Mes: noviembre 2018

Las fiebres tifoideas y los puentes de altura estricta de Carlos Fernández Casado

Carlos Fernández Casado (1905-1988)

No hay nada como un retiro obligado para que las mentes más brillantes reluzcan con todo su esplendor. Así, cuando en 1665 cerró la Universidad de Cambridge debido a la peste, Isaac Newton (1642-1727) tuvo que volver a casa natal de Woolsthorpe y, durante ese retiro, sentó las bases de sus teorías de cálculo y las leyes del movimiento y la gravitación. Algo similar ocurrió con uno de los ingenieros españoles más destacados y singulares del siglo XX, D. Carlos Fernández Casado. Recomiendo leer su biografía y obras a las nuevas generaciones de ingenieros, pues es todo un referente. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos con 19 años, también fue Ingeniero de Telecomunicaciones, Licenciado en Filosofía y Letras, Licenciado en Derecho a los 68 años, e incluso inició los estudios universitarios de Psicología. Con todo, su faceta humana y generosidad sobrepasan su inteligencia privilegiada y sus extraordinarios logros profesionales.

Pero la entrada de hoy tiene que ver con la relación existente entre el tiempo disponible forzado por un retiro, enfermedad o cualquier otra circunstancia, y la creación. Carlos Fernández Casado tuvo su primer destino profesional como ingeniero de caminos en Granada (1928-1932), lo que le permitió entrar en contacto con la intelectualidad de la época, cuya figura más visible fue Federico García Lorca, y con la Naturaleza en sus primeros trabajos, lo cual contribuyó a conformar su planteamiento intelectual y vital. Pues bien, al final de sus años en Granada enfermó con fiebres tifoideas, lo que le obligó a guardar cama durante varias semanas, propiciando esta situación la reflexión personal sobre lo que había hecho hasta el momento. Este hecho fue fundamental en su vida, pues significó un cambio de rumbo en su vida.

Fruto de estas reflexiones, a la temprana edad de 25 años, en 1930, Fernández Casado desarrolla la conocida “Colección de Puentes de Altura Estricta” (Manterola, 1988). El objetivo de esta colección era el diseño de puentes que pudieran salvar las luces prácticas más corrientes con la mínima pérdida de altura. Se trata de una de las mejores y más queridas obras realizadas por D. Carlos. Se refleja en esta colección la manera de concebir la ingeniería y el afán por lo estricto como planteamiento ético y estético. En una referencia recogida por su hijo, Leonardo Fernández Troyano (2007) publicada en la Revista de Obras Públicas, definía claramente esta concepción de lo estricto, concepción que ha calado en numerosas generaciones de ingenieros:

“Este sentido de lo estricto -supresión de lo accesorio de la obra definitiva y a lo largo del proceso constructivo- elimina radicalmente lo decorativo, partiendo de lo funcional llegamos directamente a lo estructural” (Fernández-Casado, 1933).

La colección destila una simplicidad absoluta de sus elementos, con el uso exclusivo del plano y la línea recta, con la única excepción de las columnas cilíndricas, que encajan a la perfección al ser también ellos elementos estrictos, pues su forma interfiere mínimamente con el flujo hidráulico.

Pero esta simplicidad se hermana directamente con el amor que procesaba a la Naturaleza. El paradigma actual de la sostenibilidad, y que también tiene mucho que ver con mi pasión por la optimización multiobjetivo de los puentes, a la que tanto esfuerzo he dedicado. Todo un adelantado a su tiempo. En sus propias palabras:

“Que se arranque lo menos posible el material de la mina, que la menor cantidad de piedra y arena se desvíen de su proceso evolutivo, que se consuma el mínimo de combustible en los transportes y se introduzcan las menos ideas nuevas en el paisaje” (Fernández-Casado,  1951).

La colección, muy ambiciosa morfológicamente, incluye pórticos sencillos (series I y II), pórticos en pi (series III y IV), puentes continuos de tres vanos (series V y VI), puentes continuos de tres vanos con articulaciones intermedias a media ladera (series VII y VIII). La sección transversal, por su parte, podía ser en losa, o en vigas T en la zona central del vano y cajones cerrados en las zonas laterales.

Los primeros tres puentes de esta colección se realizaron en Jaén, por encargo del ingeniero José Acuña y Gómez de la Torre. El primero fue el de Santo Tomé, el segundo el del río Onsares, y el tercero, el del río Guadalimar, construidos el primero en 1934 y los dos últimos, un año más tarde (Burgos et al., 2012). Se construyeron más de 50 puentes de la colección, tanto por Fernández Casado como por otros ingenieros. Como dice Javier Manterola en un artículo publicado a los pocos meses del fallecimiento de D. Carlos, (justo en el año en el que esto escribe terminó su carrera de Ingeniero de Caminos): “estos puentes son historia y en ellos nos reconocemos los que nos dedicamos a este quehacer” (Manterola, 1988).

