Categoría: estructuras

¿Es suficiente diseñar un puente para una vida útil de 100 años?

Man-Chung Tang, Dr., P.E. T.Y. Lin International, USA

Durante el último congreso IALCCE, que tuvo lugar en Gante en octubre de 2018, tuve la oportunidad de escuchar la lección magistral (Fazlur R. Khan Lecture) del doctor Man-Chung Tang, denominada «Durability of bridges«. Fue una conferencia brillante, donde la gran experiencia y conocimiento de este gran ingeniero de puentes, dejó muy claros algunos conceptos de gran importancia.

El doctor Tang, nacido en Zhaoqing (China), en 1938, es el Presidente del Consejo de Administración y el Director Técnico de la firma T.Y. Lin International ubicada en San Francisco (Estados Unidos). Se trata de una empresa multinacional en el ámbito de las infraestructuras e ingeniería de todo tipo, que emplea a más de 2500 ingenieros, arquitectos y científicos. Además, recibió el premio Senior Award del IALCCE del 2018 (al igual que Tatiana García Segura recibió el Junior Award).

 

 

La lección magistral, tal y como la introduce el propio Congreso, se presentaba de la siguiente forma:

«In the past, life cycle cost of a bridge is usually defined as the sum of initial costs, operation costs, maintenance costs, rehabilitation costs and disposal costs. Today, we may add environmental costs and social costs to arrive at a more realistic “total life cycle cost”. But the total life cycle cost of a bridge by itself does not have much meaning unless we also know the service life of the bridge. The economic efficiency of the bridge is the total life cycle cost divided by the service life of the bridge. The main factor affecting the service life is the durability of the bridge.«

Lo que más me llamó la atención es la llamada internacional a que los puentes se diseñen para una vida útil de 300 años. Se trata de una opinión que suscribo plenamente y que se debería llevar lo antes posible a los foros correspondientes. Son muchos ya los problemas de durabilidad y los accidentes que presentan estas estructuras para no tomar esta valiente decisión. Para ello hay que entender lo que significa la gestión del puente a lo largo de su ciclo de vida.

En efecto, muchas normas e instrucciones prescriben actualmente para la mayoría de los puentes una vida útil de 100 años para los grandes puentes y de 75 años para el resto. En España, la vida útil nominal indicada en la Instrucción de Hormigón Estructural EHE-08 es de 100 años para puentes de longitud total igual o superior a 10 metros y otras estructuras de ingeniería civil de repercusión económica alta.

Durante su lección magistral, el doctor Tang diferenció claramente la vida de servicio (service life) de un puente de lo que sería la vida útil para la que fue diseñada la estructura (design life). La vida de servicio se considera como el tiempo durante el cual un puente se puede utilizar de forma segura, de acuerdo con los criterios de diseño establecidos. Sin embargo, cuando se proyecta un puente, es difícil saber a ciencia cierta cuánto tiempo realmente dicho puente podrá estar en servicio. La vida de servicio, por tanto, no tiene por qué coincidir con la vida útil de diseño puesto que es evidente que un puente se puede encontrar en perfectas condiciones el día posterior a la caducidad de su vida de servicio, y no por ello debe procederse a su demolición. También es posible que, antes de alcanzar el fin de su vida útil, el puente quede fuera de servicio por múltiples motivos.

Por otra parte, un puente es durable si su vida de servicio es suficientemente larga. Como un puente debe ser seguro, funcional, económico y tener una buena presencia, ello implica que un puente será durable si es durable en cuanto a su seguridad, funcionalidad, economía y buena presencia. Este concepto de durabilidad, como es fácil de entender, está asociado a la probabilidad de incumplimiento de alguna de las funciones señaladas.

Además, hoy día el concepto de sostenibilidad implica un cambio radical en la forma de proyectar, construir y mantener los puentes. Si los romanos fueron capaces de construir puentes que han durado más de dos mil años, hoy es inconcebible que se proyecten puentes para una vida útil de 100 años.

