Saint-Gothard : Un túnel que atraviesa Europa

Marcelo Oropeza

El 15 de octubre de este año, la perforación del túnel Gothard será realidad, y con ella se confirma un paso importante a lo que será el túnel ferroviario más largo del. El proyecto suizo que atraviesa los Alpes, ofrecerá una rápida via de transito a lo largo de su eje norte-sur, una vez terminado hacia el horizonte del 2017.

La prensa suiza no exagera al darle el calificativo de “construcción del siglo”, ya que no solo los superlativos técnicos se acumulan de manera impresionante, sino también el costo del proyecto que no termina de aumentar.

Con 57 Km de largo, este túnel responde a una demanda creciente de tráfico de pasajeros y de mercancías tanto en materias primas como en productos industriales entre los países limítrofes a Suiza. La velocidad de los trenes atravesando el túnel será de 200 a 250 km/h. Así, un viaje de Zürich a Milan tomaría 2h40 en lugar de las 3h40 actuales que el Cisalpino ofrece.

El Gothard es parte del proyecto de las nuevas líneas ferroviarias alpinas, cuyo costo se estima a cerca de 24 billones de francos suizos (alrededor de 25 billones de dólares americanos).

Fuente: BBC news

Para alcanzar los 57 Km de túnel, se necesitaron otros túneles, pozos, galerías, cuya longitud acumulada llegan a 152 Km que forman una red de perforaciones en la montaña (Le Temps, en francés) . Los factores geológicos influenciaron la forma del trayecto que no es completamente recto.

Trazado del túnel (fuente: AlpTransit)

El túnel fue excavado por maquinas de perforación de tuneles (Tunnel Boring Machines o TBM) y con explosivos.

Montage de una TBM (fuente: AlpTransit).

Avance con TBM (arriba) y con explosivos (abajo). Fuente: AlpTransit

A medida que el túnel es perforado, se estabiliza para evitar la caída de fragmentos y luego proceder con la bóveda final.

Section del tunel (fuente: AlpTransit)

Para poder explotar plenamente las ventajas que ofrecerá este proyecto una vez finalizado, Italia, Francia y Alemania deben también concluir proyectos en sus territorios para poder agilizar el tráfico ferroviario a escala europea.

Para mas información:

- sitio web de AlpTransit (empresa a cargo de la ejecucción del proyecto, enlace en inglés).

- Folleto (que contiene información sintética e interesante) The new Gotthard Rail (PDF, 6MB en inglés).

- Dossier en Le Temps: Saint Gothard, le chantier du siècle (en francés).

- Algunas cifras interesantes en Le tunnel du Gothard en chiffres et en dates en el sition de la television suiza TSR

Sistemas de Muros de Mampostería Híbridos

Carlos A. Perez Eulate

Después del desastre del World Trade Center (WTC) el 11 de septiembre del 2001 en Nueva York, Estados Unidos, se reunió una comisión con el objetivo de evaluar las estructuras aledañas y clasificarlas según su daño ya sea estructural o no estructural. La conclusión de la comisión en general fue que las estructuras antiguas compuestas por elementos de mampostería resistieron mejor a los efectos del desastre, que las estructuras nuevas livianas debido a que la mampostería fue mas resistente al fuego y los elementos de mampostería ofrecieron suficiente redundancia estructural que evito que dichos edificios colapsaran. Además, los paneles de mampostería soportaron localmente los impactos y su reconstrucción fue rápida (Biggs, 2003).

Debido a estos resultados Biggs (2007) publico el concepto de los sistemas de muros de mampostería híbridos. Los sistemas son esencialmente un muro de mampostería en un marco de acero, en los cuales el muro ha sido construido de tal forma que soporta esfuerzos transmitidos por el marco de acero estructural.

Los sistemas de muros híbridos se clasifican de acuerdo al esfuerzo que soportan como se observa en la siguiente tabla.

Tipo de muro	Axial	Corte en la viga	Corte en la columna
Relleno	no	no	no
Ordinario	no	si	no
Intermedio	si	si	no
Especial	si	si	si

Clasificación de los sistemas de muros híbridos (Biggs, 2007)

Con el objetivo de evitar transmitir las cargas del marco de acero a los muros, se añaden unos espaciamientos en las interfaces de contacto de los muros y el marco. La siguiente figura muestra el sistema ordinario donde el momento causado por el corte transmitido por la viga es equilibrado por el sistema tensión-compresión en la base del muro.