Puente en Santo Tomé sobre el río de La Vega. Vista del puente en construcción. http://www.cehopu.cedex.es/cfc/pict/I-FC001-003.htm

Referencias:

 

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Proceso Analítico Jerárquico (Analytic Hierarchy Process, AHP)

Figura 1. Thomas L. Saaty (1926-2017)

En numerosas ocasiones contamos con muy poca información o tenemos que tomar una decisión teniendo en cuenta aspectos cualitativos que son difíciles de valorar. Para solucionar este tipo de problemas, muy habituales en situaciones reales, el profesor Thomas L. Saaty propuso en la década de los 70 un método denominado Analytic Hierarchy Process (AHP), que se ha traducido al español como Proceso Analítico Jerárquico. Este método multiatributo, nacido como respuesta a problemas concretos de toma de decisiones en el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, hoy día se aplica habitualmente a casi todos los ámbitos de la empresa, la economía o la investigación de operaciones, entre otros muchos.

En apretada síntesis, AHP es un método que selecciona alternativas en función de una serie de criterios o variables, normalmente jerarquizados, los cuales suelen entrar en conflicto. En esta estructura jerárquica, el objetivo final se encuentra en el nivel más elevado, y los criterios y subcriterios en los niveles inferiores, tal y como se muestra en la Figura 2. Para que el método sea eficaz, es fundamental elegir bien los criterios y subcriterios, los cuales deben estar muy bien definidos, ser relevantes y mutuamente excluyentes (independencia entre ellos). Es importante  que el número de criterios y subcriterios en cada nivel no sea superior a 7, para evitar excesivas comparaciones a pares.

Figura 2. Ejemplo de estructura jerárquica AHP

Una vez definida la estructura jerárquica, se comparan los criterios de cada grupo del mismo nivel jerárquico y la comparación directa por pares de las alternativas respecto a los criterios del nivel inferior. Para ello se utilizan matrices de comparación pareadas usando una Escala Fundamental (Tabla 1). Esta es la clave del método, usar una escala de comparación por pares, puesto que el cerebro humano está especialmente bien diseñado para comparar dos criterios o alternativas entre sí, pero menos cuando tiene que hacer comparaciones conjuntas. En efecto, la Ley de Weber-Fechner establece que el menor cambio discernible en la magnitud de un estímulo es proporcional a la magnitud de dicho estímulo. Como la relación entre el estímulo y la percepción corresponde a una escala logarítmica, si un estímulo crece en progresión geométrica, la percepción evolucionará como una progresión aritmética. Es por ello que AHP utiliza una escala fundamental del 1 al 9 que ha sido satisfactoria en comprobaciones empíricas realizadas en situaciones reales muy diversas.

Tabla 1. Escala fundamental de comparación por pares (Saaty, 1980)

La comparación de las diferentes alternativas respecto al criterio del nivel inferior de la estructura jerárquica, como la comparación de los diferentes criterios de un mismo nivel jerárquico dan lugar a una matriz  cuadrada denominada matriz de decisión. Esta matriz cumple con las propiedades de reciprocidad (si aij=x, entonces aji=1/x), homogeneidad (si i y j son igualmente importantes, aij=aji=1, y además, aii= 1 para todo i), y consistencia (la matriz no debe contener contradicciones en la valoración realizada). La consistencia se obtiene mediante el índice de consistencia (Consistency Index, CI) donde λmax es el máximo autovalor y n es la dimensión de la matriz de decisión. Un índice de consistencia igual a cero significa que la consistencia es completa. Una vez obtenido CI, se obtiene la proporción de consistencia (Consistency Ratio, CR) siendo aceptado siempre que no supere los valores indicados en la Tabla 3. Si en una matriz se supera el CR máximo, hay que revisar las ponderaciones.

Donde RI es el índice aleatorio, que indica la consistencia de una matriz aleatoria (Tabla 2):

Tabla 2. Índice aleatorio RI

 

Tabla 3. Porcentajes máximos del ratio de consistencia CR

Una vez verificada la consistencia, se obtienen los pesos, que representan la importancia relativa de cada criterio o las prioridades de las diferentes alternativas respecto a un determinado criterio. Para ello, el AHP original utiliza el método de los autovalores, donde hay que resolver la siguiente ecuación:

donde A representa la matriz de comparación, w el autovector o vector de preferencia, y λmax el autovalor.

A continuación os dejo algunos vídeos de interés donde se explica el método AHP y sus aplicaciones. Espero que os sean de utilidad.

Referencias:

Saaty, T.L. (1980). The Analytic Hierarchy Process: Planning, Priority Setting, Resource Allocation, McGraw-Hill.

