Optimización aplicada a la gestión sostenible del mantenimiento de las carreteras

Una vez cerrado el Simposio Digital GeoRoads19, “La pasión por las carreteras”, que se llevó a cabo en Internet, los días 11 y 12 de abril de 2019, es hora de cumplir con la promesa realizada. Os paso tanto el vídeo de la comunicación como el texto escrito.

También os paso algunos datos que me ha proporcionado la organización de este evento. Se superó la marca de 9 millones de impactos de la etiqueta del evento #GeoRoads19. Me cuentan que, con 851 inscritos, ahora tenemos el nuevo récord mundial para eventos transmitidos en streaming HD por ITAFEC. También, 1.100 cuentas de IP visualizaron el evento en vivo desde 18 países, a través de itafec.com, y eso si no contamos a las personas que estuvieron reunidas en salones y auditorios de las universidades para ver el evento en pantalla grande. Alcanzamos más de 313 mil usuarios de Twitter durante el evento y, por si fuera poco, se escribieron 1.370 tuits desde 181 cuentas diferentes. Estos números son realmente impresionantes.

Sin más, os dejo la presentación y la comunicación escrita. Espero que os sea de interés.

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¿Por qué es tan difícil asignar recursos a la conservación de las carreteras?

Figura 1. Conservación de carretera Guayaquil-Santa Elena.

En muchos foros se repite, a modo de mantra, que la falta de conservación de nuestras carreteras (y calles, en el caso de las ciudades) se debe fundamentalmente a un problema de orden económico. Por algún u otro motivo (crisis económica, dificultad en aprobar presupuestos, falta de voluntad política, etc.), la falta aparente de recursos obliga a realizar una conservación correctiva o reactiva de las carreteras que, como ya se justificó en un artículo anterior, provoca estados sub-óptimos en la infraestructura y tiene como consecuencia el incremento del riesgo de accidentes, la reducción de la velocidad de los vehículos, las restricciones de paso y la elección por los usuarios de itinerarios alternativos con mayor tiempo de recorrido. Conviene insistir en este punto, una conservación deficiente genera mayores costes a los usuarios relacionados con el valor del tiempo de viaje, con el vehículo y con los accidentes de tráfico. La justificación económica de las restricciones presupuestarias queda en entredicho cuando se consideran los costes totales del transporte.

Sin embargo, en nuestro grupo de investigación hemos desarrollado modelos que, incluso en el caso de disponer presupuestos restrictivos, pueden maximizar el estado o condición, no de una carretera, sino de una red completa, considerando, además, distintas funciones objetivo (costes económicos, sociales y medioambientales). Pero para entender mejor el problema, expongo a continuación la dificultad intrínseca de este tipo de problemas y justificaré las razones por las que muchos gestores del mantenimiento de carreteras toman decisiones que se alejan de ser óptimas.

La clave para entender la magnitud del problema radica en la dificultad que tienen los gestores de la red de carreteras en la toma de decisiones debido a la explosión combinatoria de las soluciones posibles cuando se tienen en cuenta distintos tipos de tratamientos de preservación, mantenimiento y rehabilitación (P+M+R) y los periodos de aplicación. Dicho de otra forma, en una red de carreteras se trata de decidir en qué tramo de la red se aplica un tratamiento de los múltiples posibles y cuándo se debe realizar. Las decisiones tomadas conforman el programa de conservación de la red de carreteras.

En la Figura 2 se representan las variables fundamentales que conforman el problema. En una red de carreteras tenemos N activos (tramos considerados), S posibles tratamientos cada uno de los cuales se aplicará en el instante t en los T años considerados en el programa de conservación.

Figura 2. Programa de conservación (Torres-Machí, 2015)

El programa de conservación resultante de las decisiones tomadas para un horizonte de T años nos dirá para cada uno de los años dónde actuar y qué tipo de tratamiento se deberá realizar. En la Figura 3 queda representada un posible programa fruto de las decisiones tomadas.

Figura 3. Ejemplo de programa de conservación (Torres-Machí, 2015)

Lo difícil de este problema, como hemos dicho anteriormente, es acertar con el mejor programa de conservación. No hay más remedio que aplicar técnicas de optimización para resolver el problema si los presupuestos son escasos. Caben dos enfoques, el secuencial y el holístico. El primero se centra en un activo (tramo de carretera, calle en una ciudad) y se decide qué tratamientos y cuándo se van a aplicar. En este caso el problema tiene N·S^T soluciones. En cambio, el enfoque holístico considera toda la red: se trata de elegir qué activo tiene prioridad en la red y luego decidir qué tratamiento y cuándo se aplica. Aquí se dispara el número de posibles soluciones a S^(N·T). A modo de ejemplo, teniendo en cuenta solo dos tratamientos (S=2), un horizonte de 10 años (T=10) y 7 tramos diferentes de carretera (N=7), el número de posibles soluciones es de 1,18E+21.

La única forma de abordar este problema es con algoritmos heurísticos de optimización multiobjetivo. Os dejo algunas referencias de cómo hemos resuelto en nuestro grupo de investigación este problema y en un artículo posterior os explico cómo formular el problema de optimización (funciones objetivo, restricciones, etc.). Como ya dije en artículos anteriores, la puerta está abierta a quien quiera participar en nuestro grupo.

