costes – El blog de Víctor Yepes

Algunas reflexiones sobre el impacto del cambio climático en el comportamiento de las infraestructuras

El diseño estructural de infraestructuras, como edificios y puentes, se basa en códigos que establecen los criterios necesarios para garantizar su resistencia a diversas condiciones climáticas y ambientales. Estos códigos se actualizan periódicamente para reflejar los avances científicos y tecnológicos. Sin embargo, el cambio climático plantea un desafío disruptivo, ya que altera las condiciones climáticas de manera impredecible, lo que cuestiona la suposición de que las cargas climáticas son estacionarias.

En estas líneas se aborda cómo la transición del diseño estructural basado en estados límites ha influido en la forma en que se tienen en cuenta las variables climáticas. También aborda las dificultades que surgen al integrar el cambio climático en los modelos de riesgo estructural y analiza la necesidad de ajustar los métodos de estimación y diseño para tener en cuenta la creciente incertidumbre sobre el futuro climático.

Estas reflexiones se enmarcan dentro del proyecto RESILIFE, que actualmente desarrollo como investigador principal, y se han basado en algunas ideas desarrolladas en el trabajo reciente de Ellingwood et al. (2024).

Los códigos estructurales establecen los criterios necesarios para diseñar edificios, puentes y otras infraestructuras capaces de resistir las demandas de uso y los eventos ambientales o climáticos, como la nieve, el hielo, las lluvias, las tormentas de viento e inundaciones fluviales y costeras. Para garantizar que reflejen los últimos avances en ciencia e ingeniería, estos códigos se actualizan periódicamente, generalmente cada 5 o 10 años.

En las últimas cuatro décadas, los códigos estructurales de todo el mundo, como el “Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures (ASCE 7-22)”, las “LRFD Bridge Design Specifications (AASHTO)”, el “International Building Code“, el “National Building Code of Canada” y los Eurocódigos, han adoptado los principios del diseño basado en estados límite. Durante este tiempo, los ingenieros estructurales y la normativa han reconocido la importancia de las herramientas de análisis de fiabilidad estructural y gestión del riesgo para modelar las incertidumbres asociadas a las cargas estructurales y la respuesta de las estructuras, y así garantizar un rendimiento adecuado en servicio (García-Segura et al., 2017). Con la transición del diseño basado en tensiones admisibles al diseño por estados límite, los criterios para las cargas climáticas han evolucionado gradualmente. Hasta ahora, estos criterios, basados en registros climáticos históricos y en evaluaciones de fiabilidad estructural, han tratado las cargas operativas y climáticas como estacionarias, asumiendo que el pasado es representativo del futuro.

El cambio climático plantea un desafío disruptivo y significativo para la evolución gradual de los códigos basados en el riesgo, así como para las prácticas de diseño estructural (ASCE, 2015a, 2018). La suposición de estacionariedad en el análisis de riesgos naturales deja de ser válida al tener en cuenta los efectos del cambio climático. Además, las incertidumbres asociadas a las proyecciones climáticas para el resto del siglo XXI son considerables, especialmente en lo que respecta a las cargas de viento, hielo y nieve (Tye et al., 2021). Las condiciones climáticas más agresivas podrían acelerar el deterioro estructural en ciertos casos, así como aumentar la intensidad y duración de los peligros. El cambio climático también ha suscitado controversia desde el punto de vista económico y político. Lograr consenso en los comités encargados de los códigos sobre el impacto del cambio climático en las infraestructuras requerirá una gestión técnica eficaz y una separación clara entre los aspectos políticos, como las causas del cambio climático, y los aspectos técnicos, como su impacto en las estructuras. Asimismo, podría haber oposición pública ante los costes adicionales que conlleven las modificaciones en los códigos climáticos. No obstante, ignorar los efectos del cambio climático en el comportamiento a largo plazo de las estructuras e infraestructuras podría incrementar el riesgo de daños y fallos, aumentar los costes de diseño, construcción y mantenimiento, agravar problemas de salud y seguridad públicas, interrumpir servicios esenciales y generar impactos socioeconómicos y ambientales negativos a nivel nacional.

Es fundamental abordar varias preguntas clave para considerar las exigencias del cambio climático en el desarrollo de los códigos estructurales. Entre ellas se encuentran (Ellingwood et al., 2024) :

¿Cómo se debe modelar la no estacionariedad en la ocurrencia e intensidad de los eventos climáticos extremos provocados por el cambio climático?
¿Cómo se deben integrar estas incertidumbres en un análisis de fiabilidad estructural dependiente del tiempo, con el fin de estimar el comportamiento futuro y demostrar el cumplimiento de los objetivos de rendimiento expresados en términos de fiabilidad?
¿Cómo se puede convencer a los ingenieros estructurales y al público en general de la necesidad de aceptar estos cambios en interés nacional (Cooke, 2015), incluso si en algunos casos los costes de los sistemas de infraestructura aumentan?

Problemas y desafíos en el análisis de datos climáticos para el diseño estructural

Las variables climáticas empleadas en los códigos estructurales se basan principalmente en datos históricos. Los vientos extratropicales, la nieve, la temperatura y las precipitaciones se analizan exclusivamente a partir de estos datos. En el caso de los huracanes, se integran datos históricos en un marco que modela su génesis en la cuenca del Atlántico Norte, su desarrollo hasta convertirse en huracanes plenamente formados que impactan en infraestructuras costeras y su disipación tras tocar tierra. Estos análisis suponen que las variables climáticas pueden evaluarse como si fueran estacionarias, es decir, que el pasado es representativo del futuro y que sus intensidades pueden determinarse en función de sus periodos de retorno. Los datos se han recopilado para fines distintos al diseño de edificaciones, como la aviación comercial, la hidrología local, la gestión de recursos hídricos y la agricultura, y generalmente abarcan menos de 100 años.