 

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Clasificación de los métodos de toma de decisión multicriterio multiatributo

Figura. Clasificación general de los MCDM

Seguimos en este entrada explicando los conceptos básicos que subyacen a a toma de decisión multicriterio. El concepto de toma de decisiones multi-criterio (MCDM) abarcaba en sus inicios al conjunto de métodos que servían como herramienta para el proceso de toma de decisiones (Cinelli et al., 2014). Sin embargo, el desarrollo de estos métodos ha sido exponencial, de forma que es necesario algún tipo de clasificación para entender mejor el funcionamiento de cada técnica.

Hwang and Yoon (1981) propusieron dividir los métodos MCDM en métodos de toma de decisión multi-atributo (Multi-attribute decision-making, MADM) y métodos de toma de decisión multi-objetivo (Multiobjective decision-making, MODM). En la Figura se puede ver esta clasificación general de los métodos. Los métodos MADM se utilizan para resolver problemas discretos: las alternativas están predeterminadas y los expertos valoran “a priori” cada criterio e indicando la importancia de cada uno de ellos. Los métodos MODM se utilizan para resolver problemas continuos: las alternativas no están predeterminadas, pues son grupos de soluciones igualmente buenas bajo una serie de restricciones, participando los expertos “a posteriori”.

Los métodos MADM, a su vez, se pueden subdividir en función del tipo de información inicial (determinista, estocástica o incierta), o dependiendo de los grupos de decisores (un único grupo o varios grupos). Sin embargo, la clasificación más habitual es la propuesta por Hajkwociz y Collins (2007) y De Brito y Evers (2016) en los siguientes métodos:

  • Los métodos de puntuación directa (scoring methods) son los más simples, basados en evaluar las diferentes alternativas mediante operaciones aritméticas básicas. SAW y COPRAS evalúan las alternativas sumando el valor normalizado de cada criterio por su peso correspondiente. SAW es más antiguo y permite realizar este proceso únicamente cuando se desea maximizar un criterio. COPRAS constituye una evolución de SAW y se aplica tanto para criterios que se desean maximizar como minimizar.
  • Los métodos basados en la distancia (distance-based methods) calculan la distancia entre cada alternativa y un punto concreto. El método GP pretende obtener la alternativa que satisfaga un conjunto de metas, es decir, el punto no es el óptimo, sino aquel que cumpla una serie de condiciones. El método CP trata de obtener aquella alternativa más próxima al hipotético punto óptimo. Los métodos VIKOR y TOPSIS se basan en CP, diferenciándose en la normalización de los criterios. VIKOR tiene en cuenta la distancia a la solución ideal y TOPSIS considera tanto la distancia tanto a la solución ideal como a la solución no ideal.
  • Los métodos de comparación por pares (pairwise comparision methods) son muy útiles para obtener los pesos de los diferentes criterios y evaluar criterios subjetivos comparando las alternativas entre sí. El método AHP fue el primero en desarrollarse y es uno de los métodos más usados en la toma decisiones. ANP es una evolución del AHP que permite usar criterios dependientes entre sí. MACBETH es una alternativa similar al AHP en cuanto a forma, pero con algunas diferencias en cuanto a conceptos.
  • Los métodos de superación (outranking methods) establecen una relación de preferencia entre un conjunto de soluciones donde cada una de ellas muestra un grado de dominación sobre las otras respecto a un criterio. Estos métodos son capaces de tratar con información incompleta y difusa, y permite clasificar las alternativas en función de la relación de preferencia existente entre ellas. Dentro de este grupo se encuentran PROMETHEE y ELECTRE.
  • Los métodos basados en funciones de utilidad o valor (utility/value methods) como MAUT (utilidad) y MAVT (valor), definen funciones que determinan el grado de satisfacción de una alternativa respecto a un criterio. Estas funciones convierten las valoraciones de las alternativas en un grado de satisfacción para cada criterio. Dichas funciones presentan diferentes formas en función de la relación entre la valoración y el grado de satisfacción. MIVES es un derivado de los anteriores en el cual se proporciona las ecuaciones que definen las diferentes funciones de satisfacción.

 

Tabla. Clasificación de los métodos MADM (Penadés-Plà et al., 2016)

A pesar de todo lo anterior, la vida real es compleja. Siempre existe una incertidumbre en las valoraciones o en las comparaciones. Es por ello que muchos de estos métodos utilizan herramientas como la teoría fuzzy, el método de Montecarlo o los números Grey. Además, cuando la toma de decisiones no es individual, suelen existir diferentes grupos con diferentes intereses, con lo que es necesario llegar a un consenso entre ellos. El método Delphi es una herramienta útil para cuando hay diferentes decisores.

Referencias:

Cinelli, M.; Coles, M.; Kirwan, K. Analysis of the potentials of multi criteria decision analysis methods to conduct sustainability assessment. Ecol. Indic. 2014, 46, 138–148.

De Brito, M. M.; Evers, M. Multi-criteria decision-making for flood risk management: A survey of the current state of the art. Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 2016, 16, 1019–1033.

