Categoría: ingeniería

Fracturación hidráulica

De US Environmental Protection Agency, Office of Research and Development, Washington, DC – «The Hydraulic Fracturing Water Cycle», Dominio público, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=25673027

La fracturación hidráulica, comúnmente conocida como fracking, es una técnica que se utiliza para extraer hidrocarburos, como el gas natural y el petróleo, de formaciones rocosas subterráneas de baja permeabilidad, especialmente lutitas o esquistos. Este método ha revolucionado la industria energética, ya que permite acceder a recursos que antes eran inaccesibles, contribuyendo significativamente a la diversificación de las fuentes de energía.

El fracking consiste en perforar un pozo vertical hasta alcanzar la formación rocosa objetivo. Una vez en la profundidad deseada, la perforación se desvía horizontalmente, extendiéndose varios kilómetros dentro de la capa de lutita. A través de este pozo se inyecta una mezcla de agua, arena y productos químicos a alta presión. Esta presión fractura la roca, creando fisuras por las que se liberan los hidrocarburos atrapados, que son posteriormente extraídos a la superficie.

Evolución histórica de la fracturación hidráulica

El desarrollo del fracking no es un fenómeno reciente, sino el resultado de una evolución que se inició hace dos siglos. En 1821, la perforación del primer pozo comercial de gas de lutita cerca de Fredonia, en Nueva York, marcó el inicio de la explotación de este tipo de gas. Aunque este recurso era útil para la iluminación doméstica, no adquirió relevancia económica hasta mucho después. No fue hasta después de la Segunda Guerra Mundial, en un contexto de crecimiento industrial y demanda energética acelerada, cuando el gas natural comenzó a jugar un papel clave.

En las décadas de 1980 y 1990, los productores se enfrentaron al declive de los yacimientos convencionales y comenzaron a buscar alternativas en formaciones de baja permeabilidad, como el gas de las capas de carbón (CBM) y el gas de lutita (shale gas). Sin embargo, estos recursos presentaban limitaciones tecnológicas significativas, especialmente en lo que respecta a la capacidad para extraer hidrocarburos atrapados en micro o nanoporos. No fue hasta 2005 cuando la combinación de fracturación hidráulica y perforación horizontal demostró plenamente su viabilidad, lo que supuso un cambio de paradigma en la industria energética global.

El fracking ha transformado el panorama energético de países como Estados Unidos, donde se ha convertido en uno de los principales productores de petróleo y gas a nivel mundial. Sin embargo, esta técnica ha generado debates y regulaciones en diversas regiones debido a sus implicaciones ambientales. En Europa, por ejemplo, se ha analizado la dependencia del gas obtenido por fracking en otros países y se han criticado estas prácticas.

La historia del fracking es también una historia de innovación. Desde la mejora de los motores de fondo y los sistemas de telemetría hasta el diseño de fracturas más eficientes, cada avance ha contribuido a aumentar la recuperación de hidrocarburos y a reducir los costes asociados. Sin embargo, el desarrollo de estas tecnologías ha planteado también nuevos desafíos ambientales y sociales que no existían en las explotaciones convencionales.

De Battenbrook – Trabajo propio, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=30796394

Fundamentos técnicos de la fracturación hidráulica

El fracking combina dos tecnologías clave: la perforación horizontal y la fracturación hidráulica. Ambas se han desarrollado para abordar el desafío que supone la extracción de hidrocarburos de yacimientos de baja permeabilidad, caracterizados por una porosidad extremadamente reducida y escasas conexiones entre los poros. Este tipo de formación geológica requiere la creación artificial de caminos por donde los hidrocarburos puedan fluir hacia los pozos de producción.

  • La perforación horizontal: Este enfoque, en contraste con la perforación vertical tradicional, permite acceder a una zona más extensa de la formación productora. Un pozo puede extenderse lateralmente varios kilómetros dentro del yacimiento, lo que aumenta considerablemente la cantidad de hidrocarburos que pueden recuperarse. Esto es especialmente relevante en yacimientos continuos como el gas de lutita, donde los hidrocarburos están distribuidos uniformemente en capas sedimentarias.
  • La fracturación hidráulica: Este proceso consiste en inyectar un fluido compuesto de agua, arena y aditivos químicos a alta presión. El agua actúa como medio de transporte, la arena como material de soporte de fracturas y los aditivos cumplen diversas funciones, como reducir la fricción, evitar la corrosión y mejorar la eficiencia del proceso. La fracturación crea redes de microfracturas en la roca madre, lo que aumenta la permeabilidad y permite que el gas o el petróleo fluyan hacia el pozo.
  • Avances tecnológicos adicionales: El uso de la telemetría avanzada (logging while drilling y measurement while drilling) proporciona datos en tiempo real sobre las condiciones del subsuelo. Esto permite ajustar la dirección del pozo y optimizar el diseño de las fracturas para maximizar la producción. Además, las fracturas multietapa, que dividen la sección horizontal del pozo en segmentos individuales, han demostrado ser una estrategia eficaz para estimular formaciones de gran tamaño.

Uno de los desafíos de los yacimientos de gas no convencional es el rápido declive de la producción. Este fenómeno obliga a perforar nuevos pozos de manera constante para mantener niveles de producción comercialmente viables. Por lo tanto, la explotación del gas de lutita es una actividad intensiva y duradera que requiere una planificación meticulosa y una inversión considerable.

Cómo funciona la fracturación hidráulica. https://www.todoporhacer.org/la-fractura-hidraulica/

Impactos ambientales del fracking

La fracturación hidráulica ha generado preocupaciones significativas en torno a su impacto ambiental, especialmente en lo que respecta al consumo de agua, la contaminación de acuíferos, la emisión de gases de efecto invernadero y la sismicidad inducida. Estas preocupaciones están respaldadas por pruebas documentadas que detallan tanto los riesgos como las medidas de mitigación disponibles.