Referencias:

  • SALAS, J.; YEPES, V. (2019). MS-ReRO and D-ROSE methods: assessing relational uncertainty and evaluating scenarios’ risks and opportunities on multi-scale infrastructure systems. Journal of Cleaner Production, (accepted, in press).
  • SIERRA, L.A.; PELLICER, E.; YEPES, V. (2017). Method for estimating the social sustainability of infrastructure projects. Environmental Impact Assessment Review, 65:41-53.
  • SIERRA, L.A.; YEPES, V.; GARCÍA-SEGURA, T.; PELLICER, E. (2018). Bayesian network method for decision-making about the social sustainability of infrastructure projects. Journal of Cleaner Production, 176:521-534.
  • SIERRA, L.A.; YEPES, V.; PELLICER, E. (2017). Assessing the social sustainability contribution of an infrastructure project under conditions of uncertainty. Environmental Impact Assessment Review, 67:61-72.
  • SIERRA, L.A.; YEPES, V.; PELLICER, E. (2018). A review of multi-criteria assessment of the social sustainability of infrastructures. Journal of Cleaner Production, 187:496-513.
  • TORRES-MACHÍ, C. (2015). Optimización heurística multiobjetivo para la gestión de activos de infraestructuras de transporte terrestre. Tesis doctoral. Universitat Politècnica de València – Pontificia Universidad Católica de Chile.
  • TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; PELLICER, E.; YEPES, V.; VIDELA, C. (2015). Sustainable pavement management: Integrating economic, technical, and environmental aspects in decision making. Transportation Research Record, 2523:56-63.
  • TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; VIDELA, C.; PELLICER, E.; YEPES, V. (2014). An iterative approach for the optimization of pavement maintenance management at the network level. The Scientific World Journal, Volume 2014, Article ID 524329, 11 pages.
  • TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; YEPES, V.; PELLICER, E. (2014). Current models and practices of economic and environmental evaluation for sustainable network-level pavement management. Revista de la Construcción, 13(2): 49-56.
  • TORRES-MACHI, C.; PELLICER, E.; YEPES, V.; CHAMORRO, A. (2017). Towards a sustainable optimization of pavement maintenance programs under budgetary restrictions. Journal of Cleaner Production, 148:90-102.
  • YEPES, V.; TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; PELLICER, E. (2016). Optimal pavement maintenance programs based on a hybrid greedy randomized adaptive search procedure algorithm. Journal of Civil Engineering and Management, 22(4):540-550.

 

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La evaluación técnica de una carretera

Figura 1. Representación de la evolución del índice PSI. https://www.pavementinteractive.org/

En una entrada anterior vimos que una infraestructura se puede evaluar con indicadores de estado y de prestaciones. En el caso de una carretera, las funciones básicas que debe cumplir pasan por poseer una capacidad estructural suficiente para soportar las cargas a la estará sometida, presentar un nivel de servicio adecuado bajo el punto de vista del usuario y garantizar la seguridad en cualquier momento. En consecuencia, el estado y las prestaciones de una carretera varían a lo largo del tiempo debido a las solicitaciones directas o indirectas, como puede ser el tráfico o el clima, y por tanto, se debe evaluar periódicamente el estado  de la carretera para garantizar las funciones básicas que antes hemos definido.

Dentro de la gestión de una carretera, llamaremos evaluación técnica al proceso que pasa por recoger datos, evaluar la infraestructura a través de un indicador y predecir la condición futura de la carretera mediante un modelo de comportamiento.

La primera fase de la evaluación técnica implica examinar las características de una carretera tanto desde el punto de vista funcional como estructural. Existen distintos tipos de indicadores para evaluar las características de una carretera. Estos indicadores se correlacionan entre ellos para comparar los valores cuando se utilizan distintas metodologías de medición. Si se evalúa la funcionalidad del pavimento, se puede medir el nivel de servicio o la seguridad. Por otra parte, la evaluación estructural mide la capacidad de soporte del pavimento. Para ello se pueden medir las propiedades mecánicas (deflexiones y deformaciones) o bien el deterioro superficial (agrietamiento, defectos superficiales o la deformación del pavimento.

  • El nivel de servicio mide la capacidad del pavimento para servir al tránsito ofreciendo un nivel de calidad adecuado a los usuarios; por tanto, se trata de una percepción subjetiva basada en la comodidad. Esta percepción se mide habitualmente relacionándola con la regularidad superficial, medida con indicadores como el IRI (International Roughness Index), PSI (Present Serviceaility Index)PSR (Present Serviceaility Rating) . Hoy en día el IRI es el indicador más importante, y se evalúa a partir del perfil longitudinal del pavimento.
  • El nivel de seguridad de una carretera depende de múltiples factores, como son el diseño geométrico, la señalización o las características de los vehículos, entre otros muchos. Sin embargo, para medir la seguridad del pavimento se suele utilizar la textura (macrotextura o microtextura) y la resistencia al deslizamiento (coeficiente de fricción internacional, IFI). Hay que tener presente, en este caso, que la resistencia al deslizamiento no solo depende de la textura del pavimento, sino que también depende de las características de los neumáticos y de las condiciones del vehículo. Pero si se tiene que medir la condición del pavimento, deberemos centrarnos en la microtextura, que influye fuertemente en el deslizamiento de vehículos a baja velocidad sobre superficies mojadas) y la macrotextura (que facilita el drenaje del agua y que ofrece resistencia al deslizamiento en vehículos a alta velocidad sobre pavimentos mojados). El IFI, que es el indicador que se utiliza internacionalmente, consta de dos números, uno adimensional que representa la fricción (cero es un deslizamiento perfecto, y uno es adherencia) y otro, en unidades de velocidad (km/h) que representa la macrotextura. Con estos dos valores se puede calcular el valor de fricción a cualquier velocidad de deslizamiento.
  • Las propiedades mecánicas del pavimento (módulo elástico, fatiga, deformación y tensiones residuales) definen los parámetros de resistencia de las diferentes capas de la estructura del pavimento. Sin embargo, el indicador más utilizado para para evaluar la capacidad estructural es la medición de las deflexiones (deformación elástica de un pavimento al paso de una carga).
  • El deterioro superficial se hace patente con las grietas, defectos superficiales y deformaciones del pavimento, así como en los defectos de los tratamientos o reparaciones realizadas. Suele medirse mediante una inspección visual, que puede ser manual o automática.

 

Figura 2. Características evaluadas en la auscultación de pavimentos. Elaboración propia basada en Torres-Machí (2015)

Sin embargo, aunque todos los indicadores expuestos son de interés en la toma de decisiones, también es cierto que resulta conveniente disponer de indicadores compuestos que permitan simplificar la información. Se trata de combinar los indicadores individuales para simplificar la toma de decisiones. Algunos de ellos son el PCI (Pavement Condition Index), el PQI (Pavement Quality Index) y el POI (Pavement Overall Index). Como estos indicadores son una agregación de distintos deterioros, para utilizarlos en la gestión de una red de carreteras, es necesario una calibración previa (de Solminihac, 2001).

