ferrocarril – El blog de Víctor Yepes

Evaluación del ciclo de vida social de las alternativas de subestructura ferroviaria

Acaban de publicar un artículo en el Journal of Cleaner Production, revista indexada en el primer decil del JCR. El estudio presenta indicadores sociales diseñados para evaluar el ciclo de vida de las infraestructuras ferroviarias y evalúa los impactos sociales de tres soluciones comunes de este tipo subestructura. La investigación tiene como objetivo determinar la alternativa de diseño más ventajosa desde el punto de vista social para la infraestructura ferroviaria, haciendo hincapié en la importancia de tener en cuenta los factores sociales junto con las dimensiones económicas y ambientales en el desarrollo sostenible. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

El estudio utilizó el proceso de redes analíticas (ANP) para sintetizar el desempeño social de las diferentes soluciones de subestructuras en un solo indicador de comparación. La investigación recopiló datos de inventario de las bases de datos oficiales del territorio español para evaluar los indicadores basados en el contexto social. El documento estableció una colección de criterios mensurables y seleccionó seis indicadores sociales basándose en las «directrices» y las fichas metodológicas para las subcategorías de la evaluación del ciclo de vida social. La metodología introducida en la investigación se puede aplicar en la evaluación de los impactos sociales en varios proyectos de infraestructura más allá de los ferrocarriles, como puentes, carreteras o estructuras portuarias, lo que mejora la aplicabilidad de la evaluación del ciclo de vida social.

Las contribuciones más destacables de este trabajo son las siguientes:

Introduce indicadores sociales diseñados para evaluar el ciclo de vida de las infraestructuras ferroviarias.
Evalúa los impactos sociales de tres soluciones frecuentes de subestructura de vías férreas.
Destaca la importancia de considerar los factores sociales junto con las dimensiones económicas y ambientales en el desarrollo de infraestructuras sostenibles.

ABSTRACT

The sustainable design of infrastructure involves assessing economic, environmental, and social impacts. While significant progress has been made in evaluating economic and environmental life cycle impacts since the Paris Agreement, there’s a notable gap in techniques for assessing social aspects in infrastructure design. This study introduces social indicators tailored for evaluating the lifecycle of railway infrastructures. The indicators are applied to assess the social impacts of three common railway track substructure solutions: conventional ballasted track, embedded slab track (BBEST solution), and sleeper-based, ballastless (RHEDA2000) substructure solutions. Using the Analytic Network Process (ANP), the social performance of each alternative is synthesized into a single indicator for comparison. Results indicate that the conventional ballasted track outperforms, scoring 12% higher than BBEST and 61% better than RHEDA in social terms. This is attributed to its reliable capacity for generating high-quality employment and fostering economic activities in the defined product system regions.

KEYWORDS:

Social life cycle assessment; Railway; ANP; Sustainability; Multi-criteria decision-making; Sustainable design.

REFERENCE:

NAVARRO, I.J.; VILLALBA, I.; YEPES-BELLVER, L.; ALCALÁ, J. (2024). Social life cycle assessment of railway track substructure alternatives. Journal of Cleaner Production, 450:142008. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.142008.

Os dejo el artículo para su descarga, pues está publicado en abierto.

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Cálculo aproximado del movimiento de tierras entre un perfil en desmonte y otro en terraplén

Figura 1. Secciones en desmonte y terraplén.

Para elaborar el cálculo de la compensación de tierras en un proyecto de infraestructura vial, se requiere de una metodología específica que comienza por la obtención de las mediciones de los volúmenes de tierras entre los perfiles transversales al eje de la vía.

En un artículo previo, se explicó cómo calcular el área de un polígono definido por las coordenadas de sus vértices. A partir de la superficie de los perfiles transversales, se puede proceder al cálculo del volumen de terraplén o de desmonte entre ellos. De esta manera, se podrá determinar el diagrama de masas y optimizar las distancias de transporte para calcular la compensación de tierras.

Sin embargo, se plantea un problema cuando un perfil está en desmonte y el otro en terraplén (Figura 1), o cuando un mismo perfil tiene tanto desmonte como terraplén debido a su ubicación a media ladera. En este artículo vamos a deducir una formulación aproximada para el cálculo de los volúmenes en el caso de que un perfil esté en desmonte y el otro en terraplén. La media ladera será un caso particular del anterior.

