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Redes neuronales aplicadas al diseño multiobjetivo de puentes postesados

Nos acaban de publicar en línea en la revista Structural and Multidisciplinary Optimization (revista indexada en JCR en el primer cuartil) un trabajo de investigación en el que utilizamos las redes neuronales artificiales junto para el diseño multiobjetivo de puentes postesados de carreteras. Os paso a continuación el resumen y el enlace al artículo por si os resulta de interés. El enlace del artículo es el siguiente: http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs00158-017-1653-0

Referencia:

García-Segura, T.; Yepes, V.; Frangopol, D.M. (2017). Multi-objective design of post-tensioned concrete road bridges using artificial neural networks. Structural and Multidisciplinary Optimization, doi:10.1007/s00158-017-1653-0

Abstract:

In order to minimize the total expected cost, bridges have to be designed for safety and durability. This paper considers the cost, the safety, and the corrosion initiation time to design post-tensioned concrete box-girder road bridges. The deck is modeled by finite elements based on problem variables such as the cross-section geometry, the concrete grade, and the reinforcing and post-tensioning steel. An integrated multi-objective harmony search with artificial neural networks (ANNs) is proposed to reduce the high computing time required for the finite-element analysis and the increment in conflicting objectives. ANNs are trained through the results of previous bridge performance evaluations. Then, ANNs are used to evaluate the constraints and provide a direction towards the Pareto front. Finally, exact methods actualize and improve the Pareto set. The results show that the harmony search parameters should be progressively changed in a diversification-intensification strategy. This methodology provides trade-off solutions that are the cheapest ones for the safety and durability levels considered. Therefore, it is possible to choose an alternative that can be easily adjusted to each need.

Keywords:

Multi-objective harmony search; Artificial neural networks; Post-tensioned concrete bridges; Durability; Safety.

Durabilidad en la fase de mantenimiento de los edificios

Durante la vida de servicio los edificios se deterioran y llegan a la obsolescencia, debido entre otras causas a los efectos del clima, la utilización y el desgaste (Esteve, 2015). El deterioro empieza en el mismo momento en el que termina su construcción. El mantenimiento y las reparaciones garantizan la prolongación de la vida útil, logrando evitar el deterioro y, finalmente, su destrucción. Por tanto, la vida útil está estrechamente ligada al mantenimiento de una edificación.

El British Standars Institute define el mantenimiento de un edificio como “el trabajo acometido para mantener, restaurar o mejorar cada parte del edificio, sus servicios y sus alrededores, con las normas actualmente aceptadas, y para sostener la utilidad y el valor del edificio”. En definitiva, el mantenimiento es el conjunto de operaciones y cuidados necesarios para que los edificios e instalaciones puedan seguir funcionando adecuadamente.

Los edificios pueden fallar por numerosas razones: fallos de diseño, fallos de construcción, fallos de mantenimiento, fallos de materiales o fallos de utilización. Aunque los fallos de mantenimiento,  se pueden descomponer en dos partes:

  • Mantenimiento que ha sido llevado a cabo incorrectamente.
  • No se ha realizado ningún mantenimiento durante toda la vida del edificio. Éste último es el más común.

En un estudio llevado a cabo en Hong Kong en el año 2000 por Lam (2009), se reveló que aproximadamente el 40% de los fallos de mantenimiento estaban relacionados con el diseño, el 30% estaban relacionados con la construcción o instalación y el 30% restante estaban relacionados con la gestión del mantenimiento.

Investigaciones como la de Chew et al. (2004) y Flores-Colen y J. Brito (2010) establecen que el proceso inevitable de deterioro se puede controlar y que la vida de servicio de los edificios puede extenderse si se mantienen adecuadamente. Las estrategias de mantenimiento son esenciales para controlar las primeras fases de degradación y para prevenir el fallo de los elementos del edificio. Además, la selección de las estrategias apropiadas y con mejor relación efectividad-coste pueden minimizar la disminución en el rendimiento de los edificios durante su ciclo de vida completo.

Para poder realizar adecuadamente la planificación de las tareas de mantenimiento, es necesario disponer de información fiable sobre la vida de servicio de los componentes de edificación. Si la durabilidad de los materiales se conoce, se puede identificar el intervalo de tiempo necesario para el mantenimiento y reparación de los componentes de las edificaciones. Según Straub (2011), faltan referencias fiables sobre la vida de servicio de los productos de construcción.

Por último, los costes de mantenimiento representan la mayor parte del coste total en la vida completa de un edificio. Según Griffin (1993), el coste inicial, correspondiente al diseño y construcción, podría representar únicamente alrededor del 25% del coste total, mientras que los costes de mantenimiento y operación supondrían del 50% al 80% del coste durante su vida de servicio.

