidente catastrófico, llegando incluso a la renovación completa del equipo.
Figura 2. Curva de fiabilidad de una máquina
Se podría alargar al máximo la vida útil de un equipo:
Mediante un envejecimiento preventivo de las máquinas o sus componentes. Al someter a una unidad a un funcionamiento preliminar se eliminan los fallos prematuros. Constituye la “purga” de un elemento antes de instalarlo en un sistema.
Mediante la sustitución preventiva, reemplazando las unidades o componentes al acabar su vida útil, sin esperar a su avería, evitando que se produzcan fenómenos masivos de mortalidad por envejecimiento.
Cuando la tasa de fallos es constante, la ocurrencia de un fallo es imprevisible, es decir, es independiente de la vida acumulada de la unidad. En este caso, el tiempo libre de fallos se distribuye exponencialmente, dependiendo la fiabilidad únicamente de la duración de la misión del elemento. Estas hipótesis sustentan el denominado modelo exponencial de la fiabilidad que, si bien no es estrictamente exacto para las máquinas, debido a sus desgastes, es un modelo muy utilizado por su sencillez:
donde
R(t) = Probabilidad de funcionamiento libre de fallos durante un período de tiempo igual o mayor que t.
e = 2.718
t = Un período especificado de funcionamiento libre de fallos.
θ = Tiempo medio entre fallos o “vida media”.
λ = Tasa de fallos (la inversa de q).
Se comprueba que la vida media es superada solo por el 36,8% de las unidades del mismo tipo en funcionamiento, pues R(1/λ)=0,368.
Una generalización del modelo exponencial es la función de Weibull, para situaciones con tasa de fallo variable, siendo adecuado en fases de fallos precoces y de envejecimiento:
donde
δ = vida mínima (>= 0)
θ = vida característica (> δ)
β = parámetro de forma (> 0)
con frecuencia se toma δ = 0, con lo cual:
β = 1 con una cuota de fallos constante. Si β<1 la tasa de fallos disminuye con el tiempo, correspondiendo con la etapa de mortalidad infantil. Si β>1, la tasa de fallos aumenta con el tiempo, recayendo con el período de desgaste. Para β=3,5 la distribución de Weibull se aproxima mucho a la normal.
Figura 3. Representación de la función de Weibull en función del parámetro de forma
La vida media adquiere con el modelo de Weibull la siguiente expresión:
donde
De la función de distribución de Weibull resulta, por desarrollo matemático que la tasa de fallos sería:
donde λ(t) indicaría qué porcentaje de unidades sobreviven hasta la duración t, se avería en el intervalo siguiente (t+dt).
Figura 1. Colapso del puente I-35W en Minneapolis. https://thestartupgrowth.com/2019/02/21/structural-health-monitoring-market-driven-by-rapid-expansion-in-the-infrastructure-sector-till-2024/
Una noticia aparecida el 9 de diciembre de 2018 en El País con el siguiente titular “Fomento admite que hay 66 puentes con graves problemas de seguridad” abrió cierta inquietud en la opinión pública sobre la seguridad de nuestros puentes. Esta inquietud irrumpió en agosto de ese mismo año con el derrumbe de un puente en Génova (Italia). Pero los ejemplos no quedan aquí. Podríamos hablar de la sustitución de los cables del puente Fernando Reig, en Alcoy, o del Puente del Centenario, en Sevilla. O del derribo del puente Joaquín Costa, en Madrid. Ejemplos tenemos en todo el mundo. En cualquier caso, estamos hablando de cifras millonarias, de cortes de tráfico, pérdidas humanas, por poner algunas consecuencias sobre la mesa.
