Figura 1. Sismo del 3 de noviembre de 2020, con epicentro en Relleu
Hoy mismo nos hemos despertado con la noticia de un terremoto de magnitud 3,6 en la escala de Richter y epicentro en Relleu que se ha dejado notar en todo el norte de la provincia de Alicante, según el departamento de Sismología del Instituto Geográfico Nacional (Figura 1). Tuvo lugar a las 5:25 de la madrugada, durando aproximadamente los temblores cinco segundos. Han habido varias réplicas. Los temblores se han sentido en Alcoy y otros pueblos cercanos con movimiento de lámparas y camas, aunque sin daños personales o materiales de los que se tenga constancia. Este movimiento es el tercero percibido en la provincia de Alicante en poco más de 24 horas, tras los dos con epicentro en aguas del Mediterráneo, frente a Torrevieja (magnitud 2,6 en la escala Ritcher el domingo y 2,5 el del lunes).
Si observamos el mapa de sismicidad de la Península Ibérica y de las zonas próximas, comprobamos que el sur-sureste se encuentra en zona de alto riesgo (Figura 2). Nos encontramos en el borde entre la placa tectónica euroasiática y la africana, que se encuentran en colisión.
Figura 2. Sismicidad de la península ibérica y zonas próximas. http://www.ign.es/web/resources/sismologia/www/dir_images_terremotos/mapas_sismicidad/sismicidad.jpg
De hecho, el Instituto Geográfico Nacional recoge alguno de los episodios más graves habidos (Tabla 1), destacando con mucho el ocurrido el 1 de noviembre de 1755 al SW del Cabo San Vicente, que produjo un tsunami de casi 15 m de altura, con efecto a Europa occidental y norte de África. Fue de intensidad X, magnitud 8,5 y produjo unos 15000 muertos.
Tabla 1. Terremotos más importantes. https://www.ign.es/web/ign/portal/terremotos-importantes
Para aclarar algo más este tema, hay que distinguir entre la magnitud y la intensidad de un sismo. La magnitud mide la energía liberada, mientras la intensidad es una descripción cualitativa de los efectos, que ocurren en superficie. Si bien la magnitud se ha medido con las fórmulas originales de la escala Richter, hoy en día se hacen nuevos análisis de la magnitud basado en las ondas sísmicas. Os dejo a continuación la Figura 3, donde aparecen los terremotos más grandes acaecidos, con su magnitud y energía descargada equivalente.
Figura 3. Lista de terremotos de mayor magnitud. https://ecoexploratorio.org/amenazas-naturales/terremotos/magnitud-intensidad-y-aceleracion/#prettyPhoto/4/
¿Cuál es la razón del titular de este artículo? En primer lugar, por ser Alcoy mi pueblo natal. Pero, sobre todo, porque la memoria colectiva es muy corta. Quiero hacer referencia a algunos episodios que ocurrieron y que provocaron una verdadera calamidad no hace tampoco tanto tiempo.
El primer terremoto al que quiero referirme en Alcoy, tuvo lugar el 2 de diciembre de 1620, con una intensidad de VII-VIII, y unos días después, el 14 de diciembre, otro con una intensidad de V. El 26 de septiembre de 1793, el 2 de noviembre de 1819, el 8 de noviembre de 1882 y el 21 de enero de 1931 ocurrieron terremotos de intensidad V. Como vemos, terremotos de intensidad V o superior están bien documentados.
De todos los terremotos ocurridos en Alcoy, el del 1620 fue especialmente grave. Tanto fue así que los alcoyanos nombraron a San Mauro como patrono del pueblo. Las crónicas, recogidas en el Archivo Municipal de Alcoy, fueron escritas por Alonso García Molero, que la dedicó al corregidor de la ciudad de Granada, donde fue impreso en 1621.
¡Qué casualidad que quede menos de un mes del 400 aniversario de esta tragedia! Según cuenta en cronista Carbonell: “Poco después de las oraciones del Ave María, se sintió un terremoto tan estupendo que hoy referirse no puede ser, sin liquidarse el corazón por los ojos, pues es el mayor que ha visto el mundo después que murió Cristo Redentor nuestro”. Para medir la importancia de aquel terremoto, se pueden ver los daños que ocasionó a la arquitectura religiosa: se partió la Iglesia Parroquial por la mitad; el Convento de San Agustín fue arrasado en un instante (arcos de sillería destrozados, tres torres derrumbadas, el coro desplomado sobre tres religiosos…); el Monasterio de San Francisco se abrió como una granada, muriendo siete mujeres y un niño; víctimas por toda la ciudad, destacando las 22 de la Calle del Portal… Como en otras ocasiones, el desastre natural ocurrió de noche. Cuentan que las casas chocaban unas con otras al desplomarse; la gente salía de ellas con los niños en brazos y los ancianos al cuello; algunos con la mujer desmayada; los más rodaban por el suelo y los gritos de los sepultados y los bramidos de los irracionales, que no pudieron salir de los establos, se escuchaban por toda la ciudad.