El doctor Tang, basándose en sus observaciones y experiencia, expuso claramente su propuesta de elevar a 300 años la vida útil en el proyecto de los puentes. Ello no incrementaría en exceso el coste del puente. Además, muchos de los materiales empleados pueden durar esos 300 años si se realiza un mantenimiento conveniente. Nuestro grupo de investigación ha comprobado cómo realizando una optimización multiobjetivo de un puente se puede incrementar su vida útil muy por encima de los 100 años con incrementos muy pequeños en los costes (García-Segura et al., 2017).

Habrá quien argumente que antes de lo que esperamos la tecnología cambiará tanto que no tenga sentido el aumentar la vida útil de los puentes (coches voladores, por ejemplo). Sin embargo, ya hemos visto que desde el punto de vista de la sostenibilidad de los recursos naturales, desde el punto de vista económico, y sobre todo, para tratar de evitar tragedias como las que se han vivido recientemente, está más que justificada la revisión de la vida útil de diseño de las infraestructuras (no solo puentes, sino viviendas, obras hidráulicas, carreteras, puertos, etc.).

Por tanto, suscribo plenamente la opinión bien argumentada del doctor Tang: la vida útil de los puentes debe modificarse en las normas e instrucciones para subirla a un mínimo de 300 años.

Referencias:

GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; FRANGOPOL, D.M. (2017). Multi-Objective Design of Post-Tensioned Concrete Road Bridges Using Artificial Neural Networks. Structural and Multidisciplinary Optimization, 56(1):139-150.

TANG, M.C. (2018). Durability of bridges, in Caspeele, Taerwe and Frangopol (eds.): Life-Cycle Analysis and Assessment in Civil Engineering: Towards an Integrated Vision. CRC Press, Taylor & Francis Group, London, UK, pp. 3-7.

 

Esto me suena… El viaducto sobre el río Almonte de Garrovillas de Alconétar

Viaducto sobre el río Almonte. Fuente: ADIF

Va siendo ya habitual colaborar de vez en cuando con el periodista José Antonio García Muñoz, conocido como Ciudadano García, sobre temas de ingeniería. Como ya he comentado en alguna entrada anterior, la labor de divulgación de las ciencias, y en particular de la ingeniería, resulta una tarea agradable y enriquecedora.

Hoy hemos hablado acerca del viaducto sobre el río Almonte de Garrovillas de Alconétar (Cáceres) con motivo de haber sido la obra ganadora de los premios anuales a la Excelencia en la Construcción con hormigón que otorga el ACI (American Concrete Institute). Con una longitud total de 996 m, la luz del vano principal es 384 m, que lo convierte en el puente ferroviario más grande de España y en el puente de arco de hormigón para servicio ferroviario de alta velocidad más grande del mundo. Si se compara sólo con puentes de arco de hormigón, fuera del uso ferroviario, es el tercero de mayor luz a nivel mundial; por detrás del puente de Waxian que presenta un arco de 421 m en China y el puente KRK con un arco de 390 m en Croacia. Destaca el uso de hormigón autocompactante de 80 MPa y su construcción monitorizada, que aportó información sobre el comportamiento de la estructura durante la construcción y la entrada en servicio.

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

Os dejo a continuación el audio por si queréis escucharlo. Se grabó en directo, y suena tal cual se hizo. Espero que os guste.

También os dejo un vídeo del procedimiento constructivo, obra de FCC.

Optimización del mantenimiento basado en la fiabilidad bajo una perspectiva de ciclo de vida

Nos acaban de publicar en la revista de Elsevier del primer cuartil, Environmental Impact Assessment Review, un artículo donde se optimiza el mantenimiento de un puente considerando el ciclo de vida. Este artículo forma parte de nuestra línea de investigación DIMALIFE en la que se pretenden optimizar estructuras atendiendo no sólo a su coste, sino al impacto ambiental y social que generan a lo largo de su ciclo de vida.