Los puentes son componentes críticos de las infraestructuras, pues su correcto funcionamiento es básico para la resiliencia de nuestros entornos urbanos. Sin embargo, un gran número de infraestructuras que están llegando al final de su vida útil al mismo tiempo. De hecho, la vida útil de muchos puentes se espera que sea menor a la proyectada debido al continuo deterioro provocado por el incremento del tráfico y de los impactos ambientales. Esto constituye una auténtica bomba de relojería (Thurlby, 2013), que junto al reto de la reducción de los impactos ambientales, son razones más que suficientes para preocuparnos de mejorar el mantenimiento de nuestros puentes. De hecho, ya hemos comentado en un artículo anterior un concepto totalmente relacionado con éste: la “crisis de las infraestructuras“. Yo me atrevería a afirmar algo que puede parecer muy duro: el derrumbe de nuestra civilización será paralelo al de las infraestructuras que les da soporte.
Hoy día los gestores de las infraestructuras tienen ante sí un reto importante consistente en mantenerlas en un estado aceptable con presupuestos muy limitados. De hecho, la inspección de los puentes, su mantenimiento y reparación constituyen tareas rutinarias necesarias para mantener dichas infraestructuras en buenas condiciones (Tong et al., 2019). Sin embargo, el problema pasa a ser grave cuando una parte significativa del parque de infraestructuras se encuentra cercano al final de su vida útil. Y lo que aún es peor, cuando existen riesgos de alto impacto y de baja probabilidad que pueden afectar gravemente a las infraestructuras. Resolver este problema es complicado, pues no se presta fácilmente a la exploración con los instrumentos analíticos y de previsión tradicionales.
El estado o deterioro de una infraestructura sigue un comportamiento similar, pero invertido, de la llamada “curva de la bañera“, que es una gráfica que representa los fallos durante el periodo de vida útil de un sistema o de una máquina. En este caso, según vemos en la Figura 2, el estado de condición o las prestaciones de la infraestructura permanece alto durante un periodo de tiempo hasta que empieza a decaer. Para los gestores es necesario conocer el comportamiento de las infraestructuras para tomar decisiones. Sin embargo, muchas veces desconocen en qué posición de la curva se encuentran y, lo que es peor, a qué ritmo se va a deteriorar. Por ejemplo, en la Figura 2 podemos ver que la caída en las prestaciones de A a B, o de B a C son similares, pero la velocidad de deterioro es muy diferente. Y lo que es peor de todo, llega un momento que la caída en las prestaciones ocurre de forma muy acelerada, sin capacidad de reacción por parte de los gestores. Por eso se ha utilizado el símil de la “bomba de relojería”.
Figura 2. Estado o prestaciones de una infraestructura (Thurlby, 2013)
La gestión y el mantenimiento de los puentes está empezando a ser un problema de una magnitud que está empezando a ser más que preocupante. Algunos datos son un ejemplo de ello: en el año 2019, 47000 puentes de los puentes en Estados Unidos, (más del 20% del total) presentan deficiencias estructurales (American Road & Transportation Builders Association, 2019); en Reino Unido, más de 3000 puentes estaban por debajo de los estándares y requerían reparación (RAC Foundation, 2019). Estos son buenos argumentos para aumentar la vida útil de los puentes.
Una de las tecnologías para mejorar la gestión y el mantenimiento de los puentes es la vigilancia de su estado estructural (structural health monitoring, SHM), que trata de mejorar el comportamiento de la estructura mediante el aprendizaje de los datos obtenidos durante su vida útil mediante su monitorización (Figura 3). Estos datos sirven para actualizar los modelos y comprobar el estado en que se encuentra la estructura, lo cual permite minimizar la incertidumbre de los parámetros empleados en los modelos. Sin embargo, aún no se ha resuelto completamente el paso de la obtención de los datos del puente en tiempo real a la toma de decisiones en la gestión y mantenimiento de los puentes.
Figura 3. Structural health monitoring. https://thestartupgrowth.com/2019/02/21/structural-health-monitoring-market-driven-by-rapid-expansion-in-the-infrastructure-sector-till-2024/
En un artículo anterior se explicó el concepto de gemelos digitales (digital twins). Estos modelos actualizados constantemente mediante la monitorización del puente, permitirían conocer en tiempo real el estado estructural del puente y también predecir su comportamiento en el caso de que ocurrieran determinadas circunstancias. Esta información sería clave a la hora de tomar decisiones en la gestión y el mantenimiento del puente.