Sistema ordinario (fuente: IMI, 2009)

En el caso de los muros de tipo especial, todos los esfuerzos del marco son transmitidos al muro por lo tanto no existen espaciamientos en las interfaces de contacto, tal como se muestra en la siguiente figura.

Sistema especial (fuente: IMI, 2009)

Estos muros debido a la redundancia que ofrecen a la estructura permiten el diseño de marcos de acero esbeltos y por la tanto económicos (Biggs, 2007), debido a esto, los muros híbridos están ganando mas y mas adeptos y programas computacionales como RAM Elements (antes RAM Advanse) han implementado dichos sistemas en el análisis y diseño de estructuras para aumentar la productividad de dichas estructuras (RAM Elements, 2010).

Actualmente, se están llevando a cabo varios ensayos en modelos a escala real en la Universidad de Illinios para validar los resultados del los modelos matemáticos y arrojar mayor claridad sobre el comportamiento de dichos muros (NCMA, 2009)

Detalles de las referencias

Biggs, D. (2003). Beyond the towers: Performance of masonry. The masonry society, Boulder, Colorado. [Consultado el 17/07/10]

Biggs, D. (2007). Hybrid Masonry Structures, Proceedings of the Tenth North American Masonry Conference, The Masonry Society, Boulder, CO, June 2007. [Consultado el 17/07/10]

International Masonry Institute (IMI) (2009). Hybrid Masonry Design. [Consultado el 16/07/10]

RAM Elements (2010). Release notes. [Consultado el 16/07/10]

National Concrete Masonry Association (NCMA) (2009). Illinois lands $1.2 million NSF hybrid-masonry research grant. [Consultado el 20/07/10]

Bacterias y estabilización de suelos

Marcelo Oropeza

Una bacteria naturalemente présente en el suelo podría ser utilizada en la prevención de temblores en suelos arenosos (sandy soils). Es decir que esta bacteria llega a "colar" los granos de arena entre si.

Cuando las ondas de un temblor atraviesan un suelo arenoso (sandy soil), un fenómeno conocido como licuefaccion del suelo podría desarrollarse. En eventos sismicos pasados, la licuefaccion es responsable de varios edificios destruidos.

Daños debidos a la licuefacción del suelo en Turquía, 1999 (Fotografía de Pierre Mouroux, extraida de www.irma-grenoble.com)

Desde hace algun tiempo se sabe que añadiendo ciertas substancias en este tipo de suelos se obtienen mejores propiedades mecánicas. Sin embargo, estos químicos son tóxicos.

Una doctorante del laboratorio de mecánica de suelos de la EPFL utiliza una bacteria contenida naturalmente en los suelos a fin de aumentar su concentración. Con la ayuda de un tratamiento químico compuesto de úrea y calcio, la bacteria produce carbonato de calcio que juega el rol de "pegamento" entre los diferentes granos de arena. En tan solo unos dias, el suelo arenoso se transforma en roca.

El nuevo suelo, mas estable que el precedente podría ser utilizado a modo de medida anti sísmica o como una alternativa ecológica al cemento que contamina las aguas subterraneas.

Para mas detalles:

- Articulo en Swissinfo.ch (en francés)

- Articulo Microbially induced cementation to control sand response to undrain shear

- blog referente al tema (en inglés)

Hormigón fibra armada

Marcelo Oropeza

El hormigón fibra armada es un concepto bastante interesante que utiliza la idea de base del hormigón armado. Es decir, un hormigón de alta resistencia y el acero son combinados, pero esta vez la mezcla resultante es bastante homogénea, ya que el acero se presenta en forma de pequeñas barras (fibras) que bañan en un hormigón con granulometría muy fina.

Seccion de ruptura de una section de 0.1mx0.1m en ensayo a la tracción (fuente: Complete characterisation of tensile properties of Ductal® UHPFRC according to the French recommendations)

El resultado es un material muy resistente con un comportamiento de endurecimiento similar al del acero (hardening) . Así, se alcanzan resistencias a la compresión de aproximadamente 6 veces y a la tracción de mas o menos 4 veces que el de el hormigón común.