Abstract:

Sustainability is of paramount importance when facing the design of long-lasting, maintenance-demanding structures. In particular, a sustainable life cycle design for concrete structures exposed to aggressive environments may lead to significant economic savings and reduced environmental consequences. The present study evaluates 18 different design alternatives for an existing concrete bridge deck exposed to chlorides, analyzing the economic and environmental impacts associated with each design as a function of the maintenance interval chosen. Results are illustrated in the context of a reliability-based maintenance optimization on life cycle costs and environmental impacts. Maintenance optimization significantly reduces life cycle impacts if compared to the damage resulting from performing the maintenance actions when the end of the structure’s service life is reached. Using concrete with 10% silica fume is the most effective prevention strategy against corrosion of reinforcement steel in economic terms, reducing the life cycle costs of the original deck design by 76%. From an environmental perspective, maintenance based on the hydrophobic treatment of the concrete deck surface results in the best performance, allowing for a reduction of the impacts associated with the original design by 82.8%.

Keywords:

Life cycle assessment; Life cycle cost analysis; Chloride corrosion; Sustainable design; Maintenance optimization; Reliability

Reference:

NAVARRO, I.J.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V.  (2019). Reliability-based maintenance optimization of corrosion preventive designs under a life cycle perspective. Environmental Impact Assessment Review, 74:23-34. https://doi.org/10.1016/j.eiar.2018.10.001

 

Trabajos Fin de Máster sobre optimización de puentes postesados con modelos Kriging

El martes 18 de septiembre de 2018 tuvo lugar la defensa de dos trabajos fin de máster complementarios que versaron sobre la optimización de puentes postesados con modelos tipo Kriging. Se propuso una nueva metodología para el estudio de soluciones de este tipo de puentes que conseguía reducciones de coste entorno al 7%. Sus autores fueron Alejandro Brun Izquierdo y Lorena Yepes Bellver, y obtuvieron la máxima calificación de Sobresaliente 10, Matrícula de Honor. Sus directores fueron los profesores Julián Alcalá González y Tatiana García Segura. Estos TFMs se enmarcan dentro del proyecto de investigación DIMALIFE “Diseño y mantenimiento óptimo robusto y basado en fiabilidad de puentes e infraestructuras viarias de alta eficiencia social y medioambiental bajo presupuestos restrictivos”. Además, se da la circunstancia que estos dos estudiantes son los primeros matriculados en el Doble Máster en Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos e Ingeniería del Hormigón. ¡Enhorabuena a todos ellos!

Las juntas de asiento en las estructuras de hormigón

Figura. Disposición de junta de asiento en un edificio de gran altura

Las estructuras de hormigón presentan distintos tipos de juntas, que responden a condiciones diferentes, que a veces se confunden entre sí. Las juntas pueden ser de dilatación, de hormigonado, de retracción o de asiento. Esta entrada trata de las juntas de asiento.

Las juntas de asiento se disponen en el hormigón para permitir asientos diferentes en dos zonas de una estructura. Sirven para separar la estructura en varias partes y afectan a la totalidad, por ejemplo, de un edificio, incluida la cimentación. La necesidad de independizar la estructura en partes se debe, por ejemplo, cuando existen grandes diferencias de cargas, que provocarían asientos diferenciales y distorsiones angulares. Es el caso de una torre de gran altura y pequeña superficie en planta, rodeada en su zona baja de un área edificada en una gran extensión, pero con poca altura (ver Figura). Otro caso sería la separación de dos tipos de cimentación, una superficial y otra profunda. Incluso se debería colocar una junta de asiento en el caso de que una cimentación se sustente en terrenos de comportamiento muy diferente. Hay que tener presente que, se puede hacer coincidir una junta de asiento con una junta de dilatación.

¿Cuáles son los coeficientes de seguridad de los materiales de un encofrado?

https://pl.m.wikipedia.org/wiki/Plik:Cassaforma_rampante_Destil.jpg

Los encofrados están formados por una composición de distintos materiales que, trabajando de forma conjunta, sirven como molde para el hormigón en estado fresco. En la Norma UNE 180201:2016 «Encofrados. Diseño general, requisitos de comportamiento y verificaciones«, se recogen los requisitos que deben cumplir dichos materiales.

