viga artesa – El blog de Víctor Yepes

Investigación de vanguardia en el diseño óptimo y ejecución de los puentes construidos con vigas artesas

La construcción con hormigón prefabricado presenta claras ventajas económicas cuando se fabrican en taller piezas en grandes series. El ahorro en material y en mano de obra, la elevada calidad en el producto y el rápido montaje son razones que justifican, por sí solas, el uso de la construcción prefabricada. Sin embargo, hoy en día existen motivos adicionales basados en beneficios sociales y medioambientales que justifican la adopción de la tecnología del hormigón prefabricado. Asimismo, los proyectistas han tomado buena nota de las ventajas del prefabricado cuando se trata de construir puentes con luces moderadas, de 10 a 50 m. En estos casos, la disminución del peso resulta fundamental para reducir los costes de elevación y transporte de las piezas. En este contexto, la optimización estructural del coste necesario para construir un puente de vigas prefabricadas constituye un área de gran interés,especialmente cuando se realizan grandes series de piezas.

Siguiendo esta línea de trabajo, nuestro grupo de investigación se ha centrado en los últimos años en el diseño automatizado de puentes de vigas artesa prefabricadas de hormigón pretensado (HP) empleados como pasos superiores sobre vías de comunicación. Las luces vienen impuestas por las dimensiones de la vía inferior, con rangos habituales que oscilan entre los 20 y los 40 m. Estos puentes consisten en vigas de HP con forma de U con losa superior colaborante (Figura 2) y un tablero de hormigón, parcialmente prefabricado o construido “in situ”. Esta tipología cuenta a su favor, entre otras, con las ventajas derivadas de la prefabricación, como por ejemplo la construcción industrializada, los moldes reutilizables, los plazos reducidos de ejecución en obra y la baja interferencia con el tráfico inferior. La solución de viga en U permite eliminar completamente los poco agraciados cabezales sobre pila de los tableros de viga en doble T.

Figura 2. Esquema longitudinal del puente y sección transversal del tablero

Resulta interesante comparar la mejor solución alcanzada por alguno de los algoritmos desarrollados por nuestro gruporespecto a una estructura realmente construida y calculada mediante procedimientos habituales. Se han comprobado para casos similares ahorros apreciables en torno al 7-8%. Sin embargo, en algún caso extremo, como el caso del viaducto 1 del tramo Muro de Alcoy-Puerto de Albaida del proyecto de construcción de la autovía del Mediterráneo, el ahorro se ha estimado en un 50% (Martí et al., 2014). En este caso, el puente tenía una luz de 35 m y un ancho de tablero igual al de la solución optimizada, siendo el ahorro alcanzado tan importante a causa de las diferencias en la medición de las unidades de obra en materiales que pueden apreciarse en la Tabla 1.

Tabla 1. Comparación de las mediciones en las unidades de obra significativas correspondientes al viaducto 1 del tramo Muro de Alcoy-Puerto de Albaida, de luz 35 m, respecto a la solución optimizada (Martí et al., 2014)

Resulta evidente que los resultados alcanzados por nuestro grupo de investigación pueden ser de gran interés para su transferencia a las empresas de prefabricados, constructoras y proyectistas. Este diseño automatizado supone un auténtico revulsivo en la forma de entender el proyecto de las estructuras. No obstante, ciertas prácticas comunes como introducir en los proyectos estructuras prefabricadas sobredimensionadas y luego ajustarlas durante la obra (con los consiguientes ahorros para las partes) pueden verse afectadas por este tipo de diseño optimizado. Esta mala praxis puede ser un impedimento para que el diseño optimizado entre a formar parte de la práctica habitual en nuestro sector.

Os dejo a continuación un vídeo del GRUPO BERTOLÍN donde distintos técnicos nos explican las características de los puentes construidos con vigas artesas, sus partes principales y los procesos de ingeniería, mostrando como ejemplo diferentes estructuras en las que Bertolín trabaja actualmente: 4 estructuras en la variante norte de Bétera, acceso a Torrente por el barranco de Chiva, duplicación del puente de Malilla en Valencia y la mejora del acceso de la V30 a la V31.