Estos indicadores se utilizan, entre otros, para realizar una optimización multiobjetivo en la toma de decisiones necesaria para el mantenimiento de una red de carreteras. En el caso de los indicadores de condición, se trata de maximizar dicho indicador a lo largo del ciclo de vida de la red de carreteras. Os dejo a continuación algunas referencias y trabajos de nuestro grupo de investigación.

Referencias:

  • DE SOLMINIHAC, H. (2001). Gestión de infraestructura vial. Pontificia Universidad Católica de Chile. Santiago, Chile.
  • TORRES-MACHÍ, C. (2015). Optimización heurística multiobjetivo para la gestión de activos de infraestructuras de transporte terrestre. Tesis doctoral. Universitat Politècnica de València – Pontificia Universidad Católica de Chile.
  • TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; PELLICER, E.; YEPES, V.; VIDELA, C. (2015). Sustainable pavement management: Integrating economic, technical, and environmental aspects in decision making. Transportation Research Record, 2523:56-63.
  • TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; VIDELA, C.; PELLICER, E.; YEPES, V. (2014). An iterative approach for the optimization of pavement maintenance management at the network level. The Scientific World Journal, Volume 2014, Article ID 524329, 11 pages.
  • TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; YEPES, V.; PELLICER, E. (2014). Current models and practices of economic and environmental evaluation for sustainable network-level pavement management. Revista de la Construcción, 13(2): 49-56.
  • TORRES-MACHI, C.; PELLICER, E.; YEPES, V.; CHAMORRO, A. (2017). Towards a sustainable optimization of pavement maintenance programs under budgetary restrictions. Journal of Cleaner Production, 148:90-102.
  • YEPES, V.; TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; PELLICER, E. (2016). Optimal pavement maintenance programs based on a hybrid greedy randomized adaptive search procedure algorithm. Journal of Civil Engineering and Management, 22(4):540-550.

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Indicadores de estado y de prestaciones de las infraestructuras

En una entrada anterior vimos las distintas estrategias de conservación de las infraestructuras y cómo éstas influían en el coste que debían pagar los usuarios. Estas estrategias podían modificar el estado o las prestaciones de la infraestructura, que de forma irremediable, se degradan con el tiempo. Llegado a este punto, conviene diferenciar los conceptos de estado y de prestaciones de una infraestructura.

La gestión de las infraestructuras (carreteras, puentes, etc.) supone un proceso por el cual se debe asignar de forma eficiente los recursos limitados en la dirección marcada por los objetivos estratégicos de la organización responsable de dicha gestión. Para ello se hacen necesarios una serie de indicadores que permitan medir de forma cuantitativa o cualitativa los resultados procedentes de las acciones realizadas sobre dichos activos respecto a los objetivos.

Dichos indicadores pueden ser de estado o de prestaciones. El estado o condición de una infraestructura se define como su estado físico, que puede afectar o no a sus prestaciones. En cambio, la prestación o rendimiento se define como la capacidad de la infraestructura para proveer un determinado nivel de servicio a los usuarios. Se pueden llamar también prestaciones funcionales, pues indican el nivel de habilitación de una infraestructura para desarrollar su función principal, que es la prestación del servicio, aunque también podrían incluir otras características o efectos no directamente relacionados con el servicio a los usuarios.

Saber diferenciar ambos conceptos es básico para cualquier organización responsable de la gestión de una infraestructura. Así, por ejemplo, las prestaciones de un puente pueden no verse afectadas por el estado hasta que se produzca un fallo. Es fácil encontrar un puente de hormigón con defectos superficiales (corrosión de armaduras, desconchados, etc.) que mantiene intacta su funcionalidad e integridad estructural. También podría darse el caso de un puente en muy buen estado que no sea capaz de soportar determinadas cargas de tráfico o que impone restricciones de gálibo que afectan al tráfico.

Puente “traga camiones” de Leganés. https://www.lavanguardia.com

Pero, ¿cuáles son las razones para disponer de indicadores en la gestión de las infraestructuras? Pues son imprescindibles para tomar decisiones que afectan a estos activos. Permiten identificar las necesidades de intervención, proporcionan la guía de los procesos y criterios en la toma de decisiones y son los elementos que permiten controlar el progreso hacia los objetivos y metas trazados por la organización responsable de la gestión.

En el caso de una carretera, los indicadores utilizados en su gestión se suelen agrupar en diferentes categorías que corresponden con los objetivos de la organización responsable de dicha gestión. Se podrían considerar, entre otros, los siguientes: conservación de la carretera, seguridad vial, movilidad y accesibilidad, medioambiente, operaciones y mantenimiento y eficiencia económica.

Si se disponen de mediciones de dichos indicadores, éstos permiten comparar sus valores con determinados estándares, umbrales o niveles mínimos. Esta información es determinante en la identificación de las necesidades de intervención y, por tanto, catalizan todo el proceso posterior de selección de intervenciones y asignación de recursos económico.

En artículos posteriores hablaremos de cómo podremos utilizar estos índices para el caso particular de las carreteras y utilizar técnicas procedentes de la optimización multiobjetivo y de la toma de decisiones multicriterio para asignar los presupuestos restrictivos de los que dispone una organización para que la condición de las carreteras sea la máxima posible. Ya adelantamos que el problema no es sencillo, pero afortunadamente nuestro grupo de investigación ya dispone de las herramientas necesarias para planificar el mantenimiento y la conservación de una red de carreteras o de calles en una ciudad con presupuestos muy restrictivos.