García-Segura, T.; Penadés-Plà, V.; Yepes, V. (2018). Sustainable bridge design by metamodel-assisted multi-objective optimization and decision-making under uncertainty. Journal of Cleaner Production, 202: 904-915.

Hajkowicz, S.; Collins, K. A review of multiple criteria analysis for water resource planning and management. Water Resour. Manag. 2007, 21, 1553–1566.

Hwang, C. L.; Yoon, K. Multiple attribute decision making: Methods and Applications; 1981.

Penadés-Plà, V.; García-Segura, T.; Martí, J.V.; Yepes, V. (2016). A review of multi-criteria decision making methods applied to the sustainable bridge design. Sustainability, 8(12):1295.

Zamarrón-Mieza, I.; Yepes, V.; Moreno-Jiménez, J.M. (2017). A systematic review of application of multi-criteria decision analysis for aging-dam management. Journal of Cleaner Production, 147:217-230.

 

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Declaraciones ambientales de productos prefabricados de hormigón

En una entrada anterior repasábamos algunos instrumentos y directrices para el desarrollo sostenible en la construcción. Aquí voy a recoger dos artículos firmados por Alejandro López Vidal, que es el Director Técnico de ANDECE y Secretario Técnico del Subcomité AENOR AEN/CTN 198/sc1 Edificación Sostenible, donde se explica en detalle qué son y para qué sirven las declaraciones ambientales de los productos prefabricados de hormigón. Espero que os sean de interés.

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Directrices para el desarrollo sostenible en la construcción

En esta entrada vamos a repasar algunos de los instrumentos y directrices que, fundamentalmente desde la Unión Europea, se han establecido para favorecer el desarrollo sostenible dentro del sector de la construcción. En particular, vamos a repasar brevemente el Reglamento de Producto de la Construcción, el Etiquetado Ecológico, las Declaraciones Ambientales de Producto, las Reglas de Categoría de Producto, el Análisis de Ciclo de Vida, etc.

El Parlamento Europeo publicó, en marzo del 2011, el Reglamento de Producto de la Construcción (CPR) (205/2011). Este reglamento establece las condiciones armonizadas para toda la Unión Europea en lo relativo a la comercialización de productos de la construcción, derogando así a la Directiva 89/106/CEE. Entró en vigor el 1 de julio de 2013 y supuso una serie de cambios en los diferentes aspectos y tareas a realizar por los fabricantes, y en su caso los distribuidores o importadores, de productos de la construcción para la colocación del marcado CE en sus productos, en particular en la documentación a elaborar (Parlamento Europeo & Consejo de la Unión Europea, 2011).

El Etiquetado Ecológico, por su parte, trata de promover los productos o servicios que presenten un menor impacto ambiental que otros de su misma categoría cuando se considera durante todo su ciclo de vida. Las ecoetiquetas se normalizaron con la serie ISO 14020. De acuerdo a los estándares, las ecoetiquetas y las declaraciones se clasifican en tres tipos (Baldo et al., 2013):

  • Ecoetiquetas tipo I: Se trata de un sistema voluntario de calificación ambiental que identifica y certifica de manera oficial que ciertos productos o servicios tienen una afectación menor sobre el medio ambiente, teniendo en cuenta todo su ciclo de vida y que cumplen estrictos criterios ambientales previamente establecidos. Este tipo de ecoetiquetas cumple con los requisitos de la norma ISO 14024 (AENOR, 2000).
  • Ecoetiquetas tipo II: Se trata de las autodeclaraciones ambientales de producto, avalada por el mismo fabricante, referida a una fase del ciclo de vida o a un aspecto concreto del producto. Cumple con los requisitos de la norma ISO 14021 (AENOR, 2016) y ofrece una orientación en términos de carácter ambiental.
  • Declaraciones ambientales tipo III (DAP): Constituyen un inventario de datos ambientales cuantificados de un producto con unas categorías prefijadas de parámetros, basados en la serie de normas ISO 14004, referentes al análisis del ciclo de vida. Se trata de información ambiental cuantitativa comprensible según diferentes estándares. La verificación la realiza una tercera parte independiente. Cumple con los requisitos de la norma ISO 14025 (AENOR, 2010). A diferencia de las ecoetiquetas tipo I no define unos criterios sobre la preferencia ambiental de los productos ni establece unos criterios mínimos por cumplir.