Las preguntas clave que deberíamos responder serían las siguientes: ¿Es el puente seguro?, ¿cuánto tiempo será el puente seguro?, ¿cuál es el comportamiento estructural actual del puente?, ¿cuándo y cómo deberemos intervenir en el puente?
La respuesta a estas preguntas no es tan evidente como pudiera parecer a simple vista. Los gestores de las infraestructuras deberían ser capaces de entender y valorar en su justa medida los resultados estructurales de los modelos cuyos datos se actualizan en tiempo real. La dificultad estriba en conocer no solo los datos, sino las causas subyacentes a los cambios en el comportamiento estructural. Una ayuda son las técnicas procedentes de la inteligencia artificial, como el aprendizaje profundo, que permiten interpretar ingentes cantidades de datos e identificar patrones y correlaciones entre dichos datos. En un artículo anterior hablamos de este tema. Por otra parte, la actualización de los datos procedentes de la vigilancia de los puentes debería ser automática y en tiempo real. Aquí vuelve a cobrar importancia la inteligencia artificial, aunque nunca debería suplantar el conocimiento ingenieril que permite interpretar los resultados proporcionados por los algoritmos.
Por otra parte, la modelización del riesgo y la resiliencia es una labor necesaria para entender la vulnerabilidad de las infraestructuras. De esta forma seríamos capaces de desarrollar estrategias de mitigación, que podrían ser complementarias a las estrategias de gestión del deterioro que se han explicado anteriormente.
Por tanto, existe un auténtico salto entre la investigación dedicada a la monitorización en tiempo real de los puentes y la toma de decisiones para su gestión y mantenimiento. Los gemelos digitales apoyados en los actuales desarrollos tecnológicos como el “Internet de las cosas“, deberían permitir el paso de la investigación y el desarrollo a la innovación directamente aplicable a la realidad de la gestión de las infraestructuras.
THURLBY, R. (2013). Managing the asset time bomb: a system dynamics approach. Proceedings of the Institution of Civil Engineers – Forensic Engineering, 166(3):134-142.
TONG, X.; YANG, H.; WANG, L.; MIAO, Y. (2019). The development and field evaluation of an IoT system of low-power vibration for bridge health monitoring, Sensors 19(5):1222.
Man-Chung Tang, Dr., P.E. T.Y. Lin International, USA
Durante el último congreso IALCCE, que tuvo lugar en Gante en octubre de 2018, tuve la oportunidad de escuchar la lección magistral (Fazlur R. Khan Lecture) del doctor Man-Chung Tang, denominada “Durability of bridges“. Fue una conferencia brillante, donde la gran experiencia y conocimiento de este gran ingeniero de puentes, dejó muy claros algunos conceptos de gran importancia.
El doctor Tang, nacido en Zhaoqing (China), en 1938, es el Presidente del Consejo de Administración y el Director Técnico de la firma T.Y. Lin International ubicada en San Francisco (Estados Unidos). Se trata de una empresa multinacional en el ámbito de las infraestructuras e ingeniería de todo tipo, que emplea a más de 2500 ingenieros, arquitectos y científicos. Además, recibió el premio Senior Award del IALCCE del 2018 (al igual que Tatiana García Segura recibió el Junior Award).
La lección magistral, tal y como la introduce el propio Congreso, se presentaba de la siguiente forma:
“In the past, life cycle cost of a bridge is usually defined as the sum of initial costs, operation costs, maintenance costs, rehabilitation costs and disposal costs. Today, we may add environmental costs and social costs to arrive at a more realistic “total life cycle cost”. But the total life cycle cost of a bridge by itself does not have much meaning unless we also know the service life of the bridge. The economic efficiency of the bridge is the total life cycle cost divided by the service life of the bridge. The main factor affecting the service life is the durability of the bridge.“
Lo que más me llamó la atención es la llamada internacional a que los puentes se diseñen para una vida útil de 300 años. Se trata de una opinión que suscribo plenamente y que se debería llevar lo antes posible a los foros correspondientes. Son muchos ya los problemas de durabilidad y los accidentes que presentan estas estructuras para no tomar esta valiente decisión. Para ello hay que entender lo que significa la gestión del puente a lo largo de su ciclo de vida.