Una de las particularidades más interesantes de este material es su muy baja permeabilidad, situación que le confiere las ventajas de estanqueidad tanto al agua como al aire que tienen los impactos bien conocidos de corrosión del acero.

Para lograr tales propiedades, ciertas condiciones son necesarias, como por ejemplo:

• granulos de talla reducida y con alta resistencia mecanica;
• una proportion de agua muy baja con respecto al cemento (agua/cemento inferior a 0.2)
• una alta cantidad de cemento (700-1000 kg/m3);
• super plastificante (aditivo);
• una alta concentración de humo de sicilio (silice fume), entre 20 y 30% del cemento.

La fluencia es un fenomeno importante en este material, que atenua los efectos negativos de los auto-tensores (early age stresses) como es descrito en este articulo.

Como es de esperar, no todo son buenas noticias, ya que la gran des desventaja es el precio. La consecuencia principal es el hecho de que su utilizacion sea mas que todo local (refuerzos, prevención de rupturas como las de punzonamiento de lozas).

Para más detalles:

• Google: Ultra-high performance fibre-reinforced concrete (UHPFRC)
• Articulo: UHPFRC tensile creep at early age
• Articulo: Complete characterisation of tensile properties of Ductal® UHPFRC according to the French recommendations
• Video de la aplicación de este material en el mantenimiento de un puente en Suiza (video, 20 minutos)
• Informe muy completo: Applications structurales du béton fibré à ultra hautes performances aux ponts (la version inglesa a partir de la página 33).
• Articulo: Comportamiento de elementos estructurales de hormigón reforzado con fibras.

Infraestructuras energéticas en Bolivia

Marcelo Oropeza

Bolivia posee una variedad de recursos naturales, y algunos de los cuales podrían jugar un papel importante en su futuro energético. Basta con ver la prensa para comprender que el hierro, el gas natural y el litio son algunos de los mas importantes recursos estratégicos del país, y las infraestructuras constituyen el elemento principal para viavilizar su explotación y eventualmente su industrialización.

Efectivamente, dejando de lado los productos agrícolas (soya, café y otros), Bolivia tiene diferentes tipos de recursos, interesantes desde el punto de vista energético y que probablemente jugarán un rol en la industrialización del pais. Con el litio que Bolivia posee, podríamos imaginar una industrialización a mediana o gran escala para exportar incluso productos con valor agregado (baterias electricas). El gas podría ser usado como motor de una industria relativamente independiente del punto de vista energetico, ademas de su exportación a los paises vecinos. Y el hierro podría impulsar la construccion y tantas otras actividades industriales, todo eso sin hablar de los beneficios provenientes del comercio de materias primas que estan cada vez mas de moda.

El Brasil prefiere dejar de lado el gas boliviano y casi al mismo tiempo, Uruguay se muestra muy interesado en comprarlo (Los Tiempos). Por otro lado, el litio y el hierro siguen interesando mucho a varias compañias internacionales. En este clima al parecer muy propicio, aparecen puntos que quedan aún por resolver. Y todos ellos se refieren a las infraestructuras y las inversiones necesarias para realizarlas.

El litio necesitaria de una inversion de 350 millones de dólares (Los Tiempos) dentro de un contexto global complejo (véase el post de Mauricio Majluf), el Mutún tiene un caso mas extremo: 1100 millones de dolares (Los Tiempos). El caso del gas tampoco es facil, ya que se necesitan inversiones para la construcción de un gasoducto directo hasta Uruguay, o tiempo de negociación y tratados comerciales para pasar por Argentina que es el actual vendedor de gas al Uruguay (Los Tiempos). Los montos de inversion para la explotación del litio y del hierro no integran los costos necesarios para la creacion de carreteras y otras infraestructuras necesarias para la comercialización de estas materias o productos.

En una época en que Bolivia se asume como propietaria y administradora de sus recursos, nos enfrentamos a la falta profunda de infraestructuras adecuadas. Y lo que es quizás peor: una falta de medios para resolver tan importante problema. Una estrategia adecuada en competencia con el tiempo es necesaria.