El problema que os doy resuelto proporciona una fórmula aproximada de cálculo que solo depende de las áreas de las secciones y de la separación entre ellas. Sin embargo, como podremos comprobar, esta simplificación a veces da errores. Evaluamos un caso concreto para ver hasta qué punto la aproximación es aceptable.

Este tema y los ejercicios resueltos son algunos casos que se explican dentro del Curso de gestión de costes y producción de la maquinaria empleada en la construcción. Os animo a que, si estáis interesados, os informéis de este curso en línea.

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Referencias:

YEPES, V. (1995). Maquinaria de movimiento de tierras. Servicio de Publicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia. SP.UPV-264. 144 pp.

YEPES, V. (1997). Equipos de movimiento de tierras y compactación. Problemas resueltos. Colección Libro Docente n.º 97.439. Ed. Universitat Politècnica de València. 256 pág. Depósito Legal: V-4598-1997. ISBN: 84-7721-551-0.

YEPES, V. (2022). Gestión de costes y producción de maquinaria de construcción. Colección Manual de Referencia, serie Ingeniería Civil. Editorial Universitat Politècnica de València, 243 pp. Ref. 442. ISBN: 978-84-1396-046-3

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

Cursos:

Curso de gestión de costes y producción de la maquinaria empleada en la construcción.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Reglas de Corini y cálculo de la distancia de transporte en la compensación de tierras

Figura 1. Aspecto de un diagrama de masas de Bruckner.

El diagrama de masas de Bruckner permite la optimización del transporte en el movimiento de tierras. De este tema ya hicimos un artículo anterior que os recomiendo repasar. En este vamos a centrarnos más en el proceso de cálculo.

Este tema y ejercicios resueltos son algunos casos que se explican dentro del Curso de gestión de costes y producción de la maquinaria empleada en la construcción. Os animo a que, si estáis interesados, os informéis de este curso en línea.

Volviendo al contenido de este artículo, se trata de determinar los volúmenes a transportar, las distancias de acarreo, los vertederos y los préstamos. Este diagrama permite ajustar la compensación longitudinal y las distancias a las que trasladar los volúmenes de desmonte y terraplén (Figura 1).

Entre las propiedades más interesantes del diagrama, se tienen las siguientes:

La ordenada de un punto cualquiera mide el volumen acumulado desde el origen.
El volumen excedente acumulado en el origen es nulo, y la horizontal trazada por él, se llama fundamental.
La curva de volúmenes es ascendente para desmontes y descendente para terraplenes.
Un máximo o un mínimo de la curva, son puntos de paso entre terraplenes y desmontes.
La diferencia de ordenadas entre dos puntos mide el volumen a mover entre ambos.
Entre las secciones correspondientes a los puntos de intersección de una horizontal cualquiera con la curva de volúmenes, existe compensación entre desmonte y terraplén. El volumen total de tierra a transportar está dado por la ordenada máxima del arco de diagrama comprendido, con relación a la horizontal considerada (Figura 2).

Figura 2. Volúmenes de tierra a transportar en el diagrama de masas

El momento de transporte es el trabajo necesario para mover un volumen de suelo desde su posición original, una vez determinada la distancia, hasta la posición final de proyecto. Es el producto del volumen transportado (ordenada) por la distancia (abscisa).
El área de cada cámara de compensación respecto a una horizontal cualquiera mide el momento de transporte de la compensación entre las secciones correspondientes a la intersección de dicha horizontal con la línea del diagrama. El área dividida por la ordenada máxima es la distancia media de transporte. Existe entonces un rectángulo de área equivalente al área de la onda y que tiene por altura el volumen de tierra a transportar (Figura 3).

Figura 3. Distancia media de transporte en una cámara de compensación del diagrama de masas

Con respecto a una horizontal cualquiera, las ondas situadas por arriba, con el primer tramo ascendente (exceso de excavación) y el segundo descendente (exceso de terraplén) se llaman “montes”. Asimismo, las situadas por debajo con el primer tramo descendente y el segundo ascendente se llaman “valles”.
Para minimizar el coste, en el diagrama la suma de las bases de los valles debe ser igual a la suma de las bases de los montes (Figura 4).
Figura 4. La suma de las longitudes de valles y montes deben ser iguales para minimizar el coste.

Para optimizar el movimiento de tierras, se pueden seguir las denominadas reglas de Corini, que son las siguientes:

La longitud de distribución estará comprendida entre la fundamental y una horizontal trazada por la sección extrema.
Se trazarán diversas horizontales de compensación, comprendiendo cada una un monte y un valle de igual base.
De no ser posible la 2, se trazarán horizontales, en sentido ascendente o descendente, comprendiendo más valles y más montes, de modo que la suma de la base de los montes sea igual a la suma de la base de los valles.
La horizontal de distribución secundaria (dentro de una cámara autocompensada) debe ser tangente a la onda (Figura 5).