Ha sido la norma ISO 15804 (AENOR, 2014) la que ha permitido definir los alcances de las Reglas de Categoría de Producto (RCP) para los productos y servicios de la construcción. Ello ha facilitado a sectores como el cerámico, el del yeso y sus derivados y el metálico, que hayan realizado sus propias DAP certificadas por algún administrador europeo como EPD y EnvironDec o española como AENOR GlobalEPD y DAPc (Codificación OpenDAP, 2014). También las constructoras han desarrollado una DAP para procesos constructivos, como es el caso de Acciona (Acciona Infraestructuras, 2013). Otras RCPs de gran interés son las recientemente aprobadas del hormigón y elementos de hormigón, donde la Asociación Nacional de la Industria del Prefabricado de Hormigón (ANDECE) ha tenido un papel relevante (López-Vidal y Yepes, 2015; López-Vidal, 2016). Hace un año puso en marcha uno de los proyectos más ambiciosos ejecutados hasta la fecha: el desarrollo de 6 DAP sectoriales, cada una referida a algunas de las principales categorías de productos: estructuras, forjados, fachadas, canalizaciones, elementos ligeros huecos y pavimentos, cuyas ADAP resumidas se encuentran disponibles en su página web.

Las herramientas anteriores se han basado en el Análisis del Ciclo de vida (ACV). Sin embargo, también existen otras herramientas con alta capacidad de contribución a la sostenibilidad, no solo en el sector de la construcción (Eusko Jaurlaritza, 2009):

  • Huella de carbono: Equivale a la totalidad de GEI emitidos por efecto directo o indirecto de un individuo, organización, evento o producto. Su impacto ambiental se mide en masa de CO₂ equivalente y sigue normativas internacionales reconocidas como ISO 14046-1, PAS2050 o GHG Protocol.
  • Huella hídrica: Se define como el volumen total de agua dulce que se utiliza para producir bienes y servicios de un individuo, de una comunidad o de una empresa.
  • Huella social: Se entiende como la marca reconocible y medible que un individuo, comunidad o empresa deja en la sociedad por razón de sus operaciones.

Deberíamos recordar también otras herramientas como las certificaciones ambientales de edificios e infraestructuras, de aplicación voluntaria, pensadas para identificar su calidad ambiental a través de una etiqueta y acompañar su proceso de diseño. Algunas presentan una amplia expansión en el ámbito internacional, como la certificación LEED, la inglesa BREEAM o GBTOOL, que surgieron en los años 90. Posteriormente, han nacido otras certificaciones, como la italiana ITACA y la española VERDE.

Por último, remarcar uno de los campos de vital importancia en el sector de la construcción, y que también deja su huella en la sostenibilidad del sector. Se trata del Building Information Modeling (BIM) que se trata de una metodología de trabajo colaborativa para la gestión de proyectos de edificación u obra civil a través de una maqueta digital (Olawumi et al., 2018). En la Figura que sigue se presentan las dimensiones BIM. La sexta dimensión presenta criterios de sostenibilidad ligados a las certificaciones ambientales, el análisis del ciclo de vida y las diferentes huellas ecológicas (Yung y Wang, 2014) y el control de costes, que es la 5ª dimensión, tiene características parecidas a las contempladas en el coste del ciclo de vida. De acuerdo a (Comite Técnico Bim España, 2011) la implantación a nivel europeo y nacional, el BIM va a pasar a formar parte de manera obligatoria en la normativa de contratación y licitación pública, según lo propuesto a través de la Directiva 2014/24/UE. Por lo que se puede considerar que será uno de los factores que favorecerá el desarrollo sostenible de la construcción gracias a esa sexta dimensión.

Figura. Dimensiones BIM (Comité Técnico BIM España, 2011)

A continuación os dejo un vídeo de la empresa Autodesk (en inglés) denominado “Life Cycle Assessment as part of Strategic Sustainability for Product Design”. Espero que os sea útil.

Referencias:

  • AENOR (2000). ISO 14024:1999. Etiquetado ecológico Tipo I. Principios y procedimientos.
  • AENOR (2010). ISO 14025:2006. Declaraciones ambientales tipo III. Principios y procedimientos.
  • AENOR (2014). UNE-EN 15804:2012+A1:2014. Sostenibilidad en la construcción. Declaraciones ambientales de producto.
  • AENOR (2016). ISO 14021:2016. Afirmaciones ambientales autodeclaradas (Etiquetado ambiental tipo II).
  • Baldo, G. L.; Cesarei, G.; Minestrini, S.; Sordi, L. (2013). The EU Ecolabel scheme and its application to construction and building materials. Eco-Efficient Construction and Building Materials: Life Cycle Assessment (LCA), Eco-Labelling and Case Studies. https://doi.org/10.1533/9780857097729.1.98
  • Codificación OpenDAP. (2014). OpenDAP. Retrieved from http://www.opendap.es/acvnormativa
  • Comite Técnico Bim España. (2011). Dimensiones Bim. Retrieved from www.esbim.es
  • Eusko Jaurlaritza, G. V. (2009). Análisis de ciclo de vida, huella de carbono, huella hídrica y huella social. Ihobe.
  • López-Vidal, A. (2016). Economía circular en los prefabricados de hormigón: hacia el objetivo “cero residuos”. Cemento Hormigón, pp. 74–78.
  • López-Vidal, A.; Yepes, V. (2015). Hacia la sostenibilidad en la obra civil con soluciones prefabricadas de hormigón. Una primera aproximación. PHi Planta de Hormigón Internacional, 5:18-24.
  • Olawumi, T. O., Chan, D. W. M., Wong, J. K. W., & Chan, A. P. C. (2018). Barriers to the Integration of BIM and Sustainability Practices in Construction Projects: A Delphi Survey of International Experts. Journal of Building Engineering, 20(January), 60–71. https://doi.org/doi.org/10.1016/j.jobe.2018.06.017
  • Parlamento Europeo, Consejo de la Unión Europea. (2011). Reglamento (UE) No 305/2011 del Parlamento Europeo y del Consejo por el que se establecen condiciones armonizadas para la comercialización de productos de construcción y se deroga la Directiva 89/106/CEE del Consejo. Doue (Vol. 4.4.2011).
  • Yung, P., & Wang, X. (2014). A 6D CAD model for the automatic assessment of building sustainability. International Journal of Advanced Robotic Systems, 11(1), 1–8. https://doi.org/10.5772/58446