  1. Consumo de agua: Cada pozo de fracturación hidráulica requiere entre 8000 y 15 000 m³ de agua, dependiendo de factores como la profundidad del pozo y el número de etapas de fracturación. Esta cantidad de agua es considerable, particularmente en regiones con recursos hídricos limitados. Para mitigar este impacto, se ha propuesto reutilizar las aguas de retorno y utilizar fuentes no convencionales de agua, como las salobres. Es esencial investigar previamente la disponibilidad de agua superficial y subterránea para garantizar la sostenibilidad del proyecto.
  2. Contaminación de acuíferos: Aunque las zonas de fractura están separadas de los acuíferos por capas de roca impermeable, las fugas a través de defectos en la cementación de los pozos suponen un riesgo. Los fluidos de fracturación, que contienen metano y aditivos químicos, pueden migrar hacia los acuíferos superficiales en caso de fallo estructural. Por ello, es esencial realizar un seguimiento continuo y diseñar adecuadamente los pozos para prevenir estos incidentes.
  3. Sismicidad inducida: La fracturación hidráulica puede causar micro-sismos de baja intensidad, imperceptibles sin instrumentos especializados. En raras ocasiones, la inyección en áreas cercanas a fallas activas ha generado sismos de mayor magnitud, aunque el límite superior para estos eventos es de 3 en la escala de Richter. La evaluación geológica previa y el monitoreo continuo son fundamentales para minimizar este riesgo.
  4. Gestión de aguas residuales: Las aguas de retorno contienen minerales disueltos, compuestos químicos y, ocasionalmente, materiales radiactivos naturales (NORM). Las estrategias de mitigación incluyen el tratamiento de residuos, la evaporación y la reutilización del agua reciclada. Estas medidas no solo reducen la demanda de agua dulce, sino que también minimizan el impacto ambiental.

Retos sociales y económicos

El desarrollo de la fracturación hidráulica enfrenta múltiples retos sociales y económicos. En términos sociales, la aceptación pública es fundamental. La percepción de riesgo asociada a la contaminación del agua, la sismicidad y la ocupación del terreno puede generar resistencia en las comunidades locales. Por otro lado, el fracking ofrece beneficios económicos significativos, como la reducción de la dependencia energética de las importaciones y la creación de empleo.

En España, las estimaciones de recursos prospectivos varían considerablemente. Según la Agencia Estadounidense de Información Energética (EIA), el país cuenta con 226 bcm de gas técnicamente recuperable, mientras que otros estudios elevan esta cifra a 1978 bcm. Estas reservas tienen el potencial de abastecer la demanda nacional durante décadas, aunque su desarrollo enfrenta desafíos como la falta de infraestructura y los altos costes de perforación.

Desde el punto de vista económico, el fracking es competitivo. El coste medio de extracción se estima en 5 céntimos de euro por kWh, lo que lo convierte en una opción viable frente a otras fuentes de energía. Sin embargo, para garantizar la sostenibilidad del sector, los beneficios deben equilibrarse con los riesgos ambientales y sociales.

Conclusiones

La fracturación hidráulica es una tecnología innovadora que ha transformado la industria energética. Aunque ofrece oportunidades significativas para la diversificación y la seguridad energética, su implementación debe abordarse con un enfoque integral que contemple tanto los beneficios económicos como sus posibles impactos ambientales y sociales. Es necesario realizar una evaluación cuidadosa y aplicar regulaciones estrictas para mitigar riesgos y garantizar una explotación sostenible de los recursos naturales. El desarrollo de recursos no convencionales en España requerirá una planificación meticulosa, un marco regulatorio sólido y un compromiso transparente con las comunidades locales.

Al adoptar medidas de mitigación efectivas y avanzar en tecnologías más sostenibles, el fracking puede desempeñar un papel crucial en la transición hacia un sistema energético más diversificado y seguro, minimizando al mismo tiempo su impacto ambiental y social.

Os dejo algunos vídeos al respecto.

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Lecciones aprendidas: proteger a la población es la prioridad

En el día de Navidad no podía dejar de pensar en las personas, especialmente en aquellas que sufren por injusticias, guerras, discriminación o desastres naturales, entre otras muchas cosas. A continuación, os dejo una reflexión que me pidieron para un número especial de iAgua. Creo que no puede haber un día mejor para divulgarla. ¡Feliz Navidad!

Lecciones aprendidas: proteger a la población es la prioridad

La reciente DANA en Valencia dejó una lección incontestable: ante fenómenos climáticos extremos, la máxima prioridad debe ser proteger a la población. Estos eventos exigen un replanteamiento inmediato de la gestión del riesgo de inundaciones. La seguridad de las personas no puede depender de respuestas improvisadas, sino de estrategias basadas en el conocimiento científico.

Las inundaciones suponen un riesgo directo para las personas, pero también tienen efectos indirectos devastadores. Cuando fallan los servicios esenciales, como el suministro eléctrico o el acceso a agua potable, las comunidades se enfrentan a situaciones de alta vulnerabilidad. Durante la reciente emergencia, muchas zonas quedaron incomunicadas y sin recursos básicos.

Frente a esto, existen medidas estructurales y no estructurales para minimizar estos riesgos. Las primeras consisten en regular las cuencas para reducir el impacto de las inundaciones. Por ejemplo, las presas almacenan grandes volúmenes de agua que van liberando gradualmente, lo que evita desbordamientos aguas abajo. Los encauzamientos reducen significativamente los riesgos. Sin embargo, estas intervenciones deben planificarse cuidadosamente para evitar impactos ambientales y garantizar que cumplan su función. Para ello, es necesario un enfoque holístico, pues el problema es complejo.

