La ampliación de Stephenson Avenue en Perth, Australia Occidental, permitirá mejorar el flujo de tráfico, mejorar la conectividad y aumentar la capacidad. No obstante, según las investigaciones sobre las condiciones del terreno, los diferentes niveles de hundimiento del terreno constituían un importante obstáculo.
¿Cómo encontró un equipo de ingeniería geotécnica de WSP la solución adecuada de mejora del terreno a partir de más de 160 combinaciones de diseño diferentes? Con la ayuda de la capacidad de automatización rápida y eficaz de PLAXIS junto con Python.
La ampliación de la fase 2 de Stephenson Avenue, de 165 millones de dólares, constituye un extenso y complejo proyecto de infraestructuras viales que se está llevando a cabo actualmente en Perth, Australia Occidental.
La ampliación incluye un puente vehicular que cruza la transitada autopista Mitchell Freeway (construida a principios de la década de 1980) y cuya finalización está prevista para 2024.
Según los datos recopilados por InSAR durante un periodo de seis años hasta 2020, aunque la autopista se construyó hace 40 años, el terreno de la ampliación de la carretera proyectada sigue hundiéndose a un ritmo variable de hasta unos pocos milímetros al año.
El suelo pantanoso de turba, altamente compresible y cubierto por una espesa capa de arena, hace que las condiciones del terreno sean difíciles.
“Si los terraplenes de aproximación y las rampas del puente se construyeran sin mejorar el terreno, la turba seguiría hundiéndose de forma considerable”, afirma Shan Tom Wong, ingeniero geotécnico en jefe de WSP Australia.
La columna de módulo controlado (Controlled Modulus Column, CMC) es un método de mejora del terreno que refuerza el suelo con una red de columnas de hormigón (crédito de la imagen: WSP)
Modelado fácil y eficaz de múltiples escenarios
WSP presta servicios profesionales de ingeniería y diseño de vanguardia a nivel mundial en diversos sectores industriales, incluidos el transporte y las infraestructuras.
Actualmente, Shan Tom forma parte del equipo geotécnico dirigido por el director ejecutivo técnico de WSP, Simon Tan, que trabaja en el diseño de este importante proyecto de infraestructura de transporte.
El equipo seleccionó el método de mejora del terreno, que consiste en instalar columnas de hormigón hasta el estrato competente por debajo de la capa de turba. Como consecuencia de tres variables de diseño cruciales (el grosor de la turba, la altura del terraplén y la separación entre columnas de hormigón) fue necesario analizar nada menos que 160 combinaciones de diseño.
“Construir uno a uno tantos modelos sería una tarea titánica, además de que cualquier error o descuido tendría que perfeccionarse o corregirse”, afirma Simon.
“Por ello, optamos por utilizar la capacidad de automatización rápida y eficaz de PLAXIS junto con Python”.
El innovador programa informático de modelado 2D y 3D PLAXIS, que forma parte del paquete geotécnico más avanzado del mundo de Seequent, le permite diseñar y realizar análisis avanzados de deformación de suelos y rocas por elementos finitos.
Después de algunas iteraciones para perfeccionar el código Python, los análisis PLAXIS pudieron automatizarse con la finalidad de modelar con facilidad y eficacia las 160 combinaciones de diseño diferentes.
Diagrama de flujo del diseño que muestra el análisis automatizado de la columna axisimétrica de módulo controlado con modelos PLAXIS mediante programación en Python (crédito de la imagen: WSP)
¿Lo mejor de este algoritmo? Su facilidad de uso.
Según van avanzando los proyectos y llega nueva información, los ingenieros geotécnicos suelen estancarse en tareas de diseño repetitivas o en tediosas revisiones de los modelos de diseño para realizar pequeños ajustes.
“En los casos en los que uno o pocos cambios afectaron a muchos modelos, el uso de PLAXIS con Python para encontrar una solución de mejora del terreno ayudó a ahorrar tiempo y costos”, explica Shan Tom.
El equipo empezó con un modelo numérico axisimétrico 2D en PLAXIS. Después se apoyaron en la experiencia de su colega de WSP en Brisbane, Douglas Tun, ingeniero geotécnico auxiliar, para la codificación en Python.
Douglas utilizó el envoltorio de Python para la interfaz de programación de aplicaciones (Application Programming Interface, API) de PLAXIS, que se proporciona como parte del programa PLAXIS.
Entre sus estudios previos de doctorado se incluye el desarrollo de una serie de algoritmos de inteligencia artificial y optimización para el diseño geotécnico. Una sencilla y eficaz herramienta de optimización fue el algoritmo de búsqueda lineal o de fuerza bruta.
“El algoritmo funciona mediante la búsqueda de un elemento específico en una matriz o lista y la comprobación de cada elemento en secuencia hasta que se encuentra el elemento deseado o hasta que se llega al final de la matriz”, asegura Douglas.
“Se trata de un algoritmo muy sencillo y fácil de entender y, lo más importante, es fiable: siempre funciona”, agrega.
En este video de 1 minuto, descubra cómo WSP diseñó de forma eficaz la solución adecuada para la mejora del terreno utilizando PLAXIS con Python.
Optimice su diseño mediante PLAXIS con Python
Las obras de construcción de la ampliación de la autopista continúan a toda marcha, y se calcula que aproximadamente el 80 % de las columnas de hormigón estarán instaladas a mediados de 2023.
“Dado que la turba presenta un importante hundimiento por arrastre a largo plazo, la capa compresible se modeló utilizando el modelo de arrastre de suelos blandos”, explica Simon.
Para la representación gráfica, los cálculos de los hundimientos a cinco y cuarenta años se introdujeron en archivos de datos.
Hubo que analizar 160 modelos axisimétricos, almacenar los archivos de datos y elaborar gráficos, todo automatizado para facilitar la visualización y la interpretación de los resultados.
“La selección de distancias preliminares adecuadas entre columnas en modelos tridimensionales llevaría mucho tiempo”, afirma Simon. “Por ello, la decisión preliminar se basó en los gráficos de asentamiento en 2D antes de realizar análisis más detallados con PLAXIS 3D”.
“El modelo 3D incluye elementos adicionales, como un muro de contención, para simular los movimientos laterales del terreno y del muro con el paso del tiempo”.
PLAXIS con Python es eficaz y rentable, y permite una gran visualización de los resultados.
Los miembros del equipo geotécnico de WSP coinciden en que el uso de PLAXIS junto con Python podría tener muchos otros usos potenciales, sobre todo en lo que respecta a las tareas de diseño repetitivas, para ayudar a ahorrar tiempo y costos en los proyectos de infraestructuras.
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