A continuación os dejo las publicaciones científicas que ha realizado nuestro grupo de investigación al respecto de los puentes de vigas artesa. Estamos, cómo no, en disposición de realizar transferencia tecnológica a las empresas que así nos lo soliciten.

Referencias:

PENADÉS-PLÀ, V.; GARCÍA-SEGURA, T.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2018). An optimization-LCA of a prestressed concrete precast bridge. Sustainability, 10(3):685. DOI:10.3390/su10030685

PENADÉS-PLÀ, V.; MARTÍ, J.V.; GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V. (2017). Life-cycle assessment: A comparison between two optimal post-tensioned concrete box-girder road bridges. Sustainability, 9(10):1864. DOI:10.3390/su9101864

YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GARCÍA-SEGURA, T.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2017). Heuristics in optimal detailed design of precast road bridges. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 17(4):738-749. DOI:10.1016/j.acme.2017.02.006

YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GARCÍA-SEGURA, T. (2017). Design optimization of precast-prestressed concrete road bridges with steel fiber-reinforcement by a hybrid evolutionary algorithm. International Journal of Computational Methods and Experimental Measurements, 5(2):179-189.

MARTÍ, J.V.; GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V. (2016). Structural design of precast-prestressed concrete U-beam road bridges based on embodied energy. Journal of Cleaner Production, 120:231-240. DOI:10.1016/j.jclepro.2016.02.024

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2015). Memetic algorithm approach to designing of precast-prestressed concrete road bridges with steel fiber-reinforcement. Journal of Structural Engineering, 141(2): 04014114. DOI:10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0001058

YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GARCÍA-SEGURA, T. (2015). Cost and CO₂ emission optimization of precast-prestressed concrete U-beam road bridges by a hybrid glowworm swarm algorithm. Automation in Construction, 49:123-134. DOI:10.1016/j.autcon.2014.10.013

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; LUZ, A. (2014). Automated design of prestressed concrete precast road bridges with hybrid memetic algorithms. Revista Internacional de Métodos Numéricos para Cálculo y Diseño en Ingeniería, 30(3), 145-154. DOI:10.1016/j.rimni.2013.04.010

MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; YEPES, V.; ALCALÁ, J. (2013). Design of prestressed concrete precast road bridges with hybrid simulated annealing. Engineering Structures, 48:342-352. DOI:10.1016/j.engstruct.2012.09.014

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

Análisis de ciclo de vida de puentes óptimos de vigas artesa

Acaban de publicarnos un artículo en la revista internacional Sustainability sobre análisis de ciclo de vida de puentes óptimos de vigas. La evaluación del impacto ambiental se realiza a lo largo del ciclo de vida de puentes de hormigón postesado de vigas artesa que previamente han sido optimizados mediante una metaheurística de algoritmos meméticos. Os dejo a continuación la referencia de la revista. Además os podéis descargar y distribuir el artículo sin problema, pues está editado en abierto:

http://www.mdpi.com/2071-1050/10/3/685/html

Referencia:

PENADÉS-PLÀ, V.; GARCÍA-SEGURA, T.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2018). An optimization-LCA of a prestressed concrete precast bridge. Sustainability, 10(3):685. doi:10.3390/su10030685

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Elevación correcta (o accidentada) de una viga artesa

Las grúas son máquinas que realizan movimientos de giro o traslación, con aparejos auxiliares formados por ganchos o cables que facilitan la elevación de las cargas. La maniobra para ajustar grandes cargas con tolerancias mínimas requiere de experiencia y técnica, sin las cuales, la instalación por ejemplo de grandes vigas prefabricadas sería realmente difícil.

En primer lugar os dejo un vídeo donde ocurre un grave incidente en la colocación de una viga artesa.

Grúas Rigar nos ofrece un vídeo interesante donde se puede ver cómo se eleva, correctamente, una viga artesa de 120 toneladas. Espero que os guste.

Referencias:

YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.