Por otro lado, las medidas no estructurales incluyen planes de emergencia, sistemas de alerta temprana y la educación de la población. Un plan de emergencia debe detallar las rutas de evacuación, los puntos seguros y los procedimientos de actuación en caso de inundación. La preparación salva vidas, pero solo es efectiva si las personas saben cómo actuar y confían en las instituciones que gestionan la crisis.

Los sistemas de alerta temprana son fundamentales para ganar tiempo en situaciones críticas. Hay que mejorar las tecnologías que permitan predecir inundaciones con mayor precisión. La información debe llegar rápidamente a la población a través de canales fiables y accesibles para evitar el caos y la desinformación que suelen acompañar a estos eventos.

La planificación territorial también forma parte de las medidas no estructurales. Debemos ser más estrictos a la hora de evitar construcciones en zonas de alto riesgo y priorizar el desarrollo urbano en áreas menos vulnerables. Además, la recuperación de espacios naturales puede actuar como barrera de protección frente a inundaciones. No obstante, es necesario considerar que algunas medidas solo son adecuadas para un volumen moderado de precipitaciones.

No obstante, ninguna medida será suficiente sin una adecuada coordinación entre instituciones y comunidades. La gestión del riesgo de inundación debe ser un esfuerzo conjunto en el que participen gobiernos, científicos, ingenieros y ciudadanos. La falta de preparación no solo agrava el impacto, sino que también debilita la confianza de la población en las autoridades.

La recuperación tras una emergencia debe centrarse en reforzar las infraestructuras y estrategias existentes. Reconstruir mejor no es solo un eslogan, sino una necesidad. Cada inundación nos enseña algo nuevo sobre cómo proteger mejor a la población. No podemos ignorar la responsabilidad de aplicar estas lecciones.

En Valencia, hemos visto hasta dónde llega nuestra preparación frente a fenómenos extremos. Ahora es el momento de pasar a la acción. La inversión y los planes de emergencia no solo protege las infraestructuras, sino que salva vidas. Ignorar esta realidad pone en peligro a quienes más dependen de un sistema resiliente y preparado.

La protección de la población no puede ser un objetivo secundario. Es el núcleo de cualquier estrategia de gestión de riesgos. Como científicos, tenemos el deber de ofrecer soluciones basadas en evidencias, y como sociedad, la responsabilidad de exigir que se implementen. La próxima DANA llegará, pero la manera en que nos encuentre preparados marcará la diferencia entre un desastre y una respuesta ejemplar.

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Estructuras híbridas de acero

Viga armada de acero. https://www.renedometal.es/vigas-armadas-la-rioja/

El desarrollo de estructuras de acero ha sido un pilar fundamental en la ingeniería civil desde el siglo XIX. Obras emblemáticas como el puente de Brooklyn y la torre Eiffel son ejemplos tempranos de su aplicación con éxito. La evolución tecnológica ha dado lugar al desarrollo de conceptos avanzados como las vigas híbridas de acero, que permiten un mejor aprovechamiento del material y reducen los costes de manera significativa. Las vigas híbridas de acero son una solución avanzada en el ámbito de la construcción que permite optimizar el uso de materiales, reducir costes y mejorar la eficiencia estructural. Estas vigas combinan diferentes tipos de acero en sus componentes para maximizar la resistencia y minimizar el peso, por lo que constituyen una alternativa eficaz a las vigas homogéneas tradicionales.

Históricamente, han dominado el mercado las vigas de acero convencionales, en las que tanto el alma como las alas tienen la misma resistencia a la fluencia. Sin embargo, esta configuración puede llevar a un uso ineficiente del material, ya que las alas soportan la mayor parte de las tensiones de flexión. La incorporación de diferentes resistencias en las partes de la viga es una solución innovadora para optimizar el empleo del acero.

El concepto de viga híbrida implica el uso de acero de alta resistencia en las alas, donde se producen tensiones de tracción y compresión máximas, y de acero de resistencia moderada en el alma, que soporta tensiones menores. Esta configuración permite reducir el peso total de la viga, disminuir costes y mejorar la sostenibilidad mediante una utilización más eficiente de los recursos.

La investigación sobre vigas híbridas ha seguido tres enfoques principales: estudios experimentales, simulaciones computacionales y revisiones bibliográficas. Los ensayos experimentales evalúan el comportamiento estructural bajo diversas condiciones de carga. Las simulaciones computacionales permiten modelar situaciones complejas mediante el método de elementos finitos. Las revisiones bibliográficas consolidan el conocimiento existente y permiten identificar lagunas en la investigación.

Las estructuras híbridas son objeto de nuestros proyectos de investigación HYDELIFE y RESILIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. En las referencias se encuentran tres de los artículos publicados al respecto, los cuales se pueden descargar por estar publicados en abierto. Además, ya publicamos varias entradas sobre estos trabajos hace unos meses.

En un artículo anterior (Terreros-Bezoya et al., 2023), ya hicimos referencia a un estudio del estado del arte al respecto. En dicha investigación se revisaron 128 publicaciones sobre diseño de vigas y se utilizó un análisis de correspondencia para identificar patrones en variables como la resistencia de alas y alma, las condiciones de carga y los métodos de cálculo. Se sistematiza el conocimiento existente y se destacan enfoques de diseño eficaces. Se identifican ratios híbridos ideales, con un equilibrio entre resistencia y economía de material, que oscilan entre 1,3 y 1,6. Además, el estudio destaca las ventajas ambientales y económicas de las vigas híbridas, ya que al reducir el peso de las estructuras, disminuyen los costes de transporte, instalación y materiales, y, por tanto, las emisiones de CO₂. Esta estrategia se alinea con los objetivos de la Unión Europea para lograr la neutralidad climática en 2050 y mejora la viabilidad de proyectos a gran escala al reducir los costes de fabricación y montaje.

