Dimensionamiento óptimo de sobreespesores en proyectos de estructura metálica enterrada
- Autores: Lorena de Arriba Rodríguez
- Directores de la Tesis: Francisco Ortega Fernández (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Oviedo ( España ) en 2022
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Manuel Marey Pérez (presid.), Eliseo Pablo Vergara González (secret.), Manuel Castejón Limas (voc.), Henar Morán Palacios (voc.), Amaya Pérez Ezcurdia (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería de Producción, Minero- Ambiental y de Proyectos por la Universidad de Oviedo
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: RUO
- Resumen
Alrededor del mundo, existen millones de estructuras metálicas enterradas total o parcialmente en el suelo y su diseño es una gran preocupación en el campo de la ingeniería estructural. El principal enemigo de los metales inmersos en el ambiente subterráneo es la corrosión. Se trata de un mecanismo de degradación irreversible que ataca gradualmente al metal reduciendo su espesor. Es un fenómeno muy peligroso porque puede desencadenar en el colapso de la estructura y producir serios daños en las poblaciones circundantes y el medio ambiente.
En esta tesis doctoral se ha llevado a cabo una profunda revisión de los métodos existentes en el diseño de este tipo de estructuras y se ha detectado que, en la actualidad, no existe un método claramente establecido que estime el comportamiento corrosivo de un suelo con precisión. Las técnicas cualitativas son herramientas sencillas, con formatos fáciles de manejar pero que solamente proporcionan recomendaciones que no apoyan el cálculo de la estructura y, por contra, las técnicas cuantitativas son objetivas y devuelven valores numéricos sobre la pérdida de peso del metal a lo largo del tiempo, pero requieren de conocimientos previos y son difíciles de interpretar. Además, se ha demostrado que la corrosión en el suelo es extremadamente compleja y en ella, están involucradas diferentes parámetros que atacan de manera conjunta la estructura. Por lo que las técnicas simplistas, univariables o que consideran pocas características del terreno, pueden provocar serios errores en la fase dimensionamiento.
Las técnicas cuantitativas multivariable son las herramientas idóneas para el diseño óptimo de este tipo de estructuras, pero sus inconvenientes a la hora de emplearlas provocan que su uso sea limitado y que la metodología más extendida consista en seguir pautas cualitativas y aplicar sobreespesores conservadores que garanticen la fase operativa de la estructura. El problema es que se trata de un método subjetivo muy dependiente de la persona encargada del proyecto y que conduce al uso ineficiente de los metales al requerir mayor cantidad de la necesaria y, por tanto, aumentar el coste de construcción de la estructura.
Para lograr el equilibrio óptimo entre la cantidad de metal y la vida útil de la estructura, en esta investigación se ha construido una herramienta cuantitativa multivariable que estima numéricamente la degradación de los materiales en el suelo en función del tiempo. Para ello, se ha modelado la corrosión mediante dos técnicas diferentes: modelo de agrupamiento basado en la distancia euclídea y modelos predictivos configurados a partir del algoritmo de Líneas de Regresión Adaptativa Multivariante (MARS). Los metales sobre los que se ha desarrollado la investigación son dos aceros de referencia en las estructuras metálicas enterradas: acero Bessemer desnudo y acero Bessemer galvanizado por inmersión en caliente.
El primer paso en la construcción de un modelo predictivo consiste en definir una base de datos sólida y representativa. Para ello, se recurrió al trabajo liderado por Melvin Romanoff y que es considerado el proyecto cuantitativo multivariable más completo de la historia de la ingeniera de la corrosión, debido a que fue ejecutado en un entorno real, a su duración y al elevado número de muestras y suelos que se estudiaron. En la presente tesis doctoral, se realizó un tratamiento de toda la información recabada en los ensayos reales de este científico y se solucionaron todas sus limitaciones para dar lugar a una extensa y fiable base de datos que alimenta los modelos.
El modelo de agrupamiento tiene el objetivo de automatizar la búsqueda de los casos reales de la base de datos más similares al de estudio. De esta manera, el ingeniero responsable del diseño introduce los parámetros de su suelo y obtiene, de manera automática, el comportamiento a la corrosión en g/m2 en función del tiempo que experimentó el acero, desnudo o galvanizado, en un suelo con las características locales semejantes al suyo. Además, el concepto de distancia euclídea también se ha utilizado para definir el parámetro índice de calidad que permite conocer la proximidad entre el caso de estudio y los propuestos por el modelo. Cuando el índice es superior al 80% significa que las soluciones propuestas están cerca a los ensayos reales y son válidos para su empleo en el cálculo de las estructuras.
En cuanto a los modelos predictivos, en el caso del acero desnudo, se optó por construir tres modelos distintos denominados básico, físico y químico que permiten una mejor adaptación de las características de un suelo a los valores conocidos de la base de datos. En función de las variables de entrada, será más conveniente emplear la solución aportada por uno u otro. En el caso del acero galvanizado, se dispone de una cantidad de información significativamente menor en la base de datos, por lo que se decidió construir un solo modelo para estimar la degradación corrosiva y se introdujo como variable de entrada el parámetro de salida del modelo básico para el acero desnudo bajo las mismas condiciones.
La variable de salida de cada uno de los modelos es la pérdida de espesor que experimentará el acero, desnudo o galvanizado, enterrado en el suelo y expresada en g/m2. Para evaluar la calidad de las estimaciones del modelo básico, físico y químico se calcularon las métricas estadísticas Error Absoluto Medio (MAE) y Error Relativo Absoluto (RAE) y los resultados reflejaron que para errores relativos del 10% del rango, más del 90% de las predicciones eran correctas. Además, se concluyó que el modelo más representativo era el modelo básico al incluir un mayor número de casos de la base de datos. Para evaluar la aplicabilidad del modelo predictivo para el acero galvanizado, se utilizaron las métricas MAE, RAE, Error Cuadrático Medio (RMSE), Coeficiente de Determinación (R2) y las gráficas de residuales estandarizados. Los resultados indicaron que el modelo ofrece un rendimiento predictivo muy alto. Específicamente, el error cuadrático medio fue de 290,6 g/m2 (rango de la variable objeto 51,787 g/m2 a 5950,5 g/m2), el R2 fue 0,96 y a partir de un error relativo de 14% el éxito de la estimación fue del 100%. En definitiva, el uso de los modelos predictivos propuestos optimiza la relación entre la cantidad de acero galvanizado en caliente y la vida útil de la estructura metálica enterrada.
Con el propósito de facilitar el uso de la herramienta cuantitativa desarrollada en esta tesis, el modelado se materializó en una aplicación informática con una interfaz muy sencilla. El usuario introduce las características de su suelo y obtiene las propuestas de perdida de espesor de cada uno de los modelos. Para clarificar el funcionamiento y aportación a la comunidad científica de la técnica propuesta en esta investigación, se definió un ejemplo real que constató que las estimaciones de los modelos permiten el dimensionamiento óptimo de sobreespesores en proyectos de estructura metálicas enterradas.
