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Cubipod

Cubipod es un elemento prefabricado de hormigón en masa para la construcción de diques en talud. Está específicamente diseñado para aprovechar las ventajas del bloque cúbico tradicional, evitando el adoquinamiento y aumentando la fricción con el filtro.

Cubipod puede utilizarse en mantos monocapa (K_D[tronco]=12 K_D[morro]=5) y bicapa (K_D[tronco]=28 K_D[morro]=7). En general, se recomiendan mantos monocapa, ya que permiten minimizar los costes y las huellas energética y del carbono; sin embargo los mantos bicapa pueden ser recomendables en situaciones con problemas geotécnicos, bajo control de construcción u otras restricciones específicas del lugar.

Cubipod se compara sobretodo con el bloque cúbico convencional, ya que pertenecen a la misma familia de piezas masivas con gran resistencia estructural y similares requerimientos logísticos.

Origen de Cubipod

El profesor de la Universidad Politécnica de Valencia, Josep Ramón Medina, del Laboratorio de Puertos y Costas tiene la visión de crear una nueva pieza capaz de competir con éxito con las existentes en el mercado.

Características técnicas

Resistencia estructural

Las piezas del manto principal se ven sometidas a una gran variedad de solicitaciones durante la construcción y fase de servicio; las más importantes son las estáticas, las hidrodinámicas y las de impacto. Las cargas estáticas se deben al peso propio, asentamientos del dique y empujes entre piezas. Las hidrodinámicas se generan por el oleaje rompiendo sobre el talud y pueden además mover las piezas generando impactos. Finalmente, las cargas de impacto son múltiples, desde los golpes entre piezas durante la manipulación en parque y colocación, a los provocados por el oleaje en la fase de servicio, impacto de partes de piezas rotas y otros. Las tensiones en las piezas del manto generadas por las cargas estáticas e hidrodinámicas crecen linealmente con el tamaño de las piezas y con la raíz cuadrada del tamaño en el caso de los impactos. Por consiguiente, las piezas de mayor tamaño son más frágiles y pueden generar roturas catastróficas (por ejemplo, Dolos en el Puerto de Sines en 1978​).

Para evaluar la resistencia estructural del Cubipod se han realizado ensayos de volteo y caída libre de prototipos utilizando bloques cúbicos convencionales de 15 t y Cubipod de 16 t. Además, se han realizado dos ensayos de caída extrema de Cubipod con resultados satisfactorios. Al ser cubo y Cubipod dos piezas masivas, resisten caídas muy superiores a las piezas “bulky” descritas en la literatura científica. Los ensayos de volteo y caída libre de prototipos sobre plataformas de hormigón armado fueron realizados en el Parque de Bloques de SATO del Puerto de Alicante en marzo de 2008. Con el mismo hormigón se fabricaron prototipos para los diferentes ensayos de caída. Los prototipos de Cubipod resistieron, sin romperse, caídas desde alturas un 50% superiores a las de los bloques cúbicos convencionales. La forma geométrica del Cubipod propicia pequeñas fracturas de borde que reducen las aceleraciones del cuerpo central y las fracturas internas que provocan la rotura gobal de la pieza. Así pues, el riesgo de una gran rotura en obra al manipular y colocar piezas es menor para el Cubipod que para un bloque cúbico convencional fabricado del mismo tamaño y con el mismo hormigón. Los ensayos de caída de prototipos con Cubipod de 16 t y cubos de 15 t demuestran que Cubipod resiste impactos mucho más energéticos que los bloques cúbicos convencionales, con alturas de caída libre sobre plataforma rígida de he[Cubipod]=3.1m y he[cubo]=1.9 m.

