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Puentes que mueren jóvenes: el coste invisible del calentamiento global en nuestra infraestructura

Cuando cruzamos un puente moderno, lo hacemos confiados en que la ingeniería ha superado la prueba del tiempo. Estas estructuras están diseñadas para durar, por norma general, al menos un siglo. Sin embargo, en todo el mundo, los gigantes de hormigón y acero están fallando décadas antes de lo previsto. ¿Por qué las infraestructuras que deberían ser monumentos a la estabilidad sucumben prematuramente? El enemigo no solo es el desgaste provocado por el tráfico o el paso de los años, sino también un factor mucho más sutil y persistente: el estrés térmico causado por el calentamiento global.

Un estudio fundamental realizado por nuestro equipo de investigación revela que el aumento de las temperaturas globales no solo supone una amenaza medioambiental, sino que también acelera la fatiga estructural. Esta investigación, que analiza la termodinámica de los puentes atirantados, pone de manifiesto una crisis silenciosa de infraestructuras que está disparando los riesgos para la seguridad y las emisiones de carbono a niveles alarmantes.

La muerte prematura del 8,67 % de los puentes del mundo.

La estadística es contundente: el 8,67 % de los puentes atirantados a nivel mundial han entrado en una fase de demolición prematura durante su vida útil. Este hallazgo desmonta la promesa del «periodo de diseño de 100 años» que rige la ingeniería civil contemporánea.

La realidad técnica es sombría. El estudio analiza casos como los del puente Nan’ao (NAB) y el puente del río Amarillo (YRB), cuyas vidas útiles se ven drásticamente reducidas por el estrés térmico acumulado. Es particularmente alarmante el caso del puente NAB: aunque fue diseñado para durar un siglo, la evaluación técnica de su vida útil por fatiga bajo condiciones de estrés térmico extremo y ciclos de congelación-descongelación proyectó una vida útil de apenas 6166 años. No se trata de un error de construcción, sino de una proyección científica sobre cómo la fatiga acumulada por el calor extremo «devora» la capacidad de carga de la estructura.

«La tendencia preocupante de las emisiones globales y la ineficiencia de los modelos de diseño actuales frente al cambio climático están provocando que la infraestructura se convierta en una fuente de riesgo inesperada, en la que la acumulación continua de daño térmico es el factor causal principal».

El «Carbon Drift»: un coste ambiental 2,7 veces mayor de lo previsto.

El estudio introduce un marco métrico tridimensional crucial: la «deriva de carbono». Esta métrica no solo mide el CO₂, sino que también considera el tiempo, la geografía y el rendimiento estructural para revelar la verdadera huella climática de una obra. Los datos revelan que esta degradación prematura ha generado un exceso de más de 100 millones de toneladas de emisiones de carbono.

Lo más impactante es que esta cifra equivale a 2,70 veces la producción de carbono proyectada originalmente en la fase de diseño. Aquí reside la «paradoja de la reconstrucción»: el calor daña el puente, lo que nos obliga a reconstruirlo con cemento, lo cual, a su vez, emite más CO₂ y acelera el calentamiento global. La degradación estructural se convierte así en un acelerador del cambio climático, creando un círculo vicioso de emisiones no contabilizadas que sabotea los objetivos globales de sostenibilidad.

La paradoja geográfica: las zonas templadas con mayor riesgo

Contrariamente a lo que cabría esperar, las regiones más calurosas del planeta no son necesariamente las más vulnerables. El modelado geoespacial ha identificado que las zonas de clima marítimo y de clima continental templado presentan la mayor vulnerabilidad estructural debido a la alta variabilidad de sus ciclos térmicos.

Esta paradoja se explica por la interacción entre la variabilidad climática regional y los gradientes altitudinales. En regiones como China, los datos técnicos muestran que, por cada 100 metros de altitud, la temperatura desciende entre 0,579 y 0,613 °C. Esta fluctuación, sumada a los cambios estacionales, intensifica los ciclos de congelación y descongelación, lo que provoca una fatiga en el hormigón mucho más agresiva que la causada por un calor constante. Los factores críticos identificados son:

Fluctuaciones de temperatura extrema: La amplitud entre máximas y mínimas genera un microestrés constante.
Gradientes de altitud: Las zonas montañosas experimentan ciclos térmicos más intensos y frecuentes.
Ciclos térmicos intensificados: El paso constante de frío a calor genera microfisuras que comprometen la integridad química del material.

La física del daño: por qué el hormigón se rinde ante el calor.

Para entender esta crisis, debemos observar la microestructura del material. El calor induce lo que los ingenieros llaman «deterioro termomecánico» y «evolución de la fluencia» (creep evolution). En un proceso de «ablación interna» progresiva, las altas temperaturas oxidan los microcristales de carbono de la estructura, generando microestrés que propaga grietas de forma invisible. Con el tiempo, esto debilita la adherencia crítica entre el acero de refuerzo y el hormigón, lo que deteriora la capacidad de carga de manera desigual hasta que se produce el fallo final.

El coste ambiental de este fallo es enorme debido a una relación física implacable: 1 tonelada de cemento emite aproximadamente 0,9 toneladas de CO₂. Cada reparación obligada por el calor supone un golpe severo al presupuesto de carbono del planeta.

«Desde la perspectiva de la termodinámica, la predicción precisa de la respuesta estructural en entornos de alta temperatura es esencial para prevenir deformaciones generales y el colapso de la capacidad de carga en la ingeniería civil moderna».

Hacia una infraestructura de «bajo carbono»: ¿es suficiente?