La mayoría de las variables climáticas incluidas en los códigos se suelen determinar ajustando el parámetro extremo anual a una distribución de probabilidad. Entre las distribuciones más comunes utilizadas para este propósito se encuentran la distribución Tipo I de valores máximos y la distribución generalizada de valores extremos. El periodo de retorno o intervalo medio de recurrencia de una carga se calcula como el recíproco de la probabilidad anual de que dicha carga se supere. El error de muestreo en la estimación de los eventos base de diseño en una secuencia estacionaria para periodos de retorno superiores a 100 años puede ser considerable. Sin embargo, las estimaciones de las medias de las muestras suelen ser razonablemente estables cuando se actualizan en intervalos típicos de 10 años con datos climáticos adicionales.

La suposición de estacionariedad en los datos no puede justificarse en un contexto de cambio climático (Pandey y Lounis, 2023), y el concepto de un evento asociado a un periodo de retorno específico no es aplicable en sentido estricto. El aumento (o disminución) de las variables climáticas, junto con la creciente incertidumbre en los modelos de predicción climática, especialmente a partir del año 2060, afectará a la forma de analizar y especificar los datos para fines de diseño estructural. Quizás lo más relevante sea el impacto que tendrá sobre la forma en que se comunicarán los peligros de diseño a la comunidad profesional de la ingeniería y a sus clientes (Cooke, 2015). Ellingwood et al. (2024) recuerdan claramente la confusión generada por el concepto de periodo de retorno cuando se introdujo a finales de la década de 1960. El periodo de retorno se concibió como una herramienta para reconocer que el parámetro de carga es aleatorio y para definir indirectamente la probabilidad anual de que se supere su intensidad de diseño, sin necesidad de recurrir a probabilidades pequeñas que no eran habituales entre los ingenieros estructurales de esa época. Esto podría explicar por qué algunos investigadores climáticos han intentado presentar sus estimaciones de parámetros utilizando el concepto de periodo de retorno (Ribereau et al., 2008; Salas y Obeysekera, 2014). Este problema requiere una reflexión cuidadosa al tratar con un clima cambiante, donde las probabilidades anuales no son constantes a lo largo de la vida útil de una estructura.

El crecimiento proyectado de las variables climáticas y sus incertidumbres más allá del año 2060 indica que será necesario desarrollar métodos para gestionar la incertidumbre epistémica -se refiere a la incertidumbre del modelo- en la estimación de parámetros, un aspecto que no se había tenido en cuenta previamente al estimar las variables climáticas para desarrollar códigos estructurales. Aunque la precisión de las técnicas generales de pronóstico climático ha mejorado gracias a la recopilación continua de datos, los modelos climáticos actuales son más capaces de predecir el impacto del cambio climático sobre la temperatura y las precipitaciones que sobre fenómenos como inundaciones, nevadas y vientos. Esto resulta problemático a la hora de considerar los niveles de probabilidad apropiados para el análisis de seguridad estructural.

Las futuras investigaciones podrían centrarse en el desarrollo de modelos más precisos para cargas climáticas específicas, como ciclones tropicales o sequías prolongadas, que aún presentan elevadas incertidumbres en sus proyecciones. Además, sería valioso explorar la aplicación de estos principios a sistemas de infraestructura emergentes, como redes de energía renovable o tecnologías de transporte resilientes. Por último, se sugiere investigar métodos para integrar datos climáticos en tiempo real en el diseño y seguimiento de infraestructuras, fomentando un enfoque dinámico y adaptable al cambio climático.

En resumen, los códigos estructurales establecen los criterios necesarios para diseñar infraestructuras capaces de resistir eventos climáticos como tormentas, nieve e inundaciones, y se actualizan periódicamente para reflejar los avances científicos y tecnológicos. Sin embargo, el cambio climático plantea un reto significativo, ya que altera las condiciones climáticas de manera impredecible, lo que hace que la suposición de estacionariedad que hasta ahora ha guiado el diseño estructural sea obsoleta. Este artículo explora cómo los códigos estructurales han evolucionado hacia un diseño basado en estados límite y la necesidad urgente de ajustar los métodos de análisis de riesgos ante la creciente incertidumbre climática. Además, se analizan los problemas derivados del uso exclusivo de datos históricos para modelar cargas climáticas y las dificultades que plantea el cambio climático a la hora de predecir eventos extremos. Finalmente, se destaca la necesidad de desarrollar nuevos modelos y enfoques analíticos que garanticen la seguridad de las infraestructuras en un entorno climático en constante cambio.

Os dejo un mapa conceptual sobre las reflexiones anteriores.

Referencias:

ASCE (2015). Adapting infrastructure and civil engineering practice to a changing climate. Committee on Adaptation to a Changing Climate. American Society of Civil Engineers.

ASCE (2018). Climate-resilient infrastructure: Adaptive design and risk management. Reston, VA: Committee on Adaptation to a Changing Climate. American Society of Civil Engineers.

Cooke, R. M. (2015). Messaging climate change uncertainty. Nature Climate Change, 5(1), 8-10.