Todo lo anterior nos lleva al «leit motiv» del presente artículo. Al igual que otras tragedias como riadas o inundaciones, los sismos son acontecimientos que ocurren y que requieren de una planificación previa y de estrategias técnicas que reduzcan los efectos de este tipo de acontecimientos. La teoría del «cisne negro» parece más actual que nunca.
A continuación recojo uno de los primeros trabajos que hizo nuestro grupo de investigación en el año 2005 sobre optimización heurística de estructuras de hormigón. Se trata de la optimización mediante varias heurísticas (máximo gradiente, aceptación por umbrales y recocido simulado) de un pórtico de paso de carretera de hormigón armado. En este caso se consideraron 28 variables para definir una solución de pórtico. Este artículo se publicó en la revista Hormigón y Acero. Espero que os sea de interés.
Referencia:
CARRERA, J.M.; ALCALÁ, J.; YEPES, V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2005). Optimización heurística de pórticos de paso de carretera de hormigón armado.Hormigón y Acero, 236: 85-95.
Os dejo a continuación un ejemplo sencillo de aplicación de la técnica AHP de toma de decisiones dirigida a la selección de alternativas en la construcción de un puente mixto en cajón. Se trata de un caso que utilizamos con nuestros estudiantes para enseñar la técnica. Tratamos de evitar que, en los estudios de soluciones, los estudiantes recurran siempre a las matrices de valoración ponderada, donde los pesos de cada criterio siempre se ponen de forma más o menos arbitraria, o bien para justificar la solución preferida. Este tipo de problemas también suelen aparecer en los concursos de licitación de obras públicas.
Referencia:
YEPES, V.; MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; ATA-ALI, N.; MARTÍ, J.V. (2019). Multi-criteria decision analysis techniques applied to the construction of a composite box-girder bridge. 13th annual International Technology, Education and Development Conference (INTED 2019), Valencia, 11th, 12th and 13th of March, 2019, 1458-1467. ISBN: 978-84-09-08619-1
Figura 1. Desgraciadamente, no existe comida gratis. https://medium.com/@LeonFedden/the-no-free-lunch-theorem-62ae2c3ed10c
Después de años impartiendo docencia en asignaturas relacionadas con la optimización heurística de estructuras de hormigón, y tras muchos artículos científicos publicados y más aún en los que he sido revisor de artículos de otros grupos de investigación, siempre se plantea la misma pregunta: De todos los algoritmos que utilizamos para optimizar, ¿cuál es el mejor? ¿Por qué dice en su artículo que su algoritmo es el mejor para este problema? ¿Por qué no nos ponemos de acuerdo?
Para resolver esta cuestión, dos investigadores norteamericanos, David Wolpert y William Macready, publicaron en 1997 un artículo en el que establecieron un teorema denominado «No free lunch«, que, traducido, sería algo así como «no hay comida gratis». Dicho teorema establece que, por cada par de algoritmos de búsqueda, hay tantos problemas en los que el primer algoritmo es mejor que el segundo como problemas en los que el segundo algoritmo es mejor que el primero.
Este teorema revolucionó la forma de entender el rendimiento de los algoritmos. Incluso una búsqueda aleatoria en el espacio de soluciones podría dar mejores resultados que cualquier algoritmo de búsqueda. La conclusión es que no existe un algoritmo que sea universalmente mejor que los demás, pues siempre habrá casos en los que funcione peor que otros, lo que significa que todos ellos se comportarán igual de bien (o de mal) en promedio.
De hecho, podría decirse que un experto en algoritmos genéticos podría diseñar un algoritmo genético más eficiente que, por ejemplo, un recocido simulado, y viceversa. Aquí el arte y la experiencia en un problema y en una familia de algoritmos determinados suelen ser decisivos. En la Figura 2 se puede ver cómo un algoritmo muy especializado, que conoce bien el problema, puede mejorar su rendimiento, pero pierde la generalidad para usarse en cualquier tipo de problema de optimización distinto del que se diseñó.
Figura 2. El uso del conocimiento del problema puede mejorar el rendimiento, pero a costa de la generalidad. https://medium.com/@LeonFedden/the-no-free-lunch-theorem-62ae2c3ed10c
¿Qué consecuencias obtenemos de este teorema? Lo primero, una gran decepción, pues hay que abandonar la idea del algoritmo inteligente capaz de optimizar cualquier problema. Lo segundo, que es necesario incorporar en el algoritmo cierto conocimiento específico del problema, lo cual equivale a una «carrera armamentística» para cada problema de optimización. Se escriben y escribirán miles de artículos científicos en los que un investigador demuestre que su algoritmo es mejor que otro para un determinado problema.