Referencias:

  • Chew, M. Y. L., Tan, S. S., & Kang, K. H. (2004). Building maintainability – review of state of the art. Journal of Architectural Engineering, 10(3), 80-87.
  • Esteve, V.F. (2015). Estado del arte de los factores que afectan a la durabilidad de las edificaciones. Trabajo Fin de Máster. Máster en planificación y gestión de la ingeniería civil. Universitat Politècnica de València.
  • Flores-Colen, I., & De Brito, J. (2010). A systematic approach for maintenance budgeting of buildings faades based on predictive and preventive strategies. Construction and Building Materials, 24(9), 1718-1729.
  • Griffin, J. J. (1993). Life cycle cost analysis: A decision aid. Blackie Academic & Professional, London.
  • Lam, K. C. (2000). Quality assurance in management of building services maintenance. Building Services Engineering Department, The Hong Kong Polytechnic Univ.
  • Straub, A. (2011). To a new dutch service life database of building products. COBRA 2011 – Proceedings of RICS Construction and Property Conference, 135-145.
4 Marzo, 2015
 
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Durabilidad y vida útil de las infraestructuras

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Deterioro prematuro del hormigón. Imagen: V. Yepes

La durabilidad de las construcciones constituye uno de los aspectos clave que preocupan y van a preocupar a los técnicos en las próximas décadas. Tras un crecimiento masivo en la construcción, se plantean problemas tan serios como el mantenimiento y la sostenibilidad de las infraestructuras, de forma que se consigan los indicadores mínimos de servicio que permitan un uso seguro y adecuado de las mismas. Estamos inmersos, de hecho, en una verdadera “crisis de las infraestructuras”, fuertemente relacionada con la crisis financiera, económica, social y ética que nos envuelve en este momento. Todo ello, como podemos ver, tiene que ver con la durabilidad, tal y como vimos en una tesis de máster que dirigí recientemente (Esteve, 2015). Para poder hablar sobre los factores que afectan a la durabilidad, es necesario primero definir el concepto de durabilidad según la normativa y según diversos autores, así como el concepto de vida útil, final de vida útil y rendimiento. También se definen otros conceptos aparecidos en el estudio, como vulnerabilidad y mantenibilidad.

puente-romano

Cayo Julio Lacer,  y la leyenda “que durará tanto cuanto el mundo durare”, constituye la lección más importante para los ingenieros siempre que se visita el puente de Alcántara (Cáceres).

Durabilidad

 

TROMPILLO-ROLANDOLa Instrucción de Hormigón Estructural (EHE-08) define la durabilidad de una estructura de hormigón como “su capacidad para soportar, durante la vida útil para la que ha sido proyectada, las condiciones físicas y químicas a las que está expuesta, y que podrían llegar a provocar su degradación como consecuencia de efectos diferentes a las cargas y solicitaciones consideradas en el análisis estructural. Una estructura durable debe conseguirse con una estrategia capaz de considerar todos los posibles factores de degradación y actuar consecuentemente sobre cada una de las fases de proyecto, ejecución y uso de la estructura”.

En la norma ISO 15686-1 se define la durabilidad como “la capacidad de los edificios o alguna de sus partes para desenvolver el papel para el cual fueron diseñados durante un período específico bajo la influencia de determinados agentes”.

El concepto de durabilidad también puede ser entendido como la “habilidad que un edificio o componente de un edificio tiene para alcanzar el rendimiento óptimo de sus funciones en un determinado ambiente o sitio, bajo un determinado tiempo sin realizar trabajos de mantenimiento correctivo ni reparaciones” (CSA, 2001).

Algunos autores han intentado ofrecer una definición de durabilidad más completa, teniendo en cuenta los efectos actuales del cambio climático. Es el caso de Mendoza y Castro (2009), que definen la durabilidad como “la capacidad de un material de construcción, elemento o estructura de hormigón de resistir las acciones físicas, químicas, biológicas y ambientales vinculadas al efecto del cambio climático global con su entorno durante un tiempo determinado previsto desde el proyecto, manteniendo su serviceabilidad y conservando su forma original, propiedades mecánicas y condiciones de servicio”. Se entiende por “serviceabilidad” (sic) como la capacidad de un producto, componente, ensamble o construcción para desempeñar las funciones para las cuales son diseñadas y construidas (ACI, 2000).