Estabilidad hidráulica tronco (2D)

La tabla muestra los coeficientes de estabilidad de algunas piezas y una estima de los coeficientes de seguridad implícitos, para diques sin rebase y oleaje sin limitación de fondo, en función del número de capas y del tramo (tronco y morro). Para el tronco, los resultados se refieren a ensayos 2D de estabilidad hidráulica en canal, utilizando la ecuación de Hudson generalizada [Hs/(ΔDn)]=(K_D cot α)^1/3. Tanto el manto bicapa como el monocapa de Cubipod es mucho más estable en el tronco que el manto convencional de bloques cúbicos bicapa. Los ahorros de hormigón al sustituir cubos por Cubipod son muy elevados, lo que repercute directamente en la reducción de costes, de las huellas energética y del carbono asociadas al dique. Si a las reducciones de consumo de hormigón asociadas a la mayor estabilidad hidráulica le sumamos las reducciones de caudales de rebase, cota de coronación y tamaño de espaldón asociados al uso de Cubipod, el ahorro económico global y la reducción del impacto ambiental son considerables.

					inicio de destrucción (IDe)		inicio de averías (IDa)
tramo	pieza	KD	nº capas	talud	SF(IDe5%)	SF(IDe50%)	SF(IDa5%)	SF(IDa50%)
tronco	cubo	6,0	2	3/2	1,05	1,35	0,67	0,86
	Cubipod	28,0	2	3/2	1,09	1,40	0,82	0,99
	Cubipod	12,0	1	3/2	1,31	1,64	1,06	1,27
	accropode	15,0	1	4/3	1,05 - 1,40	1,26 - 1,51	0,93 - 1,24	1,15 - 1,38
	x-bloc	16,0	1	4/3	1,17	1,68	1,17	1,32

El tronco del dique se puede proteger con mantos bicapa de cubipod pero también monocapa, ya que se ha comprobado su gran estabilidad y capacidad de autoreparación. La colocación es siempre aleatoria ya que el Cubipod tiende a situarse en el talud con porosidad homogénea  pero con orientaciones absolutas y relativas aleatorias. Por el contrario, los bloques cúbicos tienden al adoquinamiento, la porosidad heterogénea y la pérdida de aleatoriedad con el tiempo. Como regla general, se aconseja utilizar mantos monocapa si el control de obra es bueno y las tolerancias de construcción e incertidumbres de diseño pequeñas; por el contrario, si el control de obra es deficiente y las incertidumbres de diseño y tolerancias de construcción son grandes, los mantos bicapa con respuesta muy flexible son los aconsejables. En todo caso, la construcción de mantos bicapa de cubipod permite el avance seguro de la primera capa de cubipod que ya representa una protección del dique muy elevada en la fase de construcción.

Estabilidad hidráulica morro (3D)

Para evaluar la estabilidad hidráulica del Cubipod en morro, se han ensayado dos tipos de morros, protegidos con cubos y Cubipod, uno con oleaje irregular de crestas largas  y otro con oleaje direccional de crestas cortas. En los dos casos, el Cubipod ha mostrado mayor estabilidad hidráulica, lo que se traduce en un coeficiente de estabilidad (K_D [Cubipod]=7.0) un 40% superior al del bloque cúbico convencional (K_D [cubo]=5.0). Esta mayor estabilidad permite ahorrar hormigón en el morro, pero no tanto como en el tronco.

					inicio de destrucción (IDe)		inicio de averías (IDa)
tramo	pieza	KD	nº capas	talud	SF(IDe5%)	SF(IDe50%)	SF(IDa5%)	SF(IDa50%)
morro	cubo	5,0	2	3/2	1,17	1,40	0,88	1,13
	Cubipod	7,0	2	3/2	1,19	1,36	0,99	1,18

Además de la mayor estabilidad hidráulica observada del Cubipod en morro (en los ensayos físicos 3D), es necesario tener presente que el morro es un tramo de obra cuya construcción es más compleja que en el tronco, pudiendo haber una notable diferencia entre la colocación óptima de laboratorio (a mano, en seco y con visión perfecta) y la real en el mar (ciega bajo el agua con grúa y pinzas de presión). Esta diferencia puede ser especialmente elevada en el caso de los bloques cúbicos que tiene tendencia al adoquinamiento y la compactación heterogénea, reduciendo la porosidad en la zona inferior y aumentando la porosidad de la zona superior. En el caso del morro de Cubipod, la tendencia al auto-posicionamiento de las piezas permite reducir las diferencias entre lo construido en el laboratorio y la realidad a escala prototipo.