El estudio propone soluciones basadas en materiales de vanguardia para mitigar este impacto y aumentar la resiliencia.

Sustitutos del clínker: El uso de arcilla calcinada (calcined clay), cenizas volantes y escoria de alto horno puede reducir las emisiones de CO2 entre un 14% y un 22%.
Nanotecnología: La incorporación de nano CaCO3 en una proporción óptima del 2% para mejorar la resistencia a la compresión y la densidad de la matriz del concreto.
Diseño híbrido: Optimización mediante agregados reciclados para reducir el carbono incorporado en las materias primas.

Sin embargo, la innovación en materiales es solo la mitad de la batalla. El reto principal es normativo: es urgente recalibrar los códigos de diseño. Los estándares actuales están diseñados para un clima estable que ya no existe y no contemplan los extremos térmicos a los que nos enfrentaremos en las próximas décadas.

Conclusión: ¿Estamos diseñando para un mundo que ya no existe?

La infraestructura global se encuentra hoy en una carrera desesperada contra el tiempo y el termómetro. Los datos de Zhiwu Zhou et al. son una advertencia final sobre el «clima overshoot» o sobrepasado: nuestras ciudades están sostenidas por estructuras que envejecen a una velocidad que no previmos y que emiten más carbono del que podemos permitirnos.

Al finalizar este análisis, surge una pregunta inevitable que debe resonar en cada oficina de planificación urbana: ¿están nuestras ciudades listas para los desafíos térmicos de 2050 o estamos construyendo hoy, con cada nuevo puente de diseño tradicional, los monumentos de nuestra propia obsolescencia?

En esta conversación puedes escuchar algunas de las ideas más interesantes sobre este tema.

Este vídeo resume bien el contenido del trabajo.

Referencia:

ZHOU, Z.; DING, F.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2026). Thermal damage and lifespan deterioration of global infrastructure under climate warming. Thermal Science and Engineering Progress, 78, 104910. DOI:10.1016/j.tsep.2026.104910

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Degradación termo-mecánica e impacto de carbono: obsolescencia prematura de infraestructuras por el calentamiento global

Acaban de publicar un artículo nuestro en Thermal Science and Engineering Progress, una de las revistas de mayor impacto científico, ubicada en el primer cuartil del JCR. Este estudio científico analiza cómo el calentamiento global y las temperaturas extremas aceleran la degradación física de la infraestructura vial, con especial atención a los puentes atirantados de hormigón.

La investigación se enmarca en el proyecto RESILIFE, que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. Además, muestra la internacionalización de nuestro grupo de investigación, en este caso, con China. A continuación, se presenta un resumen del trabajo y de la información de contexto.

Este trabajo sintetiza una investigación profunda sobre el impacto del calentamiento global en la infraestructura crítica, en particular en los puentes atirantados de hormigón. El estudio revela una presión dual: el calentamiento acelera la degradación estructural y, simultáneamente, amplifica las emisiones de carbono incorporadas debido a la necesidad de demoliciones prematuras y reparaciones no planificadas.

Los hallazgos clave indican que el 8,67% de los puentes atirantados a nivel mundial han entrado en una fase de demolición prematura durante su etapa operativa. Esto ha generado emisiones de carbono excedentes de más de 100.000 toneladas, una cifra equivalente a 2,70 veces la producción de carbono proyectada en la etapa de diseño original. Las regiones de clima templado marítimo y continental se identifican como zonas de alta vulnerabilidad, lo que exige una recalibración urgente de los códigos de diseño para garantizar la sostenibilidad y la resiliencia de la infraestructura global.

1. El impacto térmico en las estructuras de hormigón

El calentamiento global altera el equilibrio termomecánico de las estructuras, afectándolas principalmente mediante dos mecanismos: el gradiente térmico y la temperatura uniforme.

1.1. Mecanismos de deterioro

Efectos térmicos estáticos: Bajo condiciones de alta temperatura, las estructuras sufren deformaciones y tensiones excesivas que pueden comprometer su integridad microestructural.
Evolución de la fluencia (creep): En condiciones de carga variable y a alta temperatura, la microestructura experimenta una evolución gradual de la fluencia. Esto induce tensiones que inician y propagan grietas.
Efecto de retraso temporal (time-lag): Los fenómenos de retraso o diferencias de fase en la variación de la temperatura entre distintas ubicaciones estructurales son factores determinantes de la acumulación continua de daños.

1.2. Factores de degradación química y física

El deterioro es un proceso acoplado multivariable influenciado por:

Reacción álcali-sílice: Causa pérdida de propiedades mecánicas y reducción de la durabilidad del agregado.
Corrosión de armaduras: La temperatura es el principal factor que acelera la corrosión de las armaduras en el hormigón.
Gradientes térmicos severos: La exposición repetida a gradientes de temperatura extremos provoca grietas que afectan la vida útil normal y el funcionamiento.

2. Marco metodológico y modelización

La investigación emplea un marco multidisciplinario, basado en la física, que vincula el forzamiento climático a escala macro con el deterioro estructural a escala micro.

2.1. Innovaciones en el modelado

Métrica de deriva de carbono 3D: Un nuevo marco para acoplar la variabilidad climática regional con la decadencia del rendimiento estructural.
Modelo de daño térmico global: Incorpora la cuantificación de la incertidumbre y la caracterización estadística de eventos extremos.
Simulaciones de elementos finitos: Modelización detallada que incluye temperaturas extremas específicas del sitio, gradientes altitudinales e incertidumbre climática.

