La resiliencia de las infraestructuras

Figura 1. https://www.un.org/sustainabledevelopment/es/2015/09/infraestructura-innovacion-e-industrias-inclusivas-claves-para-el-desarrollo/

La resiliencia es un concepto que viene del mundo de la psicología y representa la capacidad para adaptarse de forma positiva frente a situaciones adversas. Proviene del latín resilio, “volver atrás, volver de un salto, resaltar, rebotar”. En el campo de la mecánica, la resiliencia sería la capacidad de un material para recuperar su forma inicial después de haber sido deformado por una fuerza. En la ecología, un sistema es resiliente si puede tolerar una perturbación sin colapsar a un estado completamente distinto, controlado por otro conjunto de procesos. En un entorno tecnológico, este término se relaciona con la capacidad de un sistema de soportar y recuperarse ante desastres y perturbaciones. En este artículo vamos a indagar en el concepto de resiliencia de las infraestructuras.

Así, dentro de los objetivos de desarrollo sostenible de Naciones Unidas (Figura 1), encontramos el Objetivo 9: Construir infraestructuras resilientes, provomer la industrialización sostenible y fomentar la innovación. En efecto, las infraestructuras deben hacer frente al crecimiento de la población, pero también a los crecientes peligros físicos (cinéticos) como el terrorismo, o los asociados al clima extremo y los desastres naturales. La frecuencia y gravedad de estos eventos extremos se prevén crecientes, y por tanto, es más que previsible un aumento en los costes e impacto humano. Además, debido a la cada vez más informatización y digitalización de las infraestructuras, el riesgo de ataques informáticos a las infraestructuras es más que evidente.

La resiliencia puede asociarse con cuatro atributos: robustez, que es la capacidad para resistir un evento extremo sin que el fracaso en la funcionalidad sea completo; rapidez, que sería la capacidad de recuperarse de forma eficiente y efectiva; la redundancia, que sería la reserva de componentes o de sistemas estructurales sustitutivos; y el ingenio, que sería la eficiencia en la identificación de problemas, priorizando soluciones y movilizando recursos para su solución (Bruneau et al., 2003).

Matemáticamente se puede evaluar la resiliencia integrando la curva de funcionalidad a lo largo del tiempo (ver Figura 2).

donde Q(t) es la funcionalidad; t0 es el momento en el que ocurre el evento extremo y Tr es el horizonte hasta donde se estudia la funcionalidad.

Figura 2. Valoración de la resiliencia tras un evento extremo (Anwar et al., 2019)

En la Figura 2 se pueden observar los tres estados correspondientes con la funcionalidad. En la situación de fiabilidad, la infraestructura se encuentra con la funcionalidad de referencia, previo al evento extremo. La situación de recuperación comienza tras la ocurrencia del evento extremo, con una pérdida de funcionalidad dependiente de la robustez de la infraestructura, y con una recuperación que depende de los esfuerzos realizados en la reparación, que puede ser rápida o lenta en función del ingenio o la creatividad en las soluciones propuestas, así como de la redundancia de los sistemas previstos. Por último, la situación recuperada es la que ocurre cuando la funcionalidad vuelve a ser la de referencia.

Se comprueba en la Figura 2 cómo una infraestructura pasa de una funcionalidad de referencia a una residual tras el evento extremo. Tras el evento, puede darse una demora en la recuperación de la funcionalidad debido a las tareas de inspección, rediseño, financiación, contratación, permisos, etc.). La recuperación completa de la funcionalidad depende de la forma en la que se han abordado las tareas de reparación. Es fácil comprobar que la resiliencia se puede calcular integrando la curva de recuperación de la funcionalidad desde la ocurrencia del evento extremo hasta la completa recuperación, dividiendo dicho valor por el tiempo empleado en dicha recuperación.

Este modelo simplificado permite establecer las pautas para mejorar la resiliencia de una infraestructura:

a) Incrementando la robustez de la infraestructura, es decir, maximizar su funcionalidad residual tras un evento extremo.

b) Acelerando las actividades de recuperación de la funcionalidad de la infraestructura.

En ambos casos, es necesario concebir la infraestructura desde el principio con diseños robustos, con sistemas redundantes y con una previsión de las tareas de reparación necesarias.

Con todo, la capacidad de recuperación comprende cuatro dimensiones interrelacionadas: técnica, organizativa, social y económica (Bruneau et al., 2003). La dimensión técnica de la resiliencia se refiere a la capacidad de los sistemas físicos (incluidos los componentes, sus interconexiones e interacciones, y los sistemas enteros) para funcionar a niveles aceptables o deseables cuando están sujetos a los eventos extremos. La dimensión organizativa de la resiliencia se refiere a la capacidad de las organizaciones que gestionan infraestructuras críticas y tienen la responsabilidad de tomar decisiones y adoptar medidas que contribuyan a lograr la resiliencia descritas anteriormente, es decir, que ayuden a lograr una mayor solidez, redundancia, ingenio y rapidez. La dimensión social de la resiliencia consiste en medidas específicamente diseñadas para disminuir los efectos de los eventos extremos por parte de la población debido a la pérdida de infraestructuras críticas. Análogamente, la dimensión económica de la resiliencia se refiere a la capacidad de reducir tanto las pérdidas directas e indirectas de los eventos extremos.