Tanto el fabricante del material, como el fabricante de los elementos constitutivos de los encofrados, deben garantizar, mediante los ensayos correspondientes, las características mecánicas que expresan características resistentes de dichos materiales y del propio encofrado en su conjunto, mediante valores característicos obtenidos con un percentil del 5%.

Esos valores característicos se minoran con coeficientes (γM) de ponderación, para cada uno de los materiales, cuando se realizan los cálculos correspondientes al dimensionado de los elementos constitutivos de los encofrados.

  • En el caso del acero, se debe cumplir con la Norma UNE-EN 1993-1-1: «Proyecto de estructuras de acero. Reglas generales y reglas para edificios» (Eurocódigo 3). Para la comprobación en rotura, estado límite último, γM=1,05, salvo en tirantes y uniones, donde γM=1,25. Estos coeficientes se pueden ajustar con el nivel de constatación de la calidad de las características del material. Para la comprobación de la deformación en servicio, estado límite de servicio, γM=1,00.
  • En el caso del aluminio, se debe cumplir con la Norma UNE-EN 1999-1-1: «Proyecto de estructuras de aluminio. Reglas generales y reglas para edificios» (Eurocódigo 9). Para la comprobación en rotura, estado límite último, γM=1,10, salvo en tirantes y uniones, donde γM=1,25. Estos coeficientes se pueden ajustar con el nivel de constatación de la calidad de las características del material. Para la comprobación de la deformación en servicio, estado límite de servicio, γM=1,00.
  • En el caso de la madera, se debe cumplir con la Norma UNE-EN 1995-1-1: «Proyecto de estructuras de madera. Reglas generales y reglas para edificios» (Eurocódigo 5). La madera debe cumplir con una clase de duración corta y una clase de servicio 3. Para la comprobación en rotura, estado límite último, γM=1,30, sobre el que hay que aplicar el coeficiente  kmod con el valor indicado en dicha norma según el tipo y condiciones de madera utilizada. Para la comprobación de la deformación en servicio, estado límite de servicio, el valor del módulo de elasticidad a emplear es el valor medio Emedio sin ponderar, es decir,  γM=1,00.

 

En el caso de materiales compuestos, no existen normas disponibles. En este caso, el fabricante debe garantizar las características mecánicas del material compuesto, obtenidas mediante ensayos, mediante valores característicos obtenidos con un percentil del 5%.

 

¿Qué resistencia tiene que tener el hormigón para poder descimbrar?

Figura 1. Desencofrado. Fuente: https://www.alsina.com/es-es/encofrados-para-losas-y-forjados-cimbrado-descimbrado-parcial-y-descimbrado-total/

En una entrada anterior, se destacó la importancia de definir adecuadamente el plazo de descimbrado, un asunto de considerable relevancia debido a sus implicaciones tanto en la economía como en la seguridad del proceso constructivo. La determinación de este plazo está intrínsecamente ligada al momento en el cual el hormigón puede resistir los esfuerzos durante la construcción. En consecuencia, la edad mínima para llevar a cabo el descimbrado se ve influenciada por diversos factores, tales como la evolución de la resistencia y el módulo de deformación del hormigón, el proceso de curado, la deformabilidad y la proporción de la carga permanente que actúa en el momento del descimbrado.

Para establecer este plazo mínimo, se pueden considerar dos métodos: el primero se basa en la resistencia a tracción del hormigón, mientras que el segundo se adhiere a los métodos propuestos por la EHE-08 en su artículo 74. No obstante, es crucial señalar que los plazos indicados por la EHE-08 no son compatibles con desencofrados rápidos.