Figura 5. La horizontal de distribución secundaria debe ser tangente a la onda dentro de una cámara autocompensada

La obtención de las distancias medias de transporte se ha realizado apoyándose en las propiedades de la línea de volúmenes:

Cálculo de la diferencia entre dos ordenadas con respecto a una horizontal cualquiera. Esta diferencia da el volumen de desmonte o terraplén disponible entre ellas.
Entre las secciones correspondientes a los puntos de intersección de una horizontal con la línea de volúmenes existe compensación de desmonte y terraplén; el volumen total de tierras a mover entre esas dos secciones será la ordenada máxima con relación a la horizontal considerada.
Efectuando la compensación por horizontales, la tierra del punto N se arroja en el P, el área de cada cantera de compensación, correspondiente a una horizontal determinada, mide el momento de transporte de la compensación entre las secciones de intersección de la horizontal con la línea de volúmenes. El área ABC (Figura 2) mide el momento de transporte de la compensación entre A y C.

Figura 6. Obtención de las distancias de transporte

Los parámetros que intervienen en el cálculo de la distancia media de transporte de las compensaciones longitudinales son, básicamente, los volúmenes parciales y las áreas parciales entre perfiles, con cuya suma se obtiene el volumen transportado y la superficie total de cada área compensada denominada esencialmente cantera de compensación.
Considerando las propiedades analíticas de los diagramas de masas para la obtención del producto volumen por cada distancia de cada compensación longitudinal, la distancia media de transporte para cada área compensada que delimita el diagrama y el eje de abscisas, será el cociente entre el área y el volumen transportado de la misma.

Por último, la distancia media de transporte global de la compensación longitudinal se determina con la ponderación de los productos volumen por distancia media de las áreas compensadas existentes dividida por el volumen transportado total.

Referencias:

YEPES, V. (1995). Maquinaria de movimiento de tierras. Servicio de Publicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia. SP.UPV-264. 144 pp.

Curso:

Curso de gestión de costes y producción de la maquinaria empleada en la construcción.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Compensación de tierras: el diagrama de masas

Figura 1. Perfil del terreno y diagrama de masas (Bruckner)

Cuando todas las tierras a desmontar, después del oportuno estudio geotécnico, resultan aprovechables para la ejecución de los terraplenes, no es necesario desecharlas o llevarlas a vertederos o “caballeros”. Si todos los terraplenes necesarios pueden construirse con los productos obtenidos del desmonte, no será necesario recurrir a tierras de “préstamo”. Si ambas condiciones se cumplen simultáneamente, lo cual es difícil de lograr, se producirá una compensación total de tierras.

Para lograr este objetivo, no habrá que olvidar el “entumecimiento” que sufren las tierras excavadas al compactarlas. Además, para planificar el transporte de la tierra, es necesario contar con el “esponjamiento” que experimenta el terreno natural al excavarlo.

Si en una sección a media ladera se emplean los productos procedentes del desmonte en la ejecución del terraplén de dicho tramo, lograremos una compensación transversal (Figura 2) que es, en principio, la opción más económica, pues implica un menor costo de transporte. En este sentido, el buldócer suele ser la opción más adecuada. Sin embargo, también debemos analizar la compensación longitudinal de tierras, es decir, qué haremos con el excedente de tierra de cada desmonte para construir el terraplén requerido, así como el costo del transporte asociado a esta operación. Por tanto, es fundamental considerar los medios auxiliares necesarios para llevar a cabo la obra de manera eficiente.

En la planificación de obras de infraestructuras lineales, la elección de la maquinaria para el movimiento de tierras se basa en las condiciones del terreno y las distancias de transporte estimadas a partir de los volúmenes de excavación y relleno. Estos datos se representan en los diagramas de masas, también llamado diagrama de Bruckner, que permite ajustar la compensación longitudinal y las distancias de transporte de los volúmenes de desmonte y terraplén (Figura 1). En este diagrama, la diferencia de ordenadas entre dos puntos mide el volumen a mover entre ambos. Además, los puntos de corte del perfil del terreno con la rasante de la vía corresponden a máximos o mínimos en el diagrama de masas.