2.2. Ecuaciones fundamentales de transferencia de calor

El estudio se apoya en la ley de conducción de calor de Fourier y en modelos mejorados de radiación solar (Kelvin) para calcular la intensidad de radiación total, considerando las radiaciones directas, dispersas, reflejadas por el suelo e inversas atmosféricas.

3. Análisis de casos de estudio: puentes de gran luz

Se analizaron cuatro puentes atirantados en diferentes regiones climáticas para evaluar su deformación ante gradientes de temperatura extremos a lo largo de un ciclo de 50 años (1975–2025).

Tabla 1: Resumen de puentes analizados y rendimiento térmico

Puente	Ubicación / clima	Altitud promedio	Ciclos hielo-deshielo (>20 °C)	Vida útil de diseño	Vida de fatiga estimada
NAB (Nan’ao)	Monzón subtropical	15 m	3.098	100 años	6,166 años
MRB (Meixi)	Monzón cálido/húmedo	943 m	3.672	100 años	20,470 años
WEB (Wuhekou)	Transicional cálido	194 m	4.302	100 años	22,117 años
YRB (Yellow River)	Continental templado	1.630 m	3.808	100 años	16,916 años

Hallazgos críticos por caso:

NAB: El análisis de acoplamiento térmico mostró que la vida operativa real caería a 93,834 años, por debajo del diseño original de 100 años.
MRB: Bajo ciclos intensos de hielo-deshielo, la vida útil se redujo drásticamente entre 65,9 y 93,1 años respecto a su vida útil de diseño original.
WEB: Presentó una relación de tensión térmica entre las losas superior e inferior de 2,818, lo cual fue la principal causa del arqueo en la viga principal.
YRB: Las temperaturas extremas (mínima de -21,7 °C) y la alta altitud provocaron una reducción masiva de la durabilidad, con una vida de fatiga acumulada de apenas 16,9 años en condiciones críticas.

4. Sostenibilidad y emisiones de carbono

La industria del hormigón enfrenta desafíos críticos, dado que la producción de una tonelada de cemento emite aproximadamente 0,9 toneladas de CO2.

4.1. El ciclo de retroalimentación climática

El estudio advierte sobre un círculo vicioso: el calentamiento global acelera el deterioro de las infraestructuras, lo que obliga a reconstrucciones prematuras, que a su vez generan más emisiones de CO2 y aceleran aún más el calentamiento. Por cada 1% de aumento en la tasa de crecimiento de las emisiones de carbono, la temperatura media aumenta en 0,01873 °C.

4.2. Análisis regional de emisiones excedentes

El equipo investigó 1.427 puentes atirantados en 27 países, dividiendo los hallazgos por regiones:

Norteamérica: En EE. UU., 14 puentes superaron su vida útil real calculada tras el daño térmico, entrando en periodo de demolición. Las emisiones en el periodo de demolición aumentaron un 488,19% en la región.
Europa: Alemania e Italia representan el 34,63% y el 15,24% de los puentes europeos, respectivamente. Tras el daño por fatiga ambiental, las emisiones durante el periodo de mantenimiento en Europa disminuyeron un 29,68% debido a demoliciones tempranas, pero las emisiones por demolición aumentaron un 1054,14%.
Asia-Pacífico: China representa el 43,22% de la región. Aunque muchos puentes son nuevos, la sensibilidad térmica indica que, al aumentar la temperatura, las propiedades de corte y la adherencia entre el acero y el hormigón disminuyen drásticamente.

5. Soluciones y mitigación: hormigón de bajas emisiones

Para cumplir con la Agenda 2030 de la ONU, resulta necesario adoptar materiales y tecnologías sostenibles.

Tabla 2: Tecnologías de Reducción de Carbono en la Construcción

Estrategia	Materiales / Métodos	Efecto en reducción de CO2
Sustitución de clinker	Cenizas volantes, escoria, arcilla calcinada	Reducción del 14% – 22%
Adhesivos sin cemento	Materiales cementicios activados por álcalis	Reducción de hasta el 80%
Optimización híbrida	Áridos reciclados	Reducción del 22% – 46% en materias primas
Nanotecnología	Nano-rellenos de CaCO3 (2%)	Mejora la resistencia y propiedades de la matriz
Captura de carbono	Absorción química / Ciclo de calcio	Captura directa de emisiones de CO2

6. Conclusiones y recomendaciones

La investigación concluye que el modelo tradicional de diseño de infraestructura resulta insuficiente frente a la volatilidad climática actual.

Recalibración de códigos: Es urgente actualizar las especificaciones de diseño de vida útil, incorporando modelos de daño térmico que consideren eventos climáticos extremos y variaciones altitudinales.
Enfoque interdisciplinario: La evaluación de infraestructuras debe integrar mecánica, termodinámica, ciencias sociales y detección remota para identificar las causas raíz de las fallas.
Priorización de nuevos materiales: La durabilidad a largo plazo de los nuevos materiales de bajo carbono requiere una evaluación continua en entornos naturales reales, ya que la investigación actual en este ciclo de vida es insuficiente.
Gestión de riesgos de «overshoot»: La industria de la infraestructura debe reconocer su papel decisivo en el riesgo de superación climática a nivel regional y global, y adoptar estrategias de diseño adaptativo para evitar el colapso prematuro de activos críticos.