En efecto, muchas normas e instrucciones prescriben actualmente para la mayoría de los puentes una vida útil de 100 años para los grandes puentes y de 75 años para el resto. En España, la vida útil nominal indicada en la Instrucción de Hormigón Estructural EHE-08 es de 100 años para puentes de longitud total igual o superior a 10 metros y otras estructuras de ingeniería civil de repercusión económica alta.
Durante su lección magistral, el doctor Tang diferenció claramente la vida de servicio (service life) de un puente de lo que sería la vida útil para la que fue diseñada la estructura (design life). La vida de servicio se considera como el tiempo durante el cual un puente se puede utilizar de forma segura, de acuerdo con los criterios de diseño establecidos. Sin embargo, cuando se proyecta un puente, es difícil saber a ciencia cierta cuánto tiempo realmente dicho puente podrá estar en servicio. La vida de servicio, por tanto, no tiene por qué coincidir con la vida útil de diseño puesto que es evidente que un puente se puede encontrar en perfectas condiciones el día posterior a la caducidad de su vida de servicio, y no por ello debe procederse a su demolición. También es posible que, antes de alcanzar el fin de su vida útil, el puente quede fuera de servicio por múltiples motivos.
Por otra parte, un puente es durable si su vida de servicio es suficientemente larga. Como un puente debe ser seguro, funcional, económico y tener una buena presencia, ello implica que un puente será durable si es durable en cuanto a su seguridad, funcionalidad, economía y buena presencia. Este concepto de durabilidad, como es fácil de entender, está asociado a la probabilidad de incumplimiento de alguna de las funciones señaladas.
Además, hoy día el concepto de sostenibilidad implica un cambio radical en la forma de proyectar, construir y mantener los puentes. Si los romanos fueron capaces de construir puentes que han durado más de dos mil años, hoy es inconcebible que se proyecten puentes para una vida útil de 100 años.
El doctor Tang, basándose en sus observaciones y experiencia, expuso claramente su propuesta de elevar a 300 años la vida útil en el proyecto de los puentes. Ello no incrementaría en exceso el coste del puente. Además, muchos de los materiales empleados pueden durar esos 300 años si se realiza un mantenimiento conveniente. Nuestro grupo de investigación ha comprobado cómo realizando una optimización multiobjetivo de un puente se puede incrementar su vida útil muy por encima de los 100 años con incrementos muy pequeños en los costes (García-Segura et al., 2017).
Habrá quien argumente que antes de lo que esperamos la tecnología cambiará tanto que no tenga sentido el aumentar la vida útil de los puentes (coches voladores, por ejemplo). Sin embargo, ya hemos visto que desde el punto de vista de la sostenibilidad de los recursos naturales, desde el punto de vista económico, y sobre todo, para tratar de evitar tragedias como las que se han vivido recientemente, está más que justificada la revisión de la vida útil de diseño de las infraestructuras (no solo puentes, sino viviendas, obras hidráulicas, carreteras, puertos, etc.).
Por tanto, suscribo plenamente la opinión bien argumentada del doctor Tang: la vida útil de los puentes debe modificarse en las normas e instrucciones para subirla a un mínimo de 300 años.
Referencias:
GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; FRANGOPOL, D.M. (2017). Multi-Objective Design of Post-Tensioned Concrete Road Bridges Using Artificial Neural Networks.Structural and Multidisciplinary Optimization, 56(1):139-150.