Estudios recientes han demostrado que las vigas híbridas son superiores en términos de resistencia y eficiencia económica. Ensayos experimentales muestran que pueden soportar cargas hasta un 40% mayores que las vigas convencionales debido a su capacidad para distribuir tensiones de manera más efectiva. Además, su uso puede reducir los costos de construcción en un 20%, considerando ahorros en materiales, transporte e instalación.

En términos de distribución geográfica, la investigación sobre vigas híbridas está dominada por Estados Unidos, China y Europa, con un crecimiento notable en Asia debido a su desarrollo infraestructural. Los estudios se centran en tres áreas principales: comportamiento estructural, desarrollo de metodologías de diseño y optimización económica.

Las investigaciones sobre flexión pura revelan que una resistencia a la fluencia de 300 MPa en el alma y 500 MPa en las alas mejora significativamente el rendimiento estructural. En términos de corte puro, se ha logrado mejorar la resistencia en un 25% mediante el desarrollo de campos de tensión diagonales. La interacción flexión-corte permite incrementar la resistencia última hasta un 30% al diseñar refuerzos de ala y distribuciones de carga adecuadas.

El trabajo de Negrín et al. (2023) presenta una metodología para optimizar el diseño de vigas híbridas de acero soldado y, por tanto, mejorar su coste. Se formula un problema de optimización que permite configuraciones híbridas con diferentes tipos de acero y se considera el coste de fabricación como función objetivo. Los resultados indican que el diseño optimizado puede ser hasta un 50 % más económico que los métodos tradicionales. Además, se sugieren métodos para comparar soluciones óptimas y se establecen líneas de investigación futuras basadas en los resultados obtenidos.

El estudio de Negrín et al. (2024) destaca los beneficios económicos de las vigas de acero híbridas transversal-longitudinalmente (TLH), mostrando una reducción de costos de fabricación superior al 50% en comparación con diseños tradicionales. Se identifican configuraciones TLH como más eficaces para elementos grandes, con recomendaciones para puntos de transición y configuraciones de materiales según niveles de tensión. Además, la metodología propuesta promueve un diseño sostenible, optimizando elementos TLH para mejorar aspectos económicos y ambientales, lo que sugiere futuras investigaciones en comportamiento estructural y sostenibilidad.

Sin embargo, persisten desafíos en áreas como la soldadura y la fabricación. La unión de materiales con diferentes propiedades requiere técnicas especializadas y electrodos adecuados para garantizar la integridad estructural. Además, los estándares de diseño actuales deben actualizarse para reflejar las características específicas de las vigas híbridas y proporcionar directrices más detalladas para su aplicación.

En conclusión, las vigas híbridas de acero ofrecen una combinación única de resistencia, sostenibilidad y economía. Los avances en fabricación, en métodos computacionales y en el análisis del ciclo de vida continúan impulsando su desarrollo. La colaboración entre instituciones académicas, la industria y los organismos reguladores será esencial para su adopción generalizada. La actualización de los códigos de diseño y la estandarización de los procesos de fabricación mejorarán su competitividad en proyectos de infraestructura a gran escala.

Referencias:

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

NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2023). Design optimization of welded steel plate girders configured as a hybrid structure. Journal of Constructional Steel Research, 211:108131. DOI:10.1016/j.jcsr.2023.108131

TERREROS-BEDOYA, A.; NEGRÍN, I.; PAYÁ-ZAFORTEZA, I.; YEPES, V. (2023). Hybrid steel girders: review, advantages and new horizons in research and applications. Journal of Constructional Steel Research, 207:107976. DOI:10.1016/j.jcsr.2023.107976.

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Diseño optimizado de edificios de pórticos de hormigón armado frente al colapso progresivo mediante metamodelos

El diseño estructural de los edificios plantea importantes retos para garantizar su seguridad y sostenibilidad. El colapso progresivo, provocado por eventos extremos como terremotos o explosiones, puede ocasionar daños catastróficos. Para reducir este riesgo, se propone una metodología de diseño apoyada en metamodelos que combina optimización estructural y criterios de seguridad, y que tiene en cuenta elementos que a menudo se pasan por alto, como los forjados, las pantallas de arriostramiento y la interacción suelo-estructura (SSI, por sus siglas en inglés).

El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación RESILIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. También es fruto de la colaboración con investigadores de Brasil y Cuba.

Metodología

Descripción del problema

Se estudiaron cinco edificios de pórticos de hormigón armado con diferentes configuraciones de plantas y luces. Las estructuras incluyen vigas, columnas, forjados y pantallas de arriostramiento. Además, se incorporó el diseño optimizado de cimentaciones, considerando la interacción con el suelo mediante modelos de elasticidad lineal. Las dimensiones de los elementos estructurales se ajustaron siguiendo las normas internacionales de diseño y se consideraron distintas combinaciones de carga para evaluar escenarios críticos.

Se realizaron simulaciones numéricas avanzadas que tuvieron en cuenta escenarios de carga extremos, incluyendo la pérdida de columnas críticas en diversas posiciones. En el análisis se tuvieron en cuenta factores de seguridad, límites de servicio y fallos estructurales para determinar los diseños óptimos. También se tuvieron en cuenta criterios de sostenibilidad y se midieron las emisiones de CO₂ asociadas a cada solución.

Optimización basada en un diseño robusto frente al colapso progresivo (ObRDPC)

La metodología ObRDPC se centra en minimizar las emisiones de CO₂ como función objetivo, garantizando simultáneamente la robustez estructural mediante restricciones de seguridad. Para evaluar el colapso progresivo y simular la pérdida de columnas críticas, así como analizar la redistribución de cargas, se empleó el método de camino alternativo (AP). La metodología incluye la verificación de estados límite últimos y de servicio, lo que garantiza el cumplimiento de los requisitos normativos.