Ellingwood, B. R., Bocchini, P., Lounis, Z., Ghosn, M., Liu, M., Yang, D., Capacci, L., Diniz, S., Lin, N., Tsiatas, G., Biondini, F., de Lindt, J., Frangopol, D.M., Akiyama, M., Li, Y., Barbato, M., Hong, H., McAllister, T., Tsampras, G. & Vahedifard, F. (2024). Impact of Climate Change on Infrastructure Performance. In Effects of Climate Change on Life-Cycle Performance of Structures and Infrastructure Systems: Safety, Reliability, and Risk (pp. 115-206). Reston, VA: American Society of Civil Engineers.

García-Segura, T., Yepes, V., Frangopol, D. M., & Yang, D. Y. (2017). Lifetime reliability-based optimization of post-tensioned box-girder bridges. Engineering Structures, 145, 381-391.

Pandey, M. D., & Lounis, Z. (2023). Stochastic modelling of non-stationary environmental loads for reliability analysis under the changing climate. Structural Safety, 103, 102348.

Ribereau, P., Guillou, A., & Naveau, P. (2008). Estimating return levels from maxima of non-stationary random sequences using the Generalized PWM method. Nonlinear Processes in Geophysics, 15(6), 1033-1039.

Salas, J. D., & Obeysekera, J. (2014). Revisiting the concepts of return period and risk for nonstationary hydrologic extreme events. Journal of hydrologic engineering, 19(3), 554-568.

Tye, M. R., & Giovannettone, J. P. (2021, October). Impacts of future weather and climate extremes on United States infrastructure: Assessing and prioritizing adaptation actions. Reston, VA: American Society of Civil Engineers.

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Redes neuronales y metamodelos Kriging para la optimización de la energía en puentes losa pretensados

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Sustainability, revista indexada en el JCR. El artículo evalúa la eficacia de las redes neuronales artificiales y los modelos sustitutos de Kriging para optimizar la energía incorporada de los puentes de losas pretensadas, y proporciona recomendaciones prácticas para mejorar el diseño y la sostenibilidad.

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

A continuación se recoge un resumen sintético del trabajo.

Introducción

La industria de la construcción contribuye significativamente al consumo mundial de energía y a las emisiones de gases de efecto invernadero, lo que suscita un interés creciente en mejorar las prácticas de sostenibilidad.
El hormigón pretensado destaca por sus ventajas, que incluyen la durabilidad, la reducción del mantenimiento y la rapidez de construcción, a pesar de los costes iniciales más altos en comparación con los métodos tradicionales.
Las investigaciones indican que existe una brecha en la optimización de la energía incorporada en los puentes de losas de hormigón, lo que exige una mayor exploración y metodologías innovadoras, como el Kriging y las redes neuronales artificiales, para optimizar su diseño de manera efectiva.

Descripción de la cubierta del puente de losa aligerada

Los diseñadores suelen utilizar una relación canto/luz de 1/25 para las losas de carreteras con el fin de garantizar su integridad estructural. Los diseños de losas aligeradas ofrecen ventajas en cuanto a rigidez a la flexión y adaptabilidad.
El estudio se centra en una configuración de losas aligeradas pretensadas adecuada para los pasos superiores, con el objetivo de mejorar la eficiencia del diseño y el rendimiento estructural.
La teoría del estado límite se emplea para verificar la resistencia estructural mediante el uso de software avanzado para el modelado tridimensional y el análisis de cargas.

Figura 2. Imagen aérea de la estructura, situada en Cocentaina (Alicante). Imagen: Google Maps.

Metodología

El estudio analiza varios materiales, incluidos tipos específicos de acero y calidades de hormigón, para optimizar el diseño del puente de losa aligerada.
Se utilizan dos metamodelos predictivos, Kriging y las redes neuronales, con el fin de optimizar el diseño propuesto del puente de losas.
La metodología incluye una fase de diversificación para la optimización inicial y una fase de intensificación para refinar los resultados, midiendo los errores de predicción mediante el error cuadrático medio (RMSE).

Metamodelo Kriging

Kriging se emplea para estimar las necesidades de energía del puente de losas, utilizando un enfoque determinista que proporciona respuestas consistentes basadas en los datos de entrada.
La «caja de herramientas Kriging de MATLAB» se utiliza para crear un modelo sustituto, y el LHS (LHS) mejora el proceso de muestreo para representar mejor el espacio de diseño.
Este método permite realizar pruebas computacionales eficientes y, al mismo tiempo, minimizar los errores sistemáticos, lo que lo hace adecuado para tareas complejas de optimización estructural.

Red neuronal artificial

Las ANN están estructuradas con capas de neuronas, donde las capas ocultas utilizan funciones sigmoideas para procesar las entradas y la capa de salida emplea funciones lineales para las predicciones.
El modelo de perceptrón multicapa (MLP) destaca por su capacidad para aproximar funciones de manera eficaz, basándose en el algoritmo de retropropagación para el entrenamiento.
El estudio hace hincapié en la importancia de la validación cruzada para evitar el sobreaprendizaje y garantizar que el rendimiento de la red neuronal sea sólido en los diferentes conjuntos de datos.

Visualización de los datos observados

La gráfica de contorno de los datos observados revela múltiples valores óptimos locales, lo que indica la complejidad del problema de optimización y las limitaciones de los modelos de regresión tradicionales.
Esta complejidad requiere el uso de modelos predictivos avanzados para identificar con precisión las soluciones óptimas dentro del espacio de diseño.

