Avances “concretos” para vías más resistentes

Avances “concretos” para vías más resistentes

Una de las quejas más recurrentes de los ciudadanos frente al tema de movilidad es el mal estado de las vías. Este reclamo es escuchado en grandes capitales, ciudades intermedias y áreas rurales. Es una problemática que afecta gran parte de las carreteras del país. ¿Es posible construir vías más resistentes que mejoren la movilidad?

Hermes Ariel Vacca es profesor del Departamento de Ingeniería Civil de la Pontificia Universidad Javeriana y actualmente hace su doctorado en Ingeniería en el mismo centro educativo. Su proyecto de investigación se centra en aportar una solución a la movilidad a través de un material que ofrece mejores resultados para las vías vehiculares. Estos materiales son los Concretos de Ultra Alto Desempeño (UHPC por sus siglas en inglés). Son una familia de concretos de uso relativamente reciente en el mundo de la construcción.

Desde la década de los noventa, avances científicos han permitido crear materiales como estos, que son más resistentes y de mayor durabilidad. Durante los últimos años se han usado en infraestructura general: edificios y puentes en su mayoría, pero el profesor Vacca está investigando su aplicación en pavimentos.

Lo primero que hay que aclarar es qué son pavimentos para carreteras. Son estructuras de varias capas compuestas de materiales seleccionados para soportar las cargas vehiculares y las diversas condiciones climáticas. Cada vez que un vehículo pasa, los ejes (en este caso las llantas) transmiten unos esfuerzos al suelo, especialmente en los arranques y frenados. “Cada capa hacia arriba tiene mayor rigidez y condiciones mucho más acertadas de desempeño mecánico para soportar las cargas de los vehículos”, explica el investigador.

A partir de dicha situación, la rama de la ingeniería que se dedica al diseño de pavimentos debe analizar el tipo de suelo, las cargas proyectadas, condiciones ambientales y proyectar el tipo de materiales que requiere esa vía para que funcione durante un tiempo determinado.

Los UHPC como alternativa para rehabilitar pavimentos

Las necesidades de la infraestructura son cada vez más exigentes. Se hacen edificios más altos, puentes con más capacidad y vías que resistan mayor cantidad de vehículos y altas velocidades. Es por esto que desde hace algunas décadas se vienen desarrollando materiales de mayor resistencia. De allí surgen los concretos de ultra alto desempeño, que se diferencian de los concretos convencionales en su composición y comportamiento mecánico.

De forma general, los concretos se componen de mezcla de agregados naturales, procesados o artificiales, agua y algunos aditivos que le dan características específicas dependiendo las necesidades de la obra. En un concreto convencional, los materiales de la mezcla suelen tener un tamaño de hasta dos centímetros y se usa más cantidad de agua. Los UHPC usan materiales mucho más finos que permiten mayor compactación. En estas mezclas los agregados son arenas tienen tamaños de máximo un milímetro. Adicionalmente requiere menos agua porque se agrega un aditivo súperplastificante que hace que toda la mezcla sea más fluida.

Los resultados

La investigación doctoral del profesor Vacca va en su cuarto año y muestra mejores rendimientos de este tipo de concreto cuando se compara con uno convencional. Una de las principales características es su resistencia a la presión y en este aspecto el UHPC lo demuestra. “Un concreto convencional puede tener una resistencia a la compresión entre 20 y 30 megapascales (unidad de medida para calcular cimentaciones y secciones resistentes en estructuras)”, explica el investigador. Adiciona que “cuando hablamos de un UHPC, hoy en día puede tener un valor de 150 megapascales (MPa) de resistencia, que es un comportamiento mecánico mucho más avanzado.” agrega.