Estructuras de tensegridad

Marcelo Oropeza

Las estructuras de tensegridad, son estructuras cuyo equilibrio depende de fuerzas de tracción en los cables y las fuerzas de compresión en las barras que la componen.

Needle Tower (Fotografía de K. Snelson http://en.wikipedia.org/wiki/Tensegrity)

Tensegridad, viene del inglés tensegrity que es una contracción de tensional e integrity.

Las formas que pueden ser diseñas con estas estructuras son apreciadas por los arquitectos. Sin embargo, del punto de vista del ingeniero, son estructuras sensibles ya que:

• las barras y los cables funcionan en compresión pura y en tracción pura respectivamente;
• los cables en compresión no son elementos estructurales;
• las barras deben ser dimensionadas para evitar el pandeo.

Mientras las estructuras realizadas no soportan cargas muy importantes, esos problemas al origen de un comportamiento no lineal geométrico, se pueden limitar de manera sencilla. En efecto, estructuras decorativas (esculturas, torres) o temporales (domos u otros) no representan grandes desafios estructurales si su tamaño es modesto. Los problemas vienen cuando la finalidad de la estructura es una pasarela o un puente, por ejemplo. Grandes cargas, vibraciones, combinación de cargas y estado de servicio aceptable son algunos de los desafios que se hacen crecientes en estos casos.

Pero los problemas pueden hacerse aún mas complejos con las estructuras en tensegridad desplegables. Un proyecto de investigación actualmente en curso estudia el caso de una pasarela desplegable.

Elevación de la pasarela desplegable que es actualmente estudiada. Cables en negro y barras en gris (Fuente: articulo Designing tensegrity modules for pedestrian bridges).

Vista longitudinal de la pasarela(Fuente: articulo Designing tensegrity modules for pedestrian bridges).

Dada la complejidad geométrica de tales estructuras, podría ser muy util poder visualizar imagenes 3D de las mismas. El siguiente sitio web de tensegridad tiene algunas configuraciones en tensegridad que pueden ser exploradas en imagenes 3D por los interesados.

Para mayor información sobre la tensegridad:

- Blog sobre la tensegridad

- Articulo: Designing tensegrity modules for pedestrian bridges

- Wikipedia: Tensegrity (en inglés)

- Sitio web que genera ciertas vistas 3D: tensegrity

Rolex Learning center

Marcelo Oropeza

El lunes pasado, el Rolex Learning Center (RLC) situado en la Escuela Politecnica Federal de Lausanne (EPFL - Suiza), abrió sus puertas. Es un edificio de un piso y un nivel subterraneo de 120mx160m que acoge una biblioteca, lugares de estudio para los estudiantes, una cafetería, restaurante, un auditorio y algunas actividades administrativas de la EPFL. La particularidad de esta estructura es rapidamente remarcada: las losas ondulan, sobrevolando luces importantes no sin recordar la forma de un trozo de queso suizo.

Fotographía del Rolex Learning Center (fuente: http://www.rolexlearningcenter.ch/the_building/image_gallery/)

La concepción de esta estructura obedece a criterios de arquitectos japoneses (SANAA). Como era de esperar, la forma compleja de la estructura complicó considerablemente los calculos de la misma. Efectivamente, la intensión inicial era de utilizar una estructura en cascarón delgado (shell structure en inglés). En pocas palabras, una estructura en cascarón es similar a una placa en la que una o varias curvaturas pueden coexistir, y una parte considerable de los esfuerzos se encuentran en el plano de la estructura.

En el caso del RLC, las curvaturas y las luces hicieron imposible un dimensionamiento en cascarón, a causa de effectos flexionales demasiado importantes. Finalmente, dos superficies onduladas fueron consideradas en el sistema portante del edificio.

Maqueta de la estructura en la que se señalan las dos superficies onduladas: una grande (abajo a la derecha) y otra pequeña (abajo a la izquierda). Figura elaborada a partir de imagenes de Bollinger + Grohmann Ingenieure (PDF, 3.5Mb).

El sistema estático de la estructura esta compuesto de un conjunto de vigas fuertemente armadas para poder retomar los momentos generados. Estudios específicos fueron necesarios para evaluar los efectos de la fluencia, retracción, fisuración y otros fenómenos no lineales.