Una forma de resolver este asunto de incorporar conocimiento específico del problema es el uso de la inteligencia artificial en apoyo de las metaheurísticas. Nuestro grupo de investigación está abriendo puertas en este sentido, incorporando «deep learning» en el diseño de algoritmos (Yepes et al., 2020; García et al., 2020a; 2020b) o bien redes neuronales (García-Segura et al., 2017). Incluso, en este momento, me encuentro como editor de un número especial de la revista Mathematics (primer decil del JCR) denominado: “Deep Learning and Hybrid-Metaheuristics: Novel Engineering Applications”, al cual os invito a enviar vuestros trabajos de investigación.
Si nos centramos en un tipo de problema determinado, por ejemplo, la optimización de estructuras (puentes, pórticos de edificación, muros, etc.), el teorema nos indica que necesitamos gente formada y creativa para optimizar el problema concreto al que nos enfrentamos. Es por ello que no existen programas comerciales eficientes capaces de adaptarse a cualquier estructura para optimizarla. Tampoco son eficientes las herramientas generales, «tools», que ofrecen algunos programas, como Matlab, para su uso inmediato e indiscriminado.
Por tanto, no se podrá elegir entre dos algoritmos solo basándose en el buen desempeño que obtuvieron anteriormente en un problema determinado, pues en el siguiente problema pueden optimizar de forma deficiente. Por tanto, se exige conocimiento intrínseco de cada problema para optimizarlo. Es por ello que, por ejemplo, un experto matemático o informático no puede, sin más, dedicarse a optimizar puentes atirantados.
Figura 1. https://nationalpost.com/news/toronto/historic-home-perched-five-storeys-above-solid-ground-so-50-storey-condo-can-rise-behind-19th-century-dwelling
Todos los días vemos miles de imágenes en internet. Un buen número de ellas son montajes que buscan llamar la atención para atraer visitas y aumentar los ingresos por publicidad. La ingeniería no se libra de este tipo de fenómenos.
En la Figura 1 podéis observar una imagen que, a priori, resulta espectacular. Pero para un ingeniero supone un rompecabezas, pues resulta muy complicado ejecutar pilotes justo debajo de un edificio. Es la típica fotografía que utilizo para que mis estudiantes piensen un poco en cómo se ha podido realizar este procedimiento constructivo. Muchas veces la respuesta es correcta: es un montaje. Sin embargo, no es este el caso.
En este caso, la pregunta me la hizo Marcos Barjola. La respuesta no es nada fácil a priori. No obstante, al buscar en internet, uno puede encontrar una nota de prensa fechada en Toronto que trata de este caso.
Se trata de una noticia de 2014. El titular decía lo siguiente: «Una casa histórica encaramada a cinco pisos sobre tierra firme para que un condominio de 50 pisos se levante detrás de una vivienda del siglo XIX». Además, se añadía lo siguiente: «Hay pocas posibilidades de que los ocupantes originales de la Casa John Irwin pudieran imaginar lo que pasaría con su vivienda dentro de 141 años».
La solución fue ingeniosa y, ciertamente, costosa. Se desplazó la vivienda, se ejecutaron los pilotes y la viga riostra, y se volvió a situar la vivienda sobre la estructura. Sin embargo, se trataba de salvar un edificio de dos plantas, construido en 1873, único en ser una de las últimas casas del siglo XIX que aún existen en el centro de Toronto.
Este tipo de noticias suele dar pie a muchas reflexiones ingenieriles. Un ejemplo es la Figura 2. ¿Se trata de un montaje? ¿Es posible que la foto sea real? Os dejo la pregunta abierta para que penséis por un rato.
Acaban de publicarnos un artículo en la revista Journal of Civil Engineering and Management, indexada en Q2 del JCR. Se trata de una revisión del estado del arte sobre la toma de decisiones multicriterio en el análisis sostenible del ciclo de vida de los puentes.
El trabajo se enmarca en el proyecto de investigación DIMALIFE, que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
El diseño sostenible de las infraestructuras se ha convertido en un tema de estudio importante desde el reciente establecimiento de la Agenda 2030. En este artículo se ofrece una revisión sistemática de la bibliografía sobre el uso de técnicas de toma de decisiones basadas en criterios múltiples aplicadas hasta ahora al proyecto sostenible de puentes. También se presta especial atención a la forma en que los estudios evalúan el comportamiento sostenible de los diseños de los puentes a lo largo de su ciclo de vida desde las perspectivas económicas, ambientales y sociales. Aunque SAW y AHP se utilizan de manera recurrente en la evaluación sostenible de los puentes, el análisis de los artículos más recientes muestra que la aplicación de las técnicas TOPSIS y PROMETHEE está cobrando cada vez más relevancia para tal fin. La mayoría de los estudios se centran en la investigación sobre la construcción y la etapa de mantenimiento de los puentes. Sin embargo, se identifica la necesidad de un análisis más profundo cuando se trata de evaluar los impactos resultantes de la etapa del fin del ciclo vital de los puentes desde un punto de vista sostenible. Se ha detectado el uso de la lógica intuitiva y neutrosófica como alternativas emergentes al enfoque difuso de los problemas de toma de decisiones.