En ocasiones, la optimización técnica puede no ser rentable por los altos costos de combustible de maquinaria pesada, como las traíllas. Esto podría obligar a buscar préstamos o recurrir a vertederos, lo que implica gastos adicionales y la responsabilidad de rehabilitar y reforestar el área, además de pagar cánones a los propietarios. Es importante tener en cuenta la calidad de los materiales que se encuentren en el terreno, tanto dentro como fuera de la traza, a través de sondeos geotécnicos, pues esto afecta la distribución de las tongadas y las distancias de transporte, dependiendo de si se trata de pedraplenes, suelos seleccionados, etc.

La compensación adecuada de volúmenes se ve afectada significativamente por su impacto ambiental. Por lo tanto, se busca no solo igualar los volúmenes de desmonte y terraplén para minimizar los costos, sino también reducir el impacto ambiental. Esto implica evitar la construcción de terraplenes altos y prolongados que ocupen áreas de alto valor económico o ecológico, y en su lugar, construir viaductos. En algunos casos, los grandes costos de desmontes se evitan mediante la construcción de túneles o la implementación de permeabilidad territorial.

Sin embargo, todo esto puede aumentar significativamente los costos del proyecto, lo que requiere que el Director del Proyecto (representante de la propiedad) esté dispuesto a gastar el dinero. Por lo tanto, el autor del proyecto debe conocer las demandas y prioridades de la propiedad con respecto al impacto ambiental.

Algunas de las recomendaciones en la compensación de volúmenes son las siguientes:

Un factor importante que influye en la compensación de volúmenes son las obras de drenaje transversal, caños, estructuras, etc. que pueden requerir curvas y pendientes en las pistas de acarreo, lo que puede distorsionar las distancias teóricas.
Es fundamental considerar que los volúmenes de desmonte y terraplén dependen de la diferencia entre la cota del terreno y la del perfil de la obra. Por lo tanto, es posible modificar ambos volúmenes mediante la alteración del perfil de la obra.
Un aumento de las cotas del trazado reduce el volumen de desmonte y aumenta el de terraplenes, mientras que una disminución produce un aumento de desmontes y una disminución de terraplenes. De esta manera, ajustando la rasante, es posible lograr la compensación óptima entre ambos volúmenes.
Es recomendable buscar una compensación de volúmenes por tramos no demasiado largos, en lugar de referirse a la totalidad de la obra, pues puede generar distancias de transporte excesivamente largas.

A continuación os dejo varios vídeos explicativos y varios problemas resueltos que, espero, sean de vuestro interés. Se trata de uno de los muchos casos que explicamos en el Curso de gestión de costes y producción de la maquinaria empleada en la construcción. Os animo a que, si estáis interesados, os informéis de este curso en línea.

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Referencias:

YEPES, V. (1995). Maquinaria de movimiento de tierras. Servicio de Publicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia. SP.UPV-264. 144 pp.

Curso:

Curso de gestión de costes y producción de la maquinaria empleada en la construcción.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Visibilidad para el grupo de investigación CONSTRUCTION OPTIMIZATION – ICITECH UPV

En mi blog personal, suelo destacar los logros personales de los miembros de nuestro grupo de investigación, compuesto por profesores e investigadores jóvenes de varios países, que tienen su sede en el ICITECH (Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón) de la Universitat Politècnica de València. Sin embargo, estos logros a menudo pasan desapercibidos debido a la falta de una vía de comunicación propia.

Desde 2006, nuestro grupo ha centrado sus investigaciones en la optimización multiobjetivo y la toma de decisiones multicriterio para garantizar la sostenibilidad económica, social y medioambiental a lo largo del ciclo de vida de puentes e infraestructuras. Hasta la fecha, hemos publicado unos 150 artículos científicos indexados en el JCR y hemos presentado numerosas comunicaciones en congresos nacionales e internacionales. Ya se han leído 15 tesis doctorales y, en este momento, se encuentran otras 10 en marcha.

No obstante, consideramos que es crucial aumentar la visibilidad de nuestro trabajo para acercarlo a la sociedad. De esta manera, esperamos que nuestra investigación pueda contribuir a la construcción de infraestructuras más sostenibles y eficientes en el futuro.

Como podréis observar, hemos diseñado un logotipo para identificar nuestro trabajo. El diseño sigue el estilo institucional de los grupos de investigación de nuestra universidad. En la parte inferior, en color rojo destacado, aparece el acrónimo de la UPV, mientras que encima figuran dos palabras que consideramos fundamentales: “CONSTRUCTION” y “OPTIMIZATION”. Las hemos escrito en inglés porque queremos comunicar nuestro trabajo a nivel internacional.