 

Referencias:

  • CLEMENTE, J.J. (2012). La toma de decisión en el marco de la gestión de activos de infraestructuras de transporte terrestre. Trabajo de investigación. Universitat Politècnica de València.
  • SALAS, J.; YEPES, V. (2019). MS-ReRO and D-ROSE methods: assessing relational uncertainty and evaluating scenarios’ risks and opportunities on multi-scale infrastructure systems. Journal of Cleaner Production, (accepted, in press).
  • SIERRA, L.A.; PELLICER, E.; YEPES, V. (2017). Method for estimating the social sustainability of infrastructure projects. Environmental Impact Assessment Review, 65:41-53.
  • SIERRA, L.A.; YEPES, V.; GARCÍA-SEGURA, T.; PELLICER, E. (2018). Bayesian network method for decision-making about the social sustainability of infrastructure projects. Journal of Cleaner Production, 176:521-534.
  • SIERRA, L.A.; YEPES, V.; PELLICER, E. (2017). Assessing the social sustainability contribution of an infrastructure project under conditions of uncertainty. Environmental Impact Assessment Review, 67:61-72.
  • SIERRA, L.A.; YEPES, V.; PELLICER, E. (2018). A review of multi-criteria assessment of the social sustainability of infrastructures. Journal of Cleaner Production, 187:496-513.
  • TORRES-MACHÍ, C. (2015). Optimización heurística multiobjetivo para la gestión de activos de infraestructuras de transporte terrestre. Tesis doctoral. Universitat Politècnica de València – Pontificia Universidad Católica de Chile.
  • TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; PELLICER, E.; YEPES, V.; VIDELA, C. (2015). Sustainable pavement management: Integrating economic, technical, and environmental aspects in decision making. Transportation Research Record, 2523:56-63.
  • TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; VIDELA, C.; PELLICER, E.; YEPES, V. (2014). An iterative approach for the optimization of pavement maintenance management at the network level. The Scientific World Journal, Volume 2014, Article ID 524329, 11 pages.
  • TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; YEPES, V.; PELLICER, E. (2014). Current models and practices of economic and environmental evaluation for sustainable network-level pavement management. Revista de la Construcción, 13(2): 49-56.
  • TORRES-MACHI, C.; PELLICER, E.; YEPES, V.; CHAMORRO, A. (2017). Towards a sustainable optimization of pavement maintenance programs under budgetary restrictions. Journal of Cleaner Production, 148:90-102.
  • YEPES, V.; TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; PELLICER, E. (2016). Optimal pavement maintenance programs based on a hybrid greedy randomized adaptive search procedure algorithm. Journal of Civil Engineering and Management, 22(4):540-550.

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¿Cómo influyen las estrategias de conservación y el coste que pagan los usuarios de las carreteras?

Figura 1. Las generaciones futuras tendrán que pagar por unas infraestructuras deterioradas

En esta entrada vamos a justificar cómo determinadas estrategias de gestión del mantenimiento y conservación de las carreteras disparan los costes que tienen los usuarios. Por tanto, en primer lugar vamos a definir las distintas estrategias posibles y posteriormente analizaremos cuál de ellas influye negativamente en el coste de los usuarios.

Si bien es cierto que estas nuevas infraestructuras nacen con un periodo de vida relativamente largo, no menos cierto es que una parte significativa de dicha infraestructura está empezando a notar el paso del tiempo; es más, parece que podemos vivir dentro de un horizonte no tan lejano, un verdadero colapso en los niveles de servicio prestados por estos activos. Lo peor de todo ello es que estas infraestructuras se financiaron a largo plazo y la siguiente generación (Figura 1) se va a encontrar con la sorpresa de tener que pagar por unas infraestructuras con pésimos niveles de servicio. Es lo que en otro artículo califiqué como la “crisis de las infraestructuras“. Todo ello nos lleva a la cuestión central del problema: la urgente necesidad de tener un plan racional con recursos suficientes para mantener las infraestructuras básicas de un país.

En la Figura 2 podemos ver una gráfica donde se representa no solo la degradación del estado o de las prestaciones de la carretera, sino las distintas estrategias que se tienen al alcance para modificar dicho deterioro.

Figura 2. Estrategias de conservación (Clemente, 2012)

Así, la estrategia preventiva o proactiva tiene como objetivo mantener en el tiempo el estado físico del elemento en un nivel adecuado, evitando que alcance elevados niveles de deterioro que puedan afectar a su funcionalidad y disparar los costes de reparación. Estas actuaciones son normalmente de alcance y coste limitado y se realizan con cierta periodicidad en función de la evolución observada o incluso de manera programada antes de que el defecto se llegue a manifestar. La estrategia correctiva o reactiva es la que deja al elemento que se deteriore al límite, en cuyo momento se realizan intervenciones de gran calado, como por ejemplo grandes rehabilitaciones integrales o estructurales, que lo devuelven, o lo intentan devolver, a su estado original. Sin embargo, son actuaciones de mayor coste, aunque más separadas en el tiempo. Por último, se podría optar por un deterioro controlado hasta la retirada. En este caso se pasa directamente a retirar el elemento cuando se ha alcanzado su vida útil de servicio y se sustituye por otro similar. Durante este periodo no se interviene, o se hace mínimamente para no afectar la funcionalidad.

Por tanto, la estrategia óptima no es evidente, pues depende tanto de factores endógenos (características constructivas de la carretera, edad, etc.) y exógenos (condiciones del clima, nivel de tráfico, etc.) y por tanto no se pueden generalizar las conclusiones. Este problema, por consiguiente, es uno de los focos más importantes de nuestro grupo de investigación. Os he puesto referencias de algunas de nuestras publicaciones.

Pero el problema se hace más complejo cuando se tienen en cuenta los costes de los usuarios. En efecto, las características de la carretera y el nivel y la composición de la demanda de tráfico influyen en los costes de los usuarios. Un mal estado del pavimento, incrementa claramente el coste soportado por el usuario. Y lo que es peor, un estado sub-óptimo de la infraestructura debido a una estrategia de conservación reactiva, tiene como consecuencia el incremento del riesgo de accidentes, la reducción de la velocidad de los vehículos, las restricciones de paso y la elección por los usuarios de itinerarios alternativos con mayor tiempo de recorrido. Insisto en este punto. Una conservación deficiente genera mayores costes a los usuarios relacionados con el valor del tiempo de viaje, con el vehículo y con los accidentes de tráfico.