ABSTRACT
Sustainable infrastructure design has become a major area of study since the recent establishment of the Agenda 2030. This paper provides a systematic literature review of the use of multi-criteria decision-making techniques for the sustainable design of bridges. Special attention is also given to how the reviewed studies assess the sustainable performance of bridge designs throughout their life cycles from economic, environmental, and social perspectives. Although SAW and AHP are frequently used in the sustainable assessment of bridges, the analysis of recent articles shows that the application of TOPSIS and PROMETHEE techniques is gaining increasing relevance for this purpose. Most studies focus on the construction and maintenance stages of bridges. However, a need for further analysis is identified in assessing the impacts of bridges’ end-of-life cycle stage from a sustainable perspective. The use of intuitionistic and neutrosophic logic has been detected as an emerging alternative to the fuzzy approach of decision-making problems.
Figura 1. Construcción modular. https://www.draytonfox.com/modern-methods-of-construction/
La construcción modular y la prefabricación son técnicas ya veteranas en el ámbito de la ingeniería civil y la edificación. Desde que en 1936 Eugène Freyssinet construyera el primer puente de hormigón pretensado del mundo, en el que las vigas y los tableros eran prefabricados, la tecnología ha experimentado un avance imparable. Por otra parte, la construcción modular tiene una larga historia en la gestión de la innovación (Simon, 1962). Sin embargo, la auténtica revolución que supone la inteligencia artificial, las tecnologías BIM y los retos de la sostenibilidad está cambiando radicalmente este concepto y lo está llevando a una nueva dimensión. En efecto, estamos ante la revolución de los métodos modernos de construcción. Este es el concepto del que vamos a hablar a continuación.
Los métodos modernos de construcción (Modern Methods of Construction, MMC) , o como algunos llaman «construcción inteligente«, constituyen alternativas a la construcción tradicional. Este concepto de MMC lo utilizó el gobierno del Reino Unido para describir una serie de innovaciones en la construcción de viviendas, la mayoría de las cuales son tecnologías de construcción en fábrica (Gibb, 1999). Es un término que cubre una amplia gama de tecnologías basadas en la fabricación modular, ya sea «in situ» o en otra ubicación, que revolucionan la forma de construir edificios de manera más rápida, rentable y eficiente. También suele llamarse construcción «off-site». Un ejemplo no muy lejano ha sido la construcción de dos hospitales de campaña en Wuhan (China) en tan solo 12 días debido a la epidemia de coronavirus. Por ejemplo, países como Suecia y Japón lideran en la construcción MMC. En Suecia, casi la mitad de las viviendas de nueva construcción utilizan este método, hasta el 80% en el caso de las viviendas unifamiliares. Japón es el país donde se construyen el mayor número de viviendas nuevas con este método, aunque no alcanzan el 20% del total. Incluso podemos leer una noticia de hace unos días en la que el alcalde de Londres apoya decididamente la aplicación del diseño de viviendas modulares.
Los diferentes métodos MMC incluyen el sistema de paneles planos prefabricados, módulos volumétricos 3D (Figuras 1 y 3), construcción con losas planas, paneles de cerramiento prefabricados (Figura 2), muros y forjados de hormigón, tecnología de doble pared (Figura 4), cimientos de hormigón prefabricado, aislamiento de encofrados de hormigón, entre otros. No obstante, la gestión de los sistemas 1D/2D respecto a los volumétricos 3D difiere significativamente (López, 2017).
Tabla 1. Principales diferencias entre los sistemas modulares basados en elementos 1D y 2D frente a celdas 3D (López, 2017)
La reciente norma UNE 127050:2020 trata justamente de los sistemas constructivos industrializados para edificios construidos con elementos prefabricados de hormigón, así como de los requisitos de comportamiento, fabricación, instalación y verificación.