El proceso de optimización incluye la definición precisa de las variables de diseño, como las dimensiones de las vigas, columnas y cimentaciones, así como el tipo de hormigón utilizado. Para maximizar la eficiencia estructural y minimizar los costos ambientales, se aplican técnicas de programación matemática.

Modelización de forjados y pantallas de arriostramiento

  • Forjados: se modelaron como elementos tipo placa de 12 cm de espesor y se conectaron a las vigas mediante nodos rígidos para asegurar la continuidad estructural. Se realizó una discretización adecuada para representar su comportamiento realista ante cargas verticales y horizontales. El análisis incluyó el comportamiento a flexión, los efectos de cargas concentradas y la interacción con los elementos perimetrales. Se consideraron diferentes configuraciones de refuerzo para maximizar la resistencia y minimizar las deformaciones.
  • Pantallas de arriostramiento: representadas mediante diagonales equivalentes elásticas, según las especificaciones normativas. Se definieron sus propiedades mecánicas mediante modelos experimentales previos, incluyendo el módulo de elasticidad y la resistencia a compresión. Se estudiaron distintos tipos de mampostería y su influencia en la resistencia general. Las pantallas de arriostramiento también se evaluaron como elementos activos en la redistribución de cargas después de eventos que provocan la pérdida de soporte, lo que mejora la estabilidad global del sistema estructural.

Interacción suelo-estructura (SSI)

Se consideró el asentamiento diferencial de las cimentaciones mediante coeficientes de rigidez calculados según modelos elásticos. El suelo se modeló como un medio elástico semiespacial. En el análisis se incluyó la interacción entre la superestructura y el terreno para capturar los efectos de asentamientos desiguales y su impacto en el estado de esfuerzos y deformaciones.

En el análisis se tuvieron en cuenta diferentes tipos de suelos, desde arcillas de baja resistencia hasta suelos granulares compactados. Se realizaron estudios paramétricos para evaluar la sensibilidad del sistema a variaciones en la rigidez del terreno y el módulo de elasticidad del hormigón.

Cinco estudios de casos que consideran la modelización de cimientos, forjados y pantallas de arriostramiento.

Optimización asistida por metamodelos

Se utilizaron técnicas avanzadas de optimización asistida por metamodelos para reducir la carga computacional. El proceso incluyó un muestreo inicial mediante muestreo hipercúbico latino para cubrir eficientemente el espacio de diseño, seguido de la construcción del metamodelo a través de técnicas de interpolación Kriging para aproximar las respuestas estructurales, evaluando múltiples configuraciones para garantizar la precisión. Posteriormente, se aplicó una optimización global utilizando algoritmos evolutivos, como la Biogeography-based Optimization (BBO), para explorar soluciones factibles y un método iterativo para refinar las soluciones y garantizar su viabilidad en condiciones críticas.

Resultados

Impacto de forjados y pantallas de arriostramiento

La inclusión de forjados y pantallas de arriostramiento mejoró significativamente la redistribución de cargas y la resistencia al colapso progresivo. El análisis mostró una reducción del 11 % en el impacto ambiental para diseños resistentes al colapso, en comparación con modelos que solo consideran vigas y columnas.

Se observó una mejora notable en la capacidad de redistribución de cargas después de la pérdida de columnas críticas. Las pantallas de arriostramiento actuaron como elementos resistentes adicionales, mitigando fallos en los elementos primarios y reduciendo los desplazamientos globales.

Comparación de enfoques de diseño

Se observó que aumentar el número de niveles incrementa la robustez estructural debido a la mayor redundancia de elementos. Sin embargo, el incremento de la longitud de las luces de las vigas reduce esta capacidad, por lo que es necesario utilizar secciones más robustas y aplicar mayores refuerzos.

Los modelos con luces de 8 m presentaron un aumento del 50 % en las emisiones de CO₂ cuando no se incluyeron forjados ni pantallas de arriostramiento. Al incorporarlos, se consiguió reducir este incremento a la mitad.

Recomendaciones prácticas para el diseño estructural

  1. Incluir forjados y pantallas de arriostramiento: Su integración mejora significativamente la resistencia al colapso progresivo, particularmente en edificios con luces amplias.
  2. Optimizar secciones estructurales: Diseñar secciones de vigas y columnas equilibrando rigidez y eficiencia económica.
  3. Evaluar diferentes tipos de cimentaciones: Incorporar análisis de interacción suelo-estructura para definir bases óptimas.
  4. Aplicar análisis paramétricos: Evaluar la sensibilidad de los diseños a variaciones en la resistencia del hormigón y las condiciones geotécnicas.
  5. Considerar combinaciones de carga extremas: Simular múltiples fallos para garantizar diseños robustos y seguros.

Conclusión

La optimización basada en un diseño robusto frente al colapso progresivo (ObRDPC) permite diseñar estructuras resistentes al colapso progresivo con menor impacto medioambiental. El uso de metamodelos y la consideración de forjados, pantallas de arriostramiento y la interacción suelo-estructura mejoran significativamente la seguridad estructural y la sostenibilidad del diseño. Se recomienda ampliar esta investigación a otros tipos de estructuras y condiciones geotécnicas complejas para validar y perfeccionar la metodología propuesta.