El problema de estas cuatro dimensiones se pueden sumar de forma homogénea, con interrelaciones entre ellas. El reto consiste en cuantificar y medir la resiliencia en todas sus dimensiones, así como sus interrelaciones. Se trata de un problema de investigación de gran trascendencia y complejidad, que afecta al ciclo de vida de las infraestructuras desde el inicio de la planificación (Salas y Yepes, 2020).

Referencias:

ANWAR, G.A.; DONG, Y.; ZHAI, C. (2020). Performance-based probabilistic framework for seismic risk, resilience, and sustainability assessment of reinforced concrete structures. Advances in Structural Engineering, 23(7):1454-1457.

BRUNEAU, M.; CHANG, S.E.; EGUCHI, R.T. et al. (2003). A framework to quantitatively assess and enhance the seismic resilience of communities. Earthquake Spectra 19(4): 733–752.

SALAS, J.; YEPES, V. (2020). Enhancing sustainability and resilience through multi-level infrastructure planning. International Journal of Environmental Research and Public Health, 17(3): 962. DOI:10.3390/ijerph17030962

El misterio de los muros serpenteantes “crinkle crankle walls”

Figura 1. “Crinkle crankle wall” localizado en Bramfield, Suffolk. Wikipedia

A veces una imagen es muy eficaz para explicar un concepto aparentemente sencillo como la influencia del momento de inercia en la resistencia de una sección estructural. Para eso utilicé los llamados “muros serpenteantes“, también llamados “crinkle crankle walls“, muros que se popularizaron en el Reino Unido en el siglo XVIII. Lo digo porque el otro día puse en Twitter una pregunta aparentemente sencilla como la siguiente: ¿Por qué creéis que en Inglaterra a veces nos encontramos con este tipo de muros ondulados? ¿Se trata de algo decorativo? Tiene una explicación mucho más profunda. Es una pregunta típica que suelo hacer a mis estudiantes para que incentivarles al pensamiento crítico y para que puedan enlazar conceptos que aprendieron en otras asignaturas.

La sorpresa ha sido mayúscula. El tuit ha sido retuiteado y comentado muchísimo más de lo que esperaba. Muchas contestaciones han sido correctas. Otras, incluso siendo correctas, son muy creativas.

La verdad es que la forma ondulada permite un aumento considerable del momento de inercia de la sección, lo cual permite reducir las tensiones provocadas por el momento flector en la base. Esto permite reducir la cantidad de ladrillos necesarios en el caso de ser un muro recto: se tendría que realizar un muro doble y, probablemente, reforzar con algún pilar intermedio o contrafuerte, dependiendo de la altura del muro y de las acciones previstas, especialmente el viento. La solución, como veis, es bastante sencilla con unos conocimientos muy básicos de resistencia de materiales y cálculo estructural. Lo que es evidente, es que esta geometría precisa de cierta destreza por parte de los oficiales que ejecutan el muro, y algo más de tiempo.

Sin embargo, las respuestas recibidas van más allá de esta consideración. Os voy a comentar algunas de ellas para que veáis que la inteligencia colectiva, a veces, ofrece soluciones de los más creativas.

Por ejemplo, Amaia López nos ilustra un ejemplo de muro serpenteante que se encuentra en nuestro país, en concreto, en Caldes de Montbui (Barcelona).

Figura 2. Muro serpenteante en Caldes de Montbui (Barcelona). Fuente: Amaia López

Otros son más creativos, como Rafael Naranjo, que nos dice que podría ser la forma para defender ciertas posiciones en la batalla, aunque creo que en Inglaterra estos muros no tienen mucho que ver con este tipo de estrategias bélicas. También muchas respuestas han comentado el aumento de la estabilidad del muro, aunque para eso tenemos el cimiento, que debería ser quien asegurara este estado límite. Alguno se inclina por hablar de las ondas sísmicas y su afección al muro. Por cierto, alguien ha querido traducir “crinkle crankle” como “cigüeña arrugada”, aunque yo me quedo mejor con el nombre de “muro serpenteante”.

Metidos en Carretera (@MetEnCarretera) nos ofrece una explicación con el símil de algunas soluciones prefabricadas, para ganar canto sin incrementar el espesor del muro. Este es un buen ejemplo.

Figura 3. Ejemplo de muro prefabricado. Fuente: @MetEnCarretera

Otras explicaciones apuntan al efecto arco que presenta el muro, haciendo que los efectos de flexión se transformen en compresión. Eso me recuerda a la solución genial de Eduardo Torroja para la cubierta del hipódromo de la Zarzuela, aunque la diferencia es que el muro serpenteante tiene una sola curvatura, y la cubierta citada tiene doble curvatura. Una idea sería usar esta forma para muros de contención prefabricados. Ahí lo dejo.