La primera de ellas transmite que nuestro objeto de investigación no se limita a las estructuras de hormigón o puentes, sino que abarcamos un amplio espectro de infraestructuras, como edificios, carreteras, ferrocarriles, puertos y presas, entre otros. Además, la palabra “optimización” resume la base y los inicios de nuestro grupo, ya que buscamos mejorar la sostenibilidad integral de las infraestructuras a lo largo de su ciclo de vida.

Sin lugar a dudas, lo más complicado para nosotros ha sido crear una silueta que capture, a modo de paraguas, el núcleo central de nuestro mensaje. Hemos creado un arco que simboliza un puente y también tiene la intención de representar una cúpula de un edificio, un tramo de carretera o una sección de una presa bóveda. En resumen, hemos buscado un diseño que sea fácil de comprender y que simbolice el trabajo que llevamos a cabo en nuestro grupo.

Pues bien, podéis encontrar toda la información que vaya generando el grupo en las siguientes redes de comunicación. Os invito a que las sigáis para estar al tanto de lo que está ocurriendo en la punta de lanza del conocimiento en este ámbito de la ingeniería de la construcción.

Twitter: https://twitter.com/ConstOptUPV

Facebook: https://www.facebook.com/groups/231497652653826

LinkedIn: https://www.linkedin.com/groups/12794089/

Desarrollo de criterios sociales para la evaluación del ciclo de vida social de las infraestructuras ferroviarias

El diseño sostenible de las infraestructuras requiere la consideración de los impactos económicos, ambientales y sociales. Desde la firma del Acuerdo de París, se han hecho grandes esfuerzos para desarrollar las metodologías orientadas a evaluar los impactos económicos y ambientales a lo largo del ciclo de vida de las infraestructuras. Sin embargo, la evaluación de la dimensión social en el diseño de las infraestructuras todavía requiere un desarrollo significativo. La presente comunicación propone un conjunto de indicadores sociales orientados a la evaluación del ciclo de vida de las infraestructuras ferroviarias. En particular, se presenta la evaluación de los impactos sociales de una vía férrea convencional con balasto. A continuación, se sugiere un indicador basado en la aplicación de procedimientos de toma de decisión multicriterio que ayudará en la elección del diseño de vía más ventajoso en términos sociales.

ABSTRACT

The sustainable design of infrastructures requires the consideration of the economic, environmental, and social impacts. Since the establishment of the Paris Agreement, significant efforts have been made on the methodologies to assess infrastructures’ economic and environmental life cycle impacts. However, evaluating the social dimension in the design of infrastructures still requires significant development. The present communication proposes a set of social indicators oriented towards the life cycle assessment of railway infrastructures. In particular, the evaluation of the social impacts of a conventional ballasted rail track is presented. A multi-criteria decision-making procedure-based indicator is proposed to help decide the most advantageous track design in social terms.

Keywords:

Multi-criteria Decision-making; Sustainability; Life cycle assessment; Railway; Social impacts.

Reference:

NAVARRO, I.J.; VILLALBA, I.; YEPES, V. (2022). Development of social criteria for the social life cycle assessment of railway infrastructures. 26th International Congress on Project Management and Engineering, AEIPRO, 5-8 de julio, Terrassa (Spain).

Os dejo la presentación que hicimos en el congreso y la comunicación completa.

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Comunicaciones presentadas al 26th International Congress on Project Management and Engineering AEIPRO 2022

Durante los días 5-8 de julio de 2022 tendrá lugar en Terrasa (Spain) el 26th International Congress on Project Management and Engineering AEIPRO 2022. 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.

NAVARRO, I.J.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2022). ANP-based sustainability-oriented indicator for bridges in aggressive environments. 26th International Congress on Project Management and Engineering, AEIPRO, 5-8 de julio, Terrassa (Spain).

La presente comunicación presenta un indicador de sostenibilidad para la evaluación de las infraestructuras de puentes basado en el uso del Proceso Analítico en Red (ANP). Se presenta un análisis de sensibilidad sobre los resultados, discutiendo la aplicación del AHP convencional y de los procedimientos ANP más generales. Formulando el problema de decisión de forma cuantitativa, el método ANP ha arrojado resultados con una consistencia de más del doble que la obtenida mediante la técnica AHP frente al mismo problema de decisión, resultando ser más fiable al simplificar las comparaciones pareadas del experto.