Fases de iniciación y propagación de la corrosión (Tuutti, 1982)
Cualquier tipo de infraestructura, ya sea una carretera o un puente, presenta un proceso de deterioro a lo largo de su vida útil debido al paso del tiempo y también al resultado de acciones y solicitaciones externas. Otros factores que pueden determinar la duración de esta vida útil pueden ser los errores o defectos ocurridos en fase de proyecto o bien durante el proceso de construcción. El tiempo, portanto, influye directamente en la mayor parte de las variables que intervienen en los procesos de deterioro, tanto en los físicos (acciones, características resistentes, interacción con el terreno, etc.) como en los químicos (corrosión, carbonatación, cloruros, sulfatos, etc.). El análisis de la vida útil de un puente es, por tanto, un proceso complejo que requiere identificar las variables que afectan a la durabilidad y su distribución temporal. El deterioro es un proceso inherente a las estructuras, y por tanto, inevitable, aunque los sistemas de gestión tratan de cuantificarlo y controlarlo mediante estrategias de mantenimiento. Sus efectos pueden ser devastadores, reduciendo drásticamente sus aspectos funcionales, portantes, confort y seguridad.
Para profundizar en este tema, os dejo un vídeo producido por el Instituto Eduardo Torroja donde Faviano Tavares explica la aplicación de los métodos matemáticos en la estimación de la vida útil de las estructuras. Espero que os sea de interés.
Deterioro prematuro del hormigón. Imagen: V. Yepes
La durabilidad de las construcciones constituye uno de los aspectos clave que preocupan y van a preocupar a los técnicos en las próximas décadas. Tras un crecimiento masivo en la construcción, se plantean problemas tan serios como el mantenimiento y la sostenibilidad de las infraestructuras, de forma que se consigan los indicadores mínimos de servicio que permitan un uso seguro y adecuado de las mismas. Estamos inmersos, de hecho, en una verdadera “crisis de las infraestructuras”, fuertemente relacionada con la crisis financiera, económica, social y ética que nos envuelve en este momento. Todo ello, como podemos ver, tiene que ver con la durabilidad, tal y como vimos en una tesis de máster que dirigí recientemente (Esteve, 2015). Para poder hablar sobre los factores que afectan a la durabilidad, es necesario primero definir el concepto de durabilidad según la normativa y según diversos autores, así como el concepto de vida útil, final de vida útil y rendimiento. También se definen otros conceptos aparecidos en el estudio, como vulnerabilidad y mantenibilidad.
Cayo Julio Lacer, y la leyenda “que durará tanto cuanto el mundo durare”, constituye la lección más importante para los ingenieros siempre que se visita el puente de Alcántara (Cáceres).
Durabilidad
La Instrucción de Hormigón Estructural (EHE-08) define la durabilidad de una estructura de hormigón como “su capacidad para soportar, durante la vida útil para la que ha sido proyectada, las condiciones físicas y químicas a las que está expuesta, y que podrían llegar a provocar su degradación como consecuencia de efectos diferentes a las cargas y solicitaciones consideradas en el análisis estructural. Una estructura durable debe conseguirse con una estrategia capaz de considerar todos los posibles factores de degradación y actuar consecuentemente sobre cada una de las fases de proyecto, ejecución y uso de la estructura”.
En la norma ISO 15686-1 se define la durabilidad como “la capacidad de los edificios o alguna de sus partes para desenvolver el papel para el cual fueron diseñados durante un período específico bajo la influencia de determinados agentes”.
El concepto de durabilidad también puede ser entendido como la “habilidad que un edificio o componente de un edificio tiene para alcanzar el rendimiento óptimo de sus funciones en un determinado ambiente o sitio, bajo un determinado tiempo sin realizar trabajos de mantenimiento correctivo ni reparaciones” (CSA, 2001).
Algunos autores han intentado ofrecer una definición de durabilidad más completa, teniendo en cuenta los efectos actuales del cambio climático. Es el caso de Mendoza y Castro (2009), que definen la durabilidad como “la capacidad de un material de construcción, elemento o estructura de hormigón de resistir las acciones físicas, químicas, biológicas y ambientales vinculadas al efecto del cambio climático global con su entorno durante un tiempo determinado previsto desde el proyecto, manteniendo su serviceabilidad y conservando su forma original, propiedades mecánicas y condiciones de servicio”. Se entiende por “serviceabilidad” (sic) como la capacidad de un producto, componente, ensamble o construcción para desempeñar las funciones para las cuales son diseñadas y construidas (ACI, 2000).