Para agilizar el proceso de descimbrado, es esencial determinar el desarrollo de las resistencias mecánicas del hormigón a corto plazo, factor que depende en gran medida de la composición de la mezcla y la temperatura. La resistencia directamente vinculada con los fenómenos de anclaje y corte es la resistencia a tracción. Aunque esta resistencia no se incorpora directamente en los cálculos para estructuras de hormigón armado, reviste una importancia crucial en la estimación de los plazos de descimbrado. En algunos casos, la adherencia puede ser el aspecto crítico, pero, a efectos prácticos, se puede considerar la resistencia a tracción como determinante para el descimbrado.

Así, si tenemos una estructura con una acción característica de proyecto y en el momento de descimbrar está sometida a una fracción de esta acción, podremos realizar el descimbrado si se cumple la siguiente condición:

Por simplificar, se llama:

donde fckt,j  es la resistencia a tracción del hormigón a los j días, fckt,28 es la resistencia a tracción del hormigón en curado estándar a los 28 días, γ’fg es el coeficiente de mayoración de acciones aplicable a la situación correspondiente al descimbrado (por tratarse de una situación temporal puede ser menor de la del proyecto, sin ser inferior a 1,25), γfg es el coeficiente de mayoración de acciones de proyecto (1,50 para situación persistente o transitoria de efecto desfavorable para una acción permanente de valor no constante, por ejemplo) y α es la relación entre la carga característica de construcción y la característica de la estructura. Conviene fijarse que γ’fg depende del nivel de control; así, Calavera (2002) propone que sea de 1,30 para obras de control de ejecución intenso, de 1,35 para obras de control de ejecución normal y de 1,40 para obras de control reducido.

Aunque la fórmula previa es precisa, la complejidad radica en la precisa determinación de los valores asociados. En este sentido, un método práctico de aplicación en laboratorio implica la obtención de la resistencia a tracción indirecta del hormigón a través del ensayo brasileño. Para llevar a cabo este procedimiento, es necesario curar las probetas en condiciones semejantes a las de la estructura en cuestión. Mediante la realización de ensayos a distintas edades, podemos identificar el momento en el cual se alcanza el valor mínimo necesario para proceder al descimbrado.

Una alternativa para calcular el plazo de descimbrado implica el uso de curvas de referencia, las cuales ofrecen la evolución de la resistencia a tracción en relación con la temperatura y el tipo de cemento utilizado. En la Figura 2, se presentan las curvas elaboradas por Alvarado et al. (2005) para un hormigón con resistencia característica a compresión de 25 MPa y endurecimiento normal. Para ajustar la evolución de la temperatura del hormigón en obra, se emplea el método de madurez, una herramienta que evalúa la resistencia del hormigón recién colocado al relacionar el tiempo y las mediciones de temperatura con los valores de resistencia reales. El Anexo A de la norma UNE 83160-1 IN proporciona un ejemplo práctico de aplicación de los métodos de madurez.

Figura 1. Curvas para determinar el plazo de descimbrado para un hormigón de 25 MPa y cemento de endurecimiento normal (Alvarado et al., 2005)

Por último, podríamos utilizar la relación que existe entre la resistencia a tracción directa y la resistencia a compresión. Así, la EHE-08 propone la siguiente relación, cuyo mayor inconveniente es que solo es válida para edades superiores a 7 días y para hormigones de resistencia característica menor o igual a 50 MPa:

sustituyendo las expresiones que relacionan la resistencia a tracción con la resistencia a compresión a edades jóvenes, se obtiene la siguiente condición de la EHE-08 (solo válida para edades superiores a 7 días):

Por otra parte, sabiendo que la resistencia a tracción pura (fckt) está relacionada con la resistencia a tracción indirecta obtenida en el ensayo brasileño (f ‘ckt) mediante la siguiente relación aproximada:

se puede concluir que la condición de descimbrado, en función de la resistencia a tracción el ensayo brasileño, sería la siguiente (solo válido para edades superiores a 7 días):

Sin embargo, esta expresión de la EHE-08, donde se requiere una resistencia característica mínima a compresión en el momento de descimbrar, puede resultar poco restrictiva para determinados tipos de cementos. Para un cemento CEM II/A-V 42.5, Alvarado et al (2005) proponen la siguiente ecuación, más ajustada que la anterior, para determinar la resistencia a compresión necesaria para el momento del descimbrado:

Finalmente, como medida de precaución y a pesar de lo expuesto anteriormente, se recomienda un plazo que no sea inferior a 3 días, considerando la incertidumbre inherente al cálculo de la evolución de las resistencias del hormigón en edades tempranas. Además, se desaconseja el descimbrado en casos donde las resistencias sean inferiores a los 10 N/mm2 por razones estéticas, como cambios en el color, desconchones, textura, entre otros, especialmente si la superficie de hormigón tiene un propósito específico.