Vida útil

La Instrucción de Hormigón Estructural (EHE-08) define la vida útil de una estructura como el “período de tiempo, a partir de la fecha en la que finaliza su ejecución, durante el que debe mantenerse el cumplimiento de las exigencias. Durante ese período requerirá una conservación normal, que no implique operaciones de rehabilitación. La vida útil nominal depende del tipo de estructura y debe ser fijada por la Propiedad previamente al inicio del proyecto”. En esta instrucción, se emplea el término “vida útil” de forma equivalente a como lo hace el Código Técnico de la Edificación cuando hace referencia al “período de servicio”.

Acueducto de los Milagros (Mérida)

Acueducto de los Milagros (Mérida)

En la norma ISO 15686-1 se define la vida útil de un edificio como “el período de tiempo después de la instalación o construcción durante el cual un edificio o sus partes cumplen o exceden los requisitos mínimos de rendimiento para lo cual fueron diseñados y construidos”.

Muchas veces el concepto de vida útil es confundido con el de durabilidad. Según Silva (2001), puede considerarse que la vida útil es la cuantificación de la durabilidad, y por tanto es cada vez más importante que se proyecte y construya teniendo en cuenta criterios de durabilidad para, de ese modo, prolongar la vida útil de las edificaciones.

Algunos autores han propuesto una definición de vida útil o vida de servicio teniendo en cuenta los efectos actuales del cambio climático. Es el caso de Mendoza y Castro (2009), que definen la vida de servicio como el “periodo de tiempo durante el cual el desempeño de un material, elemento o estructura de hormigón conserva los requerimientos de proyecto en términos de seguridad (resistencia mecánica y estabilidad, seguridad en caso de incendio, seguridad en uso), funcionalidad (higiene, salud y medio ambiente, protección contra el ruido y ahorro energético y confort térmico) y estéticos (deformaciones, agrietamientos, desconchamientos), con un mínimo de mantenimiento que permita controlar los efectos del cambio climático global en su entorno”.

Fin de la vida útil

Es difícil determinar cuándo se produce el final de la vida útil de una edificación. Según autores como Talon et al. (2004) “el final de la vida útil llega cuando los materiales o componentes de construcción, una vez instalados y construidos, usados y aplicados a una parte del inmueble, ya no responden a los requerimientos de rendimiento; y cuando por sus fallos físicos ya no es conveniente económicamente seguir con un mantenimiento correctivo para dichos componentes”.

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¿Cuál será la vida útil de nuestras modernas infraestructuras? Ciudad de las Artes y las Ciencias (Valencia). Imagen: V. Yepes

Por su parte, otros autores como Gaspar (2002) definen el final de la vida útil de una construcción como un “punto en el tiempo en el cual ésta deja de poder asegurar las actividades que en ella se desarrollan, por obsolescencia funcional, falta de rentabilidad económica o degradación física de sus componentes más determinantes”.

En definitiva, el final de la vida útil se dará cuando los requisitos esenciales dejen de cumplirse. Los requisitos esenciales establecidos en el Código Técnico de la edificación son:

  • Seguridad estructural.
  • Seguridad en caso de incendio.
  • Seguridad de utilización y accesibilidad.
  • Higiene, salud y protección del medio ambiente.
  • Protección frente al ruido.
  • Ahorro de energía.

En la siguiente gráfica, elaborada por Ferreira (2009), se muestra como el fin de la vida útil está condicionado por criterios de seguridad, funcionalidad y aspecto. La seguridad es el criterio más importante, por lo que tiene un nivel de exigencia superior a los otros dos criterios. A pesar de eso, algunas veces el fin de la vida útil puede verse condicionado sólo por criterios estéticos o funcionales, como muestra la siguiente figura:

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Degradación de las diferentes propiedades de un elemento constructivo (Ferreira, 2009)

Rendimiento

El rendimiento, según la definición de Trinius (2005), “es la capacidad del material para cumplir con sus funciones dentro del sistema edificado, y se puede medir tanto cuantitativamente como cualitativamente, dependiendo de los requerimientos de diseño y de las condiciones de la fase de uso, operación y mantenimiento del inmueble”.

Por su parte, el British Standards Institute define el rendimiento de una edificación como el comportamiento de un producto durante su utilización.

Tal como establece Mairteinsson (2005), tanto la vida útil como el rendimiento dependerán directamente de los factores de uso del material, no solamente de manera aislada, sino de manera integrada al edificio como parte de un sistema completo.

Vulnerabilidad

La vulnerabilidad, según es entendida por Monjo (2007), “es el conjunto de debilidades (procesos patológicos posibles) que presenta un elemento constructivo al quedar expuesto a las acciones exteriores previsibles durante su vida útil”. La vulnerabilidad depende de la calidad del elemento constructivo, es decir. De sus características físicas y químicas, así como de la solución constructiva empleada. Puede considerarse la inversa de la durabilidad.