Esquema del sistema estático, mostrando la localización de los elementos estructurales. Fuente: Bollinger + Grohmann Ingenieure (PDF, 3.5Mb)

En conclusion, el proyecto representó un desafio importante desde el punto de vista de la ingeniería. La funcionalidad del edificio ya esta siendo probada por los numerosos visitantes, atraidos por su apariencia particular.

Para mas detalles:

- Sitio web del RLC: http://www.rolexlearningcenter.ch/

- Grohmann, Bollinger, Weilandt y Wagner. Form Finding of the shell structures of the Rolex Learning Center in Lausanne. Proceeding of the IASS, 2009. Valencia. (PDF, 3.5Mb)

Detalles constructivos:

- Weilandt, Grohmann, Bollinger, Wagner. Rolex Learning Center in Lausanne: From conceptual design to execution. Proceeding of the IASS, 2009. Valencia. (PDF 2.1Mb)

Fotografías:

- Médiathèque EPFL

Litio boliviano: promesas y desafios

Mauricio Majluf Dehne

Reducir la dependencia del petróleo y controlar los niveles de contaminación son dos de los grandes desafíos para el planeta. El 60% de las emisiones mundiales de CO2 provienen de combustibles fósiles líquidos, donde el transporte, con un cuarto de esta parte, consume la mitad de la producción mundial de petróleo. En este contexto, la industria mundial del automóvil, apuesta por la producción en serie de modelos híbridos y eléctricos, donde el mayor desarrollo tecnológico recae en las baterías, con el litio como componente clave.

Con datos actualizados al mes de enero 2010, con nuevas estimaciones tanto de los gobiernos como de las industrias Argentinas, Australianas y Chilenas, la U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries (pdf, 85Kb) se calculan en 25,5 millones de toneladas las reservas mundiales de litio, de las cuales 9 millones corresponden a Bolivia y 7,5 a Chile, declarándolas las mayores reservas del mundo. Adicionalmente, el gobierno boliviano anunció hace algunos días (Los Tiempos), que gracias a los sondeos que se han llevado a cabo hasta ahora, se puede afirmar que el salar de Uyuni posee al menos entre 18 y 20 millones de toneladas de litio, hasta aquí todos buenos augurios para nuestro país.

La otra cara de la moneda son los complejos obstáculos del proyecto del litio para Bolivia. Nótese que se utiliza la frase “proyecto del litio”, y no las palabras explotación, producción ni industrialización, que dejamos a reflexión del lector.

El área del proyecto, el salar de Uyuni, se encuentra a una altura nada despreciable de 3.700 metros sobre el nivel del mar, con temperaturas gélidas y fuertes vientos, cuenta con precarias vías de comunicación, incluida la vía férrea La Paz-Antofagasta que pasa justo al lado del salar. Curiosamente Antofagasta es la región de Chile que abarca al salar de Atacama, actualmente el mayor productor de carbonato de litio del mundo, donde la concentración de litio es 4 veces más alta que en nuestro salar (Red Bolivia), muy aparte de la enorme ventaja logística de su localización geográfica próxima a la costa.

¿Cuál es verdaderamente el interés de Bolivia en su proyecto en Uyuni?. Hace ya algunos meses, cuando empezaba esta reflexión (Los Tiempos), mencionaba el síndrome holandés y la repartición justa de las regalías de este proyecto. Con un poco de retorno de parte de algunos profesionales con relaciones en la Escuela de Minas de Paris, notoriamente me comía la torta antes de hornearla. Se tratará de clarificar este punto con un simple cálculo: la producción total mundial de litio en 2008 fue de 25.400 toneladas (sin que Bolivia aporte un gramo), con un precio estimado en el mercado de US$ 5.500 por tonelada para ese mismo año, haciendo un total de 140 millones de dólares. Con esto se pagan los costos de producción y sobre el remanente se cumple con los impuestos y regalías de cada país productor, suma de recaudación impositiva sin mucho impacto para ninguna arca estatal. Por otra parte, las previsiones aceptadas muestran una demanda mundial de 53.000 toneladas de litio en el año 2020 y se esperará que el precio se incremente. Para ese entonces seguramente se habrá ampliado la capacidad de producción de las minas existentes y se habrán desarrollado otras nuevas. Toyota, el constructor de automóviles más grande del mundo, aseguró su provisión de litio con un proyecto minero en Argentina (Reuters). ¿Estamos realmente en ventaja solo por tener las mayores reservas del mundo?. ¿El mercado mundial tendrá abastecimiento de litio con o sin explotación del salar de Uyuni en Bolivia?. ¿Cuánto tiempo durará la hegemonía del litio hasta que se logre una ruptura tecnológica en las baterías que acabe con su principal demanda? ¿Cómo una pequeña economía como la nuestra puede resolver el dilema de tener o no un socio industrial gigante para ganar tiempo y compartir riesgos, hacer frente al mercado ávido de litio pero con una fuerte y bien desarrollada competencia ya establecida y sobre todo, de donde se conseguirán los fondos y la tecnología necesaria sin poner en riesgo nuestra soberanía? El debate mismo.