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Técnicas de decisión multicriterio para la educación de ingenieros en sostenibilidad

ABSTRACT

In recent times, a great deal of interest has emerged from different sectors of society towards sustainability and sustainable product design. Decision makers are increasingly encouraged to take into consideration the economic, environmental and social dimensions of reality when dealing with problems. Sustainability is of particular importance in the field of civil engineering, where structures are designed that are long lasting and shall cause significant impacts over a long period of time, such as bridges or dams. Consequently, when addressing a structural design, civil engineers shall account for the three dimensions of sustainability, which usually show conflicting perspectives. Multi-criteria methods allow the inclusion of non-monetary aspects into the design process of infrastructure. In the postgraduate course ‘Predictive and optimisation models for concrete structures’, offered at the Masters in Concrete Engineering of the Universitat Politècnica de València, civil engineering students are taught how to apply such tools within the framework of sustainable design of concrete structures. The present paper conducts a state-of-the-art review of the main multi-criteria decision making methodologies taught in the course in the context of sustainability. Articles are searched in recognized databases, such as SCOPUS and Web of Science. The most significant methods, such as Analytical Hierarchy Process (AHP), Elimination and Choice Expressing Reality (ELECTRE), Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution (TOPSIS) or Complex Proportional Assessment (COPRAS) are systematically discussed, identifying the actual trends concerning the use of such methodologies in the field of civil engineering. The review provides a deep insight in the multi criteria techniques that are most frequently used when assessing sustainability of infrastructure designs.

KEYWORDS

Postgraduate education; multi-criteria decision making; sustainability; structural design; state of the art review

REFERENCE

NAVARRO, I.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2018). Multi-criteria decision making techniques in civil engineering education for sustainability. Proceedings of ICERI2018,the 11th annual International Conference of Education, Research and Innovation, Seville (Spain), 12th-14th November 2018, pp. 9798-9807.  ISBN: 978-84-09-05948-5

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Las heurísticas en la educación en ingeniería. Aplicación a los sistemas de gestión sostenible de puentes

ABSTRACT

This paper deals with the postgraduate course ‘Predictive and optimisation models for concrete structures’, offered at the Masters in Concrete Engineering of the Universitat Politècnica de València. Within this course, engineering students are introduced into different optimization algorithms, such as simulated annealing, neural networks, genetic algorithms, etc. of application in the automated design of concrete structures of any type. In recent times, such heuristic methods have turned out to be of great interest in the resolution of complex and actual engineering problems, such as the sustainable design and management of structures. This communication presents a case study where the ongoing research of the teaching body is applied so as to find the most sustainable management strategy for a particular bridge system consisting of 7 bridges whose lengths vary between 380 m and 1980 m. The optimization problem here aims to minimize both the economic and environmental life cycle impacts derived from the maintenance of the concrete decks of a bridge network by selecting the adequate maintenance intervals for every deck considering annual budgetary restrictions. A multi-objective simulated annealing algorithm is applied to find the set of Pareto optimal solutions for the presented engineering problem. The environmentally preferable maintenance strategy results in life cycle costs 4.9% greater than those related to the cost-optimal strategy, which in turn results in environmental impacts 5.6% greater than those from the environmentally optimized management option. Results are then compared to the optimal strategies considering a single bridge deck, showing that the optimality at the bridge level does not necessarily lead to a sustainable optimum at the network level. From this it follows that, when optimizing maintenance under budgetary restrictions, the network shall be analysed as a whole, and not as an aggregation of optimal strategies for each individual bridge. The case study presented here shows in a nutshell the close connection between the course curricula of the MSc course and the ongoing research of the teaching and research group.