Figura 2. Paneles de cerramiento prefabricados (precast cladding panels). https://www.designingbuildings.co.uk/wiki/Precast_concrete_cladding
Las ventajas de la construcción MMC frente a la tradicional son evidentes. Los módulos permiten un ahorro de tiempo de hasta el 50%, pues se elaboran en fábrica, sin la influencia del clima. Una vez llegan a la obra, se ensamblan, interrumpiendo al mínimo la propia obra, pues el 80% de la actividad de la construcción se ha realizado lejos de ella. Permite el uso de materiales respetuosos con el medio ambiente, reduciendo el desperdicio. Los módulos son de diseño atractivo e innovador, con materiales de elevada calidad, con un diseño a medida del cliente. La construcción en fábrica permite la fabricación con tolerancias estrictas, la reducción de los errores, promueve la seguridad, no estando los materiales a la intemperie durante la construcción. Además, permite el uso de materiales durables, que mejoran el aislamiento acústico, la protección contra incendios y la eficiencia energética. Sin embargo, en algunos países, el uso de las MMC implica costes más elevados que la construcción tradicional. Otras barreras son la falta de mano de obra especializada, la escasez de suministros y la regulación vigente (Rahman, 2014). Con todo, la actual crisis del Covid-19 puede acelerar los cambios necesarios. De todos modos, los métodos MMC constituyen un producto diferente al de la construcción tradicional. La construcción modular, al tratarse de un producto alternativo, en lugar de competir, complementará el mercado tradicional. El objetivo es aumentar la productividad de los recursos disponibles mejorando la calidad, la eficiencia empresarial, la satisfacción del cliente, el rendimiento ambiental, el índice de sostenibilidad y el control de los plazos de entrega (Yepes et al., 2012; Pellicer et al., 2014, 2016).
Figura 3. Módulos volumétricos 3D (3D volumetric modules). http://www.ehu.eus/ehusfera/industrialized-architecture/page/4/
En la siguiente tabla, elaborada por Alejandro López, se pueden ver las diferencias más notables entre la construcción industrializada y la tradicional.
Tabla 2. Diferencias entre la construcción tradicional y la industrializada (Alejandro López).
Construcción tradicional
Construcción industrializada
Definición
Más posibilidades de cambios a lo largo de todo el proceso
Etapas claramente definidas, empezando desde el proyecto
Calidad
Elementos se manufacturan y/o ejecutan en la propia obra, mayor influencia del error humano (más rechazos)
Mayor control (cada pieza tiene su destino), menor influencia del error humano (se sustituyen los albañiles por montadores: la pieza tiene su lugar)
Precisión
Se admiten los errores. Las tolerancias se basan en centímetros
La precisión dimensional y espacial de los elementos es crucial. Las tolerancias se basan en milímetros
Mano de obra
Dependencia casi exclusiva de la capacitación técnica de la mano de obra humana disponible
Procesos más automatizados
Coste
En origen, normalmente menor. Pero mayor riesgo de imprevistos y desviaciones económicas
Precio cerrado en proyecto
Tiempo
El mayor grado de indefinición y la mayor interacción entre los distintos agentes provocan desviaciones en tiempo y, por tanto, en costes
Mayor grado de cumplimiento en la planificación de la obra, rápida apertura de tajos para otros gremios, menor dependencia de las condiciones climatológicas
Materiales
La obra es la fábrica al mismo tiempo. Muchos excedentes de materiales
Menor generación de residuos
Una de las claves que acelerará, sin duda, la adopción de los métodos MMC es la introducción de la metodología BIM en los proyectos de edificación o de infraestructuras. En España, las administraciones públicas ya van dando pasos hacia la exigencia de que los proyectos de edificación o de infraestructura se realicen bajo la metodología BIM. Tanto MMC como BIM mejoran claramente la calidad del producto, la sostenibilidad y el servicio a lo largo del ciclo de vida del activo. A este respecto, recomiendo leer la guía BIM para empresas de prefabricados de hormigón (ANDECE, 2020).
En la feria Construmat de Barcelona (mayo de 2019), McKinsey & Company presentó un informe en el que se detalla cómo la tecnología basada en datos podría ayudar a las empresas españolas de infraestructuras a tomar decisiones más inteligentes, reducir el riesgo y mejorar los resultados de los proyectos. Por tanto, BIM, la automatización de procesos, la inteligencia artificial, el Big Data, las tecnologías en la nube o la interacción con Internet de las Cosas suponen la revolución que lanzará definitivamente la construcción inteligente.
Figura 4. Tecnología de doble pared (twin wall technology). https://www.cornishconcrete.co.uk/products/twin-wall/
Dentro de nuestro grupo de investigación estamos trabajando en la tesis doctoral de Antonio Sánchez Garrido sobre este tipo de aspectos. En una de sus primeras publicaciones en revista indexada en el primer decil de JCR (Sánchez-Garrido y Yepes, 2020), se han aplicado técnicas analíticas de toma de decisiones multicriterio (MCDM) y análisis del ciclo de vida, a una tipología de construcción tradicional de una vivienda unifamiliar, y a dos alternativas diferentes basadas en MMC. Se propone un índice de sostenibilidad que incluye atributos tangibles e intangibles, así como factores de incertidumbre y riesgos, y que permite a los promotores priorizar soluciones que aseguren la sostenibilidad económica, social y medioambiental.
Os dejo algunos vídeos sobre esta nueva tecnología.
https://www.youtube.com/watch?v=fZl9Pd0UU_U
Os dejo, como información complementaria, un artículo de Alejandro López de hace apenas tres años, en el que ya se empezaba a vislumbrar un crecimiento exponencial de la construcción modular.