Vida útil
La Instrucción de Hormigón Estructural (EHE-08) define la vida útil de una estructura como el “período de tiempo, a partir de la fecha en la que finaliza su ejecución, durante el que debe mantenerse el cumplimiento de las exigencias. Durante ese período requerirá una conservación normal, que no implique operaciones de rehabilitación. La vida útil nominal depende del tipo de estructura y debe ser fijada por la Propiedad previamente al inicio del proyecto”. En esta instrucción, se emplea el término “vida útil” de forma equivalente a como lo hace el Código Técnico de la Edificación cuando hace referencia al “período de servicio”.
Acueducto de los Milagros (Mérida)
En la norma ISO 15686-1 se define la vida útil de un edificio como “el período de tiempo después de la instalación o construcción durante el cual un edificio o sus partes cumplen o exceden los requisitos mínimos de rendimiento para lo cual fueron diseñados y construidos”.
Muchas veces el concepto de vida útil es confundido con el de durabilidad. Según Silva (2001), puede considerarse que la vida útil es la cuantificación de la durabilidad, y por tanto es cada vez más importante que se proyecte y construya teniendo en cuenta criterios de durabilidad para, de ese modo, prolongar la vida útil de las edificaciones.
Algunos autores han propuesto una definición de vida útil o vida de servicio teniendo en cuenta los efectos actuales del cambio climático. Es el caso de Mendoza y Castro (2009), que definen la vida de servicio como el “periodo de tiempo durante el cual el desempeño de un material, elemento o estructura de hormigón conserva los requerimientos de proyecto en términos de seguridad (resistencia mecánica y estabilidad, seguridad en caso de incendio, seguridad en uso), funcionalidad (higiene, salud y medio ambiente, protección contra el ruido y ahorro energético y confort térmico) y estéticos (deformaciones, agrietamientos, desconchamientos), con un mínimo de mantenimiento que permita controlar los efectos del cambio climático global en su entorno”.
Fin de la vida útil
Es difícil determinar cuándo se produce el final de la vida útil de una edificación. Según autores como Talon et al. (2004) “el final de la vida útil llega cuando los materiales o componentes de construcción, una vez instalados y construidos, usados y aplicados a una parte del inmueble, ya no responden a los requerimientos de rendimiento; y cuando por sus fallos físicos ya no es conveniente económicamente seguir con un mantenimiento correctivo para dichos componentes”.
¿Cuál será la vida útil de nuestras modernas infraestructuras? Ciudad de las Artes y las Ciencias (Valencia). Imagen: V. Yepes
Por su parte, otros autores como Gaspar (2002) definen el final de la vida útil de una construcción como un “punto en el tiempo en el cual ésta deja de poder asegurar las actividades que en ella se desarrollan, por obsolescencia funcional, falta de rentabilidad económica o degradación física de sus componentes más determinantes”.
En definitiva, el final de la vida útil se dará cuando los requisitos esenciales dejen de cumplirse. Los requisitos esenciales establecidos en el Código Técnico de la edificación son:
Seguridad estructural.
Seguridad en caso de incendio.
Seguridad de utilización y accesibilidad.
Higiene, salud y protección del medio ambiente.
Protección frente al ruido.
Ahorro de energía.
En la siguiente gráfica, elaborada por Ferreira (2009), se muestra como el fin de la vida útil está condicionado por criterios de seguridad, funcionalidad y aspecto. La seguridad es el criterio más importante, por lo que tiene un nivel de exigencia superior a los otros dos criterios. A pesar de eso, algunas veces el fin de la vida útil puede verse condicionado sólo por criterios estéticos o funcionales, como muestra la siguiente figura:
Degradación de las diferentes propiedades de un elemento constructivo (Ferreira, 2009)
Rendimiento
El rendimiento, según la definición de Trinius (2005), “es la capacidad del material para cumplir con sus funciones dentro del sistema edificado, y se puede medir tanto cuantitativamente como cualitativamente, dependiendo de los requerimientos de diseño y de las condiciones de la fase de uso, operación y mantenimiento del inmueble”.