Comparación de modelos predictivos

Los modelos de Kriging son deterministas, mientras que las redes neuronales introducen variabilidad debido a que se basan en la selección aleatoria de datos para su entrenamiento y validación.
El rendimiento de la red neuronal se estabiliza mediante múltiples ejecuciones, lo que permite una comparación más fiable de los valores medios con las predicciones de Kriging.

Análisis de errores

El promedio de las predicciones de la red neuronal coincide estrechamente con los resultados del modelo de Kriging, aunque la red neuronal presenta un error cuadrático medio (MSE) y un error cuadrático medio (RMSE) más bajos.
El análisis destaca la necesidad de una evaluación exhaustiva de la capacidad de la red neuronal para identificar los valores óptimos, comparando las predicciones entre todos los puntos de datos.

Recomendaciones prácticas

El estudio proporciona recomendaciones prácticas para reducir las emisiones en los puentes de losas pretensadas, incluidas directrices específicas sobre el contenido de hormigón y refuerzo.
Los hallazgos sugieren que tanto las redes neuronales como las de Kriging pueden identificar eficazmente los valores óptimos locales, lo que ayuda a los ingenieros estructurales a optimizar los diseños para obtener beneficios económicos y ambientales.
Haciendo hincapié en la importancia de los modelos sustitutivos, la investigación aboga por su uso para perfeccionar los procesos de diseño y mejorar los resultados en materia de sostenibilidad.

Conclusiones

Se subraya la complejidad de la superficie de respuesta al consumo de energía, ya que tanto Kriging como las redes neuronales predicen valores superiores a los observados.
El modelo de Kriging muestra un error relativo menor en las predicciones óptimas locales en comparación con la red neuronal, que, sin embargo, muestra un rendimiento de RMSE superior.
El estudio concluye que, si bien Kriging proporciona resultados deterministas, las redes neuronales requieren múltiples iteraciones para estabilizar los resultados, lo que aporta información valiosa para optimizar los diseños estructurales.

ABSTRACT:

The main objective of this study is to assess and contrast the efficacy of distinct spatial prediction methods in a simulation aimed at optimizing the embodied energy during the construction of prestressed slab bridge decks. A literature review and cross-sectional analysis have identified crucial design parameters that directly affect the design and construction of bridge decks. This analysis determines the critical design variables to improve the deck’s energy efficiency, providing practical guidance for engineers and professionals in the field. The methods analyzed in this study are ordinary Kriging and a multilayer Perceptron neural network. The methodology involves analyzing the predictive performance of both models through error analysis and assessing their ability to identify local optima on the response surface. Results show that both models generally overestimate observed values. The Kriging model with second-order polynomials yields a 4% relative error at the local optimum, while the neural network achieves lower root-mean-square errors (RMSE). Neither the Kriging model nor the neural network provide precise predictions, but point to promising solution regions. Optimizing the response surface to find a local minimum is crucial. High slenderness ratios (around 1/28) and 40 MPa concrete grade are recommended to improve energy efficiency.

KEYWORDS:

bridges; embodied energy; optimization; prestressed concrete; artificial neural network; surrogate model; Kriging; sustainability

REFERENCE:

YEPES-BELLVER, L.; BRUN-IZQUIERDO, A.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2024). Artificial neural network and Kriging surrogate model for embodied energy optimization of prestressed slab bridges. Sustainability, 16(19), 8450; DOI:10.3390/su16198450

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Comunicaciones presentadas al 28th International Congress on Project Management and Engineering AEIPRO 2024

Durante los días 3-4 de julio de 2024 tiene lugar en Jaén (Spain) el 28th International Congress on Project Management and Engineering AEIPRO 2024. Es una buena oportunidad para debatir y conocer propuestas sobre dirección e ingeniería de proyectos. Nuestro grupo de investigación, dentro del proyecto de investigación HYDELIFE, presenta varias comunicaciones. A continuación os paso los resúmenes.

SÁNCHEZ-GARRIDO, A.; GUAYGUA, B.; VILLALBA, P.; YEPES, V. (2024). Ingeniería de proyectos basada en modelos de análisis multivariante. Aplicación al dimensionamiento de losas planas aligeradas. 28th International Congress on Project Management and Engineering, AEIPRO, 3-4 de julio, Jaén (Spain)

Esta investigación propone una metodología para dimensionar losas innovadoras de hormigón armado sin vigas, que permiten el uso eficiente de materiales. Utilizando un enfoque estadístico y modelos de regresión lineal, se proporcionan criterios para calcular el espesor de la losa aligerada con esferas o discos plásticos presurizados, minimizando el número de variables. Este espesor puede estimarse a partir de la luz principal entre apoyos, la altura del disco o el diámetro de la esfera, así como el uso previsto del edificio. El modelo final ajustado logra explicar el 98% de la variabilidad en el espesor de la losa para luces comprendidas entre 5 m y 16 m. Este tipo de forjado contribuye a la reducción del consumo de hormigón y acero, lo que resulta en una disminución del peso y las cargas aplicadas. Esto impacta directamente en los costos y mejora los indicadores ambientales en comparación con los sistemas tradicionales. Se presenta como una alternativa eficiente para edificaciones, permitiendo la combinación de parámetros estructurales, constructivos y sostenibles.