Por ejemplo, las losas del sistema de transporte Transmilenio pueden tener en promedio unos 30 centímetros de espesor y un módulo de rotura del orden de 4.0 o 4.5 megapascales. Con los UHPC se cuadruplica este valor, es decir, 16 o 20 MPa de resistencia a la flexión. Esta investigación propone sustituir parte de la última capa del pavimento (llamada de rodadura) e instalar una sobrecarpeta de UHPC buscando aumentar la vida útil del pavimento.

“Nosotros venimos instalando entre tres y cinco centímetros de UHPC, que es un espesor óptimo en las diferentes pruebas que hemos hecho a lo largo de esta investigación”, detalla el especialista. Agrega que “si ya tienes de entrada una resistencia mecánica muy alta y durabilidad, seguramente tu desempeño mecánico en función del tiempo va a ser mucho mejor y va a soportar un mayor volumen de vehículos”.

Según el estudio, estas sobrecapas podrían aumentar en gran medida la vida útil de las vías pues es un material que soporta mejor el paso de los vehículos y hace más lejanos los periodos de arreglo. “El mantenimiento o rehabilitación de pavimento consiste en quitar parte de la capa de rodadura del existente y poner una nueva, que puede durar uno o dos años. Al comparar la metodología convencional con esta nueva, estamos buscando aumentar la vida de servicio de ese pavimento. Que no se tengan que hacer intervenciones cada dos o tres años, sino en lo posible buscar diez o más años”, complementa.

En términos de precio, si se comparan los valores iniciales, usar UHPC puede ser dos o tres veces más costoso que un concreto convencional. Sin embargo, para el investigador se debe hacer otro análisis para ver el valor agregado de esta propuesta. “Si se evita realizar una intervención que comúnmente se hace cada dos años, ahora se puede extender a 10 años, el beneficio no es solamente para el constructor sino también para el usuario”, sostiene Vacca. Además manifiesta que a pesar de la diferencia de precios, la durabilidad del material y su desempeño mecánico lo hace competitivo frente al concreto convencional.

Si bien podría ser una alternativa para las vías del país, Vacca todavía no lo ve como una opción global. “Si una comunidad tiene vías con bajos volúmenes de vehículos, yo diría que esta no es la solución. Quizás con la misma inversión podría pavimentar tres vías más. Pero si son vías de altos volúmenes vehiculares, por ejemplo, las hoy denominadas de cuarta o quinta generación, y que no se puede estar cerrando cada año o cada dos años para hacer una intervención, es ahí donde entra a funcionar este material”, reitera.

En el marco de esta investigación se han hecho pruebas en laboratorio y a escala real de este material, y se han instalado secciones de prueba en Medellín y Girardota (Antioquia) y en Facatativá (Cundinamarca). Adicionalmente, está en curso la construcción de un laboratorio-equipo de pista en los laboratorios de ingeniería de la Javeriana. Este es una fosa de diez metros de largo por cuatro de ancho y cuatro de profundidad, que permite hacer simulaciones de suelo y estructuras de pavimento y validar el desempeño de nuevos materiales en la construcción. En el país sólo hay dos laboratorios de este tipo.

Si bien el profesor Hermes Vacca sostiene que estas aplicaciones de concretos son recientes, reconoce que aún faltan ajustar detalles para que pueda pasar del laboratorio a la vida real. “Hay que capacitar al personal, calibrar los equipos para optimizar los procesos. Todo esto es nuevo, pero estamos a la vanguardia de cómo se está haciendo en otros países y estamos sacando provecho a los nuevos equipos que ha traído la universidad”, concluye. A finales de este año se espera que se puedan iniciar las evaluaciones de pavimentos en el equipo de pista.

 

*Esta investigación es financiada por el Ministerio de Ciencia, Tecnología e Investigación, y en ella participan la Pontificia Universidad Javeriana y la empresa Argos.