Referencia:

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¿Hasta dónde puede llegar un puente? La ciencia detrás de los límites de luz y los récords mundiales

Como ingeniero que lleva décadas observando cómo el acero y el hormigón cobran vida, he llegado a la siguiente conclusión: un puente es mucho más que una infraestructura para salvar un obstáculo geográfico. Son la manifestación física de la ambición humana que desafía la geografía; en esencia, son iconos de nuestra civilización. Aunque a simple vista parezcan monumentos estáticos, los puentes son el resultado de una lucha dinámica y eterna contra las leyes de la naturaleza.

Pero su interés no se limita ni a la forma ni a la escala. Cada puente es también una respuesta técnica a un conjunto de limitaciones muy concretas: la resistencia de los materiales, el viento, las deformaciones admisibles, la fatiga, el mantenimiento y, por supuesto, el coste. Por eso, detrás de cada gran obra no solo hay un récord o una imagen espectacular, sino también una sucesión de decisiones ingenieriles que buscan el equilibrio más difícil de todos: hacer que una estructura sea segura, duradera, eficiente y, si es posible, memorable.

A menudo, la lógica cotidiana nos engaña al intentar comprender estas megaestructuras. Por eso, vale la pena detenerse en algunas ideas que nos ayudan a ver la ingeniería de puentes con otros ojos.

El verdadero límite no es solo estructural

Cuando pensamos en la longitud máxima de un puente, solemos imaginar que el principal obstáculo es únicamente la resistencia de los materiales. Pero en realidad, el problema es mucho más amplio. En un puente colgante, por ejemplo, no importan solo la resistencia de los cables, sino también la rigidez global de la estructura, el comportamiento frente al viento, las deformaciones admisibles, la construcción y, por supuesto, la economía de la obra.

Eso significa que el límite no lo marca una sola cifra mágica, sino un equilibrio entre seguridad, funcionalidad y viabilidad. La ingeniería puede explorar luces cada vez mayores, pero siempre dentro de un marco realista de uso, coste y durabilidad.

En la ingeniería de puentes existe el concepto de «límite máximo posible». Si observamos el récord actual, el puente Çanakkale 1915, también conocido como puente de los Dardanelos, en Turquía, ostenta una luz de 2023 metros. Sin embargo, los cálculos basados en las propiedades del acero moderno revelan una frontera mucho más lejana.

Puente Çanakkale 1915. https://es.wikipedia.org/wiki/Puente_%C3%87anakkale_1915

Utilizando cables con una resistencia a la rotura de 1890 MPa y un factor de seguridad de 2,2, el límite teórico para un puente colgante es de 8000 metros. A esta escala, el peso del cable se convierte en la carga predominante, superando con creces cualquier tráfico de vehículos. No construimos tales colosos por incapacidad técnica, sino por razones económicas y de necesidad funcional. Aun así, la premisa técnica es innegociable:

«La seguridad no puede verse comprometida. Un puente debe ser seguro para todas las cargas para las que ha sido diseñado. De lo contrario, el puente no puede abrirse al tráfico».

No todas las formas estructurales aprovechan el material por igual.

Los puentes pueden trabajar de muchas maneras: por tracción, compresión, flexión, torsión o por combinaciones de todas ellas. Desde el punto de vista estructural, los sistemas que trabajan principalmente a tracción o compresión pura suelen aprovechar mejor el material que los que dependen sobre todo de la flexión.

Por eso, los puentes de gran luz recurren con tanta frecuencia a arcos, cables o soluciones atirantadas. Estas formas permiten dirigir los esfuerzos de manera más eficiente. En cambio, una viga pura debe resistir grandes momentos flectores, por lo que es necesario colocar material en zonas que no siempre trabajan al máximo rendimiento. No es que la viga sea una mala solución, sino que simplemente no suele ser la más eficiente cuando la luz es muy intensa. El material cercano al eje neutro queda infrautilizado, lo que añade peso muerto innecesario. Esta ineficiencia explica por qué el récord de un puente de viga, el Shibanpo en China, es de apenas 330 metros, una cifra modesta en comparación con otras tipologías.

La fatiga es un enemigo silencioso.

Uno de los grandes retos a los que se enfrenta un puente a lo largo de su vida útil no es solo resistir una carga puntual, sino también soportar millones de ciclos de carga a lo largo de décadas. Eso es precisamente lo que provoca la fatiga, un fenómeno especialmente importante en los detalles de acero, las soldaduras y las zonas con concentraciones de tensiones.

La fatiga no obedece a una ley simple y universal, sino que depende de muchos factores: el detalle constructivo, el rango de tensiones, el número de repeticiones, el estado de conservación y el entorno. Por eso, el exceso de tráfico pesado, la falta de mantenimiento o la corrosión pueden acelerar notablemente el deterioro.

En la práctica, esto ha llevado a una idea cada vez más importante en ingeniería: no basta con diseñar bien, también hay que inspeccionar, monitorizar y conservar adecuadamente. La vida útil de un puente no termina necesariamente donde termina el cálculo inicial, sino donde empieza la gestión inteligente de su envejecimiento.

Si un camión excede el 150 % de su carga de diseño, la vida de fatiga de estos elementos no disminuye de forma lineal, sino que se reduce a menos del 30 %. En la práctica, un puente diseñado para un ciclo de vida de 100 años podría empezar a presentar fallos estructurales tras solo 30 años si no se controla el tráfico pesado. Como bien enseñaba el profesor T. Y. Lin,

«El ingeniero no debe limitarse a cumplir con los códigos legales, sino que su verdadera responsabilidad es «seguir las reglas de la naturaleza», que no admiten apelación ni prórroga».

La belleza es relativa, pero la «idoneidad» es eterna.