SÁNCHEZ-GARRIDO, A.; YEPES-BELLVER, L.; SAIZ, D.; YEPES, V. (2024). Ingeniería de proyectos en Modernos Métodos de Construcción: El caso de edificios con losas planas mediante elementos aligerantes multiaxiales. 28th International Congress on Project Management and Engineering, AEIPRO, 3-4 de julio, Jaén (Spain)

Los métodos modernos de construcción (Modern Methods of Construction, MMC), o como algunos llaman “construcción inteligente“, constituyen alternativas a la construcción tradicional. Esta nueva forma de construir implica, necesariamente, un cambio en la forma de dirigir los proyectos, que pasan a ser industrializados, donde la eficiencia estructural, constructiva y la sostenibilidad ambiental y social son protagonistas. El objetivo del artículo es identificar los aspectos característicos de estas construcciones innovadoras que influyen en la ingeniería de proyectos, integrando a grupos multidisciplinares como arquitectos, ingenieros estructurales y empresas constructoras. Para ello se realizará un estudio para el caso de edificios construidos con losas planas aligeradas mediante elementos aligerantes multiaxiales. Los resultados muestran que estos diseños permiten integrar el proyecto, la fabricación de elementos y el procedimiento constructivo. El proyecto de estas construcciones permite aligerar y reducir las cuantías de hormigón y acero en aquellas zonas de las losas donde la capacidad portante es insignificante. Además, se ha comparado este diseño con otros tradicionales, destacando una reducción de costes y un aumento de la sostenibilidad a lo largo del ciclo de vida.

YEPES-BELLVER, L.; MARTÍNEZ-PAGÁN, P.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2024). Análisis del predimensionamiento de tableros óptimos de puentes losa pretensados aligerados y su incidencia en el proyecto estructural. 28th International Congress on Project Management and Engineering, AEIPRO, 3-4 de julio, Jaén (Spain)

El proyecto estructural normalmente se basa en la experiencia del proyectista. En ocasiones, dicha experiencia se plasma en fórmulas de predimensionamiento que, si bien ofrecen buenos resultados, en ocasiones arrastran ineficiencias cuando se comparan con técnicas actuales de optimización que tenga en cuenta las dimensiones económicas y ambientales. En este artículo se comparan reglas de dimensionamiento previo de estructuras basadas en la experiencia con técnicas de optimización. Se aplica al caso del proyecto de tableros de puentes tipo losa pretensados aligerados. El resultado de la investigación resalta la importancia de aplicar métodos basados en la optimización heurística y en metamodelos para actualizar la experiencia de los proyectistas y proponer nuevas fórmulas de predimensionamiento más ajustadas a la optimización económica y ambiental. Además, en el trabajo se ofrecen nomogramas de predimensionamiento, con el mínimo número de datos posible, que pueden ser de utilidad al proyectista en sus diseños previos.

Os paso el vídeo de presentación del congreso.

Optimización de los costes de fabricación de vigas híbridas de chapa de acero soldadas

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Advances in Civil Engineering (revista indexada en el JCR) donde se optimizan las vigas de acero híbridas para minimizar los costos de fabricación. El estudio se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

El objetivo del artículo es optimizar las vigas de acero híbridas transversal-longitudinalmente (TLH) para minimizar los costos de fabricación, basándose en investigaciones anteriores sobre vigas híbridas transversalmente. Explora la ubicación de los puntos de transición en las vigas TLH para maximizar las ventajas de la configuración mecánica, y ofrece recomendaciones para establecer transiciones y configuraciones de acero en función de los niveles de tensión y las longitudes de los elementos.

La metodología implica definir estudios de casos, modelar estructuras híbridas transversales y longitudinalmente, formular un problema de optimización para explorar las configuraciones de TLH y establecer restricciones de diseño. El estudio utiliza técnicas de optimización para determinar el número y las posiciones óptimos de los puntos de transición a lo largo del elemento, así como las configuraciones de los materiales para los diferentes tramos de vigas TLH.

Las conclusiones más importantes de este trabajo son las siguientes:

El estudio muestra los beneficios económicos de las vigas de acero híbridas transversal-longitudinalmente (TLH) en comparación con los diseños homogéneos tradicionales y optimizados, y muestra una reducción de costos de fabricación de más del 50%.
Se ha descubierto que las configuraciones TLH son más eficaces para elementos de mayor envergadura, con recomendaciones específicas para los puntos de transición y las configuraciones de materiales en función de los niveles de tensión.
La metodología propuesta ofrece un enfoque de diseño sostenible al optimizar los elementos del TLH para mejorar los índices económicos y las consideraciones ambientales, lo que allana el camino para futuras investigaciones sobre el comportamiento estructural, el análisis conjunto y la implementación más amplia de criterios de sostenibilidad.

Abstract:

I-section girders with different types of steel in the flanges and web (fyf > fyw, respectively) are known as transverse hybrid girders. These have proven to be more economical than their homogeneous counterparts. However, the use of hybrid configurations in the longitudinal direction of the element has yet to be studied. This paper uses optimization techniques to explore the possibility of constructing transverse and longitudinally hybrid (TLH) steel girders. The optimization objective is to minimize the manufacturing cost, including seven activities besides the material cost. The geometrically double symmetric I-girder design subjected to a uniform transverse load is performed using Eurocode 3 specifications. Nine case studies are implemented, varying the element span (L) and the applied load. The results show that establishing various configurations along the length of the element is beneficial. The optimum number of transition points is six, meaning the girder will have four configurations, i.e., one central and three others symmetrically distributed toward each half of the element. The optimum position for the first transition would be at (L/2), the second at (L/2), and the third at (L/2). The optimum extreme configuration is usually homogeneous (fyf = fyw = 235 MPa). The others increase the steel quality in the plates, maintaining hybrid arrangements to reach the central one that usually remains with S700 steel for the flanges and S355 for the web. The study shows that TLH configurations are more effective for elements with larger spans. By applying the formulated design recommendations in a different case study, the manufacturing cost dropped by over 50% compared to the traditionally designed element and by more than 10% relative to the optimized element with a homogeneous configuration. The study’s limitations and encouraging results suggest future lines of research in this area.