Referencia:

NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2025). Metamodel-assisted design optimization of robust-to-progressive-collapse RC frame buildings considering the impact of floor slabs, infill walls, and SSI implementation. Engineering Structures, 325:119487. DOI:10.1016/j.engstruct.2024.119487

Como el artículo se ha publicado en abierto, lo podéis descargar aquí:

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Modelización y métodos de optimización aplicados al consumo energético en los ferrocarriles

El sector ferroviario, reconocido por su eficiencia energética, sigue siendo objeto de investigación para mejorar su sostenibilidad. Pese a representar solo el 2 % del consumo energético del transporte en Europa, su relevancia en el transporte de mercancías y pasajeros impulsa la investigación para reducir su huella de carbono. La necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y mejorar la competitividad económica ha llevado a realizar estudios exhaustivos centrados en el consumo energético ferroviario.

 

Modelización del consumo energético

El modelado del consumo energético permite evaluar y simular el rendimiento de los trenes sin necesidad de realizar pruebas experimentales. Las técnicas de modelado se clasifican principalmente en modelos deterministas y métodos alternativos, como redes neuronales y modelos estocásticos. Estos enfoques permiten analizar múltiples escenarios operativos y optimizar las decisiones estratégicas y operativas.

Modelos deterministas

El enfoque predominante utiliza ecuaciones basadas en la ecuación de Davis, que describe la resistencia al movimiento del tren en función de factores como la velocidad, la masa y la fricción. Su modularidad permite incluir características como frenos regenerativos y sistemas de almacenamiento a bordo. Aunque estos modelos son fiables, requieren numerosos parámetros técnicos, algunos de los cuales son difíciles de obtener debido a su complejidad técnica y a la necesidad de realizar mediciones precisas.

La ecuación de Davis se amplía con frecuencia para incorporar factores como la inclinación de la vía, la resistencia aerodinámica y la fricción en curvas. Estas ampliaciones permiten crear simuladores más detallados que evalúan trayectorias específicas y condiciones operativas complejas. Algunos estudios incluyen incluso el consumo de sistemas auxiliares, como el aire acondicionado y la iluminación, lo que mejora la precisión.

Además, el modelado detallado permite tener en cuenta aspectos como la variación de la masa del tren debida a la carga de pasajeros o mercancías, así como las condiciones meteorológicas y la interacción entre trenes en redes densas. Gracias a estas mejoras, los simuladores no solo evalúan el consumo energético, sino también el impacto de distintas estrategias operativas.

Alternativas al enfoque determinista

Los modelos basados en redes neuronales (Neural Networks) y en técnicas estocásticas (Stochastic Methods) han sido menos explorados, pero ofrecen flexibilidad y pueden manejar incertidumbres como retrasos y cambios en la carga de pasajeros. Las redes neuronales permiten entrenar modelos a partir de grandes volúmenes de datos operativos, lo que les permite aprender patrones complejos que los modelos deterministas podrían pasar por alto. Sin embargo, estos métodos requieren grandes volúmenes de datos y procesos de entrenamiento complejos.

Los modelos estocásticos integran factores aleatorios, como fallos en el sistema y condiciones meteorológicas. Su uso es particularmente relevante en redes ferroviarias densas, donde las interacciones entre trenes generan escenarios difíciles de prever mediante métodos deterministas. Los estudios actuales sugieren que estas técnicas podrían aplicarse a la gestión en tiempo real de las redes ferroviarias para mejorar la eficiencia global.

Métodos de optimización

La optimización del consumo energético ferroviario implica resolver problemas complejos, desde la gestión de perfiles de velocidad hasta la distribución de tiempos de espera y la configuración de infraestructuras. Estos estudios buscan minimizar el consumo energético sin comprometer los tiempos de viaje ni la capacidad operativa.

La formulación de problemas de optimización se basa en variables como los tiempos de viaje, los perfiles de velocidad, el consumo energético y la utilización de las infraestructuras, y su enfoque varía en función de si se optimiza un solo tren o un sistema completo. Las metodologías utilizadas incluyen la optimización unidimensional, que se centra en variables individuales como, por ejemplo, minimizar el tiempo de viaje o el consumo energético, y la optimización multidimensional, que aborda simultáneamente varios factores como el tiempo, el consumo energético, los costos operativos y las emisiones contaminantes. Los problemas de optimización pueden ser estáticos, donde se consideran condiciones fijas, o dinámicos, que ajustan decisiones en tiempo real con datos operativos actualizados.

Los métodos de optimización incluyen la búsqueda directa, que evalúa todas las soluciones posibles y es adecuada para problemas simples con pocos parámetros, y el análisis de principios máximos, que obtiene soluciones exactas mediante ecuaciones matemáticas avanzadas, aunque para ello sea necesario realizar simplificaciones y hacerlos computacionalmente viables. Las metaheurísticas, inspiradas en procesos naturales, se utilizan ampliamente por su capacidad para gestionar espacios de solución complejos. Entre ellas destacan los algoritmos genéticos, que han demostrado su versatilidad y eficacia en numerosos estudios. También se emplean técnicas como la optimización por enjambre de partículas y la optimización por colonias de hormigas, que son útiles en problemas específicos como, por ejemplo, la asignación de horarios y rutas óptimas. Además, la optimización basada en aprendizaje combina aprendizaje individual y colectivo para mejorar los resultados en contextos operativos cambiantes.

Los métodos de optimización también incluyen técnicas como la programación lineal, la programación dinámica y los algoritmos híbridos, que combinan diferentes enfoques para superar las limitaciones de cada uno de ellos. Las técnicas más avanzadas integran sistemas de inteligencia artificial y algoritmos de predicción para ajustar dinámicamente los parámetros operativos.

Discusión y análisis estadístico

Un análisis estadístico muestra que los modelos deterministas predominan debido a su precisión y facilidad para incluir múltiples factores. En optimización, los algoritmos genéticos son ampliamente preferidos, aunque métodos como la optimización por enjambre de partículas han demostrado ser eficaces en ciertos problemas.