KEYWORDS

Postgraduate education; applied research; heuristic algorithms; sustainable thinking; bridge management system

REFERENCE

NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2018). Heuristics in engineering education. A case study application to sustainable bridge management systems. Proceedings of ICERI2018,the 11th annual International Conference of Education, Research and Innovation, Seville (Spain), 12th-14th November 2018, pp. 9788-9797.  ISBN: 978-84-09-05948-5

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El puente de San Miguel, en Jaca, hace 75 años que fue declarado Monumento Nacional

Figura 1. Arco apuntado del puente de San Miguel (Jaca). http://www.aspejacetania.com/lugares.php?Id=89

Siempre que tenemos un aniversario de algún evento relacionado con la ingeniería civil, aprovecho la oportunidad para escribir una pequeña entrada en mi cuaderno de bitácora. Ese es el caso del puente de San Miguel (Jaca), que en 1943, ahora hace 75 años, se declaró Monumento Nacional y actualmente es Bien de Interés Cultural.

Sobre el río Aragón, en el camino antiguo a que une Jaca con Ainsa, se encuentra un puente de perfil alomado, muy pronunciado (Figura 1), que delata su origen medieval. Era una época donde, a lo que se refiere a puentes, eran las ciudades quienes decidían la necesidad de su construcción. Aunque la fecha de su construcción no se conoce con exactitud, es muy probable que se erigiera en el siglo XV, aunque fue restaurado en 1608 y en 1816, debido a los daños de las habituales avenidas del río Aragón. En la década de 1950, el puente fue restaurado por el arquitecto Miguel Fisac, aunque la última ya se realizó en los años 2002 y 2003.

El puente facilitó durante siglos la comunicación entre Jaca y los valles occidentales del Pirineo aragonés, perteneciendo al ramal del Camino de Santiago que penetra en España por el puerto oscense de Canfranc.

Figura 2. Puente de San Miguel (Jaca). En rouge [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], from Wikimedia Commons

La obra consiste en tres bóvedas de sillería, de las cuales dos son de cañón, con una luz libre de 9,4 m, y la tercera apuntada, con una luz libre de 21,6 m. Los arcos más pequeños funcionan como aliviaderos en caso de avenidas. El resto de la fábrica es de mampostería, reforzada a base de sillería en los tajamares triangulares, rematados con un sombrerete escalonado. Se aprecian materiales usados en diferentes épocas; así los tímpanos presentan huellas de las diferentes rasantes superpuestas , y que al corresponder a fábricas de distintos momentos históricos se han separado abriendo importantes juntas entre ellas. Se trata de un puente asimétrico, de 97,5 m de longitud, con espesores de pilas de  5,0 m y 3,2 m y una altura máxima de la rasante de 18,6 m. El tablero, que apenas presenta una anchura de 4,0 m, se encuentra empedrado con cantos rodados rejuntados con mortero de cemento.

Os dejo algunos vídeos sobre el puente. Espero que os gusten.

 

 

 

 

Introducción a la toma de decisiones

Figura 1. De Lou Sander – Trabajo propio, Dominio público, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8040446

Con esta entrada voy a iniciar una serie relacionada con la toma de decisiones. Todos tomamos decisiones a cada momento. Qué hago este fin de semana, si voy a ir al gimnasio dos o tres veces a la semana, a qué hora pongo el despertador, etc. Pues este tipo de decisiones no solo son individuales, sino que las empresas, los políticos o cualquier tipo de organización la deben tomar a cada momento. En la Figura 1 tenemos un ejemplo habitual: seleccionar un líder entre tres candidatos, tomando como criterios, por ejemplo, la edad, la experiencia, la educación o el carisma. Y muchas influyen significativamente en nuestra calidad de vida, en nuestras finanzas o en nuestro futuro. Es por esto, que la toma de decisiones se ha convertido en un proceso de gran importancia al que hay que prestar atención cuando se va a realizar la elección de una solución o alternativa.

Por cierto, si alguno está interesado en este tema y quiere participar en un número especial de la revista “Mathematics” sobre “Optimization for Decision Making” que estoy coordinando junto con el profesor José María Moreno, podéis acudir al siguiente enlace: http://victoryepes.blogs.upv.es/2018/10/11/special-issue-optimization-for-decision-making/?fbclid=IwAR3im1Wk2al8T6Rxstl6yWjOIaZvRtOpyIlQiYlT-Mr6ykF3QAXR5hVNbSI

Gran parte de las decisiones que tomamos en la vida diaria la realizamos intuitivamente. Sin embargo, cuando se presenta un problema de mayor importancia y se quiere convertir la toma de decisiones en un problema racional aparece el proceso de toma de decisiones (Figura 2), el cual está comprendido por 5 fases: (1) definición del problema, (2) identificación de las alternativas, (3) determinación de los criterios, (4) evaluación de las alternativas, y (5) elección de una opción.