Referencias:

  • ALVARADO, Y.A.; CALDERÓN, P.A.; ADAM, J.M.; PAYÁ, I.J.; PELLICER, T.; PALLARÉS, F.J.; MORAGUES, J.J. (2009). An experimental study into the evolution of loads on shores and slabs during construction of multistory buildings using partial striking. Engineering Structures, 31(9):2132-2140.
  • ALVARADO, Y.A.; CALDERÓN, P.A.; PALLARÉS, F.J.; PELLICER, T. (2005). Estimation of shore removal times in bidirectional in situ concrete floor slabs applying the maturity method. Bangkok, Thailand.
  • CALAVERA, J. (2002). Cálculo, construcción, patología y rehabilitación de forjados de edificación: unidireccionales y sin vigas-hormigón metálicos y mixtos. Intemac Ediciones, Madrid.
  • CALAVERA, J., FERNÁNDEZ, J. (1991). Cuaderno Nº 3: Criterios para el descimbrado de estructuras de hormigón. INTEMAC, Madrid.
  • CALDERÓN, P.A.; ALVARADO, Y.A.; ADAM, J.M. (2011). “A new simplified procedure to estimate loads on slabs and shoring during the construction of multistorey buildings”, Engineering Structures (2011),
  • FERNÁNDEZ, J. (1986). Estudio experimental de la evolución de las características mecánicas del hormigón curado en diversas condiciones y su aplicación al cálculo de los procesos de descimbrado. Tesis Doctoral, Universidad Politécnica de Madrid, Madrid.
  • MINISTERIO DE FOMENTO (2008). Instrucción de hormigón estructural. EHE-08. Comisión Permanente del Hormigón, Madrid.
  • 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
  • YEPES, V. (2024). Estructuras auxiliares en la construcción: Andamios, apeos, entibaciones, encofrados y cimbras. Colección Manual de Referencia, serie Ingeniería Civil. Editorial Universitat Politècnica de València, 408 pp. Ref. 477. ISBN: 978-84-1396-238-2

 

Resistencia a fricción contra deslizamiento del apoyo de una cimbra

Figura 1. Resistencia de fricción contra deslizamiento. Fuente: EN 12812

Los pequeños detalles son los que, en ocasiones, provocan accidentes o problemas importantes en una obra. En este post vamos a comentar brevemente cómo evitar en el cálculo estructural de una cimbra el deslizamiento local del apoyo. Se trata de una comprobación sencilla que vamos a describir siguiendo las indicaciones de la norma UNE-EN 12812 «Cimbras. Requisitos de comportamiento y diseño general».

La forma de evitar el deslizamiento local de la cimbra se puede realizar confiando en la fricción, mediante un dispositivo mecánico, o por la combinación de ambos. Para este último caso, se debería garantizar que actúan tanto la resistencia a fricción como el dispositivo mecánico de forma conjunta. Téngase en cuenta que la rigidez del dispositivo mecánico y cualquier tolerancia u holgura pueden retrasar el trabajo conjunto.

Para que la resistencia a fricción Rf,d sea suficiente, debe superar al valor de cálculo de la fuerza paralela al plano de apoyo que conduce al deslizamiento, Fd (véase la Figura 1).

 

 

 

Rf,d se calcula de la siguiente forma:

donde:

Los coeficientes de rozamiento dependen de la combinación de materiales. En la siguiente tabla aportada por la norma UNE-EN 12812 se sugieren algunos valores que pueden modificarse si se disponen de datos más reales realizados por experimentación para un caso particular.