Citando literalmente la reflexión de un profesional consultado en Francia “(…) el estado boliviano a comprendido bien que solo la industrialización en el principio de la cadena de valor del litio permitirá un valor agregado significativo. ¿Hasta donde será posible para el estado boliviano industrializar el litio? ¿Hasta las baterías?, hasta ahí podríamos sorprendernos, ¿hasta la construcción de vehículos?, ahí las limitaciones se vuelven inmensas, y esto es un eufemismo”.

Burj Khalifa

Marcelo Oropeza

Una de las noticias de la semana es sin duda la inauguración en Dubái de Burj Khalifa, o el rascacielo más alto del mundo pour sus 828 metros de altura (189 pisos) o por su impresionante precio (1500 millones de US$) [1]. Sin embargo, pocos son los articulos que tratan de algunos de los detalles técnicos más interesantes que serán justamente tratados en este post de manera muy breve.

Burj Khalifa en elevacion y planta (fuente: [3])

Burj Kahlifa utiliza una técnica de construcción relativamente conocida, pero con una enorme cantidad de material. El diseño en planta en forma de "Y" fues escogida para reducir las fuerzas debido al viento. El centro de la "Y" es apoyado lateralmente por muros que recorren las extremidades. El diseño de la torre que se afina progresivamente busca limitar la oscilación de la torre a causa del viento que puede llegar con velocidades de hasta 50 y 150 Kh/h en la base y en la parte superior respectivamente. La oscilación es limitada no por razones de seguridad, sino más por razones de confort (estado limite de servicio) [1].

El afinamiento de la torre en forma de espiral, permite igualmente limitar los vortex de viento. La forma fue optimizada con ensayos en maquetas dentro de tuneles de viento. La forma hexagonal del centro de la "Y", formado por muros construidos en hormigón de alta resistenciaC80 y C60, constituyen una especie de tubo que permite aumentar la rigidez torsional. Las columnas fueron cuidadosamente calculadas para enfrentar de la mejor manera la fluencia y la retracción del hormigón. La construcción se realizó con un sistema de encofrado auto-portante (auto-climbing formwork system). La parte superior del rascacielo, contrariamente al resto de la estructura, es metálica [3].

Sistema estructural de Burj Khalifa (fuente: [2])

La estructura recurre a muchas técnicas diferentes, incluso algunas que fueron implementadas para poder respetar un planning muy apretado (fundaciones, tiempo fraguado del hormigón, armaduras prefabricadas, logistica de la obra, etc. etc.). Para no alargar el articulo, las personas interesadas en mas información, pueden consultar los documentos que propongo al final de este post.

La estructura esta ahora oficialmente inaugurada, y su utilización es inminente. Sin embargo, el desafío mas importante del rascacielo parece ser lo relacionado a la explotación: mobilidad interna y la gestion de flujos de los 12000 habitantes, la seguridad, etc.

Referencias

[1] Artíclo en francés en Le Temps (www.letemps.ch)

[2] Brief on the construction planning of the Burj Dubai Project, Dubai, UAE (PDF 1.09Mb)

[3] Engineering the World's tallest - Burj Dubai (PDF 1.24Mb)

Para más información:

Articulo sobre el edificio en Structurae (http://en.structurae.de/)

The tallest 20 in 2020 (PDF 302Kb)

The Council on Tall Buildings and Urban Habitat (http://www.ctbuh.org)