Remonte y rebase

Para estimar los caudales de rebase correspondientes a los mantos de bloques cúbicos y Cubipod, se han realizado ensayos 2D de remonte y rebase en el canal de ensayos del LPC-UPV. Se han estudiado mantos bicapa convencionales de bloques cúbicos y mantos monocapa y bicapa de  cubípodos. La figura muestra la sección estudiada, sin limitación de fondo y con talud 3/2, correspondiente a una escala de referencia 1/100 para grandes diques del Cantábrico y 1/50 para grandes diques del Mediterráneo. El rebase resultó no significativo (Q <10^-7) para valores altos del francobordo adimensional (Rc/H_m0>2.6) y para valores inferiores de francobordo se obtuvo la siguiente relación $Q={q \over {\sqrt {gH_{m0}^{3}}}}=0.2\cdot \exp {(0.53\cdot Irp-3.27\cdot {Ac \over Rc}-{2.16 \over \gamma _{f}}\cdot {Rc \over H_{m0}})}$ donde Q es el caudal adimensional de rebase, Rc/H_m0 es el francobordo adimensional, q es el caudal unitario de rebase, H_m0 es la altura de ola significante, Irp=(2T_p /3)/(2πH_m0/g)^0.5 es el número de Iribarren utilizando H_m0 y el periodo de pico (T_p =1/f_p ), Rc y Ac son las cotas de coronación del espaldón y el manto, y γ_f es el factor de rugosidad de la pieza utilizada. El factor de rugosidad, γ_f , depende del tipo de pieza y número de capas, siendo en estos ensayos:

Cubos bicapa:               γ_f =0.50

Cubipod monocapa:      γ_f =0.46

Cubipod bicapa:            γ_f =0.44

Respecto del manto de cubos bicapa convencional, los mantos de Cubipod reducen significativamente los caudales de rebase, pudiéndose rebajar la cota de coronación para mantener los caudales de rebase de proyecto.

Fuerzas sobre el espaldón

Para comparar las fuerzas sobre el espaldón de diques en talud protegidos con bloques cúbicos y Cubipod, se han realizado ensayos físicos en canal midiendo rebases y presiones y subpresiones sobre el espaldón a diferentes cotas. Se han estudiado mantos bicapa convencionales de cubos y mantos monocapa y bicapa de Cubipod. La figura muestra las variables principales sin limitación de fondo y con talud 3/2, correspondiente a una escala de referencia 1/100 para grandes diques del Cantábrico y 1/50 para grandes diques del Mediterráneo. Las fórmulas para estimar las fuerzas sobre el espaldón son las siguientes:

$Fh=\rho \cdot g\cdot {hf}^{2}\cdot 0.5\cdot (-1.25+1.8\cdot {{\gamma _{f}\cdot Ru} \over Rc}+0.82\cdot ({{Rc-Ac} \over h_{f}})+0.16\cdot {\sqrt {L_{01} \over Ba}})^{2}$

$Fv(Fh)=\rho \cdot g\cdot {hf}\cdot Be\cdot 0.5\cdot (-0.6+0.4\cdot {{\gamma _{f}\cdot Ru} \over Rc}+0.27\cdot ({{Rc-Ac} \over h_{f}})+0.16\cdot {\sqrt {L_{01} \over Ba}}-1.03\cdot {Wc \over h_{f}})^{2}$

donde Fh es la fuerza horizontal máxima, Fv(Fh) es la fuerza vertical más grande asociada a la ola que ha generado Fh, γ_f es el factor de rugosidad de la pieza utilizada (0.50 para cubos bicapa y 0.46 y 0.44 para Cubipod monocapa y bicapa) y Ru es la estimación del remonte propuesta por el CIRIA/CUR (1991):