El secreto de las estructuras de acero

El secreto de las estructuras de acero

Imagínese un examen de sangre sin agujas. Así se podría explicar lo que hace Federico Núñez. No tiene que ver con personas, sino con edificios, puentes y demás estructuras. Mientras estudiaba Vulnerabilidad Sísmica de las Construcciones, junto con otros colegas, se encontró con un antiguo fenómeno denominado ‘fatiga en acero’. “Yo pienso que ese puede ser el futuro del monitoreo de estructuras metálicas”, dice, explicando que, a través de sensores magnéticos, es posible determinar si la estructura está operando en rangos seguros o inseguros o si, por ejemplo, hay presencia de fisuras.

Para realizar el monitoreo de una estructura, los sensores clásicos requieren estar en contacto con ella, lo que implica raspar la superficie, quitar la pintura, dejar el acero desnudo y colocar el sensor, mientras que los sensores magnéticos no perjudican de ninguna manera las estructuras y ni siquiera es necesario estar en contacto con ellas para examinarlas.

Cuando era niño, a Federico le gustaban los edificios y decía que quería entender matemáticamente una estructura mil veces más grande que él. Este año, en colaboración con el ingeniero Camilo Otálora del Departamento de Ingeniería Electrónica, empezará desde casa y montarán en el edificio de Ingeniería de la Pontificia Universidad Javeriana sensores clásicos y magnéticos para monitorearlo por primera vez. Deseo cumplido.


Su puerta de entrada a la investigación

“Hay unas estructuras a las que no les puede pasar nada durante un sismo”, dice Federico, refiriéndose principalmente a los hospitales. “Esa fue una de las lecciones del terremoto de México de 1985”. Si un hospital se cae, se forma el caos absoluto. Pensando en eso, empezó una investigación como tesis de pregrado sobre la confiabilidad del Hospital Universitario San Ignacio en la que, a partir de la recolección de documentación, planos, geometría detallada y demás datos, concluyó que no estaba en las mejores condiciones para resistir un sismo.

“Yo no me atrevo a decir que el edificio va a colapsar, porque es difícil aseverar eso, pero sí es claro que después de un sismo fuerte ese edificio tal vez no se podrá utilizar como antes”, dice, comentando también que la Universidad Javeriana es consciente de ello y que cuenta con un plan –ya en acción– de renovación de los edificios del campus. Esta investigación fue reconocida como su tesis de grado y con ella empezó su vida como investigador. “Desde ahí me quedó gustando la investigación, tomar información, extrapolarse y sacar una conclusión a partir de datos”, dice.

La pasión de Federico Núñez por las estructuras viene desde su infancia.
La pasión de Federico Núñez por las estructuras viene desde su infancia.

Después del hospital la siguiente parada fueron los puentes colombianos. Participó, como joven investigador en 2004, junto con profesores del Departamento de Ingeniería Civil y con la dirección del ingeniero Édgar Muñoz en el estudio de vulnerabilidad sísmica del puente César Gaviria Trujillo y el puente de Cajamarca. Mientras que vieron que el primero estaba muy bien, el segundo presentaba algunos problemas que en el futuro imposibilitarían el creciente tráfico cotidiano. Gracias a eso, el Instituto Nacional de Vías(INVIAS) tomó la decisión de hacer otro puente allado. Posteriormente escribieron un libro llamado Ingeniería de puentes ganador en 2013 del Premio Nacional de Ingeniería Diódoro Sánchez, y aunque el diploma original reposa en algún lado de la Universidad que Federico desconoce, él guarda con orgullo una copia en su oficina.

La vida de Federico ha continuado como una constante suma de esfuerzos y triunfos, en la que también llegó a la docencia. “La academia siempre ha sido cercana a mí, porque mis papás son profesores y yo he visto en ellos ekgozo de enseñar”. Ese gozo se manifestó en el reconocimiento que sus estudiantes le otorgaron como profesor destacado en 2016. De su receta del éxito revela cuatro ingredientes: fe; paciencia infinita, pues, como aprendió de uno de sus profesores, la ciencia es quisquillosa; prudencia, porque es mejor reportar resultados probables que absolutos, y liberación de egos, porque considera que para hacer investigación y avanzar es importante ayudarse de otros.