El diseño sostenible de las infraestructuras requiere la consideración de los impactos económicos, ambientales y sociales. Desde la firma del Acuerdo de París, se han hecho grandes esfuerzos para desarrollar las metodologías orientadas a evaluar los impactos económicos y ambientales a lo largo del ciclo de vida de las infraestructuras. Sin embargo, la evaluación de la dimensión social en el diseño de las infraestructuras todavía requiere un desarrollo significativo. La presente comunicación propone un conjunto de indicadores sociales orientados a la evaluación del ciclo de vida de las infraestructuras ferroviarias. En particular, se presenta la evaluación de los impactos sociales de una vía férrea convencional con balasto. A continuación, se recomienda un indicador basado en la aplicación de procedimientos de toma de decisión multicriterio que ayudará en la elección del diseño de vía más ventajoso en términos sociales.

YEPES-BELLVER, V.J.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2022). Study of solutions for the design of a footbridge based on a hierarchical analytical process. 26th International Congress on Project Management and Engineering, AEIPRO, 5-8 de julio, Terrassa (Spain).

El presente trabajo muestra la aplicación de la metodología AHP (Analytic Hierarchy Process) para realizar el estudio de soluciones necesario para el proyecto de una pasarela. Para ello se han planteado cuatro alternativas: viga de hormigón, hormigón ejecutado “in situ”, viga metálica y celosía metálica. Tras efectuar un estudio cualitativo de las ventajas e inconvenientes de las tipologías planteadas, se procede a establecer una jerarquía de criterios basados en la economía, la facilidad constructiva, la funcionalidad, la integración en el entorno, la estética y la durabilidad. A su vez, se han analizado once subcriterios dependientes de aquellos. Para evaluar las matrices de comparación pareada se ha procedido a una ronda de consultas a un grupo de cinco expertos que, por aproximaciones sucesivas, han acordado las valoraciones de comparación. Se ha comprobado, a su vez, la consistencia de todas las matrices de comparación utilizadas. Tras aplicar la metodología completa de toma de decisiones, la solución elegida, por su mayor valoración final, fue la pasarela en celosía.

Optimización de la vía en placa mediante metamodelos para mejorar la sostenibilidad de la construcción ferroviaria

Acaban de publicarnos un artículo en el Journal of Construction Engineering and Management-ASCE, revista indexada en el primer cuartil del JCR. Se trata de optimizar la vía en placa mediante metamodelos para mejorar la sostenibilidad de la construcción ferroviaria. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

Este artículo no está publicado en abierto, pero podéis encontrarlo, solicitándolo, en esta dirección: https://www.researchgate.net/publication/360243758_Slab_Track_Optimization_Using_Metamodels_to_Improve_Rail_Construction_Sustainability o bien descargarlo directamente de la página web de ASCE: https://ascelibrary.org/doi/full/10.1061/%28ASCE%29CO.1943-7862.0002288

El ferrocarril es un medio de transporte eficaz, sin embargo, la construcción y el mantenimiento de las vías férreas tienen un impacto medioambiental importante en términos de emisiones de CO2 y uso de materias primas. Esto es especialmente cierto en el caso de la vía en placa, pues necesitan grandes cantidades de hormigón. También son más caras de construir que las vías convencionales con balasto, pero requieren menos mantenimiento y presentan otras ventajas que las convierten en una buena alternativa, especialmente para las líneas de alta velocidad. Para contribuir a un ferrocarril más sostenible, este trabajo pretende optimizar el diseño de una de las tipologías de vía en placa más comunes: RHEDA 2000. El objetivo principal es reducir la cantidad de hormigón necesaria para construir la losa sin comprometer su rendimiento y durabilidad. Para ello, se utilizó un modelo basado en el método de los elementos finitos (MEF) de la vía, emparejado con un metamodelo de kriging que permite analizar múltiples opciones de espesor de la losa y resistencia del hormigón de forma puntual. Mediante kriging, se obtuvieron soluciones óptimas que se validaron a través del modelo MEF para garantizar el cumplimiento de las restricciones mecánicas y geométricas predefinidas. Partiendo de una configuración inicial con una losa de 30 cm de hormigón con una resistencia característica de 40 MPa, se llegó a una solución optimizada, consistente en una losa de 24 cm de hormigón con una resistencia de 45 MPa, que arroja una reducción de costes del 17,5%. Este proceso puede aplicarse ahora a otras tipologías de losas para obtener diseños más sostenibles.