$Ru=R_{u0.1\%}={\begin{cases}1.12H_{s}\xi _{m}&{\mbox{si }}\xi _{m}\leq 1.5\\1.34H_{s}\xi _{m}^{0.55}&{\mbox{si }}\xi _{m}>1.5\end{cases}}$

con Ru≤2.48Hs para estructuras permeables, $\xi _{m}={{\tan \alpha } \over {\sqrt {H_{s} \over L_{01}}}}$

donde Hs es la altura de ola significante y $L_{01}={{g\cdot T_{01}^{2}} \over 2\pi }$

Respecto del manto de cubos bicapa convencional, los mantos de Cubipod reducen significativamente las fuerzas sobre el espaldón, permitiendo reducir de este modo el peso del espaldón para resistir a deslizamiento (modo de fallo más usual)

Fabricación, acopio y colocación

Encofrado para Cubipod

El proceso de fabricación óptimo depende del equipo humano y material disponible, así como de la producción diaria necesaria en cada caso. La repercusión en el coste dependerá en gran medida del volumen de obra y los plazos de construcción; si el volumen de obra aumenta, los rendimientos serán mayores y los costes unitarios menores. La fabricación eficiente de Cubipod exige utilizar el encofrado tipo flanera; con ese encofrado se puede conseguir con facilidad el ritmo de producción de los bloques cúbicos convencionales (dos o tres puestas/día).

Acopio de Cubipod

Además de la fabricación, es necesario analizar optimizar el parque para el acopio eficiente de Cubipod. Se pueden utilizar diferentes disposiciones abiertas y cerradas con porosidades 30%<p%<50% . El acopio más cerrado es más eficiente en requerimientos de espacio, pero exige que la pieza tenga un volumen superior a 8 m³ para su cómoda manipulación con pinzas de presión. El parque tipo consta de una zona de fabricación con tres bases por cada molde articulado de Cubipod, zona de acopio con un puente grúa y un andén de fabricación a distinto nivel para el vertido directo desde camión pera. La manipulación se realiza con pinzas de presión para garantizar la máxima seguridad.

Pinza para la colocación de Cubipod

Para manipular piezas de hormigón con la máxima seguridad, es necesario utilizar pinzas de presión que permiten reducir riesgos y ahorrar costes de personal respecto del uso de eslingas. La manipulación de piezas con pinzas de presión se considera un requisito fundamental para facilitar el manejo rápido  y seguro de piezas de hormigón de gran volumen. La utilización de eslingas, aunque es una técnica que se puede aplicar, está contraindicada con carácter general ya que complica las operaciones de manipulación e introduce riesgos físicos adicionales para las personas que participan en el proceso de manipulación. Por el contrario, el uso de pinzas de presión permite manipular las piezas desde la grúa, con menos personal y a mayor distancia.

Las pinzas de presión para Cubipod son muy similares a las utilizadas para bloques cúbicos convencionales. La figura muestra la pinza doble utilizada para manipular Cubipod en el Parque de Bloques de SATO del Puerto de Alicante durante los ensayos de caída de prototipos en 2008. El funcionamiento y operatividad de la pinza adaptada es semejante a la pinza simple de cubos que también se utilizó en los ensayos de caída de prototipos.

La pinza de presión adaptada a Cubipod , tiene un diseño básico semejante a dos pinzas de presión simples de bloques cúbicos; las dos pinzas simples están unidas por un marco único. El marco cuadrado de unión se corresponde con una de las protuberancias tronco piramidales cuadradas del Cubipod y la pinza doble sujeta el cuerpo del Cubipod como lo hace la pinza simple con el cubo. El resultado es un proceso de manipulación muy similar al del bloque cúbico convencional.