En la Figura 3 se puede ver que existe un hipotético nivel de conservación óptimo que minimiza los costes totales del transporte, teniendo en cuenta el coste del usuario, el coste de conservación y el coste de construcción. Sin una estrategia clara de conservación, los responsables de una red de carreteras suelen realizar una conservación correctiva, que tiene un aparente ahorro económico en el corto plazo, pero que traslada al futuro unos costes que pueden ser muy elevados tanto para los contribuyentes que sufragan la inversión como para los usuarios.

Figura 3. Costes totales del transporte

A continuación os dejo algunas de las referencias y de los trabajos que se han publicado al respecto. Todo lo que estamos haciendo ahora se encuentra dentro de un proyecto de investigación competitivo al que hemos denominado DIMALIFE (BIA2017-85098-R): Diseño y mantenimiento óptimo robusto y basado en fiabilidad de puentes e infraestructuras viarias de alta eficiencia social y medioambiental bajo presupuestos restrictivos”. Si alguien se anima trabajar en estos temas de investigación con nosotros o hacer una tesis doctoral, tiene las puertas abiertas.

Además, igual os interesa leer los enlaces que publicamos en una entrada anterior: ¿Qué hemos hecho para conservar nuestras carreteras?

Referencias:

  • CLEMENTE, J.J. (2012). La toma de decisión en el marco de la gestión de activos de infraestructuras de transporte terrestre. Trabajo de investigación. Universitat Politècnica de València.
  • SALAS, J.; YEPES, V. (2019). MS-ReRO and D-ROSE methods: assessing relational uncertainty and evaluating scenarios’ risks and opportunities on multi-scale infrastructure systems. Journal of Cleaner Production, (accepted, in press).
  • SIERRA, L.A.; PELLICER, E.; YEPES, V. (2017). Method for estimating the social sustainability of infrastructure projects. Environmental Impact Assessment Review, 65:41-53.
  • SIERRA, L.A.; YEPES, V.; GARCÍA-SEGURA, T.; PELLICER, E. (2018). Bayesian network method for decision-making about the social sustainability of infrastructure projects. Journal of Cleaner Production, 176:521-534.
  • SIERRA, L.A.; YEPES, V.; PELLICER, E. (2017). Assessing the social sustainability contribution of an infrastructure project under conditions of uncertainty. Environmental Impact Assessment Review, 67:61-72.
  • SIERRA, L.A.; YEPES, V.; PELLICER, E. (2018). A review of multi-criteria assessment of the social sustainability of infrastructures. Journal of Cleaner Production, 187:496-513.
  • TORRES-MACHÍ, C. (2015). Optimización heurística multiobjetivo para la gestión de activos de infraestructuras de transporte terrestre. Tesis doctoral. Universitat Politècnica de València – Pontificia Universidad Católica de Chile.
  • TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; PELLICER, E.; YEPES, V.; VIDELA, C. (2015). Sustainable pavement management: Integrating economic, technical, and environmental aspects in decision making. Transportation Research Record, 2523:56-63.
  • TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; VIDELA, C.; PELLICER, E.; YEPES, V. (2014). An iterative approach for the optimization of pavement maintenance management at the network level. The Scientific World Journal, Volume 2014, Article ID 524329, 11 pages.
  • TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; YEPES, V.; PELLICER, E. (2014). Current models and practices of economic and environmental evaluation for sustainable network-level pavement management. Revista de la Construcción, 13(2): 49-56.
  • TORRES-MACHI, C.; PELLICER, E.; YEPES, V.; CHAMORRO, A. (2017). Towards a sustainable optimization of pavement maintenance programs under budgetary restrictions. Journal of Cleaner Production, 148:90-102.
  • YEPES, V.; TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; PELLICER, E. (2016). Optimal pavement maintenance programs based on a hybrid greedy randomized adaptive search procedure algorithm. Journal of Civil Engineering and Management, 22(4):540-550.

 

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Esto me suena… ¿Son seguros nuestros puentes?

Puente de la Constitución de 1812, Cádiz, en agosto de 2015. TCadizwiki [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], from Wikimedia Commons

Os dejo en esta presentación una nueva entrevista que me ha realizado el periodista José Antonio García Muñoz, conocido como Ciudadano García, sobre temas de ingeniería. Como ya he comentado en alguna entrada anterior, la labor de divulgación de las ciencias, y en particular de la ingeniería, resulta una tarea agradable y enriquecedora.

La entrevista, en este caso, se ha centrado en la seguridad y el mantenimiento de nuestros puentes. En efecto, una noticia aparecida el 9 de diciembre de 2018 en El País con el siguiente titular “Fomento admite que hay 66 puentes con graves problemas de seguridad” abrió cierta inquietud en la opinión pública sobre la seguridad de nuestros puentes. Esta inquietud irrumpió el agosto pasado con el derrumbe de un puente en Génova (Italia). La pregunta que se hace el ciudadano de a pié es saber si cuando circula por carretera o por ferrocarril nuestras infraestructuras son lo suficientemente seguras.

Tener la oportunidad de comunicar aspectos de nuestra profesión a más de 300.000 oyentes supone todo un reto, más si lo que se busca es transmitir de forma sencilla y para todo el mundo, aspectos técnicos que, a veces, solo somos capaces de hacerlo con colegas o estudiantes. Insisto, todo un reto y una oportunidad que se agradece.

Pues de todo ello hablamos el pasado viernes 14 de diciembre de 2018. Os dejo la entrevista, realizada en directo. Espero que os guste.