Figura 4. Hipódromo de la Zarzuela. Wikipedia

Interesante la puntualización de Luis Bañón (@luisbanon) respecto al problema que pueden presentar estos muros delgado si choca frontalmente un vehículo debido al punzonamiento. Santiago Calvo nos da un motivo agrícola, como es la ampliación de la superficie de cultivo de fruta aprovechando las zonas de sombra que proporciona esta geometría, y también un motivo estético, como es su uso en la Universidad de Virginia. Quisco Mena, incluso argumenta que, además de la inercia, esta forma permite eliminar las juntas de dilatación.

Como resumen, no dejo de sorprenderme cada día en las redes sociales. A veces hay mucha tontería, pero otras veces se aprende. Este es un ejemplo de interactuar con mis estudiantes y abrir un debate interesante en redes.

Os dejo algunos vídeos de esta tipología de muro. También podéis ver muchas fotografías de esta tipología aquí: https://www.boredpanda.es/muros-ondulados/?utm_source=google&utm_medium=organic&utm_campaign=organic

 

Puentes mixtos: diseño, análisis de ciclo de vida, mantenimiento y toma de decisiones

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Advances in Civil Engineering,  revista indexada en el JCR. Se trata de un artículo de revisión del estado del arte de los puentes mixtos de hormigón y acero desde los puntos de vista del diseño, análisis del ciclo de vida, mantenimiento y toma de decisiones. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación DIMALIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

Los puentes mixtos de acero y hormigón se utilizan como alternativa a los puentes de hormigón debido a su capacidad de adaptar su geometría a las limitaciones de diseño y a la posibilidad de reutilizar algunos de los materiales de la estructura. En esta revisión del estado del arte, informamos de la investigación realizada sobre el diseño, el comportamiento, la optimización, los procesos de construcción, el mantenimiento, la evaluación del impacto y las técnicas de toma de decisiones de los puentes mixtos para llegar a un enfoque de diseño completo. Además de un análisis cualitativo, se utiliza un análisis multivariante para identificar las lagunas de conocimiento relacionadas con el diseño de los puentes y para detectar las tendencias de la investigación. Un objetivo adicional es hacer visibles las lagunas en el diseño sostenible de los puentes mixtos, lo que permite centrar los futuros estudios de investigación. Los resultados de esta labor muestran cómo la investigación se ha centrado en el diseño preliminar de puentes con un enfoque principalmente económico, mientras que a nivel mundial la preocupación se dirige a la búsqueda de soluciones sostenibles. Se ha comprobado que las estrategias de evaluación del impacto del ciclo de vida y de adopción de decisiones permiten a los gestores de los puentes mejorar la adopción de decisiones, en particular al final del ciclo de vida de los puentes mixtos.

Abstract

Steel-concrete composite bridges are used as an alternative to concrete bridges because of their ability to adapt their geometry to design constraints and the possibility of reusing some of the materials in the structure. In this review, we report the research carried out on the design, behavior, optimization, construction processes, maintenance, impact assessment, and decision-making techniques of composite bridges in order to arrive at a complete design approach. In addition to a qualitative analysis, a multivariate analysis is used to identify knowledge gaps related to bridge design and to detect trends in research. An additional objective is to make visible the gaps in the sustainable design of composite steel-concrete bridges, which allows us to focus on future research studies. The results of this work show how researchers have concentrated their studies on the preliminary design of bridges with a mainly economic approach, while at a global level, concern is directed towards the search for sustainable solutions. It is found that life cycle impact assessment and decision-making strategies allow bridge managers to improve decision-making, particularly at the end of the life cycle of composite bridges.

Reference:

MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2020). Steel-concrete composite bridges: design, life cycle assessment, maintenance and decision making. Advances in Civil Engineering, 2020, 8823370. DOI:10.1155/2020/8823370

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Optimización de muros de contrafuertes mediante algoritmo híbrido de enjambre de partículas y clustering

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Mathematics,  revista indexada en el primer cuartil del JCR. En este artículo se presenta un algoritmo híbrido de enjambre de partículas y clustering para optimizar el coste y las emisiones de CO2 de un muro de contrafuertes. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación DIMALIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

El diseño de los muros de contrafuertes es un problema de optimización combinatoria de interés debido a las aplicaciones prácticas relativas al ahorro de costos que implica el diseño y la optimización en la cantidad de emisiones de CO2 generadas en su construcción. Por otro lado, este problema presenta importantes retos en cuanto a complejidad computacional, pues involucra 32 variables de diseño, por lo que tenemos en el orden de 10^20 combinaciones posibles. En este artículo proponemos un algoritmo híbrido en el que se integra el método de optimización del enjambre de partículas que resuelve los problemas de optimización en espacios continuos con la técnica de clustering db-scan. Este algoritmo optimiza dos funciones objetivo: las emisiones de carbono y el costo económico de los muros de hormigón armado. Para evaluar la contribución del operador del db-scan en el proceso de optimización, se diseñó un operador aleatorio. Se comparan las mejores soluciones, los promedios y los rangos intercuartílicos de las distribuciones obtenidas. A continuación se comparó el algoritmo db-scan con una versión híbrida que utiliza k-means como método de discretización y con una implementación discreta del algoritmo de búsqueda de armonía. Los resultados indican que el operador db-scan mejora significativamente la calidad de las soluciones y que la metaheurística propuesta muestra resultados competitivos con respecto al algoritmo de búsqueda de armonía.