Hacia unos puentes confiables

Hacia unos puentes confiables

Desde 1994 han colapsado más de 63 puentes en nuestro país, de los cuales un porcentaje importante corresponde a puentes en acero que fallaron por deficiencias estructurales, entre los que se encuentran: Pescadero (1996) en el departamento de Santander, Purnio (1996) y Recio (1998) en el Tolima y Los Ángeles (1994) en el Huila.
Con la evolución del conocimiento y el aporte de la investigación, la ingeniería está cada día más cerca de prevenir los efectos de las fuerzas de la naturaleza como las amenazas sísmicas sobre las estructuras.

El estudio resulta pertinente si tenemos en cuenta que el 26% de los puentes de la red vial nacional están ubicados en zonas de amenaza sísmica alta, y el 73% en zonas de amenaza sísmica intermedia, es decir que hay un porcentaje representativo de puentes que pueden ser vulnerables, aunque no existe un registro oficial del colapso por sismo de algún puente de la red vial nacional.

Mediante una metodología pionera, investigadores del Grupo de Estructuras del Departamento de Ingeniería Civil, con apoyo de ingenieros del Departamento de Ingeniería Electrónica, del Instituto Geofísico de la Universidad Javeriana y de un investigador del Instituto Tecnológico de Illinois, realizaron un estudio de confiabilidad estructural del puente Cajamarca (carretera Ibagué a Armenia) apoyados en su monitoreo e instrumentación. Con ese fin adecuaron instrumentos en el puente para medir las cargas reales que le producen los camiones a ocho elementos principales y para interpretar los registros de vibraciones ambientales. Con ello lograron deducir las propiedades dinámicas, los períodos de vibración natural y la rigidez de la estructura. Además adelantaron estudios de refracción sísmica para conocer el comportamiento dinámico del suelo y sus efectos locales y así evaluar la amenaza sísmica de la zona.
Lo anterior se conoce como técnica de confiabilidad estructural, una herramienta que permite conocer el riesgo a través del análisis probabilístico, y que sirve para evaluar la capacidad estructural de los puentes de acero ante los efectos sísmicos y las cargas verticales producidas por el tráfico vehicular.

Este tipo de evaluación de estructuras existentes, propuesta por los investigadores, ofrece mayor confiabilidad que los procedimientos tradicionales empleados por la ingeniería nacional, los cuales se basan en el empleo de las especificaciones de los códigos de diseño, ya que no existen en el país normas o códigos específicamente concebidos para la evaluación o revisión de puentes con cierto grado de deterioro y con más de 50 años de funcionamiento. No es del todo confiable emplear estas especificaciones para la revisión de puentes existentes, teniendo en cuenta que fueron concebidas para el diseño de estructuras nuevas.

Por esta razón, los investigadores trabajaron en dicha metodología, que es un aporte semilla para el desarrollo e implementación de una norma colombiana para la revisión de los puentes existentes.

Modelo de trabajo articulado entre universidad, empresa y Estado

El estudio sobre el puente Cajamarca se basó en un proyecto interno inicial, que financió la Vicerrectoría
Académica de la Pontificia Universidad Javeriana. Por la pertinencia del proyecto, acompañada de una adecuada gestión, los investigadores convencieron al Instituto Nacional de Vías (Invías), para que dicho estudio se realizara a través de un convenio, lo cual aumentó los recursos y amplió sus alcances, al tiempo que se incluyó el estudio de otro puente, el viaducto César Gaviria Trujillo, entre Pereira y Dosquebradas, en Risaralda.

El grupo de investigadores inició trabajos en 2008 con el puente Cajamarca que estaba en proceso de mantenimiento, lo que permitió realizar recomendaciones y sugerencias sobre las medidas prioritarias para mejorar su rigidez, ductilidad y resistencia, ya que se encontró que presenta una alta vulnerabilidad sísmica.