Cuantificación del estado de conservación de los puentes: índices de estado o condición

Guía para la realización de inspecciones principales de obras de paso en la Red de Carreteras del Estado. Ministerio de Fomento (2012)

Una noticia aparecida el 9 de diciembre de 2018 en El País con el siguiente titular “Fomento admite que hay 66 puentes con graves problemas de seguridad” abrió cierta inquietud en la opinión pública sobre la seguridad de nuestros puentes. Esta inquietud irrumpió el agosto pasado con el derrumbe de un puente en Génova (Italia). La pregunta que se hace el ciudadano de a pié es saber si cuando circula por carretera o por ferrocarril nuestras infraestructuras son lo suficientemente seguras. Además, este desasosiego se acentúa cuando, por una parte, la grave crisis económica que ha sufrido nuestro país ha reducido significativamente los presupuestos dedicados al mantenimiento de las infraestructuras y cuando, además, los datos que el Ministerio de Fomento dispone sobre el estado de los puentes, extraídos de su Sistema de Gestión de Puentes (SGP), no es suficientemente transparente, a diferencia de otros países, como Alemania. La que he denominado como “crisis de las infraestructuras“, en efecto, no es un problema solo de España, sino que afecta de forma generalizada a muchos países de nuestro entorno.

Pues bien, la noticia del 9 de diciembre nos decía que 66 puentes presentan graves problemas de seguridad. La justificación es que, tras la valoración de su estado por expertos, se calculan unos índices (extensión, gravedad y evolución) a los que se aplican algoritmos para obtener una clasificación final que va de 0 a 100. Esos 66 puentes obtenían más de 81 puntos, lo cual significa que presentan “patologías potencialmente graves que pueden afectar a su comportamiento resistente” y son objeto de un seguimiento especial. Teniendo en cuenta que el parque de las obras de paso en España son de casi 23000 puentes, ello supone que un 0,28% de ellos superan el umbral de los 81 puntos. Parecerían pocos puentes, pero bastaría el colapso de uno solo de ellos para que se pudiese reproducir una tragedia como la ocurrida en Génova este verano. Por tanto, no debemos restar importancia a estas cifras. De hecho, nuestro grupo de investigación, a través del proyecto DIMALIFE, está muy preocupado por investigar estos tema.

¿Significa esto que en España nuestros puentes no son seguros? En absoluto. No hay que alarmarse, pero hay que tomar medidas. Lo que le ocurre a cualquier infraestructura (puente, presa, puerto, túnel, hospital, etc.) es que todas ellas, sin excepción, presentan una disminución de sus prestaciones y funcionalidades que, pasado cierto umbral, hace que dejen de ser útiles, finalizando su vida útil. La vida de las infraestructuras se puede prolongar con un adecuado mantenimiento y acometiendo reparaciones, pero llega un momento que el coste de alargar la vida útil puede ser insostenible. Por tanto, los puentes “envejecen”.

Todo el mundo está de acuerdo en que los aviones deben someterse a exámenes periódicos y revisiones profundas, realizadas por expertos, que garanticen la seguridad en vuelo de estos aparatos. Asimismo, también resulta evidente que todas las personas deberíamos someternos a chequeos médicos periódicos para detectar a tiempo enfermedades que, sin una detección precoz, son inevitablemente mortales. Pues lo mismo le pasa a las infraestructuras, que deben acudir de vez en cuando al “médico de cabecera”, que si detecta algún problema grave, manda al paciente al “médico especialista” y éste, en caso necesario, opera al paciente o le somete al tratamiento correspondiente. Pues lo mismo le ocurre a los puentes, donde existen inspecciones básicas o rutinarias, inspecciones principales e inspecciones especiales. De ello ya hablamos en una entrada anterior. Siguiendo con la analogía médica, la “analítica” realizada a los puentes ha mostrado que su “colesterol” está por encima de 250. Ello no significa la muerte inmediata del paciente, pero sí que es necesario un cambio de hábitos (ejercicio físico, dieta alimentaria, etc.) o medicación para reducir dicho índice. En caso de no hacer nada, nuestro puente puede tener un “problema coronario” que puede acabar en un “ataque al corazón”. Por tanto, la buena noticia es que hemos detectado los problemas y ahora se trata de poner a nuestros puentes bajo un “tratamiento médico” estricto.

Para aclarar alguno de los conceptos sobre los que se ha basado la noticia de El País, voy a recoger aquí los aspectos básicos. Están basados en una monografía del Ministerio de Fomento denominada “Guía para la realización de inspecciones principales de obras de paso en la Red de Carreteras del Estado“. Tal y como indica la guía, para cada uno de los daños que existan en un determinado elemento de un puente, se recogen en campo los índices de extensión, gravedad y evolución (apartado 4.5.3). Con estos datos se obtiene, en primer lugar, un Índice de Deterioro para cada daño, que puede tomar un valor entre 0 y 100. Con todos los índices de los deterioros existentes en un puente, se puede valorar el estado de conservación con el Índice de Estado o Condición de la Estructura, que también tiene un valor entre 0 y 100. Existen también índices intermedios para valorar los elementos, componentes y zonas de la estructura, de esta forma se puede localizar rápidamente el origen de la causa de determinado índice en la condición de la estructura.

Los índices de deterioro se dividen en cinco intervalos, con los significados siguientes:

  • Índice entre 0 y 20: Deterioro sin consecuencias importantes “a priori”
  • Índice entre 21 y 40: Deterioro que puede tener una evolución patológica o reducir las condiciones de servicio o de durabilidad del elemento si no se repara en el tiempo adecuado.
  • Índice entre 41 y 60: Deterioro que indica una patología que supone una reducción de las condiciones de servicio o de la durabilidad del elemento.
  • Índice entre 61 y 80: Deterioro que se puede traducir en una modificación del comportamiento resistente o funcional.
  • Índice entre 81 y 100: Deterioro que compromete la seguridad del elemento.