Abstract:

Railways are an efficient transport mode, but building and maintaining railway tracks have a significant environmental impact in terms of CO2 emissions and the use of raw materials. This is particularly true for slab tracks, which require large quantities of concrete. They are also more expensive to build than conventional ballasted tracks, but require less maintenance and have other advantages that make them a good alternative, especially for high-speed lines. To contribute to more sustainable railways, this paper aims to optimize the design of one of the most common slab track typologies: RHEDA 2000. The main objective is to reduce the amount of concrete required to build the slab without compromising its performance and durability. To do so, a model based on the finite-element method (FEM) of the track was used, paired with a kriging metamodel to allow analyzing multiple options of slab thickness and concrete strength in a timely manner. By means of kriging, optimal solutions were obtained and then validated through the FEM model to ensure that predefined mechanical and geometrical constraints were met. Starting from an initial setup with a 30-cm slab made of concrete with a characteristic strength of 40 MPa, an optimized solution was reached, consisting of a 24-cm slab made of concrete with a strength of 45 MPa, which yields a cost reduction of 17.5%. This process may be now applied to other slab typologies to obtain more sustainable designs.

Keywords:

Slab track; Optimization; Latin hypercube; Kriging; Finite-element method (FEM).

Reference:

MARTÍNEZ FERNÁNDEZ, P.; VILLALBA SANCHIS, I.; INSA FRANCO, R.; YEPES, V. (2022). Slab track optimisation using metamodels to improve rail construction sustainability. Journal of Construction Engineering and Management, 148(7):04022053. DOI:10.1061/(ASCE)CO.1943-7862.0002288

Cinco artículos de muy alto impacto publicados este año para celebrar el día del padre

Han bastado 11 semanas de este 2022, en particular 77 días, para tener la satisfacción de ver publicado cinco artículos de gran impacto, que daría para un sexenio de investigación (en revistas del primer cuartil del JCR, siendo tres, además, del primer decil). El mérito, como siempre, no es mío, sino del maravilloso grupo de investigación que tengo a mi lado. Espero que la racha continúe. ¡No hay mejor forma de celebrar el día del padre! Os paso los resúmenes de estos artículos por si os interesan.

SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2022). Multi-criteria decision-making applied to the sustainability of building structures based on Modern Methods of Construction. Journal of Cleaner Production, 330:129724. DOI:10.1016/j.jclepro.2021.129724

Since the establishment of the Sustainable Development Goals, great concern has arisen on how to diminish the impacts that result from construction activities. In such context, Modern Methods of Construction (MMC) rise as a powerful way to reduce life cycle impacts through optimizing the consumption of materials. This paper focuses on the sustainability assessment of different modern construction techniques applied to concrete structures of single-family houses. The life cycle performance in terms of sustainability is compared between a conventional reference design, a precast design, a lightweight slab design with pressurized hollow discs, and a design based on double-wall structural elements. The sustainability is assessed through a set of 38 indicators that address not only the economic and environmental response of the designs, but also their social impacts as well. Five of the best known Multi-Criteria Decision-Making (MCDM) techniques (SAW, COPRAS, TOPSIS, VIKOR and MIVES) are applied to derive the life-cycle performance of each design into a single sustainability score. Since there is no consensus on which MCDM method works best in sustainability assessments, a Global Structural Sustainability Index (GSSI) combining and weighting the above is proposed here to aid the analysis of the results obtained. The results show that consideration of the three dimensions of sustainability leads to balanced designs whose preference need not coincide with those derived from each one-dimensional life cycle approach.

MATHERN, A.; PENADÉS-PLÀ, V.; ARMESTO BARROS, J.; YEPES, V. (2022). Practical metamodel-assisted multi-objective design optimization for improved sustainability and buildability of wind turbine foundations. Structural and Multidisciplinary Optimization, 65:46. DOI:10.1007/s00158-021-03154-0

In this work, we study the potential of using kriging metamodelling to perform multi-objective structural design optimization using finite element analysis software and design standards while keeping the computational efforts low. A method is proposed, which includes sustainability and buildability objectives, and it is applied to a case study of reinforced concrete foundations for wind turbines based on data from a large Swedish wind farm project. Sensitivity analyses are conducted to investigate the influence of the penalty factor applied to unfeasible solutions and the size of the initial sample generated by Latin hypercube sampling. A multi-objective optimization is then performed to obtain the optimum designs for different weight combinations for the four objectives considered. Results show that the kriging-obtained designs from samples of 20 designs outperform the best designs in the samples of 1000 designs. The optimum designs obtained by the proposed method have a sustainability impact 8–15% lower than the designs developed by traditional methods.