Así mismo detectó grandes probabilidades de falla y la necesidad de rehabilitar algunos de los elementos del puente que no ofrecían la seguridad necesaria para los efectos de cargas verticales. También se sugirió al Invías complementar las actividades sobre el control de las cargas en los puentes y los pavimentos, de tal forma que no afecten la estabilidad de estas obras.

Basados en las vulnerabilidades identificadas por la universidad, más las detectadas por los ingenieros de las empresas contratistas, dicho puente está en proceso de conservación y rehabilitación por parte del Invías, para asegurar su estabilidad y funcionamiento. De esta manera el Estado hizo posible que el diagnóstico e identificación de vulnerabilidades en este puente se realice a través de una alianza estratégica entre las empresas de ingeniería y la universidad, en la que las actividades de diseño y ejecución de las obras de conservación y rehabilitación sobre este puente son realizadas por parte del contratista, con el acompañamiento de una interventoría y la supervisión del Invías. La labor de la Universidad Javeriana estuvo circunscrita a la identificación de los daños y vulnerabilidades.

Así se cumplió uno de los objetivos del proyecto que era servir de modelo tanto al Estado como a las empresas contratistas en la toma de decisiones relacionadas con la vulnerabilidad sísmica y estructural. Las recomendaciones de los investigadores fueron un insumo complementario en la dinámica de la ingeniería de consulta y rehabilitación. De hecho el modelo ya recibió el premio CRES 2008 regional de Colciencias, al ser considerada como una experiencia exitosa en este campo.

El diagnóstico en el puente de Dosquebradas señaló que no hay problemas sobre los pilones desde el punto de vista sísmico y de carga vertical, pero que es necesario revisar el nivel de tensión de los tirantes, ya que se encuentran muy cercanos al límite recomendado por las normas internacionales. Además de los puentes mencionados, el grupo de investigación ha realizado estudios de confiabilidad estructural sobre otros puentes importantes del país: Puerto Salgar y Río Negro.

De esta manera la investigación generó una transferencia de conocimiento y de tecnología desde la academia, con el respectivo aporte del ingeniero Jamshid Mohammadi, profesor de Illinois, a las empresas y al Estado, para la toma de decisiones en los procesos de rehabilitación, mantenimiento y conservación de puentes de acero.
El proyecto es un nuevo paso para suplir la deficiencia en el desarrollo tecnológico que los investigadores habían detectado en el país, al igual que una invitación a ingenieros, diseñadores, calculistas y constructores, para que aumenten su formación y se documenten sobre esta nueva metodología, que puede ser aplicable para la revisión de otros puentes y estructuras existentes.

Uno de los retos que deja la investigación tiene que ver con el mejoramiento de las relaciones y el aprovechamiento mutuo de conocimiento entre académicos que profundizan y contribuyen a la precisión del trabajo y contratistas que laboran con procesos normales y generalistas como fruto del día a día, de la riqueza de la cotidianidad.

El grupo

Está integrado por los investigadores: Edgar Eduardo Muñoz Díaz, Jorge Alberto Rodríguez, Federico Núñez y Luis Alberto Jaramillo del Departamento de Ingeniería Civil. Dicho grupo trabajó con el apoyo y la asesoría del ingeniero Camilo Otálora del Departamento de Ingeniería Electrónica, y del ingeniero Alfonso Ramos del Instituto Geofísico. Además, del profesor Jamshid Mohammadi del Instituto Tecnológico de Illinois.

Por último, los investigadores preparan un libro que recoge todas estas experiencias en ingeniería de puentes que será financiado por la Vicerrectoría Académica de la PUJ.