De la misma forma, el Índice de Estado de la Estructura se divide en cinco intervalos:

  • Índice entre 0 y 20: Estructura sin patologías evidentes o con deterioros sin consecuencias relevantes para la durabilidad, condiciones de servicio o seguridad de la estructura.
  • Índice entre 21 y 40: Estructura con deterioros que pueden tener una evolución patológica que afecte a la durabilidad o a las condiciones de servicio de la estructura. Es conveniente seguir su evolución temporal para su determinación objetiva.
  • Índice entre 41 y 60: Estructura con deterioros que evidencian una patología que puede suponer una reducción de las condiciones de servicio o de la durabilidad de la estructura. Será necesario seguir la evolución de la patología en las posteriores inspecciones. Puede requerir una actuación a medio plazo para mejorar la durabilidad de la estructura.
  • Índice entre 61 y 80: Estructura con deterioros o patologías que se pueden traducir en una modificación del comportamiento resistente o una reducción importante de los niveles de servicio. Requiere una actuación a corto-medio plazo. En función de la naturaleza del daño puede requerir una inspección especial.
  • Índice entre 81 y 100: Estructura con deterioros o patologías que comprometen la seguridad del elemento/estructura. Requiere una inspección especial y una actuación urgente. En algunos casos puede ser necesario una limitación del uso.

Como vemos, los índices establecen pautas para que el gestor decida intervenir en una estructura, realizar estudios especiales, programar actuaciones a medio plazo o asignar presupuestos. Con todo, los inspectores tiene capacidad de ir más allá de esta cuantificación cuando detectan problemas o imponderables difíciles de cuantificar, como por ejemplo, el grado de “actualización” de la estructura a las normas vigentes.

La conclusión es clara. Al igual que los aviones requieren inspecciones periódicas minuciosas para garantizar la seguridad en el vuelo y las personas debemos realizar chequeos médicos periódicos, las infraestructuras (puentes, presas, túneles, puertos, hospitales, estadios de fútbol, etc.) deben someterse a inspecciones programadas y, sobre todo, se debe disponer de un presupuesto suficiente que garantice el mantenimiento y la rehabilitación si fuera necesario. Todo lo que no sea eso, será poner en riesgo no solo la seguridad de las personas, sino el estado de bienestar.

 

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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 favoreces 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 realizados 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 5 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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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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Algunas conclusiones de nuestros trabajos en optimización multiobjetivo de puentes

Hoy hace justo un año que realicé mi defensa pública de la plaza de Catedrático de Universidad en el Área de Ingeniería de la Construcción. Tuve en aquel momento la oportunidad de exponer como parte de la prueba un trabajo de investigación, basado fundamentalmente en los trabajos realizados por nuestro grupo. Se trataba del diseño eficiente de puentes de hormigón postesado de sección en cajón unicelular mediante una optimización multiobjetivo basada en criterios sostenibles. Las conclusiones que aquí se resumen son fruto de varios estudios previos para examinar el uso de cementos con adiciones, la importancia de la carbonatación en la captura de CO2 y en la durabilidad, la reutilización del hormigón, el uso del hormigón autocompactante, los diseños sostenibles de puentes artesa prefabricados de hormigón pretensado, la relación entre el coste y el CO2, así como la energía, los diseños sostenibles de pasarelas de hormigón postesado, los algoritmos heurísticos y las técnicas de toma de decisiones para analizar y reducir el conjunto óptimo de Pareto. Los resultados de estos estudios previos fueron la base del trabajo presentado. Se planteó una optimización multiobjetivo basada en criterios económicos, ambientales, de durabilidad y de seguridad. Además, se formuló una herramienta informática que permitió el uso de software comercial para realizar el análisis del puente con elementos finitos, en un proceso de diseño automático. Al final de la entrada os he dejado referencias directamente relacionadas con la investigación de nuestro grupo en optimización multiobjetivo y toma de decisión multicriterio de puentes a lo largo de su ciclo de vida.

En primer lugar, se estudió el diseño óptimo de puentes de carreteras de hormigón postesado de sección en cajón considerando los costes, las emisiones de CO2 y el coeficiente de seguridad global. Para aplicar la metodología propuesta, se realizó un estudio de caso de un puente continuo de tres vanos situado en una zona costera. Los resultados mostraron que tanto el coste económico como la reducción de las emisiones de CO2 conducen a una reducción en el consumo de material y por lo tanto, son objetivos alineados. Ello indica que la optimización de costes es un buen enfoque para lograr un diseño respetuoso con el medio ambiente. El análisis de la frontera de Pareto indicó las variables más eficientes para mejorar la seguridad con el coste mínimo y las emisiones de CO2. Dado que el coste y las emisiones estaban estrechamente relacionados, el desafío se tradujo en la conversión de las limitaciones estructurales de seguridad y durabilidad en funciones objetivo. Este enfoque permitió encontrar múltiples soluciones alternativas que, con un incremento muy pequeño en el coste, consiguen mayor seguridad y durabilidad. Además, se destacó la eficiencia del aumento de la resistencia y del recubrimiento del hormigón para prolongar la vida útil. La frontera de Pareto se utilizó posteriormente para seleccionar planes de mantenimiento del puente óptimos, basados en su nivel inicial de seguridad y durabilidad. Este planteamiento es consistente con el argumento de que el proceso de deterioro puede causar una reducción en la seguridad estructural. Este estudio permitió analizar las ventajas que presenta un diseño optimizado para prolongar la vida útil de la estructura y mejorar su seguridad. Se llevó a cabo una optimización de la vida útil sostenible a través de un enfoque probabilístico. El plan de mantenimiento óptimo tiene como objetivo minimizar los impactos económicos, ambientales y sociales mientras se satisface el objetivo de fiabilidad durante una vida útil. Finalmente, se compararon los costes del ciclo de vida y las emisiones entre las distintas alternativas.

En paralelo, se desarrolló un metamodelo basado en redes neuronales, para reducir el tiempo de cálculo. Las ANNs se entrenaron para predecir la respuesta estructural en términos de los estados límite en función de las variables de diseño, sin necesidad de un análisis completo del puente. Se propuso una metaheurística mejorada basada en la búsqueda de la armonía multiobjetivo. Se mejoró la diversificación y la intensificación en la búsqueda de soluciones para mejorar la convergencia. Finalmente, se propuso una técnica de toma de decisiones llamada AHP-VIKOR bajo incertidumbre para reducir la frontera de Pareto a un conjunto de soluciones preferidas. Este método permite al decisor introducir fácilmente las preferencias en un criterio específico sujeto a incertidumbre.