DOWSETT, R.; GREEN, M.; SEXTON, M.; HARTY, C.,2019. Projecting at the project level: MMC supply chain integration roadmap for small house builders. Construction Innovation-England, 19 (2): 193-211.
PELLICER, E.; YEPES, V.; CORREA, C.L.; ALARCÓN, L.F. (2014). Model for Systematic Innovation in Construction Companies.Journal of Construction Engineering and Management, 140(4):B4014001.
PELLICER, E.; SIERRA, L.A.; YEPES, V. (2016). Appraisal of infrastructure sustainability by graduate students using an active-learning method.Journal of Cleaner Production, 113:884-896.
RAHMAN, M.M. (2014). Barriers of implementing modern methods of construction. Journal of Management in Engineering, 30(1):69-77.
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.
SIMON, H.A. (1962). The arquitecture of complexity. Proceedings of the American Philosophical Society, 106(6):467-482.
YEPES, V.; PELLICER, E.; ORTEGA, J.A. (2012). Designing a benchmark indicator for managerial competences in construction at the graduate level. Journal of Professional Issues in Engineering Education and Practice, 138(1): 48-54.
Figura 1. Viga armada de acero. https://www.renedometal.es/
Las vigas armadas son estructuras de acero compuestas por placas soldadas entre sí que conforman sus alas y almas, y se añaden rigidizadores transversales y longitudinales donde sea necesario. El uso de este elemento estructural es habitual en grandes luces o con cargas importantes, donde las vigas laminadas no pueden soportar las tensiones que se generan. Es habitual su empleo en edificación para grandes lucen y también en puentes metálicos para salvar vanos entre 18 y 300 m. En el caso de puentes de ferrocarril o cuando existan grandes cargas, este tipo de vigas compite económicamente por luces entre 15 y 45 m (Marco, 1997).
Un caso muy habitual es la construcción de puentes metálicos mediante técnicas de lanzamiento o de empuje. Durante estos procesos, la viga se encuentra sometida a altos niveles de esfuerzos cortantes y cargas concentradas. Otra fase crítica en la construcción de puentes metálicos mixtos es el vertido de hormigón en los tableros, momento en el que las vigas soportan cargas elevadas hasta que el hormigón endurece y es capaz de soportar sus esfuerzos.
Figura 2. Viga de lanzamiento utilizada en la construcción de un puente sobre el río Colastiné. https://jornadasaie.org.ar/jornadas-aie-anteriores/2014/contenidos/trabajos/005.pdf
La geometría de estas vigas suele hacerse a medida, soldando chapas de acero que dan lugar a secciones en doble T o en cajón. No obstante, la sección doble T suele ser la más habitual, pues normalmente es la más económica al requerir menos soldaduras, lo que permite ejecutarlas de forma automática. No obstante, la sección doble T presenta una menor resistencia a flexiones transversales y a la torsión, en comparación con las secciones en cajón. Además, si las alas son excesivamente esbeltas, se puede presentar una pérdida significativa de su eficacia.
Una forma de reducir el canto de las vigas armadas es emplear aceros de alta resistencia en las partes más solicitadas, que normalmente son las alas en flexión de la viga. En el alma podría utilizarse un acero con un límite elástico menor, pues su misión principal es absorber el cortante. A este tipo de vigas que utilizan diferentes límites elásticas de acero en las chapas de alas y alma, se denominan vigas armadas híbridas.
El uso de aceros de alto o muy alto límite elástico debe cumplir con determinadas características de dureza, ductilidad y soldabilidad para evitar roturas frágiles. En Europa se utilizan aceros de alto límite elástico (HSS) con valores de límite elástico entre 460 y 690 MPa, aunque no son ampliamente utilizados. No obstante, en otros países como Japón, Estados Unidos o Suecia, se utilizan estos aceros HSS desde hace varias décadas.
Según Chacón (2014), la investigación sobre las vigas híbridas comenzó en la década de los 60-70, con foco en la investigación experimental. Durante las décadas de los 80 y 90 bajó el interés en este campo, pero en la década de los 2000 se relanzó la investigación, tanto experimental como numérica.
La ventaja de las vigas armadas híbridas es la disminución del espesor de las chapas de mayor límite elástico, lo que supone una reducción de peso por unidad de longitud de la sección transversal, sin que ello disminuya el canto de la pieza (Chacón, 2014). Sin embargo, la reducción del espesor puede acarrear la disminución de la capacidad de la sección ante otros fenómenos, como es el caso de la inestabilidad. Se debe garantizar un buen comportamiento de las vigas a cortante, estudiando su inestabilidad a cargas concentradas y a pandeo lateral. Por tanto, nos encontramos ante un caso de optimización de gran interés.
En el siguiente vídeo podemos observar la fabricación de una viga carrilera de 50 toneladas.
En este otro vídeo podemos ver el resumen de una campaña de ensayos sobre vigas armadas híbridas de acero realizada en la UPC.