Abstract:

The design of reinforced earth retaining walls is a combinatorial optimization problem of interest due to practical applications regarding the cost savings involved in the design and the optimization in the amount of CO2 emissions generated in its construction. On the other hand, this problem presents important challenges in computational complexity since it involves 32 design variables; therefore we have in the order of 10^20 possible combinations. In this article, we propose a hybrid algorithm in which the particle swarm optimization method is integrated that solves optimization problems in continuous spaces with the db-scan clustering technique, with the aim of addressing the combinatorial problem of the design of reinforced earth retaining walls. This algorithm optimizes two objective functions: the carbon emissions embedded and the economic cost of reinforced concrete walls. To assess the contribution of the db-scan operator in the optimization process, a random operator was designed. The best solutions, the averages, and the interquartile ranges of the obtained distributions are compared. The db-scan algorithm was then compared with a hybrid version that uses k-means as the discretization method and with a discrete implementation of the harmony search algorithm. The results indicate that the db-scan operator significantly improves the quality of the solutions and that the proposed metaheuristic shows competitive results with respect to the harmony search algorithm.

Keywords:

CO2 emission; earth-retaining walls; optimization; db-scan; particle swarm optimization

Reference:

GARCÍA, J.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2020). The buttressed  walls problem: An application of a hybrid clustering particle swarm optimization algorithm. Mathematics, 8(6):862. https://doi.org/10.3390/math8060862

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Evaluación del impacto ambiental y social de puentes de carretera óptimos de hormigón postesado

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Sustainability,  revista indexada en JCR. En este artículo se evalúa el impacto social y ambiental de puentes de carretera óptimos de hormigón postesado. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación DIMALIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

La mayoría de las definiciones de sostenibilidad incluyen tres pilares básicos: económico, ambiental y social. El aspecto económico siempre se evalúa, pero no necesariamente en el sentido de la sostenibilidad económica. Por otra parte, el aspecto ambiental se está considerando cada vez más, mientras que el pilar social apenas se ha trabajado en él. Centrándose en los pilares ambiental y social, resulta crucial el uso de metodologías que permitan una evaluación amplia de todos los aspectos y la integración de la evaluación en unos pocos indicadores que sean comprensibles. Este artículo se estructura en dos partes. En la primera parte se hace un examen de los métodos de evaluación del impacto del ciclo de vida, que permiten una evaluación amplia de los aspectos ambiental y social. En la segunda parte, se realiza una evaluación completa de la sostenibilidad ambiental y social utilizando la base de datos de ecoinvent y el método ReCiPe, para el pilar ambiental, y la base de datos SOCA y el método simple de ponderación del impacto social, para el pilar social. Esta metodología se utilizó para comparar tres puentes optimizados: dos puentes de carretera de hormigón postensado de sección en cajón con diversas características iniciales y de mantenimiento, y un puente prefabricado de hormigón pretensado. Los resultados muestran que existe una alta interrelación entre el impacto ambiental y social para cada etapa del ciclo de vida.

Abstract

Most of the definitions of sustainability include three basic pillars: economic, environmental, and social. The economic pillar has always been evaluated but not necessarily in the sense of economic sustainability. On the other hand, the environmental pillar is increasingly being considered, while the social pillar is weakly developed. Focusing on the environmental and social pillars, the use of methodologies to allow a wide assessment of these pillars and the integration of the assessment in a few understandable indicators is crucial. This article is structured into two parts. In the first part, a review of life cycle impact assessment methods, which allow a comprehensive assessment of the environmental and social pillars, is carried out. In the second part, a complete environmental and social sustainability assessment is made using the ecoinvent database and ReCiPe method, for the environmental pillar, and SOCA database and simple Social Impact Weighting method, for the social pillar. This methodology was used to compare three optimized bridges: two box-section post-tensioned concrete road bridges with a variety of initial and maintenance characteristics, and a pre-stressed concrete precast bridge. The results show that there is a high interrelation between the environmental and social impact for each life cycle stage.

Keywords

 SustainabilityLCAS-LCAsocial assessmentecoinventSOCA

Reference:

PENADÉS-PLÀ, V.; MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; GARCÍA-SEGURA, T.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2020). Environmental and social impact assessment of optimized post-tensioned concrete road bridges. Sustainability, 12(10), 4265. DOI:10.3390/su12104265

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Optimización del mantenimiento del pavimento en carreteras mediante GRASP

La insuficiente inversión en el sector público junto con programas ineficaces de infraestructura de mantenimiento conducen a altos costos económicos a largo plazo. Por lo tanto, los responsables de la infraestructura necesitan herramientas prácticas para maximizar la eficacia a largo plazo de los programas de mantenimiento. En el artículo que os presento se describe una herramienta de optimización basada en un procedimiento híbrido de búsqueda aleatoria y adaptativa (GRASP) considerando la aceptación del umbral (TA) con restricciones relajadas. Esta herramienta facilita el diseño de programas de mantenimiento óptimos sujetos a restricciones presupuestarias y técnicas, explorando el efecto de diferentes escenarios presupuestarios en el estado general de la red. La herramienta de optimización se aplica a un estudio de caso, demostrando su eficiencia para analizar datos reales. Se demuestra que los programas de mantenimiento optimizado rinden un 40% más a largo plazo que los programas tradicionales basados en una estrategia reactiva. Para ampliar los resultados obtenidos en este estudio de caso, también se optimizaron un conjunto de escenarios simulados, basados en el rango de valores encontrados en el ejemplo real. El trabajo concluye que este algoritmo de optimización mejora la asignación de los fondos de mantenimiento con respecto a la obtenida con una estrategia reactiva tradicional. El análisis de sensibilidad de una gama de escenarios presupuestarios indica que el nivel de financiación en los primeros años es un factor impulsor a largo plazo de los programas de mantenimiento óptimo.