Las conclusiones generales de este trabajo de investigación fueron las siguientes:

  • La minimización de costes y emisiones de CO2 conduce a un diseño de puente que favorece la eficiencia estructural minimizando la cantidad de materiales. La inclusión del objetivo de seguridad destaca las mejores variables para mejorar la seguridad y por lo tanto, la robustez de cada variable para el diseño eficiente. El objetivo de durabilidad, evaluado como el inicio de la corrosión, estableció la mejor combinación de resistencia y recubrimiento del hormigón para alcanzar un objetivo de vida de servicio.
  • El canto, el espesor de la losa inferior, las armaduras activas y la armadura pasiva longitudinal son las variables principales que proporcionan la resistencia a flexión. Sin embargo, no se recomienda un incremento de espesor de la losa superior y del ala para mejorar la seguridad estructural, pues conduce a pesos propios adicionales. Para mejorar el comportamiento a flexión transversal, se incrementa el espesor del arranque del ala y se disminuye la longitud del ala. La inclinación del alma puede ser constante, pues tanto la profundidad como la anchura de inclinación del alma aumentan en paralelo para mejorar la seguridad. El espesor del alma no es la variable más económica para aumentar la resistencia a esfuerzo cortante; por el contrario, se incrementa la armadura de refuerzo.
  • El uso de hormigón de alta resistencia puede reducir el canto o la cantidad de armadura. Sin embargo, las restricciones relativas a los estados límite de servicio y las cuantías mínimas de armadura condicionan estas variables. Por lo tanto, el hormigón de alta resistencia no es la mejor solución para mejorar la seguridad. Sin embargo, este resultado cambia cuando se tiene en cuenta el ciclo de vida. Un incremento en la resistencia del hormigón alarga la vida útil de servicio, pues se retrasa el inicio de la corrosión. Por otro lado, el incremento en la resistencia del hormigón presenta mejores resultados a lo largo del ciclo de vida para diseños con inicios de corrosión similares, en comparación con el incremento del recubrimiento de hormigón.
  • Un diseño inicial que incorpore la durabilidad como objetivo y no como restricción resulta especialmente beneficioso si se quiere alargar el ciclo de vida de la estructura. Diseños que retrasen el inicio de la corrosión implican un menor coste del ciclo de vida, incluso con costes iniciales más altos. Sin embargo, un nivel de seguridad inicial más alto no siempre ofrece como resultado un mejor rendimiento del ciclo de vida.

 

A partir de los estudios, se extrajeron estas conclusiones específicas:

  • El empleo de cementos con adiciones conlleva una reducción en la captura de carbono y en la vida útil debido a la carbonatación. A pesar de esto, los cementos con adiciones disminuyen las emisiones anuales. El hormigón autocompactante no es aconsejable desde el punto de vista medioambiental. En términos de coste, se obtienen pocas diferencias entre el hormigón vibrado convencional y el hormigón autocompactante.
  • Es fundamental reutilizar el hormigón como gravas en material de relleno para lograr una completa carbonatación y reducir las emisiones de CO2.
  • En el puente postesado estudiado, la reducción del coste en 1 euro disminuye las emisiones de CO2 en 2,34 kg. En cuanto al coeficiente de seguridad global, se obtienen tres relaciones lineales entre el coste y este objetivo. Para aumentar el coeficiente de seguridad global de 1,0 a 1,4, los costes aumentan en 12,5%. Después de este punto, los resultados de mejora de la seguridad son más caros. Con respecto al inicio de la corrosión, con pequeños incrementos de coste se consiguen retrasos significativos.
  • El estado límite de descompresión es restrictivo y condiciona variables como el canto y el número de torones de pretensado. Dado que estas variables también influyen en la flexión, este estado límite no es restrictivo hasta que el coeficiente de seguridad global alcanza 1,4.
  • La relación entre el coste y el CO2 se mantiene para todos los niveles de seguridad y por lo tanto, la optimización de costes es un buen enfoque para minimizar las emisiones independientemente del nivel de seguridad.
  • En estructuras con un espacio de soluciones factibles pequeños, el coste y la emisión se encuentran muy relacionados. Sin embargo, las estructuras de hormigón armado, que presentan espacios factibles mayores, conducen a diseños medioambientales con mayores secciones, mayor cantidad de hormigón, menor acero y horigones con la menor resistencia característica.
  • El plan de mantenimiento óptimo es aquel que presenta menos operaciones que reparen simultáneamente todas las superficies deterioradas. A pesar de que existe un deterioro diferente para cada una de las caras de la sección expuesta, los resultados recomiendan reparar todas las superficies conjuntamente. Las operaciones de mantenimiento deben programarse al mismo tiempo para reducir el impacto de las interrupciones del tráfico.
  • Por lo general, la optimización del coste de mantenimiento también conduce a la minimización de las emisiones de CO2. Esto se atribuye al hecho de que tanto las emisiones como los costes pretenden reducir el número total de operaciones de mantenimiento. Sin embargo, la optimización de costes intenta retrasar la fecha de la primera reparación. Por lo tanto, la determinación del número de operaciones y el retraso de la primera fecha de mantenimiento, reduce también el coste al mínimo.
  • Las redes neuronales constituyen una buena herramienta para predecir la respuesta de la estructura, proporcionar una buena dirección de búsqueda y reducir el coste computacional. Sin embargo, al final del proceso de búsqueda, se necesitan modelos de análisis completo para converger más cerca de la frontera de Pareto real.
  • La transición de la diversificación a la intensificación, que elimina progresivamente la combinación de soluciones y la selección aleatoria, mejora el rendimiento del algoritmo.
  • El método AHP-VIKOR bajo incertidumbre redujo el conjunto de Pareto a pocas soluciones preferidas. Para este estudio de caso, se prefieren las soluciones con el mayor tiempo de inicio de la corrosión, pues la mejora de la durabilidad no implica grandes diferencias de costes.

 

Referencias:

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  • 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. DOI:1016/j.jclepro.2018.08.177
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