Según este autor, la durabilidad de un producto de construcción debe establecerse en función del análisis de su vulnerabilidad, y dicha vulnerabilidad depende de una serie de condiciones objetivas que afectan al elemento constructivo:

  • La función constructiva del elemento en el edificio.
  • Las acciones externas que actúan sobre el elemento constructivo.
  • La calidad del producto

Mantenibilidad

La norma ISO/IEC 2382-14 define la mantenibilidad como “la habilidad de una unidad funcional, bajo unas condiciones de uso dadas, para ser mantenidas, o restauradas a un estado en el cual puedan realizar sus funciones requeridas, cuando el mantenimiento es ejecutado bajo condiciones establecidas y utilizando procedimientos y recursos prescritos”.

Por su parte, Chew y Silva (2003) expresan el término mantenibilidad como la habilidad de lograr el rendimiento óptimo a través de la vida útil del edificio con un mínimo coste de ciclo de vida.

Referencias:

ACI American Concrete Institute. (2000). Reported by ACI Committee 365 (365.1R-00), Service-Life Prediction, State-of-the-Art Report.

Chew, M. Y. L.; De Silva, N. (2003). Maintainability problems of wet areas in high-rise residential buildings. Building Research and Information, 31(1), 60-69.

CSA Canadian Standards Association. (2001). Guideline on Durability in buildings. Canadá, S478-95, 9-17.

Esteve, V.F. (2015). Estado del arte de los factores que afectan a la durabilidad de las edificaciones. Trabajo Fin de Máster. Máster en planificación y gestión de la ingeniería civil. Universitat Politècnica de València.

Ferreira, A. F. (2009). Previsão da vida útil de revestimentos de pedra natural de paredes. Instituto Superior Técnico. Lisboa: Universidad Técnica de Lisboa.

Gaspar, P. L. (2002). Metologia para o cálculo da durabilidade de rebocos exteriores correntes. Instituto Superior Técnico. Lisboa: Universidad Técnica de Lisboa.

ISO 15686:2011. (2011). ISO (Ed.), Buildings and constructed assets, service life planning.

Marteinsson, B. (2005). Service life estimation in the design of buildings; a development of the factor method. Tesis Doctoral, KTH Research School, Centre for Built Environment, University of Gävle, Suecia.

Mendoza, J. M., Castro, P. (2009). Credibility of concepts and models about service life of concrete structures in the face of the effects of the global climatic change. A critical review. Materiales de construcción, 59(276), 117-124.

Monjo, J. (2007). Durability vs Vulneravility. Informes de la construcción, 59(507), 43-58.

Silva, T. (2001). Como estimar a vida util de estruturas projetadas com critérios que visam a durabilidade. II Workshop sobre Durabilidad de las Construcciones, Sao José dos Campos, Brasil, 133-143.

Talon, A., Boissier, D., Chevalier, J. L., & Hans, J. (2004). A methodological and graphical decision tool for evaluating building component failure. CIB World Building Congress, Toronto, Canadá.

Trinius, W. (2005). Performance based building and sustainable construction. CEN Construction Sector Network Conference, Prague.

22 Febrero, 2015
 
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Durabilidad del hormigón

La durabilidad de una estructura de hormigón, según el artículo 37 de la Instrucción Española de Hormigón (EHE), es su capacidad para soportar, durante la vida útil para la que ha sido proyectada, las condiciones físicas y químicas a las que está expuesta, y que podrían llegar a provocar su degradación como consecuencia de efectos diferentes a las cargas y solicitaciones consideradas en el análisis estructural. Una estructura durable debe conseguirse con una estrategia capaz de considerar todos los posibles factores de degradación y actuar consecuentemente sobre cada una de las fases de proyecto, ejecución y uso de la estructura. Una estrategia correcta para la durabilidad debe tener en cuenta que en una estructura puede haber diferentes elementos estructurales sometidos a distintos tipos de ambiente.

La carbonatación en el hormigón armado se produce avanzando desde el exterior

Os recomiendo este link: http://www.inti.gob.ar/cirsoc/pdf/publicom/ACI_201_2R_01.pdf para que os podáis descargar la Guía de Durabilidad del Hormigón del ACI (en español). Además, os dejo un vídeo del profesor Antonio Garrido, de la Universidad Politécnica de Cartagena, destinado a que sus alumnos adquieran un conocimiento sobre los mecanismos de deterioro del hormigón y las estrategias preventivas de la EHE. Espero que os guste.

1 Mayo, 2013
 
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Universidad Politécnica de Valencia