Estudios recientes sugieren la posibilidad de combinar diferentes algoritmos para cubrir todo el espacio de soluciones y abordar problemas complejos que incluyen interacciones entre múltiples trenes y redes ferroviarias completas. Estas estrategias son esenciales para implementar operaciones ferroviarias completamente autónomas y sostenibles.

Además, el uso de análisis estadísticos avanzados, como el análisis de correspondencias y el modelado predictivo, permite identificar patrones ocultos y mejorar la precisión de los modelos y algoritmos utilizados.

Conclusión

La combinación de modelos deterministas y técnicas complementarias podría mejorar la precisión de los estudios. En optimización, el desarrollo de enfoques híbridos que combinen diferentes algoritmos metaheurísticos podría suponer un gran avance en la gestión energética ferroviaria. La integración de datos en tiempo real y técnicas de aprendizaje automático (Machine Learning Techniques) podría revolucionar el campo y llevar a sistemas ferroviarios más sostenibles y eficientes.

Referencia:

MARTÍNEZ-FERNÁNDEZ, P.; VILLALBA-SANCHÍS, I.; YEPES, V.; INSA-FRANCO, R. (2019). A review of modelling and optimisation methods applied to railways energy consumption. Journal of Cleaner Production, 222:153-162. DOI:10.1016/j.jclepro.2019.03.037

Os dejo la versión autor del artículo, para su consulta.

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Escalas Likert: una herramienta fundamental en la ingeniería de encuestas

https://delighted.com/es/blog/likert-scale

Las escalas Likert son un estándar en la investigación social, educativa y empresarial gracias a su simplicidad y eficacia a la hora de medir percepciones y actitudes. En ingeniería, son fundamentales para recopilar datos en estudios de usabilidad, gestión de proyectos y análisis de riesgos, entre otros.

Este artículo amplía el debate sobre las escalas Likert, abordando su diseño, implementación, análisis y aplicaciones prácticas en diversos campos de la ingeniería.

¿Qué son las escalas Likert?

De University of Michigan. News and Information Services. Photographs – Bentley Historical Library, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=76306573

Desarrolladas por Rensis Likert en 1932, estas escalas son un método para medir actitudes a través de una serie de afirmaciones ante las que el encuestado expresa su nivel de acuerdo o desacuerdo. Generalmente, tienen entre 5 y 7 puntos, aunque en ciertas situaciones se utilizan versiones más específicas. Su unidimensionalidad y simplicidad las hacen ideales para capturar datos subjetivos de forma sistemática.

Las principales características son la unidimensionalidad, ya que los ítems deben medir un único constructo (satisfacción, percepción o actitud), la versatilidad, que permite evaluar dimensiones como la frecuencia, la importancia y la probabilidad en diversos contextos, y la comparabilidad, por el hecho de que la estandarización de respuestas facilita la comparación entre grupos y estudios a lo largo del tiempo.

Los componentes de una escala Likert incluyen afirmaciones o ítems, que son declaraciones sobre las que el encuestado expresa su nivel de acuerdo o desacuerdo; opciones de respuesta, que representan un rango de valores como «Totalmente en desacuerdo», «Neutral» y «Totalmente de acuerdo», y puntuación, donde las respuestas se codifican numéricamente para facilitar el análisis estadístico.

El diseño de un cuestionario con escala Likert

El diseño de un cuestionario bien estructurado es fundamental para garantizar la calidad de los datos recopilados. Esto incluye desde la redacción de las preguntas hasta la elección del tipo de respuesta.

  • Redacción de ítems: La calidad de un cuestionario depende de la claridad y precisión de sus elementos, por lo que se recomienda evitar ambigüedades, expresar una sola idea con cada elemento, utilizar afirmaciones neutrales para minimizar sesgos emocionales y adaptar el lenguaje al contexto, teniendo en cuenta el nivel de comprensión del grupo objetivo. Por ejemplo, la pregunta «Estoy satisfecho con la calidad y el precio del servicio» debería descomponerse en dos preguntas distintas. Formulaciones como «¿Está de acuerdo con que los políticos son corruptos?», introducen sesgos emocionales.
  • Opciones de respuesta: Para diseñar opciones de respuesta efectivas, es relevante que sean claras, equidistantes y exhaustivas. El número de categorías debe tenerse en cuenta; cinco es el estándar, mientras que escalas de siete puntos ofrecen mayor precisión y escalas con menos de tres puntos limitan la variabilidad. Además, elegir entre escalas pares o impares influye en los resultados: las pares eliminan el punto medio neutral, por lo que obligan a los encuestados a posicionarse en uno de los dos extremos.
  • Organización y estructura: La organización y estructura de un cuestionario debe seguir un flujo lógico, aplicando la técnica del embudo, que consiste en comenzar con preguntas generales y poco sensibles, avanzar hacia ítems más específicos y personales y agrupar por temas para mantener la coherencia y reducir la fatiga cognitiva.
  • Realización de pretests: La realización de pretests es esencial para evaluar la comprensión, fluidez y relevancia del cuestionario, lo que permite identificar y corregir errores antes de su implementación final.
De Nicholas Smithvectorization: Trabajo propio – Trabajo propio, based on File:Example Likert Scale.jpg, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=18615046

Análisis de datos obtenidos con escalas Likert

La fortaleza de las escalas Likert radica en su capacidad para adaptarse a diversos métodos analíticos. Los datos obtenidos pueden proporcionar información valiosa, ya sea en análisis descriptivos o en modelos avanzados.

1. Análisis descriptivo

  • Tendencia central: La media y la mediana resumen la tendencia general de las respuestas.
  • Dispersión: Indicadores como el rango o la desviación estándar ayudan a entender la variabilidad en las respuestas.
  • Visualización: Gráficos de barras, histogramas y diagramas de cajas facilitan la interpretación rápida.