Referencia:

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. DOI:10.3846/13923730.2015.1120770

Os dejo a continuación la versión autor del artículo.

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Optimización de emisiones de CO2 y costes de muros de contrafuertes con el algoritmo del agujero negro

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Sustainability,  revista indexada en JCR. En este artículo minimizamos las emisiones de CO2 en la construcción de un muro de contrafuertes de hormigón armado usando la metaheurística del agujero negro (Black Hole Algorithm). El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación DIMALIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

La optimización del costo y de las emisiones de CO2 en los muros de contención de tierras es relevante, pues estas estructuras se utilizan muy frecuentemente en la ingeniería civil. La optimización de los costos es esencial para la competitividad de la empresa constructora, y la optimización de las emisiones es relevante en el impacto ambiental de la construcción. Para abordar la optimización se utilizó la metaheurística de los agujeros negros, junto con un mecanismo de discretización basado en la normalización mínimo-máxima. Se evaluó la estabilidad del algoritmo con respecto a las soluciones obtenidas; se analizaron los valores de acero y hormigón obtenidos en ambas optimizaciones. Además, se compararon las variables geométricas de la estructura. Los resultados muestran un buen rendimiento en la optimización con el algoritmo de agujero negro.

Abstract

The optimization of the cost and CO 2 emissions in earth-retaining walls is of relevance, since these structures are often used in civil engineering. The optimization of costs is essential for the competitiveness of the construction company, and the optimization of emissions is relevant in the environmental impact of construction. To address the optimization, black hole metaheuristics were used, along with a discretization mechanism based on min–max normalization. The stability of the algorithm was evaluated with respect to the solutions obtained; the steel and concrete values obtained in both optimizations were analyzed. Additionally, the geometric variables of the structure were compared. Finally, the results obtained were compared with another algorithm that solved the problem. The results show that there is a trade-off between the use of steel and concrete. The solutions that minimize CO 2 emissions prefer the use of concrete instead of those that optimize the cost. On the other hand, when comparing the geometric variables, it is seen that most remain similar in both optimizations except for the distance between buttresses. When comparing with another algorithm, the results show a good performance in optimization using the black hole algorithm.

Keywords

CO2 emission; earth-retaining walls; optimization; black hole; min–max discretization

Reference:

YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GARCÍA, J. (2020). Black hole algorithm for sustainable design of counterfort retaining walls. Sustainability, 12, 2767. DOI:10.3390/su12072767

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Valoración multicriterio de alternativas sostenibles para viviendas unifamiliares

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Journal of Cleaner Production, revista de ELSEVIER indexada en el primer decil del JCR.

En este artículo se presenta un estudio de tres alternativas estructurales diferentes que se aplican a un chalet adosado para facilitar la toma de decisiones, basándose en múltiples criterios y teniendo en cuenta la sostenibilidad. La metodología empleada permite identificar la estructura y evaluar las diferentes alternativas aquí propuestas para encontrar la opción óptima. Se compara una solución de referencia tradicional, un diseño prefabricado y, finalmente, una opción tecnológica basada en un sistema estructural integral de hormigón armado. El estudio proporciona un conjunto de indicadores para evaluar los aspectos ambientales, económicos y sociales de un edificio a lo largo de su ciclo de vida.

El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación DIMALIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

El artículo lo podéis descargar GRATUITAMENTE hasta el 25 de abril de 2020 en el siguiente enlace:

https://authors.elsevier.com/a/1ah94_LqUdMgSB

Abstract

In the architecture sector, single-family housing projects are often linked to demand from private clients, without arousing very much interest from developers, who seek higher returns on other real estate assets. For any owner, the construction of a home is perhaps the biggest investment of their life, and success or failure will therefore depend on the right decision. This paper presents a study of three different structural alternatives that are applied to a terraced house to facilitate decision making by a self-promoter, based on multiple criteria and taking sustainability into consideration. The methodology used allows us to identify the structure and to evaluate the different alternatives proposed here in order to find the optimal option. A comparison is drawn between a traditional reference solution, a pre-cast design and finally a technological option based on an integral reinforced concrete structural system. Although the technical feasibility of these last two solutions has been proven, they have not yet received enough attention from researchers to allow the thermal envelope of the building to be solved at the same time as the structure itself. The last of these alternatives achieved the best valuation, although it is neither the most widely used alternative or the quickest to build. This study demonstrates the practical versatility of a method that is seldom used in residential construction and only rarely used for single-family homes. We evaluate three alternatives for optimizing the structure and enveloping walls of a self-promoted, terraced house from a sustainability perspective. The study provides a set of indicators for assessing the environmental, economic and social aspects of a building throughout its life cycle. The sustainability index of the structural envelope obtained in this way allows a self-promoter to prioritize solutions to ensure its global sustainability.