El debate estético en nuestra disciplina lleva siglos. Muchas obras que hoy consideramos bellas fueron criticadas cuando se construyeron. A menudo ocurre que lo que en un primer momento parece excesivo, extraño o incluso agresivo, con el tiempo puede convertirse en un referente urbano y cultural. Estructuras que hoy consideramos cumbres de la ingeniería fueron inicialmente repudiadas. El puente de Firth of Forth fue tildado de feo y la propia Torre Eiffel fue atacada como un «engendro» por los intelectuales de su época.

Torre Eiffel y Firth of Forth, colosos estructurales

En el diseño conceptual, más que la belleza abstracta, buscamos la idoneidad. No existe el diseño perfecto, sino el que mejor equilibre seguridad, funcionalidad, economía y estética. La experiencia demuestra que, con el paso del tiempo, la eficiencia técnica y la armonía con el entorno terminan por definir la belleza de un hito urbano ante la opinión pública.

En el caso de los puentes, la belleza no depende solo de la forma exterior. También nace de la claridad estructural, de la coherencia entre función y forma, de la integración en el paisaje y de la sensación de ligereza o equilibrio que transmite la obra. Por eso, en ingeniería hablamos a menudo de idoneidad: no existe una solución perfecta en abstracto, sino una solución más adecuada para cada contexto.

«La verdadera estética de un puente suele surgir cuando la estructura «explica» bien cómo funciona».

El futuro será híbrido e inteligente

La ingeniería de puentes es un proceso creativo que siempre comienza con una página en blanco. En esta fase de concepción, debemos imaginar el ciclo de vida completo de la obra, desde su nacimiento hasta su demolición, y tener en cuenta fenómenos complejos como la fluencia lenta (creep) y la retracción (shrinkage) del hormigón.

La ingeniería de puentes no avanza únicamente al buscar más metros de luz. También lo hace en materia de materiales, métodos constructivos, control de calidad, sostenibilidad y gestión del ciclo de vida. En la actualidad, es cada vez más habitual combinar hormigón, acero y sistemas de pretensado o atirantado para obtener soluciones más ligeras y eficientes.

A esto se suma una transformación igualmente importante: la digitalización. Los sensores, la monitorización estructural, la inteligencia artificial y los gemelos digitales están cambiando la forma de diseñar, inspeccionar y mantener las infraestructuras. El puente del futuro no solo será una obra resistente, sino también una estructura capaz de «informar» sobre su estado.

El futuro reside en la inteligencia híbrida. El puente Shibanpo batió su propio récord al combinar hormigón pretensado con una sección central de acero de 103 metros de longitud para reducir el peso. Teóricamente, esta técnica podría llevarnos a luces de 550 metros en vigas, pero nos enfrentamos a límites prácticos: el espesor de las planchas de acero requeridas es casi imposible de fabricar.

«En este contexto, el desafío ya no consiste solo en construir más, sino en hacerlo mejor, con mayor precisión y considerando todo el ciclo de vida».

Puente Shibanpo (China). Construcción original: 1980, desdoblamiento: 2005. Foto: 山城崽儿. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Shibanpo_Bridge_in_Chongqing.jpg

Conclusión: el puente hacia el siglo XXII

La ingeniería de puentes demuestra que el límite de lo posible está mucho más lejos de lo que a veces pensamos. Pero este horizonte no se amplía solo con acero, hormigón o nuevas tecnologías, sino que también requiere criterio, experiencia, financiación, mantenimiento y una idea clara de para qué construimos.

Quizá la gran pregunta no sea hasta dónde puede llegar un puente, sino qué clase de relación queremos establecer entre técnica, territorio y sociedad. Porque un puente no solo conecta dos orillas, sino también generaciones, necesidades y formas de entender el progreso.

Al final, la pregunta persiste: ¿estamos diseñando estructuras para el presente o iconos capaces de soportar el peso de los siglos venideros?

En esta conversación se pueden escuchar las ideas más interesantes sobre el tema.

Este vídeo explica de forma sintética el límite de la ingeniería de puentes.

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Durabilidad de las estructuras de acero

https://estructuramex.com/que-provoca-la-oxidacion-en-las-estructuras-metalicas/

La durabilidad de las estructuras de acero depende de factores como la calidad del material, el diseño estructural, las medidas de protección contra la corrosión y el mantenimiento planificado. Una estrategia efectiva en cada una de estas áreas permite alcanzar la vida útil deseada, minimizar el deterioro y reducir la necesidad de intervenciones costosas.

Factores que afectan a la durabilidad del acero

La exposición ambiental es una de las principales causas del deterioro del acero estructural. La agresividad del medio se clasifica en diferentes niveles, desde ambientes de corrosividad muy baja (C1) hasta ambientes de corrosividad muy alta (C5). En zonas con alta humedad, presencia de iones cloruro, exposición constante a la lluvia o a contaminantes industriales con alto contenido en SO₃, la velocidad de corrosión aumenta, por lo que es necesario adoptar medidas adicionales para proteger la estructura.

Las uniones estructurales pueden constituir puntos de alta vulnerabilidad si no se diseñan y ejecutan adecuadamente. Las soldaduras deben estar libres de fisuras, cráteres y proyecciones, ya que estas imperfecciones dificultan la adherencia de los sistemas de protección superficial. En uniones atornilladas, los pernos, las tuercas y las arandelas deben tener la misma durabilidad que el resto de la estructura para evitar deterioros diferenciales y la formación de pares galvánicos entre metales de diferente potencial electroquímico.