Reference:

NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2024). Optimized Transverse-Longitudinal Hybrid Construction for Sustainable Design of Welded Steel Plate Girders. Advances in Civil Engineering, 2024:5561712. DOI:10.1155/2024/5561712.

Como la publicación está en abierto, os la dejo para su descarga.

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Evaluación de alternativas para la rehabilitación de pilares de hormigón armado en zona sísmica

Acaban de publicarnos un artículo en el Journal of Cleaner Production, revista indexada en el primer decil del JCR. El trabajo evalúa las alternativas de reacondicionamiento de columnas de hormigón armado en una región de alto riesgo sísmico, comparando, el recrecimiento de la sección de hormigón, el encamisado de acero y el refuerzo con fibra de carbono. El estudio destaca la importancia de tener en cuenta todas las etapas en la evaluación del ciclo de vida a la hora de rehabilitar edificios, incluidas las consideraciones de diseño, pruebas, construcción, uso y final de la vida útil. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

Las contribuciones de este trabajo de investigación son las siguientes:

Evalúa las alternativas de reacondicionamiento de columnas de hormigón armado en una región de alto riesgo sísmico, comparando el recrecido de hormigón, el encamisado de acero y el refuerzo con fibra de carbono.
Realiza un análisis exhaustivo para evaluar los impactos económicos y ambientales mediante evaluaciones del ciclo de vida.
Presenta una jerarquía estructurada de criterios e indicadores para la evaluación de las opciones de modernización, lo que ayuda a los técnicos y a los responsables de la toma de decisiones.
El encamisado de acero se consideran la mejor opción debido a su rendimiento equilibrado en todos los criterios, mientras que los recrecidos de hormigón se consideran menos favorables debido a su elevado impacto ambiental y funcional. La rehabilitación con fibra de carbono es una alternativa viable con un menor impacto medioambiental y una mayor funcionalidad, a pesar de los importantes costes de las materias primas.

Abstract

The critical earthquakes of the last few years highlight the urgent seismic retrofitting of existing buildings due to their aging or inadequate design. This paper aims to evaluate reinforced concrete column retrofit alternatives in a region of high seismic risk. When deciding between various building retrofit options, significant economic, environmental, and functional factors must be considered. The study uses a cradle-to-grave analysis to examine the economic and environmental impacts through life cycle assessments. Specifically, the life-cycle performance of three classic alternatives for rehabilitating columns lacking adequate confinement is compared: concrete jacketing, steel jacketing, and carbon fiber incorporation. The research adopts a holistic approach using multi-criteria decision-making methods, integrating economic, environmental, and functional criteria. A set of criteria and indicators is presented in a structured hierarchy that facilitates the orderly evaluation of alternatives. The results suggest that steel jacketing is preferred, as it presents a balanced performance in most criteria. The incorporation of carbon fiber is viable due to its low environmental and functional impact, although the high production costs of the raw materials limit it. In contrast, concrete jacketing has the highest environmental and functional impacts, making it the least favorable option. The results of this study will provide relevant information for engineers and decision-makers to select the most suitable options for building retrofit when considering several simultaneous perspectives.

Keywords:

Construction, CFRP, Decision making, Life cycle assessments, MCDM, Retrofit, Sustainable design.

Reference:

VILLALBA, P.; SÁNCHEZ-GARRIDO, A.; YEPES, V. (2024). Life cycle evaluation of seismic retrofit alternatives for reinforced concrete columns. Journal of Cleaner Production, 455:142290. DOI:10.1016/j.jclepro.2024.142290

Os podéis descargar gratuitamente el artículo, pues está publicado en acceso abierto.

Descargar (PDF, 4.6MB)

Optimización energética de tableros tipo losa pretensados aligerados mediante modelos Kriging

El objetivo de este trabajo es desarrollar una metodología para optimizar la energía en la construcción de tableros losa pretensado aligerados. Se lleva a cabo un análisis de la sección transversal para determinar los parámetros de diseño a través de un estudio del estado del arte. A partir de ese análisis, se identifican las variables de diseño que mejorarán la eficiencia energética del tablero. La metodología se divide en dos fases: primero, se utiliza una técnica estadística llamada hipercubo latino para muestrear las variables del tablero y determinar una superficie de respuesta; y en segundo lugar, se optimiza la superficie de respuesta mediante un modelo de optimización basado en Kriging. Como resultado, se ha desarrollado una metodología que reduce el costo energético en la construcción de tableros losa pretensado aligerados. Las recomendaciones para mejorar la eficiencia energética incluyen emplear esbelteces elevadas (alrededor de 1/28), reducir el consumo de hormigón y armadura activa, y aumentar la cantidad de armadura pasiva.

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

Palabras clave:

Optimización; energía; puentes; Kriging; metamodelos; sostenibilidad

Agradecimientos:

This research was funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033, grant number PID2020-117056RB-I00 and The APC was funded by ERDF A way of making Europe.

Referencia:

BRUN-IZQUIERDO, A.; YEPES-BELLVER, L.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2023). Optimización energética de tableros tipo losa pretensados aligerados mediante modelos Kriging. 27th International Congress on Project Management and Engineering, AEIPRO, 10-13 de julio, Donostia/San Sebastián (Spain), pp. 426-437. DOI:10.61547/3374

A continuación os dejo un vídeo donde presentamos el trabajo. Espero que os sea de interés.