Highlights

  • Each self-promoting decisions influence the global model of sustainable construction.
  • Self-construction prioritizes economic and functional aspects in the life cycle.
  • Three alternatives comparing traditional structure with non-conventional MMC systems.
  • A balance between the indicators favours a better sustainability index.
  • Reinforced concrete technology in housing reduces 10% lead times and 23% cost.

Keywords

Single-family house
Multi-criteria decision making
Sustainable design
MIVES
Ytong
Elesdopa

Reference:

SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; YEPES, V. (2020). Multi-criteria assessment of alternative sustainable structures for a self-promoted, single-family home. Journal of Cleaner Production, 258, 120556. DOI:10.1016/j.jclepro.2020.120556

Computación cuántica y gemelos híbridos digitales en ingeniería civil y edificación

La ciudad Estado de Singapur desarrolla una copia virtual de sí misma, un proyecto basado en big data, IoT, computación en la nube y realidad virtual. https://www.esmartcity.es/2019/03/22/singapur-gemelo-digital-posibilidades-ofrece-ciudad-inteligente-tener-copia-virtual-exacta

En menos de una década, gran parte de los ingenieros dejarán de hacer proyectos, tal y como lo conocemos ahora, y pasarán a ser gestores de gemelos híbridos digitales de infraestructuras.

Este podría ser un buen titular periodístico que, incluso podría parecer ciencia ficción, pero que tiene todos los visos de convertirse en realidad en menos tiempo del previsto. Se podría pensar que las tecnologías BIM o los modelos digitales actuales ya son una realidad, es decir, se trata de dar un nuevo nombre a lo que ya conocemos y está en desarrollo, pero de lo que estamos hablando es de un nuevo paradigma que va a revolver los cimientos de la tecnología actual en el ámbito de la ingeniería. Voy a desgranar esta conclusión explicando cada uno de los avances y los conceptos que subyacen al respecto.

La semana pasada tuve la ocasión de escuchar la conferencia magistral, en el Congreso CMMoST, de Francisco Chinesta, catedrático en la ENSAM ParisTech e ingeniero industrial egresado por la Universitat Politècnica de València. Trataba de un nuevo paradigma en la ingeniería basada en datos y no era otra que la de los gemelos híbridos digitales, un paso más allá de la modelización numérica y de la minería de datos. Este hecho coincidió con el anuncio en prensa de que Google había publicado en la prestigiosa revista Nature un artículo demostrando la supremacía cuántica, un artículo no exento de polémica, pues parece ser que se diseñó un algoritmo que tiene como objetivo generar números aleatorios mediante un procedimiento matemático muy complejo y que obligaría al superordenador Summit, que es actualmente el más potente del mundo gracias a sus 200 petaflops, a invertir 10.000 años en resolver el problema, que que el procesador cuántico Sycamore de 54 qubits de Google habría resuelto en tres minutos y 20 segundos.

Si nos centramos en la supuesta supremacía cuántica de Google, se debería matizar la noticia al respecto. En efecto, IBM ya se ha defendido diciendo que su ordenador Summit no se encuentra tan alejado, pues se ha resuelto un problema muy específico relacionado con generar números aleatorios y que parece que Sycamore sabe resolver muy bien. De hecho, IBM afirma que ha reajustado su superordenador y que ahora es capaz de resolver ese mismo problema en 2,5 días con un margen de error mucho menor que el ordenador cuántico. Aquí lo importante es saber si esta computación cuántica estará, sin trabas o límites, accesible a cualquier centro de investigación o empresa para resolver problemas de altísima complejidad computacional (problemas NP-hard como pueden ser los de optimización combinatoria). Tal vez los superordenadores convencionales servirán para resolver unos problemas específicos en tareas convencionales, y los cuánticos, imparables en resolver otro tipo de problemas. Todo se andará, pero parece que esto es imparable.

Por tanto, parece que el hardware necesario para la una computación ultrarrápida está o estará a nuestro alcance en un futuro no muy lejano. Ahora se trata de ver cómo ha cambiado el paradigma de la modelización matemática. Para ello podríamos empezar definiendo al “gemelo digital”, o digital twin. Se trata de un modelo virtual de un proceso, producto o servicio que sirve de enlace entre un ente en el mundo real y su representación digital que está utilizando continuamente datos de los sensores. A diferencia del modelado BIM, el gemelo digital no representa exclusivamente objetos espaciales, sino que también podría representar procesos, u otro tipo de entes sin soporte físico. Se trata de una tecnología que, según todos los expertos, marcarán tendencia en los próximos años y que, según el informe “Beyond the hype“, de KPMG, será la base de la cuarta Revolución Industrial.

https://www.geofumadas.com/por-que-usar-gemelos-digitales-en-la-construccion/

Sin embargo, el gemelo digital no es una idea nueva, pues a principios de este siglo ya la introdujo Michael Grieves, en colaboración con John Vickers, director de tecnología de la NASA. Esta tecnología se aplica al Internet de las Cosas, que se refiere a la interconexión digital de objetos cotidianos con internet. Además, se encuentra muy relacionada con la inteligencia artificial y con la minería de datosdata-mining“. Empresas como Siemens ya están preparando convertir sus plantas industriales en fábricas de datos con su gemelo digital, o General Electric, que cuenta ya con 800.000 gemelos digitales para monitorizar virtualmente la cadena de suministro.