Diseño estructural y estrategias para mejorar la durabilidad

El diseño debe evitar configuraciones que favorezcan la acumulación de agua o suciedad, ya que estas condiciones pueden acelerar la corrosión. Para ello, se recomienda evitar superficies horizontales expuestas y secciones abiertas en la parte superior de los elementos estructurales, ya que pueden retener humedad. Además, las cavidades y huecos deben eliminarse o diseñarse de manera que permitan un drenaje eficiente. En el caso de elementos con interiores accesibles, deben incorporarse sistemas adecuados de ventilación y drenaje, mientras que los interiores inaccesibles deben sellarse completamente mediante soldaduras continuas para evitar la entrada de humedad.

Las uniones estructurales deben recibir especial atención en lo que a protección se refiere. En elementos soldados, se recomienda que la intersección entre refuerzos y elementos principales sea continua para permitir la correcta aplicación de recubrimientos. En el caso de entallas en almas o refuerzos, se deben disponer radios mínimos de 50 mm para facilitar la aplicación de los sistemas de protección.

Selección de materiales y protección contra la corrosión

En entornos agresivos, se pueden emplear aceros con resistencia mejorada a la corrosión atmosférica, aceros inoxidables o aceros galvanizados en caliente. En el caso de los aceros resistentes a la corrosión atmosférica, su uso sin recubrimiento de pintura está limitado a ambientes que no presenten una exposición significativa a iones cloruro. En estos casos, el espesor nominal de los elementos expuestos al ambiente exterior debe incrementarse en 1 mm. Para superficies interiores de secciones cerradas e inaccesibles se requiere la aplicación de un sistema de protección adecuado o un sobreespesor adicional.

La protección superficial es uno de los métodos más utilizados para garantizar la durabilidad de los elementos de acero. Al seleccionar el sistema de protección, se debe tener en cuenta el grado de preparación de la superficie, el tipo de imprimación, el número y el espesor de las capas de recubrimiento y la frecuencia de reposición durante la vida útil de la estructura. En función de la agresividad ambiental, los espesores de recubrimiento y la durabilidad del sistema deben ajustarse para proporcionar la protección requerida.

En algunas condiciones, el sobreespesor puede utilizarse como alternativa a los recubrimientos superficiales. Para ambientes de corrosividad alta (C4) o muy alta (C5), se recomienda un sobreespesor de 1,5 mm por cada 30 años de vida útil prevista, mientras que en ambientes de corrosividad media (C3) este valor se reduce a 1 mm. En ambientes de baja corrosividad (C2), el sobreespesor mínimo es de 0,5 mm, y en ambientes de corrosividad muy baja (C1) no es necesario aumentar el espesor. En elementos inaccesibles de puentes metálicos, el espesor total de las secciones cerradas no debe ser inferior a 8 mm.

La protección catódica es otra opción para reducir la corrosión en estructuras de acero, especialmente en entornos con exposición prolongada a la humedad o ambientes marinos. Este sistema requiere un diseño detallado y un plan de mantenimiento que garantice su efectividad a largo plazo. El proyecto debe justificar técnicamente la aplicación de la protección catódica y definir los procedimientos de instalación y seguimiento conforme a la norma UNE-EN ISO 12499.

Mantenimiento y conservación

El mantenimiento de las estructuras de acero es una parte esencial de la estrategia de durabilidad. Los sistemas de protección superficial deben reemplazarse periódicamente, ya que su vida útil suele ser inferior a la de la estructura. Para facilitar estas intervenciones, es necesario que las estructuras cuenten con accesos adecuados a las zonas cerradas. En los cajones metálicos, por ejemplo, las aberturas deben ser lo suficientemente amplias para permitir el paso de personal y equipos de mantenimiento. Se recomienda que las dimensiones mínimas sean de 500 x 700 mm en accesos rectangulares u ovales y de 600 mm de diámetro en accesos circulares.

Conclusión

La durabilidad de los elementos de acero en estructuras civiles depende de una combinación de factores, como el diseño estructural, la selección de materiales, la aplicación de sistemas de protección adecuados y un mantenimiento planificado. La implementación de estrategias de prevención permite garantizar el buen funcionamiento de la estructura a lo largo de su vida útil, reducir la necesidad de intervenciones correctivas y asegurar su seguridad y funcionalidad en diferentes condiciones de exposición.

A continuación, podéis ver algunos vídeos al respecto.

Os dejo a continuación el capítulo 19 del Código Estructural para que lo consultéis.

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Costes de los neumáticos de la maquinaria de construcción

Figura 1. Neumáticos de dúmperes rígidos. Imagen: V. Yepes

En las grandes máquinas (tractores pesados, mototraíllas, etc.) los costes de los neumáticos pueden representar un tercio de su coste total. En algunos casos, los neumáticos se venden por separado según el tipo de trabajo que vaya a realizar la máquina.

En condiciones ideales, la vida útil de los neumáticos radiales es de unas 6000 horas. Sin embargo, lo más habitual es que se produzcan desgastes fuertes, por lo que, en términos medios, se reponen entre las 2500 y las 4000 horas de trabajo (entre 30 000 y 50 000 km). En el caso de mototraíllas o palas cargadoras en condiciones de gran dureza, la vida útil se reduce a unas 1000 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 el comportamiento del neumático.

Los factores que más inciden en la duración de los neumáticos son los impactos, que provocan dobleces y descascarillados, la abrasión y otros factores relacionados con las condiciones naturales y del terreno, el tipo de uso y los hábitos del operador, así como el mantenimiento realizado. La Tabla 1 muestra la duración estimada de los neumáticos de distintas máquinas según las condiciones de trabajo.