Optimización del diseño sostenible de puentes bajo incertidumbre

Nos acaban de publicar en la revista de Elsevier del primer decil, Journal of Cleaner Production, un artículo donde se propone una nueva metodología en la toma de decisiones del diseño óptimo de un puente bajo criterios de sostenibilidad y bajo incertidumbre. Este artículo forma parte de nuestra línea de investigación BRIDLIFE en la que se pretenden optimizar estructuras atendiendo no sólo a su coste, sino al impacto ambiental y social que generan a lo largo de su ciclo de vida.

Abstract:

Today, bridge design seeks not only to minimize cost but also to minimize adverse environmental and social impacts. This multi-criteria decision-making problem is subject to variability of stakeholders’ opinions regarding the importance of criteria for sustainability. As a result, this paper proposes a method for designing and selecting optimally sustainable bridges under the uncertainty of criteria comparison. A Pareto set of solutions is obtained using a metamodel-assisted multi-objective optimization. A new decision-making technique introduces the uncertainty of the decision-makers preference through triangular distributions and thereby ranks the sustainable bridge designs. The method is illustrated by a case study of a three-span post-tensioned concrete box-girder bridge designed according to the embodied energy, overall safety, and corrosion initiation time. In this case, 211 efficient solutions are reduced to two preferred solutions with a probability of being selected of 81.6% and 18.4%. In addition, a sensitivity analysis validates the influence of the uncertainty regarding the decision-making. The approach proposed allows actors involved in the bridge design and decision-making to determine the best sustainable design by finding the probability of a given design being chosen.

Keywords:

  • Sustainable criteria
  • Uncertainty
  • Decision-making
  • Multi-objective optimization
  • Energy efficiency

 

Reference:

GARCÍA-SEGURA, T.; PENADÉS-PLÀ, V.; YEPES, V. (2018). Sustainable bridge design by metamodel-assisted multi-objective optimization and decision-making under uncertainty.  Journal of Cleaner Production, 202:904-915. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.08.177

¿Qué es el Análisis del Ciclo de Vida?

Nuestro grupo de investigación está en estos momentos muy centrado en aspectos relacionados con el análisis del ciclo de vida y con la sostenibilidad de las infraestructuras. Proyectos como BRIDLIFE y DIMALIFE inciden especialmente es estos temas. He considerado, por tanto, de gran interés para el lector, resumir brevemente el concepto, los tipos, algo de historia y proporcionar unas pequeñas referencias al respecto. Espero que os sean de interés.

El Análisis del Ciclo de Vida clásico constituye una metodología objetiva que trata de evaluar las cargas ambientales asociadas a un producto, proceso o actividad, identificando y cuantificando el uso de materia y energía además de las emisiones al entorno (Olivera et al., 2016).

Sus orígenes se remontan a finales de los años 60. Dos investigadores del Instituto de Investigación del Medio Oeste (MRI), Robert Hunt y William Franklin empezaron a trabajar en una técnica que permitiese cuantificar la energía demandada y los recursos, así como las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) por parte de las industrias (Trusty y Deru, 2005). Esta técnica paso a llamarse como Análisis de Perfil Ambiental y de Recursos (REPA) y se utilizó por primera vez en 1969 por el MRI junto a la compañía Coca-Cola para analizar y seleccionar los materiales más ecológicos y como tratarlos en su final de vida (Gerilla et al., 2007).

La primera expansión del uso de esta tecnología tuvo lugar durante la crisis energética de los años 70, para estudiar el consumo energético de productos de embalaje de plástico o cartón. A finales de los 80’s y principios de los 90’s tuvo de nuevo un gran alcance como herramienta de marketing (Owens, 1996).

Con los avances metodológicos de la herramienta y la proliferación de resultados muy dispares en los diferentes estudios realizados, se decidió llevar a cabo una armonización del ACV. Con dicha finalidad aparecieron diversas directrices, destacando la holandesa y la nórdica, que también incluían recomendaciones contradictorias.