Con todo, tal y como explicó el profesor Chinesta (Chinesta et al., 2018), existe actualmente un cambio de paradigma hacia los gemelos digitales híbridos que, extrapolando su uso, va a significar la gran revolución en la forma de proyectar y gestionar las infraestructuras, tal y como avancé al principio del artículo.

En efecto, los modelos utilizados en ciencia y en ingeniería son muy complejos. La simulación numérica, la modelización y la experimentación han sido los tres pilares sobre los que se ha desarrollado la ingeniería en el siglo XX. La modelización numérica, que sería el nombre tradicional que se ha dado al “gemelo digital” presenta problemas prácticos por ser modelos estáticos, pues no se retroalimentan de forma continua de datos procedentes del mundo real a través de la monitorización continua. Estos modelos numéricos (usualmente elementos finitos, diferencias finitas, volumen finito, etc.) son suficientemente precisos si se calibran bien los parámetros que lo definen. La alternativa a estos modelos numéricos son el uso de modelos predictivos basados en datos masivos big-data, constituyendo “cajas negras” con alta capacidad de predicción debido a su aprendizaje automáticomachine-learning“, pero que esconden el fundamento físico que sustentan los datos (por ejemplo, redes neuronales). Sin embargo, la experimentación es extraordinariamente cara y lenta para alimentar estos modelos basados en datos masivos.

El cambio de paradigma, por tanto, se basa en el uso de datos inteligentes “smart-data paradimg“. Este cambio se debe basar, no en la reducción de la complejidad de los modelos, sino en la reducción dimensional de los problemas, de la retroalimentación continua de datos del modelo numérico respecto a la realidad monitorizada y el uso de potentes herramientas de cálculo que permitan la interacción en tiempo real, obteniendo respuestas a cambios paramétricos en el problema. Dicho de otra forma, deberíamos poder interactuar a tiempo real con el gemelo virtual. Por tanto, estamos ante otra realidad, que es el gemelo virtual híbrido.

Por tanto, estamos ahora en disposición de centrarnos en la afirmación que hice al principio. La nueva tecnología en gemelos digitales híbridos, junto con la nueva capacidad de cálculo numérico en ciernes, va a transformar definitivamente la forma de entender, proyectar y gestionar las infraestructuras. Ya no se trata de proyectar, por ejemplo, un puente. Ni tampoco estamos hablando de diseñar un prototipo en 3D del mismo puente, ni siquiera de modelar en BIM dicha estructura. Estamos hablando de crear un gemelo digital que se retroalimentará continuamente del puente real, que estará monitorizado. Se reajustarán los parámetros de cálculo del puente con los resultados obtenidos de la prueba de carga, se podrán predecir las labores de mantenimiento, se podrá conocer con antelación el comportamiento ante un fenómeno extraordinario como una explosión o un terremoto. Por tanto, una nueva profesión, que será la del ingeniero de gemelos virtuales híbridos de infraestructuras será una de las nuevas profesiones que reemplazarán a otras que quedarán obsoletas.

Se tratará de gestionar el gemelo durante el proyecto, la construcción, la explotación e incluso el desmantelamiento de la infraestructura. Se podrán analizar cambios de usos previstos, la utilización óptima de recursos, monitorizar la seguridad, y lo más importante, incorporar nuevas funciones objetivo como son la sostenibilidad económica, medioambiental y social a lo largo del ciclo de vida completo. Este tipo de enfoque es el que nuestro grupo de investigación tiene en el proyecto DIMILIFE. Proyectos como puentes, presas, aeropuertos, redes de carreteras, redes de ferrocarriles, centrales nucleares, etc. tendrán su gemelo digital. Para que sea efectivo, se deberá prever, desde el principio, la monitorización de la infraestructura para ayudar a la toma de decisiones. Además, servirá para avanzar en la aproximación cognitiva en la toma de decisiones (Yepes et al., 2015).

Os paso a continuación un vídeo sobre el uso de los gemelos digitales en la ciudad de Singapur.

A continuación os pongo un vídeo sacado de la página de Elías Cueto, de la Universidad de Zaragoza, en la que vemos cómo se interactúa con un gemelo virtual de un conejo.

 

En este otro vídeo, el profesor Chinesta explica el cambio de paradigma del que hemos hablado anteriormente en el artículo.