Tabla 1. Duración típica de los neumáticos, en horas (Nunnally, 2001)

Tipo de equipo	Condiciones de trabajo
Tipo de equipo	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 a considerar para calcular la longevidad de los neumáticos en equipos de acarreo para el 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	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 blanda 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
Mantenimiento del sitio de carga y descarga	Deficiente	0,9
Curvas	Ninguna o muy suaves	1,0
Curvas	Cerradas	0,9
Pendientes (solo para las ruedas motrices)	No pasan del 6%	1,0
Pendientes (solo para las ruedas motrices)	Superior al 6%	0,9
Velocidad media	16 km/h	1,0
Velocidad media	32 km/h	0,9
Experiencia del operador	Más de 6 meses	1,0
Experiencia del operador	Menos de 6 meses	0,9

Por ejemplo, la vida útil de los neumáticos radiales de un dúmper pasa de 6000 a 3540 horas al aplicar el producto de todos los coeficientes (0,59) en las siguientes condiciones: presión de inflado recomendada, sobrecarga del 10 %, camino de transporte de grava deficientemente mantenido, mantenimiento y conducción defectuosos, carga y descarga defectuosas, curvas suaves, pendientes que no superan el 6 % y velocidad media aproximada de 32 km/h, con un operador con experiencia.

En la Tabla 3 se presenta una tabla similar en la que se recogen los factores de reducción de la vida útil 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
Condiciones de uso	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 útil 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 efectuará deduciendo del coste de adquisición de la maquinaria el coste de las cámaras y los neumáticos. Su coste horario se calcula como la relación entre los costes de las cámaras y de los neumáticos y las horas de vida útil, considerando un 10% del coste de las 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.

YEPES, V. (1997). Equipos de movimiento de tierras y compactación. Problemas resueltos. Colección Libro Docente n.º 97.439. Ed. Universitat Politècnica de València. 253 pág.

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

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

Curso:

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

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Materiales de reparación del hormigón estructural

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.

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La vida económica de la maquinaria

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 es el más bajo posible. Este concepto, que a veces resulta difícil de entender, provoca que muchas empresas se resistan a sustituir su maquinaria, lo que alarga su vida útil más de lo que recomienda la economía. 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.

Al principio, poco después de su adquisición, el cociente entre los gastos acumulados a origen y las horas trabajadas por una máquina es elevado. A medida que la máquina envejece, los costes de reparación y de sustitución de piezas aumentan. Por tanto, existe un punto intermedio en el que dicha relación es mínima. Dicho punto define la vida económica de un equipo y es en ese momento cuando debería sustituirse. 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 utilizar sus máquinas más allá de su vida económica, por lo que sus costes unitarios de producción serán más elevados que los de su competencia. El reconocimiento y el tratamiento sistemático de la renovación de los bienes de equipo proporcionan a las empresas amplias ventajas, ya que reducen:

Los costes de conservación.
Los costes de producción, salvo la competencia.
Las pérdidas por chatarra o por retoques.
Las demoras y los tiempos perdidos.

La vida económica óptima varía en función de la máquina y su trabajo, y es independiente de su vida técnica o física. Así, un equipo puede superar su vida económica y seguir funcionando correctamente o, por el contrario, retirarse antes por obsolescencia. Ahora bien, es absurdo pretender que una máquina trabaje indefinidamente. Con el paso del tiempo, los gastos de mantenimiento y recuperación aumentan considerablemente el coste. Un cuidado concienzudo y las revisiones generales sistemáticas retrasan la fecha de inutilización, pero llega un momento en que conviene desembarazarse de la máquina, sobre todo cuando el riesgo de fallo de alguna pieza esencial por fatiga excesiva se vuelve inadmisible. A los equipos de obras públicas se les exige una elevada fiabilidad y, si la empresa no quiere deshacerse de la máquina, esta se pondrá en reserva tras una revisión a fondo.

Los costos horarios de reparación siguen una curva ascendente con el número de horas de trabajo acumuladas. Si se dispone de datos históricos sobre los costes totales de reparaciones R_H, 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 que deben detenerse cuando la primera se detiene por una avería. Esta circunstancia evidencia un recorte de la vida útil de las máquinas de las que dependen. También sugiere la duplicidad de estos equipos y el trabajo en paralelo.

Al representar la acumulación de los costes según su origen en relación con el tiempo, aparece una línea quebrada, tal y como se muestra en la Figura 3. La recta que, desde el origen de coordenadas, es tangente a la curva de los costes acumulados, representa la pendiente mínima y, por tanto, el coste horario mínimo posible. En la Figura 3, el valor alcanza su mínimo en el ángulo BOX. El punto B señala el límite de la vida económica. Teniendo en cuenta que la mano de obra, los consumos y las reparaciones se pagan a precios muy diferentes en los distintos países, se comprueba que el óptimo económico varía de un país a otro.

Figura 3. Método gráfico para determinar el coste horario mínimo y la vida económica de un equipo

Cada máquina tiene su vida útil. Por ejemplo, 10 000 horas pueden ser adecuadas para un tractor sobre orugas, pero en una bomba de hormigón estacionaria, dicha vida útil se reduce a la mitad. Algunos autores estiman una vida útil de entre 6000 y 16 000 horas de trabajo, según si el material es pesado o extraordinariamente pesado.

Referencias:

YEPES, V. (1997). Equipos de movimiento de tierras y compactación. Problemas resueltos. Colección Libro Docente nº 97.439. Ed. Universitat Politècnica de València. 256 pág. Depósito Legal: V-4598-1997. ISBN: 84-7721-551-0.