Por otro lado, el posicionamiento de Cubipod en talud es muy eficiente ya que la forma geométrica de los Cubipod induce al auto-posicionamiento aleatorio cubriendo homogéneamente el talud. Esto hace que sea sencillo conseguir la porosidad  “natural” del manto de Cubipod con pocas desviaciones. Por ejemplo, para talud 3/2, los ensayos de construcción realista de mantos (construcción ciega bajo el agua) realizados indican que se obtiene una porosidad media entre 42% y 43% con poca variabilidad y con independencia del oleaje durante la construcción. Construyendo con oleajes más intensos, la variabilidad y la porosidad media tienden a reducirse ligeramente. Con bloques cúbicos convencionales, los resultados de porosidad real que se consiguen son mucho más heterogéneos e imprevisibles.

Parámetros de diseño

Cubipod es una pieza simétrica con elevada resistencia estructural. Para el diseño de manto principal de un dique en talud, se utilizan las siguientes fórmulas básicas:

Masa del elemento: $M={1 \over K_{D}}{{H_{sd}^{3}} \over ({\rho _{r} \over \rho _{w}}-1)^{3}}{\rho _{r} \over \cot \alpha }$

Volumen de la pieza: $V={M \over \rho _{c}}$

Diámetro nominal: $D_{n}={\sqrt[{3}]{V}}$

Espesor del manto: $e=nD_{n}$

La siguiente tabla de diseño se basa en la fórmula de Hudson generalizada para talud 3H:2V, en el tronco del dique (sin rebase ni rotura por fondo) con K_D[n=1]=12 y K_D[n=2]=28. ρ_(hormigón)[t/m³]=2.400 y ρ_{(agua mar)}[t/m³]=1.030.

temporal de cálculo Hs [m]	masa de la pieza		volumen de la pieza		lado de cubo equivalente		espesor del manto		porosidad del manto		packing density		densidad de colocación		consumo de hormigón φ*V/100
	M [t]		V [m3]		Dn [m]		e [m]		p [%]		ϕ [-]		φ [u/100m3]		m3/m2
	1 capa	2 capas	1 capa	2 capas	1 capa	2 capas	1 capa	2 capas	1 capa	2 capas	1 capa	2 capas	1 capa	2 capas	1 capa	2 capas
3,50	2,40	1,00	1,00	0,40	1,00	0,76	1,00	1,50	41,00	42,00	0,59	1,16	59,00	202,00	0,59	0,88
4,00	3,60	1,60	1,50	0,60	1,15	0,87	1,10	1,70	41,00	42,00	0,59	1,16	45,00	155,00	0,68	1,00
5,00	7,10	3,00	3,00	1,30	1,43	1,08	1,40	2,20	41,00	42,00	0,59	1,16	29,00	99,00	0,85	1,25
6,00	12,20	5,20	5,10	2,20	1,72	1,30	1,70	2,60	41,00	42,00	0,59	1,16	20,00	69,00	1,02	1,51
7,00	19,40	8,30	8,10	3,50	2,01	1,51	2,00	3,00	41,00	42,00	0,59	1,16	15,00	51,00	1,18	1,76
8,00	29,00	12,40	12,10	5,20	2,29	1,73	2,30	3,50	41,00	42,00	0,59	1,16	11,00	39,00	1,35	2,01
10,00	56,70	24,30	23,60	10,10	2,87	2,16	2,90	4,30	41,00	42,00	0,59	1,16	7,00	25,00	1,69	2,51
12,50	110,70	47,40	46,10	19,80	3,59	2,70	3,60	5,40	41,00	42,00	0,59	1,16	5,00	16,00	2,12	3,14
15,00	191,20	82,00	79,70	34,10	4,30	3,24	4,30	6,50	41,00	42,00	0,59	1,16	3,00	11,00	2,54	3,76