Os dejo la comunicación completa, pues está publicada en abierto.

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Durabilidad y rediseño de un puente de hormigón en ambiente costero mediante un método no destructivo de detección de daños

Durante los días 10-13 de julio de 2023 tuvo lugar en Donostia-San Sebastián (Spain) el 27th International Congress on Project Management and Engineering AEIPRO 2023. Fue una buena oportunidad para debatir y conocer propuestas sobre dirección e ingeniería de proyectos. Nuestro grupo de investigación, dentro del proyecto de investigación HYDELIFE, presenta varias comunicaciones. A continuación os paso la primera de las comunicaciones presentadas. Cabe destacar que este trabajo recibió el accésit del Premio “Jaume Blasco” a la innovación, por lo que hay que felicitar al doctorando Mehrdad Hadizadeh-Bazaz por el extraordinario trabajo realizado. A ello hay que sumar el Premio que recibió al mejor trabajo en la modalidad de póster otorgado por la Escuela de Doctorado de la Universitat Politècnica de València, dentro del VIII Encuentro de Estudiantes de Doctorado.

Durante algún tiempo, los expertos y los gobiernos han estado enfocados en reducir los costos de reparación y mantenimiento de estructuras cruciales como los puentes a través de un enfoque continuo en el mantenimiento y la reparación. En este estudio, se investiga la rentabilidad de dos métodos de predicción de daños: el método de densidad espectral de potencia (PSD) en comparación con el método convencional de detección de daños a través del rediseño de diferentes espesores de recubrimiento de hormigón para un puente costero de hormigón armado.

El estudio evalúa el impacto de los iones cloruro en la ubicación y extensión de los daños a lo largo de la vida útil del puente, y compara los costos totales de mantenimiento y reparación. Los resultados revelan que si bien el método PSD es efectivo para estructuras con recubrimientos de hormigón bajos, aumentar el espesor del recubrimiento de hormigón puede dar lugar a mayores costes de reparación.

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

Palabras clave:

Evaluación del costo del ciclo de vida, métodos no destructivos de detección de daños, puente costero de hormigón, corrosión del acero, corrosión por cloruros, técnicas de mantenimiento y reparación.

Agradecimientos:

This research was funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033, grant number PID2020-117056RB-I00 and The APC was funded by ERDF A way of making Europe.

Referencia:

HADIZADEH-BAZAZ, M.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2023). Durability assessment and re-design of coastal concrete bridge through a non-destructive damage detection method. 27th International Congress on Project Management and Engineering, AEIPRO, 10-13 de julio, Donostia/San Sebastián (Spain), pp. 386-401. DOI:10.61547/3371

A continuación os dejo un vídeo donde presentamos el trabajo. Espero que os sea de interés.

Os dejo la comunicación completa, pues está editada en abierto. Espero que os sea de interés.

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Maquinaria y procedimientos de construcción: Problemas resueltos

Os presento el libro que he publicado sobre maquinaria y procedimientos de construcción. Se trata de una completa colección de 300 problemas resueltos, abarcando aspectos relacionados con la maquinaria, medios auxiliares y procedimientos de construcción. Su contenido se enfoca en la mecanización de las obras, costos, disponibilidad, fiabilidad y mantenimiento de equipos, estudio del trabajo, producción de maquinaria, sondeos y perforaciones, técnicas de mejora del terreno, control y abatimiento del nivel freático, movimiento de tierras, equipos de dragado, explosivos y voladuras, excavación de túneles, instalaciones de tratamiento de áridos, compactación de suelos, ejecución de firmes, maquinaria auxiliar como bombas, compresores o ventiladores, cables y equipos de elevación, cimentaciones y vaciados, encofrados y cimbras, fabricación y puesta en obra del hormigón, organización y planificación de obras.

Es un libro, por tanto, muy enfocado a los ámbitos de la ingeniería de la construcción, tanto en el ámbito de la edificación, de la minería o de la ingeniería civil. Además, se incluyen 27 nomogramas originales y 19 apéndices para apoyar tanto a estudiantes de ingeniería o arquitectura, como a profesionales que enfrentan desafíos similares en su práctica diaria en obra o proyecto. La colección se complementa con un listado de referencias bibliográficas que respaldan los aspectos teóricos y prácticos abordados en los problemas. Estos problemas son similares a los tratados durante las clases de resolución de casos prácticos en la asignatura de Procedimientos de Construcción del Grado en Ingeniería Civil de la Universitat Politècnica de València (España). Por tanto, el libro resulta adecuado tanto para estudiantes de grado como para cursos de máster relacionados con la ingeniería civil y la edificación.

El libro tiene 562 páginas. Este libro lo podéis conseguir en la propia Universitat Politècnica de València o bien directamente por internet en esta dirección: https://www.lalibreria.upv.es/portalEd/UpvGEStore/products/p_376-7-1

Sobre el autor: Víctor Yepes Piqueras. Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Catedrático de Universidad del Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Civil de la Universitat Politècnica de València. Número 1 de su promoción, ha desarrollado su vida profesional en empresas constructoras, en el sector público y en el ámbito universitario. Ha sido director académico del Máster Universitario en Ingeniería del Hormigón (acreditado con el sello EUR-ACE®), investigador del Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH) y profesor visitante en la Pontificia Universidad Católica de Chile. Imparte docencia en asignaturas de grado y posgrado relacionadas con procedimientos de construcción y gestión de obras, calidad e innovación, modelos predictivos y optimización en la ingeniería. Sus líneas de investigación actuales se centran en la optimización multiobjetivo, la sostenibilidad y el análisis de ciclo de vida de puentes y estructuras de hormigón.