Curso:

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

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Curva de fiabilidad de una máquina

Figura 1. La fiabilidad de la maquinaria garantiza su productividad. Imagen: V. Yepes

En determinadas condiciones, una unidad simple o compuesta puede no cumplir la misión para la que fue diseñada y, por lo tanto, dar lugar a un fallo. Los mecanismos que conducen 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 generan defectos en el producto acabado o afectan su productividad.

El concepto de fiabilidad está relacionado con los de disponibilidad y de mantenimiento. En efecto, las máquinas no son infalibles, por lo que, para aumentar su tiempo de disponibilidad en las obras, es necesaria una política adecuada de reparación y mantenimiento (Figura 1).

Se define la fiabilidad como la probabilidad de que una unidad funcione satisfactoriamente durante un intervalo de tiempo determinado, sin interrupciones en su funcionamiento debido al fallo de alguno de sus componentes, siempre que dicha unidad se utilice en las 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 entre el número de horas trabajadas en un intervalo de tiempo y el número de averías sufridas en ese mismo período.

Los equipos a menudo siguen 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 el uso de las máquinas a este período. Para reducir la tasa de fallos a lo largo de 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 vencer 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, independiente de la vida acumulada de la unidad. En este caso, el tiempo libre de fallos se distribuye exponencialmente, y la fiabilidad depende 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 se supera 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 adecuada 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, lo que corresponde a la etapa de mortalidad infantil. Si β > 1, la tasa de fallos aumenta con el tiempo, recayendo en 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).

Referencias:

Curso:

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

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«The asset time bomb»: La bomba de relojería de las infraestructuras, y en particular, de los puentes

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 publicada el 9 de diciembre de 2018 en El País, con el siguiente titular: “Fomento admite que hay 66 puentes con graves problemas de seguridad”, suscitó 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 los tenemos en todo el mundo. En cualquier caso, estamos hablando de cifras millonarias, de cortes de tráfico, de pérdidas humanas, por poner algunas consecuencias sobre la mesa.

Los puentes son componentes críticos de la infraestructura, pues su correcto funcionamiento es básico para la resiliencia de nuestros entornos urbanos. Sin embargo, un gran número de infraestructuras están llegando al final de su vida útil al mismo tiempo. De hecho, se espera que la vida útil de muchos puentes sea menor que la proyectada debido al deterioro continuo 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, es razón más que suficiente para preocuparnos de mejorar el mantenimiento de nuestros puentes. De hecho, ya hemos comentado en un artículo anterior un concepto estrechamente relacionado con este: 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 le dan 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 se vuelve grave cuando una parte significativa del parque de infraestructuras está próxima 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, al 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 la infraestructura o las prestaciones de la infraestructura permanecen altos durante un periodo de tiempo, hasta que empiezan 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 las caídas en las prestaciones de A a B o de B a C son similares, pero la velocidad de deterioro difiere mucho. Y lo que es peor de todo, llega un momento en el que la caída de 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 están empezando a ser un problema de magnitud tal que resulta 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 prolongar 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 busca optimizar el comportamiento de la estructura mediante el aprendizaje de los datos obtenidos a lo largo de su vida útil, a partir de su monitorización (Figura 3). Estos datos sirven para actualizar los modelos y comprobar el estado en que se encuentra la estructura, lo que 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 su estado estructural y predecir su comportamiento ante determinadas circunstancias. Esta información sería clave para 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 durará 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 podría parecer a simple vista. Los gestores de infraestructuras deberían ser capaces de comprender y valorar, en su justa medida, los resultados estructurales de los modelos cuyos datos se actualizan en tiempo real. La dificultad radica en conocer no solo los datos, sino también 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 generados por los algoritmos.

Por otra parte, la modelización del riesgo y de la resiliencia es una labor necesaria para comprender la vulnerabilidad de las infraestructuras. De esta forma, seríamos capaces de desarrollar estrategias de mitigación que podrían complementar las estrategias de gestión del deterioro explicadas 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.

Referencias:

AMERICAN ROAD & TRANSPORTATION BUILDERS ASSOCIATION (2019). 2019 Bridge Report. https://artbabridgereport.org/

RAC Foundation. (2019). Bridge maintenance table – GB local authorities. https://www.racfoundation.org/media-centre/bridge-maintenance-backlog-grows

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.

YEPES, V. (2020). Computación cuántica y gemelos híbridos digitales en ingeniería civil y edificación. https://victoryepes.blogs.upv.es/2019/10/30/computacion-cuantica-gemelos-digitales/

YEPES, V. (2020). La inteligencia artificial en la ingeniería civil. https://victoryepes.blogs.upv.es/2020/09/08/la-inteligencia-artificial-en-la-ingenieria-civil/

YEPES, V. (2020). El aprendizaje profundo (deep learning) en la optimización de estructuras. https://victoryepes.blogs.upv.es/2020/09/15/el-aprendizaje-profundo-deep-learning-en-la-optimizacion-de-estructuras/

YEPES, V. (2020). La resiliencia de las infraestructuras. https://victoryepes.blogs.upv.es/2020/09/17/la-resiliencia-de-las-infraestructuras/

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¿Es suficiente diseñar un puente para una vida útil de 100 años?

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.

TANG, M.C. (2018). Durability of bridges, in Caspeele, Taerwe and Frangopol (eds.): Life-Cycle Analysis and Assessment in Civil Engineering: Towards an Integrated Vision. CRC Press, Taylor & Francis Group, London, UK, pp. 3-7.