A inicios de los 90’s, la Sociedad de Toxicología Ambiental y Química (SETAC) alcanzó a un consenso mediante grupos consultivos de América del Norte y Europa y elaboraron el «Código de práctica para la evaluación del ciclo de vida”. Paralelamente, surgieron otras iniciativas como la Guía LCA Z-760 de la Asociación de Estandarización Canadiense.

Finalmente, a finales de los años 90, surgieron los procesos de estandarización más reconocidos por parte de la Organización Internacional de Normalización (ISO) (Russell et al., 2005).

La ISO emitió los estándares internacionales más relevantes en 1997, definiendo el ACV como “un método para resumir y evaluar la carga ambiental de un producto (o servicio) en todo el ciclo de vida, y el impacto o influencia potencial sobre el medio ambiente” en la serie de normas ISO 14040 (AENOR, 2006). Esta metodología es compatible con la evaluación de los impactos socioeconómicos, puesto que comparten ciertos elementos que aportan datos comparativos muy útiles para la toma de decisiones frente a nuevos proyectos o acciones de mejora.

De este modo quedan las tres dimensiones del análisis del ciclo de vida:

  • Análisis del Ciclo de Vida Ambiental (ACV-A): Metodología ya presentada que contempla la carga ambiental producida por un producto o servicio durante todo el ciclo de vida.
  • Coste del Ciclo de Vida (CCV): Este análisis se centra en la etapa de diseño de un producto, analizando los costes directos y los beneficios de las actividades económicas, como los costes para la prevención de la contaminación, los costes de las materias primas, los impuestos y los intereses sobre el capital entre otros, en resumen, es una recopilación y evaluación de todos los costes relacionados con un producto a lo largo de todo su ciclo de vida.
  • Análisis del Ciclo de Vida Social (ACV-S): Se trata de una herramienta de evaluación de impactos sociales cuyo objetivo es analizar los aspectos sociales y socio-económicos de los productos y sus impactos potenciales (positivos y negativos) durante todo el ciclo de vida.

 

Como combinación de las tres tipologías, se plantea el Análisis del Ciclo de Vida de la Sostenibilidad (ACV-SOS) realizando un análisis integrado de cualquier producto o servicio.

La Comisión Europea planteó una guía de ruta a esta situación, por medio del proyecto CALCAS (Coordination for innovation in Life Cycle for Sustainability) desde el 2006, con el fin de organizar las distintas modalidades que han surgido mediante una futura norma ISO ACV, que englobara un análisis multicriterio sobre sostenibilidad (van der Giesen et al., 2013).

Aunque la metodología de las tres dimensiones del ACV está basada en la norma ISO 14040, esta no tiene dentro de su alcance el estudio del impacto económico y social, por lo que es necesario combinarla con otras herramientas para profundizar ese análisis. Os dejo a continuación una serie de referencias bibliográficas por si os interesa profundizar más en el tema.

Referencias

  • AENOR (2006). ISO 14040:2006. Gestión ambiental. Análisis del ciclo de vida. Principios y marco de referencia. Madrid.
  • GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V. (2016). Multiobjective optimization of post-tensioned concrete box-girder road bridges considering cost, CO2 emissions, and safety. Engineering Structures, 125:325-336. DOI: 10.1016/j.engstruct.2016.07.012.
  • GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; ALCALÁ, J. (2014). Life-cycle greenhouse gas emissions of blended cement concrete including carbonation and durability. International Journal of Life Cycle Assessment, 19(1):3-12. DOI 10.1007/s11367-013-0614-0 (link) (descargar versión autor)
  • GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; ALCALÁ, J.; PÉREZ-LÓPEZ, E. (2015). Hybrid harmony search for sustainable design of post-tensioned concrete box-girder pedestrian bridges. Engineering Structures, 92:112-122. DOI: 10.1016/j.engstruct.2015.03.015 (link)
  • 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. DOI:10.1016/j.engstruct.2017.05.013 OPEN ACCESS
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