Descargar artículo
Christian Ricardo Zea: un joven investigador que se sale del molde

Christian Ricardo Zea: un joven investigador que se sale del molde

Ése fue el primer trabajo en el que participó como integrante del Grupo de Investigación de Ergonomía, en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Javeriana, una oportunidad que le llegó, como a muchos colombianos: de golpe, porque por su mente nunca pasó el tema de la investigación.
A la Javeriana llegó tiempo atrás tocando puertas para presentar su trabajo de grado en Ingeniería Mecánica de la Universidad Santo Tomás, investigación relacionada con la biomecánica. Leonardo Quintana Jiménez, director del Centro de Estudios de Ergonomía, en el Departamento de Procesos Productivos de la Facultad de Ingeniería de la Javeriana, le dio la oportunidad convirtiéndose en su tutor y al terminar este trabajo le ofreció quedarse para afrontar nuevos proyectos.

Christian pensó que sus días como investigador habían terminado cuando presentó a Colciencias una propuesta de investigación que consistía en dar continuidad a lo que había iniciado en su trabajo de grado y el proyecto no fue aprobado. Pero una nueva oportunidad lo llevó a los laboratorios, esta vez con un reto grande, un proyecto patrocinado por la Universidad de Texas.

Esta investigación ahondaba en la ergonomía, específicamente en la medición de condiciones ambientales en el puesto de trabajo, como la vibración, el ruido, el estrés térmico y la luminosidad. Todas éstas hasta ese momento se medían por separado y la misión de Christian era lograr que los datos se procesaran en un mismo momento y en tiempo real. No había protocolos para realizar este tipo de estudios, por lo que su misión fue estudiar cada uno de esos aspectos por separado e intentar establecer la conexión entre el equipo de medición y el computador.

Aunque este joven investigador difiere en todos los aspectos y actitudes de la imagen estereotipada del científico que muestran el cine y la televisión, y que describen en los libros, sí estuvo durante varios meses metido de cabeza en los manuales especializados, haciendo mediciones y trabajando en computadores para sistematizar y analizar la información recolectada. Tras conocer cada detalle del funcionamiento de los equipos inició el proceso de programación, trabajo complejo, según él, porque no todos los equipos funcionaban con protocolos de comunicación iguales.

La seriedad que refleja su rostro se rompe con una sonrisa cuando recuerda lo que responde a quienes le preguntan por su rol de investigador. “No soy investigador, aclaro, soy un asistente de investigación”, es su respuesta. Christian explica que la gente piensa que un investigador es alguien que se dedica a echar números, pero en realidad lo que hace es mirar una necesidad existente y procurar cubrirla a través de la producción de conocimiento.

Y eso era justamente lo que buscaba con agrupar las mediciones ergonómicas. Lo que pretendía con su investigación era poderse subir con todos sus aparatos al puesto de trabajo de un conductor de transporte urbano e investigar las condiciones ambientales que se tienen en el momento de la operación del vehículo.

Con un equipo midió la vibración; con otro, el ruido, además de la postura del conductor. Grabar los datos de las condiciones de la cabina era un trabajo interesante y novedoso. Con estas mediciones los especialistas pueden hacer análisis que permitan sugerir mejoras a los diseñadores de cabinas del servicio de transporte urbano.
“En mi trabajo aplico los conocimientos de ingeniero mecánico a la biomecánica. La parte de programación fue una experiencia nueva y tuve que meterme de cabeza. Ésa es la función del joven investigador, coger un campo y trabajarle”, recalca Christian.
Terminado ese trabajo se vinculó a un proyecto de investigación del Centro de Automatización Industrial en la Facultad de Ingeniería de la Javeriana, relacionado con el desarrollo de un robot. Ahí aplica sus conocimientos en el análisis de materiales, la observación de formas, estructuras y aplicaciones, para tratar de obtener el mejor producto que satisfaga al cliente.

A pesar de que su mente está en constante movimiento, reconoce que en su lugar de habitación no ha hecho ninguna medición ni ha creado nada, pero aclara que, con la debida autorización, “la desbaratamos y la volvemos a armar”.


Descargar artículo