Referencias:
CHACÓN, R. (2014). Vigas armadas híbridas de acero. Estado del conocimiento. Revista Ciencia e Ingeniería, 35(2):95-102.
CHACÓN, R.; ROJAS-BLONVAL, J. E. (2015). Evaluación de la resistencia a abolladura por cortante de vigas armadas híbridas de acero según la norma venezolana COVENIN 1618:1998. Informes de la Construcción, 67(538): e075, doi: http://dx.doi.org/10.3989/ic.13.111.
MARCO, J. (1997). Fundamentos para el cálculo y diseño de estructuras metálicas de acero laminado. Comportamiento del material y esfuerzos básicos. McGraw Hill, Madrid.
TERREROS, A. (2014). Estudio de la interacción flector cortante en vigas híbridas de acero. Tesis de máster, Universitat Politècnica de Catalunya.
Figura 1. Colapso del puente I-35W en Minneapolis. https://thestartupgrowth.com/2019/02/21/structural-health-monitoring-market-driven-by-rapid-expansion-in-the-infrastructure-sector-till-2024/
Una noticia publicada el 9 de diciembre de 2018 en El País, con el siguiente titular: “Fomento admite que hay 66 puentes con graves problemas de seguridad”, suscitó cierta inquietud en la opinión pública sobre la seguridad de nuestros puentes. Esta inquietud irrumpió en agosto de ese mismo año con el derrumbe de un puente en Génova (Italia). Pero los ejemplos no quedan aquí. Podríamos hablar de la sustitución de los cables del Puente Fernando Reig, en Alcoy, o del Puente del Centenario, en Sevilla. O del derribo del puente Joaquín Costa, en Madrid. Ejemplos los tenemos en todo el mundo. En cualquier caso, estamos hablando de cifras millonarias, de cortes de tráfico, de pérdidas humanas, por poner algunas consecuencias sobre la mesa.
Los puentes son componentes críticos de la infraestructura, pues su correcto funcionamiento es básico para la resiliencia de nuestros entornos urbanos. Sin embargo, un gran número de infraestructuras están llegando al final de su vida útil al mismo tiempo. De hecho, se espera que la vida útil de muchos puentes sea menor que la proyectada debido al deterioro continuo provocado por el incremento del tráfico y de los impactos ambientales.Esto constituye una auténtica bomba de relojería (Thurlby, 2013), que, junto al reto de la reducción de los impactos ambientales, es razón más que suficiente para preocuparnos de mejorar el mantenimiento de nuestros puentes. De hecho, ya hemos comentado en un artículo anterior un concepto estrechamente relacionado con este: la «crisis de las infraestructuras«. Yo me atrevería a afirmar algo que puede parecer muy duro: el derrumbe de nuestra civilización será paralelo al de las infraestructuras que le dan soporte.
Hoy día los gestores de las infraestructuras tienen ante sí un reto importante consistente en mantenerlas en un estado aceptable con presupuestos muy limitados. De hecho, la inspección de los puentes, su mantenimiento y reparación constituyen tareas rutinarias necesarias para mantener dichas infraestructuras en buenas condiciones (Tong et al., 2019). Sin embargo, el problema se vuelve grave cuando una parte significativa del parque de infraestructuras está próxima al final de su vida útil. Y lo que aún es peor, cuando existen riesgos de alto impacto y de baja probabilidad que pueden afectar gravemente a las infraestructuras. Resolver este problema es complicado, pues no se presta fácilmente a la exploración con los instrumentos analíticos y de previsión tradicionales.
El estado o deterioro de una infraestructura sigue un comportamiento similar, pero invertido, al de la llamada «curva de la bañera«, que es una gráfica que representa los fallos durante el periodo de vida útil de un sistema o de una máquina. En este caso, según vemos en la Figura 2, el estado de la infraestructura o las prestaciones de la infraestructura permanecen altos durante un periodo de tiempo, hasta que empiezan a decaer. Para los gestores es necesario conocer el comportamiento de las infraestructuras para tomar decisiones. Sin embargo, muchas veces desconocen en qué posición de la curva se encuentran y, lo que es peor, a qué ritmo se va a deteriorar. Por ejemplo, en la Figura 2 podemos ver que las caídas en las prestaciones de A a B o de B a C son similares, pero la velocidad de deterioro difiere mucho. Y lo que es peor de todo, llega un momento en el que la caída de las prestaciones ocurre de forma muy acelerada, sin capacidad de reacción por parte de los gestores. Por eso se ha utilizado el símil de la «bomba de relojería».
Figura 2. Estado o prestaciones de una infraestructura (Thurlby, 2013)
La gestión y el mantenimiento de los puentes están empezando a ser un problema de magnitud tal que resulta más que preocupante. Algunos datos son un ejemplo de ello: en el año 2019, 47000 puentes de los puentes en Estados Unidos, (más del 20% del total) presentan deficiencias estructurales (American Road & Transportation Builders Association, 2019); en Reino Unido, más de 3000 puentes estaban por debajo de los estándares y requerían reparación (RAC Foundation, 2019). Estos son buenos argumentos para prolongar la vida útil de los puentes.