Figura 2. Proceso de toma de decisiones

Cuando la toma de una decisión depende de únicamente un único criterio, la solución óptima es aquella que optimiza dicho criterio. Este tipo de problema ofrece una visión parcial de la realidad, pues normalmente en la solución a un problema influyen numerosos aspectos que pueden ser contradictorios y entrar en conflicto entre sí. Aquí es donde entran en escena los problemas de decisión que tienen en cuenta dos o más criterios.

La toma de decisiones multicriterio constituye el proceso o acción que se utiliza para resolver un problema cuando son diferentes los criterios que deben considerarse. Por lo tanto, su objetivo principal es la evaluación de una serie de soluciones o alternativas Aj (i=1,2,…,n) a un problema basadas en las puntuaciones rij en relación a una serie de criterios Ci (j=1,2,…,m). La interacción entre los dos conjuntos de elementos se suele expresar como la matriz de toma de decisiones Mmn:

Figura 3. Matriz de toma de decisión

Las puntuaciones rij varían dependiendo de si el criterio evaluado es cuantitativo o cualitativo. Los criterios cuantitativos son criterios objetivos que se evalúan numéricamente, pero al tratar de realizar el mismo tipo de evaluación frente a criterios subjetivos, como son los cualitativos, la confusión aflora y se vuelve difícil asignar un valor numérico a un criterio cualitativo. Teniendo presente lo dicho, es más sencillo crear una escala de evaluación mediante términos lingüísticos que posteriormente sean asociados a valores numéricos. Un ejemplo será la utilización del Proceso Analítico Jerárquico (AHP), del cual hablaremos en su momento.

Por tanto, los criterios a evaluar pueden ser cuantitativos y cualitativos, y además dentro de cada grupo las unidades de medida pueden ser diferentes. Es por esto, que es necesario normalizar la matriz de toma de decisiones antes de evaluar las alternativas, de forma que las puntuaciones rij se conviertan en puntuaciones r’ij normalizadas. Paralelamente a la normalización de la matriz de toma de decisiones se deben obtener los pesos wi de cada criterio Ci en función de su importancia en la obtención de la meta final. Por lo tanto, la matriz de decisiones previa a la evaluación, se convierte en una matriz donde las puntuaciones rij se convierten en puntuaciones normalizadas con pesos asociados vij:

Los pesos asociados a cada criterio expresan la importancia relativa de cada uno de estos criterios, que sirven para alcanzar la valoración final de cada alternativa. La asignación de los pesos a cada criterio es un punto muy importante en la toma de decisiones, pues una pequeña variación de los mismos puede provocar que en un mismo problema, la solución final se decante por una u otra alternativa. Existe una gran variedad de métodos de asignación de pesos, que pueden considerarse objetivos o subjetivos. Pero eso lo dejamos para una entrada posterior.

 

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La revolución de la digitalización en la ingeniería civil

En una entrada anterior que denominé “La ingeniería de caminos en el siglo XXI, ¿quo vadis?“, puse de manifiesto la incertidumbre que suponía la desaparición de la titulación de ingeniero de caminos, canales y puertos con motivo de la reestructuración de las enseñanzas universitarias en grado y máster. Las preguntas que dejaban en el aire adquirían un tinte dramático cuando se contextualizaban en una situación de profunda crisis económica, especialmente fuerte en el sector de la construcción.

Otra reflexión sobre el futuro de la profesión la dejé en la entrada “¿Qué entendemos por “Smart Construction”? ¿Una nueva moda?“. Allí dejé constancia de las modas que igual que aparecen, desaparecen, pero que suponen cambios sustanciales en una profesión como la de ingeniero civil. Allí expresé mi esperanza de que el término de “construcción inteligente” tuviera algo más de recorrido y pudiera suponer un punto de inflexión en nuestro sector. Este término presenta, como no podía ser de otra forma, numerosas interpretaciones y tantas más aplicaciones. Es un concepto que se asocia al diseño digital, a las tecnologías de la información y de la comunicación, la inteligencia artificial, al BIM, al Lean Construction, la prefabricación, los drones, la robotización y automatización, a la innovación y a la sostenibilidad, entre otros muchos conceptos. Entre estos conceptos, uno que me interesa especialmente es la asociación con el de los nuevos métodos constructivos (término que incluye nuevos productos y nuevos procedimientos constructivos). Su objetivo es mejorar la eficiencia del negocio, la calidad, la satisfacción del cliente, el desempeño medioambiental, la sostenibilidad y la previsibilidad de los plazos de entrega. Por lo tanto, los métodos modernos de construcción son algo más que un enfoque particular en el producto. Involucran a la gente a buscar mejoras, a través de mejores procesos, en la entrega y ejecución de la construcción.

Al hilo de estas reflexiones, me ha gustado especialmente el vídeo ganador del concurso de la Asociación de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, ingeniería en 200 segundos, que presenta Juan Antonio Martínez Ortega, y que trata del impacto de la digitalización en la ingeniería civil. Atento al “diablillo de Laplace“. ¡Enhorabuena para Juan Antonio!