Railways are an efficient transport mode, but building and maintaining railways tracks has a significant environmental impact in terms of CO₂ emissions and use of raw materials. This is particularly true for slab tracks, which require large quantities of concrete. They are also more expensive to build than conventional ballasted tracks, but require less maintenance and have other advantages that make them a good alternative, especially for high-speed lines. In order to contribute to a more sustainable railways, this paper aims to optimise the design of one of the most common slab track typologies: RHEDA 2000. The main objective is to reduce the amount of concrete required to build the slab without compromising its performance and durability. To do so, a Finite Elements (FEM) model of the track has been used, paired with a kriging meta-model to allow analysing multiple options of slab thickness and concrete strength in a timely manner. By means of the kriging, optimal solutions have been obtained and them validate through the FEM model to ensure that predefined mechanical and geometrical constraints are met. Starting from an initial setup with a 30 cm slab made of concrete with a characteristic strength of 40 MPa, an optimised solution has been reached, consisting on a 24 cm slab made of concrete with a strength of 45 MPa. This process may be now applied to other slab typologies to obtain more sustainable designs.

FERNÁNDEZ-MORA, V.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2022). Integration of the structural project into the BIM paradigm: a literature review. Journal of Building Engineering, (accepted, in press).

The revolution towards Industry 4.0 in the AECO Industry has taken Building Information Modelling (BIM) as one of its central points. BIM abilities for automatization, interoperability and sustainability play a key role in this change. In this paper, a literature review about BIM adoption for the structural project is presented. The aim of the presented review is to clearly establish the current state of knowledge of the implementation of the BIM methodology in the field of structural analysis. Papers related to these two topics simultaneously, BIM and structure analysis, during the last 10 years have been selected. The literature has been analysed from two different approaches. First, bibliometric analysis has been performed, studying the production on the topic. Secondly, 81 representative papers have been selected and analysed, establishing thematic areas via cluster analysis. The articles have also been classified upon several categorizations based on the structural life cycle and their aim. Finally, a SWOT analysis is performed from this data to create a complete framework that shows the state of the integration of the structural project in BIM environments and possible future developments and risks. This set of studies shows a tendency towards design tools and new buildings. While automatization and computer-aided design have been a trend in the research for several years, a research gap on the structural analysis via BIM for existing and heritage buildings has been pointed out, showing its ability to improve the analysis of existing buildings and its maintenance.

SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2022). Evaluating the sustainability of soil improvement techniques in foundation substructures. Journal of Cleaner Production, (accepted, in press).

The soil is not always suitable or competent to support a direct shallow foundation in construction. In many cases, to avoid costly deep foundations, it is indicated to replace, improve, or reinforce such soil. This paper focuses on evaluating the contribution to sustainability between different soil improvement techniques and the outcome of their application to the foundation of a single-family house as an alternative to the one built. The life-cycle performance in sustainability is compared between the baseline design (without intervention), backfilling and soil compaction, soil-cement columns, rigid inclusion of micropiles, and nailing of precast joists. To characterize sustainability, a set of 37 indicators is proposed that integrate the economic or environmental aspects of each design alternative and its social impacts. A sustainability ranking is obtained for the different alternatives based on the ELECTRE IS method for multi-criteria decision-making (MCDM). The sensitivity of the obtained results is evaluated against different MCDM methods (TOPSIS, COPRAS) and different criteria weights. The evaluation provides a cross-cutting view, comparing the ability and reliability of each technique to prioritize the ground consolidation solution that best contributes to the sustainability in the design of a building’s substructure.

Trabajo Final de Grado en Ingeniería Civil de una pasarela ciclopeatonal

En el día de hoy, 29 de junio de 2021, Víctor José Yepes Bellver ha defendido su Proyecto Final de Grado, de forma presencial, como culminación de sus estudios del Grado en Ingeniería Civil, en la Escuela Técnica Superior en Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos de Valencia.

El título del TFG fue “Diseño estructural de pasarela ciclopeatonal en el Anillo Verde Metropolitano Sur de Valencia sobre la línea Valencia-Villanueva de Castellón de FGV. PK 1,5 de la carretera CV-407. Término municipal de Valencia“. Este TFG fue dirigido por el profesor Julián Alcalá González. La calificación fue de Sobresaliente, 9. ¡Enhorabuena al nuevo ingeniero y a su director!