Sección tipo de un manto monocapa de Cubipod

Análisis económico

Para la estimación de costes de construcción de los mantos de Cubipod se han estudiado las distintas partidas de coste que intervienen en la fabricación y puesta en obra de las piezas del manto principal para el caso de manto convencional de bloques cúbicos bicapa (B2) y manto monocapa (C1) y bicapa (C2) de Cubipod . Para la comparación de costes de utilización de bloques cúbicos y Cubipod en la construcción de mantos principales de diques en talud, se ha realizado un estudio paramétrico de costes referido a una sección tipo genérica habitual en las costas españolas. Se han estudiado los rendimientos habituales de los diferentes equipos  y procesos  para los mantos de bloques cúbicos bicapa convencionales (B2) y los mantos de cubipod monocapa (C1) y bicapa (C2) en función del peso de los bloques del manto (10<W[t]<150) y la longitud del dique (400<L[m]<2500). Procedimientos constructivos y rendimientos son similares para bloques cúbicos y cubípodos (monocapa y bicapa); los costes unitarios (€/m³ ) se reducen al aumentar el tamaño y el número de piezas a colocar, siendo los cubos algo más baratos que los Cubipod en las mismas condiciones. Sin embargo, debido a que el manto de Cubipod es más homogéneo, es un 10% más poroso que el de bloques cúbicos y tiene mayor estabilidad hidráulica, los mantos de Cubipod tienen menor coste de construcción (del 15% al 45% según características del dique). En la comparación se han considerado múltiples condicionantes y aspectos logísticos, especialmente los relativos a  los siguientes procesos:

1. Suministro de hormigón, fijado en la figura como constante de 60 €/m³.
2. Equipos fijos de manipulación (pinzas y encofrados), cuya repercusión depende del volumen de obra a acometer.
3. Fabricación, función del equipo humano y material necesario y de la producción diaria óptima en cada caso.
4. Preparación de la instalación para la fabricación de bloques, cuya repercusión depende del volumen de obra a acometer.
5. Colocación, dependiente de los pesos y geometría del dique, que condicionan las grúas y los medios de transporte.
6. El acopio y manipulación muy dependiente de la compacidad del parque y de los ritmos de fabricación y colocación.

Se han considerado cuatro parámetros geométricos, en una sección tipo de referencia, para el estudio paramétrico de costes: peso de pieza, cotas max-min del manto, longitud del dique y talud. Con ello se ha estimado el coste unitario (€/m³) de cubos y Cubipod para el manto principal, dependiendo del volumen de obra y peso de la pieza.

Para realizar una estimación preliminar de costes de construcción, se pueden utilizar las fórmulas siguientes, donde HOR[€] es el coste del m³ de hormigón suministrado, W[t] es el peso de las piezas del manto y V[m³ ] es el volumen total de hormigón utilizado en piezas de peso W[t].

cubos: $C_{B}[{euros \over m^{3}}]=(205+HOR)+0.75\cdot [{10^{5}\cdot ({1 \over \ln(V\cdot W)})^{2}-10^{4}\cdot ({1 \over {\ln(V\cdot W)}})}]{\mbox{ }}$

Cubipod: $C_{C}[{euros \over m^{3}}]=(265+HOR)+1.00\cdot [{10^{5}\cdot ({1 \over \ln(V\cdot W)})^{2}-10^{4}\cdot ({1 \over {\ln(V\cdot W)}})}]{\mbox{ }}$

Premios y reconocimientos

• En la 39 edición del Salón Internacional de Invenciones de Ginebra (2011), el invento Cubipod es premiado con la Mellada de Oro con mención de honor​, un reconocimiento adicional que se ha concedido en contadas ocasiones.
• Premio al mejor invento español en 2011 de la agencia de patentes española García-Cabrerizo (2011)
• Premio Nacional de Innovación 2011, en la categoría de Compra Pública Innovadora​ a la Autoridad Portuaria de Málaga por el empleo de Cubipod en el proyecto de Rehabilitación y mejora de la dársena exterior y abrigo exterior de San Andrés del puerto de Málaga.