Una de las tecnologías para mejorar la gestión y el mantenimiento de los puentes es la vigilancia de su estado estructural (structural health monitoring, SHM), que busca optimizar el comportamiento de la estructura mediante el aprendizaje de los datos obtenidos a lo largo de su vida útil, a partir de su monitorización (Figura 3). Estos datos sirven para actualizar los modelos y comprobar el estado en que se encuentra la estructura, lo que permite minimizar la incertidumbre de los parámetros empleados en los modelos. Sin embargo, aún no se ha resuelto completamente el paso de la obtención de los datos del puente en tiempo real a la toma de decisiones en la gestión y mantenimiento de los puentes.
Figura 3. Structural health monitoring. https://thestartupgrowth.com/2019/02/21/structural-health-monitoring-market-driven-by-rapid-expansion-in-the-infrastructure-sector-till-2024/
En un artículo anterior se explicó el concepto de gemelos digitales (digital twins). Estos modelos, actualizados constantemente mediante la monitorización del puente, permitirían conocer en tiempo real su estado estructural y predecir su comportamiento ante determinadas circunstancias. Esta información sería clave para tomar decisiones en la gestión y el mantenimiento del puente.
Las preguntas clave que deberíamos responder serían las siguientes: ¿Es el puente seguro? ¿cuánto tiempo durará el puente seguro? ¿cuál es el comportamiento estructural actual del puente? ¿cuándo y cómo deberemos intervenir en el puente?
La respuesta a estas preguntas no es tan evidente como podría parecer a simple vista. Los gestores de infraestructuras deberían ser capaces de comprender y valorar, en su justa medida, los resultados estructurales de los modelos cuyos datos se actualizan en tiempo real. La dificultad radica en conocer no solo los datos, sino también las causas subyacentes a los cambios en el comportamiento estructural. Una ayuda son las técnicas procedentes de la inteligencia artificial, como el aprendizaje profundo, que permiten interpretar ingentes cantidades de datos e identificar patrones y correlaciones entre dichos datos. En un artículo anterior hablamos de este tema. Por otra parte, la actualización de los datos procedentes de la vigilancia de los puentes debería ser automática y en tiempo real. Aquí vuelve a cobrar importancia la inteligencia artificial, aunque nunca debería suplantar el conocimiento ingenieril que permite interpretar los resultados generados por los algoritmos.
Por otra parte, la modelización del riesgo y de la resiliencia es una labor necesaria para comprender la vulnerabilidad de las infraestructuras. De esta forma, seríamos capaces de desarrollar estrategias de mitigación que podrían complementar las estrategias de gestión del deterioro explicadas anteriormente.
Por tanto, existe un auténtico salto entre la investigación dedicada a la monitorización en tiempo real de los puentes y la toma de decisiones para su gestión y mantenimiento. Los gemelos digitales, apoyados en los actuales desarrollos tecnológicos como el «Internet de las cosas«, deberían permitir el paso de la investigación y el desarrollo a la innovación directamente aplicable a la realidad de la gestión de las infraestructuras.
THURLBY, R. (2013). Managing the asset time bomb: a system dynamics approach. Proceedings of the Institution of Civil Engineers – Forensic Engineering, 166(3):134-142.
TONG, X.; YANG, H.; WANG, L.; MIAO, Y. (2019). The development and field evaluation of an IoT system of low-power vibration for bridge health monitoring, Sensors 19(5):1222.
Os presento la segunda edición ampliada del libro que he publicado sobre procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. El libro trata de los aspectos relacionados con los procedimientos constructivos, maquinaria y equipos auxiliares empleados en la construcción de cimentaciones superficiales, cimentaciones profundas, pilotes, cajones, estructuras de contención de tierras, muros, pantallas de hormigón, anclajes, entibaciones y tablestacas. Pero se ha ampliado esta edición con tres capítulos nuevos dedicados a los procedimientos de contención y control de las aguas subterráneas. Además, de incluir la bibliografía para ampliar conocimientos, se incluyen cuestiones de autoevaluación con respuestas y un tesauro para el aprendizaje de los conceptos más importantes de estos temas. Este texto tiene como objetivo apoyar los contenidos lectivos de los programas de los estudios de grado relacionados con la ingeniería civil, la edificación y las obras públicas.
El libro tiene 480 páginas, 439 figuras y fotografías, así como 430 cuestiones de autoevaluación resueltas. Los contenidos de esta publicación han sido evaluados mediante el sistema doble ciego, siguiendo el procedimiento que se recoge en: http://www.upv.es/entidades/AEUPV/info/891747normalc.html
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. Es 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.