Referencia:

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

A continuación os paso las primeras páginas del libro, con el índice, para hacerse una idea del contenido desarrollado.

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Trabajo Fin de Máster sobre movilidad y aparcamientos disuasorios en el área metropolitana de Valencia

Figura 1. Defensa del TFM “Estudio para la ubicación y diseño estructural de un aparcamiento disuasorio en altura en el área metropolitana de Valencia”, cuyo autor es Víctor José Yepes Bellver.

El miércoles 27 de septiembre de 2023 tuvo lugar la defensa del trabajo fin de máster sobre un estudio para la ubicación y diseño estructural de un aparcamiento disuasorio en altura en el área metropolitana de Valencia. Su autor fue Víctor José Yepes Bellver y los directores, Julián Alcalá González y Mª Rosa Arroyo López. Este trabajo obtuvo la máxima calificación de Sobresaliente 10, Matrícula de Honor. Esta es la culminación de su trayectoria académica de graduado en ingeniería civil y máster en ingeniería de caminos, canales y puertos cursados en la Universitat Politècnica de València.

Este proyecto se enfoca en la sostenibilidad y la movilidad urbana, con el objetivo de reducir las emisiones contaminantes, disminuir la congestión vehicular y minimizar el ruido en la ciudad. Se trata del diseño de un aparcamiento innovador que promoverá el uso del transporte público al proporcionar una solución eficiente para dejar los vehículos privados en las afueras de la ciudad y facilitar el acceso al centro. Un paso importante hacia un entorno urbano más limpio, tranquilo y sostenible en Valencia.

¡Enhorabuena a todos, especialmente a Víctor José!

Figura 2. Directores del TFM: Julián Alcalá González (izquierda) y Mª Rosa Arroyo López (derecha)

Figura 3. Miembros del tribunal de defensa: José Bernardo Serón Gáñez (izquierda) y José Vicente Martí Albiñana (derecha)

Orden Circular 4/2023 Procedimiento para la justificación de precios en la Dirección General de Carreteras y base de precios de apoyo

Ha sido para mí un placer participar en la redacción de parte de la Orden Circular 4/2023 sobre procedimiento para la justificación de precios en la Dirección General de Carreteras y base de precios de apoyo. El reto ha consistido en presentar de forma explícita la metodología subyacente que permite la justificación del precio de las unidades de obra. En este caso, aparecen una serie de novedades que creo que son de interés para el sector. Aparece el concepto de unidades de ejecución complejas o atípicas, donde el empleo de medios singulares las aparta de una construcción estandarizada. También aparece, por vez primera, el concepto de unidades determinantes, que van a ser las que soporten la mayor parte del importe del presupuesto de una obra. Pues bien, en estos dos casos, se obliga a una justificación expresa y detallada de las unidades de obra. Solo para los casos del resto de unidades, se aporta la base de precios como un apoyo para la justificación de los precios, sin que tampoco deba considerarse como un objetivo de precio concreto a utilizar.

Un aspecto también importante ha sido dejar claros conceptos que se manejaban, con el paso del tiempo, de forma inadecuada. Un ejemplo es el Cuadro de Precios N.º 2, donde se prohíbe de forma expresa su desglose en las siguientes categorías genéricas: mano de obra, maquinaria, resto de obra, materiales y costes indirectos.

El documento presenta, también, una serie de anexos que complementan el procedimiento, en las que he participado especialmente en el Anexo 4:

Anexo 1: Convenios colectivos del sector de la construcción según provincias.
Anexo 2: Listado de precios básicos de los principales materiales.
Anexo 3: Justificación de precios de unidades de ejecución de obra. Ejemplos.
Anexo 4: Método simplificado de cálculo de producción de una máquina.
Anexo 5: Base de precios de apoyo de la D.G.C.

La redacción de este documento ha sido fruto del esfuerzo de un grupo de trabajo perteneciente a la Subdirección General de Proyectos y Obras de la Dirección General de Carreteras del Ministerio de Transportes, Movilidad y Agenda Urbana. Mi especial agradecimiento a la confianza depositada en mi persona por parte de su titular D. Fernando Pedrazo Majárrez. También se ha contado con el soporte del encargo a INECO, con la participación expresa de D. José Manuel Sáez Serrano, Dña. María del Consuelo Martín Galán y D. Javier Fernández Pedroche, entre otro personal. Igualmente, se ha contado con la participación en el grupo del trabajo del Comité de Construcción y la Comisión de Maquinaria de SEOPAN. Mi agradecimiento personal a todos ellos, pues su visión y aportes son de gran interés para el documento.

Por último, mi recomendación es que se lea con detenimiento el documento, pues existen modificaciones que deberían tenerse en cuenta a partir de este momento. Además, tal y como se ha establecido en estas reuniones, el objetivo es mejorar paulatinamente el documento en futuras ediciones. Por mi parte, este documento lo voy a poner a circular entre mis estudiantes en la Escuela de Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos para su aplicación inmediata en TFGs y TFMs.

Además, para los que estéis interesados, un desarrollo completo sobre los temas de costes y producción de los equipos los podéis seguir en el siguiente curso: https://ingeoexpert.com/cursos/curso-de-gestion-de-costes-y-produccion-de-la-maquinaria-empleada-en-la-construccion/

Os dejo, para su descarga, el documento completo. Espero que os sea de interés.

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