Montaje de vigas artesa en pasos superiores

Las vigas artesa prefabricadas constituyen elementos de sección en forma de U abierta con alas hacia el exterior de la viga. Este tipo de estructuras supuso un salto tecnológico en la prefabricación de los años 80 del siglo XX. Conforman una sección celular cerrada, situada entre la sección en cajón y la doble T. Se emplean para luces de pilas entre 25 y 45 m con vanos simplemente apoyados, llegando hasta los 60 m con vanos en cantilever. Lo habitual es disponer un par de piezas en sección transversal, con separaciones entre 5,5 y 6,5 m, con anchos de tablero entre 11,0 y 14,0 m. Son habituales los cantos de 1/20 de la luz, con cantos típicos entre 0,80 y 2,60 m. También es una sección muy adecuada para tableros de puentes de AVE, con un ancho de tablero de 14,0 m.

La maniobra de colocación de este tipo de vigas requiere grúas de gran capacidad de carga y una perfecta coordinación para su puesta en obra. En el vídeo que os presento se puede ver el izado e instalación de una viga artesa típica. Hay que tener en cuenta que los pesos de estas piezas pueden llegar a más de 2300 kP/m, lo que supone izados del orden de 100 toneladas. En estos casos queda perfectamente justificada la optimización en coste y en peso de las piezas.

Referencias:

PENADÉS-PLÀ, V.; GARCÍA-SEGURA, T.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2018). An optimization-LCA of a prestressed concrete precast bridge. Sustainability, 10(3):685. (link)

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; LUZ, A. (2014). Diseño automático de tableros óptimos de puentes de carretera de vigas artesa prefabricadas mediante algoritmos meméticos híbridos. Revista Internacional de Métodos Numéricos para Cálculo y Diseño en Ingeniería, 30(3), 145-154. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.rimni.2013.04.010. (link)

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2015). A memetic algorithm approach to designing of precast-prestressed concrete road bridges with steel fiber-reinforcement. Journal of Structural Engineering ASCE, 141(2): 04014114. DOI:10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0001058

MARTÍ, J.V.; GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V. (2016). Structural design of precast-prestressed concrete U-beam road bridges based on embodied energy. Journal of Cleaner Production, 120:231-240. (link)

YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GARCÍA-SEGURA, T. (2015). Cost and CO2 emission optimization of precast-prestressed concrete U-beam road bridges by a hybrid glowworm swarm algorithm. Automation in Construction, 49:123-134. DOI: 10.1016/j.autcon.2014.10.013 (link)

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

Construcción prefabricada de puentes “vano a vano”

Figura 1. Puente Long Key, Layton, Florida (1982). Fuente: http://www.figgbridge.com/long_key_bridge.html

La potencia de los actuales medios auxiliares permite la construcción prefabricada de puentes vano a vano, que puede ser mediante dovelas previamente ensambladas o bien de un vano completo prefabricado. La construcción del vano mediante dovelas prefabricadas supone ensamblar dichas dovelas sobre una cimbra auxiliar que se apoya sobre las pilas del vano, realizando posteriormente la transferencia del tramo del tablero formado con el resto de la estructura. En cambio, la construcción de un vano completo normalmente se realiza en tramos metálicos o mixtos (la losa se realiza en una segunda fase), estando condicionada la operación por la capacidad de los medios de elevación.

El puente Long Key, en Florida (Muller, 1980), se construyó mediante dovelas prefabricadas. En este caso se dispuso una viga metálica triangulada entre las pilas que actuaba como cimbra y sobre ella se colocaban una a una las dovelas mediante grúa. Posteriormente, se unían las dovelas mediante el pretensado, apoyándose el vano sobre las pilas y descargando la cimbra. En el caso del puente de Seven Mile (Florida, 1978), las dovelas se ensamblaron sobre una pontona flotante, izándose posteriormente.