Por su parte, el British Standards Institute define el rendimiento de una edificación como el comportamiento de un producto durante su utilización.
Tal como establece Mairteinsson (2005), tanto la vida útil como el rendimiento dependerán directamente de los factores de uso del material, no solamente de manera aislada, sino de manera integrada al edificio como parte de un sistema completo.
Vulnerabilidad
La vulnerabilidad, según es entendida por Monjo (2007), “es el conjunto de debilidades (procesos patológicos posibles) que presenta un elemento constructivo al quedar expuesto a las acciones exteriores previsibles durante su vida útil”. La vulnerabilidad depende de la calidad del elemento constructivo, es decir. De sus características físicas y químicas, así como de la solución constructiva empleada. Puede considerarse la inversa de la durabilidad.
Según este autor, la durabilidad de un producto de construcción debe establecerse en función del análisis de su vulnerabilidad, y dicha vulnerabilidad depende de una serie de condiciones objetivas que afectan al elemento constructivo:
La función constructiva del elemento en el edificio.
Las acciones externas que actúan sobre el elemento constructivo.
La calidad del producto
Mantenibilidad
La norma ISO/IEC 2382-14 define la mantenibilidad como “la habilidad de una unidad funcional, bajo unas condiciones de uso dadas, para ser mantenidas, o restauradas a un estado en el cual puedan realizar sus funciones requeridas, cuando el mantenimiento es ejecutado bajo condiciones establecidas y utilizando procedimientos y recursos prescritos”.
Por su parte, Chew y Silva (2003) expresan el término mantenibilidad como la habilidad de lograr el rendimiento óptimo a través de la vida útil del edificio con un mínimo coste de ciclo de vida.
Referencias:
ACI American Concrete Institute. (2000). Reported by ACI Committee 365 (365.1R-00), Service-Life Prediction, State-of-the-Art Report.
Chew, M. Y. L.; De Silva, N. (2003). Maintainability problems of wet areas in high-rise residential buildings. Building Research and Information, 31(1), 60-69.
CSA Canadian Standards Association. (2001). Guideline on Durability in buildings. Canadá, S478-95, 9-17.
Esteve, V.F. (2015). Estado del arte de los factores que afectan a la durabilidad de las edificaciones. Trabajo Fin de Máster. Máster en planificación y gestión de la ingeniería civil. Universitat Politècnica de València.
Ferreira, A. F. (2009). Previsão da vida útil de revestimentos de pedra natural de paredes. Instituto Superior Técnico. Lisboa: Universidad Técnica de Lisboa.
Gaspar, P. L. (2002). Metologia para o cálculo da durabilidade de rebocos exteriores correntes. Instituto Superior Técnico. Lisboa: Universidad Técnica de Lisboa.
ISO 15686:2011. (2011). ISO (Ed.), Buildings and constructed assets, service life planning.
Marteinsson, B. (2005). Service life estimation in the design of buildings; a development of the factor method. Tesis Doctoral, KTH Research School, Centre for Built Environment, University of Gävle, Suecia.
Mendoza, J. M., Castro, P. (2009). Credibility of concepts and models about service life of concrete structures in the face of the effects of the global climatic change. A critical review. Materiales de construcción, 59(276), 117-124.
Monjo, J. (2007). Durability vs Vulneravility. Informes de la construcción, 59(507), 43-58.
Silva, T. (2001). Como estimar a vida util de estruturas projetadas com critérios que visam a durabilidade. II Workshop sobre Durabilidad de las Construcciones, Sao José dos Campos, Brasil, 133-143.
Talon, A., Boissier, D., Chevalier, J. L., & Hans, J. (2004). A methodological and graphical decision tool for evaluating building component failure. CIB World Building Congress, Toronto, Canadá.
Trinius, W. (2005). Performance based building and sustainable construction. CEN Construction Sector Network Conference, Prague.