¿Qué es la computación cuántica? Aquí tenemos un vídeo de Eduardo Sáenz de Cabezón:

Referencias:

Chinesta, F.; Cueto, E.; Abisset-Chavanne, E.; Duval, J.L. (2018). Virtual, Digital and Hybrid Twins: A New Paradigm in Data-Based Engineering and Engineered Data. Archives of Computational Methods in Engineering, DOI: 10.1007/s11831-018-9301-4

Yepes, V.; García-Segura, T.; Moreno-Jiménez, J.M. (2015). A cognitive approach for the multi-objective optimization of RC structural problems. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 15(4):1024-1036. DOI:10.1016/j.acme.2015.05.001

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Control de calidad en recepción. Planes de muestreo

En una entrada anterior resolvimos un problema concreto de un plan de muestreo por atributos. Sin embargo, para los que no estén familiarizados con la jerga y las definiciones de la estadística empleada en el control de calidad, me he decidido por subir unas transparencias que a veces utilizamos en clase para cuando tenemos que explicar los planes de muestreo.

Pero antes, voy a comentar brevemente algunos conceptos relacionados con el control de calidad, el control estadístico, el control de aceptación y el control del proceso, entre otros. Vamos a ello.

El control de calidad es la parte de la gestión de la calidad orientada al cumplimiento de los requisitos de los productos o los servicios. Se trata de un método de trabajo que permite medir las características de calidad de una unidad, compararlas con los estándares establecidos e interpretar la diferencia entre lo obtenido y lo deseado para poder tomar decisiones conducentes a la corrección de estas diferencias.

En el proceso proyecto-construcción, la comprobación de los requisitos exigibles de calidad se basa fundamentalmente en el control de la calidad. Los pliegos de condiciones técnicas definen, para cada unidad de obra, qué tipo de controles deben realizarse para dar por buena la correcta ejecución de una obra, atendiendo no sólo a los materiales, sino a su puesta en obra y terminación. La misma filosofía es aplicable a la propia redacción de los proyectos de construcción por parte de las empresas de consultoría.

Una forma de controlar la calidad se basa en la inspección o la verificación de los productos terminados. Se trata establecer un filtro sobre los productos antes que éstos lleguen al cliente, de forma que los que no cumplen se desechan o se reparan. Este control en recepción normalmente se realiza por personas distintas a las que realizan el trabajo de producción, en cuyo caso los costes pueden ser elevados y pueden no considerarse las actividades de prevención ni los planes de mejora. Se trata de un control final, situado entre el productor y el cliente, que presenta la ventaja de ser imparcial, pero que adolece de muchos inconvenientes como son el desconocimiento de las circunstancias de la producción, la no-responsabilización de producción por la calidad, la lentitud en el flujo de la información, etc.

Sin embargo, una inspección al 100% de todas las unidades producidas puede ser materialmente imposible cuando los ensayos a realizar son destructivos. En estos casos, se hace necesario tomar decisiones de aceptación o rechazo de un lote completo de producto en función de la calidad de una muestra aleatoria. Este control estadístico (Statistical Control) proporciona una menor información, e incluso presenta riesgos propios del muestreo, pero sin embargo resulta más económico, requiere menos inspectores, las decisiones se toman con mayor rapidez y el rechazo a todo el lote estimula a los proveedores a mejorar la calidad.

El control estadístico se asentó plenamente a partir de la Segunda Guerra Mundial, caracterizándose por la consideración de las características de calidad como variables aleatorias, por lo que se centra básicamente en la calidad de fabricación o de producción. Este tipo de control también se identifica con el interés en conocer las causas de variación y establecer, como consecuencia, procedimientos de eliminación sistemática de dichas causas para la mejora continua de la calidad.

El control estadístico puede aplicarse en el producto final, lo que sería el control de aceptación, o bien a lo largo del proceso de producción, lo cual comprende el control del proceso. El control estadístico de recepción supone el establecimiento de planes de muestreo con criterios de aceptación o rechazo claros sobre lotes completos en función de los ensayos realizados sobre una muestra aleatoria. Este control por muestreo puede realizarse por atributos basándose en la norma ISO-2859, o bien por variables según ISO-3951. En cuanto al control estadístico de procesos, herramientas como los gráficos de control (Quality Control Chart) permiten tomar decisiones cuando el proceso se encuentra fuera de control. Igualmente, los estudios de capacidad de los procesos permiten decidir la capacidad de éstos de producir dentro de los límites de las especificaciones de calidad contratadas.

Una empresa constructora debería reducir al mínimo los costes de una mala calidad asegurándose que el resultado de sus procesos cumplieran los requisitos pactados con el cliente. Por ello, para garantizar que el control de aceptación de los productos presenta éxito –el denominado control externo-, la empresa constructora debería organizar como una actividad propia, un conjunto de controles en su cadena de producción que garantizase la calidad de las unidades de obra –actividad que recibe el nombre de control interno-.

Tanto el control interno como el externo puede ser realizado por la propia empresa constructora, por el cliente o por una organización independiente contratada al efecto. Así, por ejemplo, el control del hormigón recibido por el contratista puede ser realizado por una entidad independiente, la ejecución de la ferralla puede controlarse por parte de la dirección facultativa, o bien, la propia empresa constructora puede realizar un control interno de la ejecución de la obra.

Os paso, por tanto, la presentación que he utilizado alguna vez en clase.

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