La otra opción es el montaje del vano de una sola pieza. Esta posibilidad solo sería rentable en el caso de una repetición elevada en el número de vanos, pues los medios auxiliares de elevación son muy costosos. En tramos de hormigón, esta forma de construir deriva de la evolución de los tableros de vigas artesa, dejando la incorporación de la losa superior en una segunda fase, de igual forma que en las estructuras mixtas. Un ejemplo de construcción con vigas por vanos completos es el viaducto en el enlace A3-M45 de Madrid (Álvarez et al., 2008), donde las vigas se montan por vanos completos, con un peso máximo de 170 t para una luz máxima de 41,6 m. Se trata en este caso de vigas artes que trabajan como isostáticas de forma provisional hasta que se da más adelante un pretensado de continuidad. Posteriormente, se colocan las prelosas pretensadas colaborantes.

A3-M45 1 — Figura 2. Vista con cuatro vigas montadas en el viaducto del enlace A3-M45 de Madrid (Álvarez et al., 2008)

Figura 3. Montaje de prelosas sobre jabalcones provisionales (Álvarez et al., 2008)

A continuación os dejo un vídeo donde se ve el montaje del tramo completo de una viga artesa.

En este otro vídeo se puede ver un lanzavigas, ampliándose la longitud del vano por medio de vigas partillo en las pilas.

Referencias:

Álvarez, J.J.; Lorente, G.; Ortega, M.; Matute, L. (2008). Viaducto en el enlace A3-M45 (Madrid). IV Congreso de la Asociación Científico-Técnica del Hormigón Estructura-Congreso Internacional de Estructuras, 24-27 de noviembre.

Muller, J. (1980). Construction of Long Key Bridge. Journal – Prestressed Concrete Institute, 25(6), 97-111.

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Diseño heurístico óptimo de puentes artesa y puentes losa

Viaducto St. Cloud, Francia – 2000. http://vslmex.com.mx/

En estos momentos es posible automatizar completamente el diseño óptimo de puentes usando algoritmos heurísticos. A continuación os dejo, en abierto, un capítulo de libro en el que se explica tanto la optimización de un puente de vigas artesas prefabricado como otro construido “in situ” como losa de hormigón postesado. Se trata de un trabajo incluido dentro del proyecto de investigación BRIDLIFE. Este tipo de técnicas acabarán imponiéndose en unos años en los paquetes informáticos de cálculo. Sin embargo, resulta muy importante resaltar que el proyectista es el que tiene la última palabra en el diseño.

Referencia:

Martí, J.V.; Alcalá, J.; García-Segura, T.; Yepes, V. (2016). Heuristic design of a precast-prestressed concrete U-beam and post-tensioned cast-in-place concrete slab road bridges. In: Hernández, S.; Brebbia, C.A.; de Wilde, W.P. (eds.), High Performance and Optimum Design of Structures and Materials II. WIT Transactions on The Built Environment, Vol. 166. WIT Press, pp. 17-28. ISBN: 978-1-78466-143-4.

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Optimización en costes y emisiones de puentes de hormigón con fibras

Recientemente hemos publicado un artículo donde hemos empleado un algoritmo evolutivo híbrido para optimizar tanto el coste como las emisiones de CO2 de puentes en viga artesa, con la particularidad de usar hormigones con fibras de acero. Se trata de un problema combinatorio complejo, con 41 variables de diseño, que se aplicó a un puente de 30 m de luz y una anchura de calzada de 12 m. Os dejo a continuación el artículo completo.

Abstract:

In this paper, the influence of steel fiber-reinforcement when designing precast-prestressed concrete (PPC) road bridges with a double U-shape cross-section is studied through heuristic optimization. A hybrid evolutionary algorithm (EA) combining a genetic algorithm (GA) with variable-depth neighborhood search (VDNS) is formulated to minimize the economic cost and CO2 emissions, while imposing constraints on all the relevant limit states. The case study proposed is a 30-m span-length with a deck width of 12 m. The problem involved 41 discrete design variables. The algorithm requires the initial calibration. Moreover, the heuristic is run nine times so as to obtain statistical information about the minimum, average and deviation of the results. The evolution of the objective function during the optimization procedure is highlighted. Findings show that heuristic optimization is a forthcoming option for the design of real-life prestressed structures. This paper provides useful knowledge that could offer a better understanding of the steel fiber-reinforcement in U-beam road bridges.

Keywords: hybrid evolutionary algorithm, precast-prestressed concrete, steel fiber-reinforcement, U-shape cross-section.

Reference:

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Aplicación de metaheurísticas en la optimización de pasos superiores de carreteras

Resumen–El artículo se ocupa de la optimización económica de los tableros de los pasos superiores de carreteras formados por una losa de hormigón ejecutada in situ y dos vigas artesa prefabricadas de hormigón pretensado autocompactable. Se comprueba la eficacia de las distintas metaheurísticas aplicadas en la optimización: “descent local search” (DLS), “simulated annealing” (SA), “threshold accepting” (TA), “genetic algoritms” (GA) y “memetic algorithms” (MA). Los cálculos de las tensiones y de sus envolventes, son programados en lenguaje fortran directamente por los autores. Los algoritmos de optimización heurística se aplican a un tablero de 35 m de luz y 12 m de ancho. Los parámetros que definen la forma de la sección de la viga se adaptan a los moldes de una instalación de prefabricados. El ejemplo que se analiza consta de 59 variables discretas. El módulo de la evaluación incluye los estados límite último y de servicio que se aplican comúnmente para estas estructuras: flexión, cortante, torsor, fisuración, flechas, etc. Los algoritmos SA y TA se han calibrado previamente a partir del DLS, y el MA a partir del GA y del SA. Cada heurística se procesa nueve veces, obteniéndose información estadística sobre el valor mínimo, el medio y las desviaciones. Se realiza un análisis del rendimiento de las distintas heurísticas, basado en un estudio de las soluciones Pareto-óptimas entre tiempo de ejecución y rendimiento. Los mejores resultados se obtienen para el SA y el TA, siendo el coste mínimo de 108008 €, correspondiente al SA. Finalmente, entre las principales conclusiones de este estudio, destaca que las soluciones y los tiempos de proceso computacional son tales, que estos métodos se pueden aplicar de un modo práctico a casos reales, y que el conocimiento derivado del uso de estos algoritmos permiten recomendar rangos de valores para emplearlos en el diseño optimizado de estas estructuras y en su aplicación para los predimensionados de las variables.

Palabras clave—Optimización, metaheurística, puentes, pasos superiores, diseño de estructuras.

Referencia: MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GARCÍA-SEGURA, T. (2015). Aplicación de metaheurísticas en la optimización de pasos superiores de carreteras. X Congreso Español de Metaheurísticas, Algoritmos Evolutivos y Bioinspirados – MAEB 2015, 4-6 de febrero, Mérida, pp. 241-247. ISBN: 978-84-697-2150-6.

Teoría del valor extremo aplicada a la optimización de puentes

Resumen–El artículo establece un criterio de parada para un algoritmo multiarranque basado en el recocido simulado aplicado a la optimización de losas de puentes de vigas prefabricadas de hormigón pretensado. Para ello se ha comprobado que los óptimos locales encontrados constituyen valores extremos que ajustan a una función Weibull de tres parámetros, siendo el de posición, γ, una estimación del óptimo global que puede alcanzar el algoritmo. Se puede estimar un intervalo de confianza para γ ajustando una distribución Weibull a muestras de óptimos locales extraídas mediante una técnica bootstrap de los óptimos disponibles. El algoritmo multiarranque se detendrá cuando se acote el intervalo de confianza y la diferencia entre el menor coste encontrado y el teórico ajustado a dicha función Weibull.

Palabras clave— Puentes pretensados, teoría del valor extremo, recocido simulado, optimización heurística, diseño de estructuras.

Referencia: YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2015). Teoría del valor extremo como criterio de parada en algoritmos estocásticos multiarranque. Aplicación a la optimización heurística de puentes. X Congreso Español de Metaheurísticas, Algoritmos Evolutivos y Bioinspirados – MAEB 2015, 4-6 de febrero, Mérida, 329-336. ISBN: 978-84-697-2150-6.