2. Relación entre variables

El análisis bivariado permite explorar cómo se relacionan diferentes variables dentro de la escala Likert:

  • Correlación de Pearson: Evalúa la relación lineal entre dos variables continuas.
  • Tablas de contingencia: Adecuadas para analizar categorías derivadas de respuestas Likert.

3. Análisis factorial exploratorio (AFE)

Este enfoque permite identificar dimensiones latentes que subyacen en los ítems:

  • Validación estructural: Determina si los ítems agrupan un único constructo o múltiples dimensiones.
  • Técnicas de reducción: PCA (Análisis de Componentes Principales) y AFE ayudan a simplificar la interpretación.

4. Evaluación de la fiabilidad

La consistencia interna de una escala se mide comúnmente mediante el alfa de Cronbach. Valores superiores a 0,7 suelen considerarse aceptables.

Ventajas y limitaciones

Entre sus ventajas destacan su accesibilidad, ya que son fáciles de implementar y entender, su flexibilidad, al adaptarse a diversas áreas de investigación, y su simplicidad analítica, que permite análisis básicos y avanzados. Sin embargo, presentan limitaciones: la deseabilidad social, donde las respuestas pueden estar influenciadas por lo que es socialmente aceptable; la ambigüedad en las opciones medias, ya que categorías como «Neutral» pueden interpretarse de manera diferente; y la unidimensionalidad no garantizada, por lo que es necesario validar su estructura interna mediante análisis factorial.

Aplicaciones en ingeniería

Las escalas Likert tienen amplias aplicaciones en ingeniería, por ejemplo, en estudios de satisfacción para evaluar la percepción de los usuarios sobre productos o servicios, en gestión de riesgos para analizar actitudes hacia posibles escenarios de riesgo en proyectos y en usabilidad de software para medir la experiencia del usuario en diseño y funcionalidad de interfaces. En la evaluación de proyectos, sirven para recopilar información sobre aspectos como el cumplimiento de plazos, la calidad del producto y la eficiencia del equipo.

Conclusión

Las escalas Likert son una herramienta esencial para medir percepciones, actitudes y comportamientos. Su versatilidad y facilidad de implementación las convierten en una opción popular en investigaciones de ingeniería y ciencias sociales. El diseño riguroso del cuestionario y el análisis adecuado de los datos garantizan resultados fiables que pueden orientar la toma de decisiones, mejorando procesos y productos en diversos ámbitos de la ingeniería.

Os dejo a continuación una presentación que hice en Santiago de Chile, sobre el análisis de cuestionarios basados en escalas Likert. Espero que sea de vuestro interés.

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Código de buenas prácticas para las obras temporales. Norma BS 5975:2019

Las obras temporales son un componente esencial de cualquier proyecto de construcción, ya que proporcionan soporte crítico durante las fases más vulnerables del ciclo de vida de una estructura. Su correcta planificación y ejecución no solo garantiza la estabilidad de la obra, sino que también protege a los trabajadores, al público y al medio ambiente. Un fallo en estas estructuras puede tener consecuencias catastróficas, como pérdidas humanas, daños materiales y responsabilidades legales importantes.

La norma BS 5975:2019 es una guía exhaustiva que establece los principios básicos para gestionar y diseñar obras provisionales o estructuras auxiliares en el sector de la construcción. Publicado por primera vez en 1982, se ha ido actualizando regularmente para abordar los cambios en la industria, las necesidades tecnológicas y normativas, y para garantizar que los proyectos de construcción se ejecuten de manera segura, eficiente y conforme a la normativa aplicable.

En sus orígenes, esta norma surgió como respuesta a incidentes graves ocurridos en obras temporales, como colapsos estructurales debidos a fallos en el diseño o la ejecución. Las recomendaciones iniciales, derivadas del informe Bragg y otros estudios relevantes, hicieron hincapié en la necesidad de controles estrictos y funciones bien definidas en la gestión de estas estructuras. Desde entonces, la norma ha evolucionado para incluir no solo aspectos técnicos, sino también procedimientos organizativos que refuerzan la coordinación entre las partes involucradas en un proyecto.

La versión de 2019 incorpora cambios significativos relacionados con las Regulaciones de Diseño y Gestión de la Construcción (CDM 2015). Estas regulaciones reflejan un enfoque moderno en materia de seguridad y exigen que todos los implicados, desde los clientes hasta los subcontratistas, comprendan y asuman sus responsabilidades en la planificación, el diseño y la ejecución de obras temporales.

Objetivos y alcance

La norma BS 5975:2019 busca garantizar que las obras temporales sean seguras, eficientes y sostenibles en todas sus fases, desde el diseño hasta el desmantelamiento. Proporciona directrices detalladas para minimizar riesgos, optimizar recursos y establecer una trazabilidad clara de responsabilidades. Además, promueve la colaboración efectiva entre diseñadores, contratistas y clientes, de modo que cada parte comprenda su papel y cumpla con la normativa aplicable.

El ámbito de aplicación de la norma cubre una amplia gama de estructuras y procedimientos relacionados con obras temporales, entre las que se incluyen:

  • Soporte de estructuras permanentes: elementos de soporte durante la construcción, remodelación o demolición.
  • Estabilidad estructural temporal: sistemas de apoyo para edificios, puentes, taludes o excavaciones.
  • Acceso y seguridad: instalación de plataformas, escaleras, pasarelas y otros elementos que permitan acceder de manera segura a las zonas de trabajo.
  • Control geotécnico e hidráulico: apuntalamientos y estructuras diseñadas para gestionar la estabilidad del terreno y los efectos del agua.
  • Soporte para equipos y materiales: estructuras temporales que estabilicen maquinaria o almacenen materiales durante la obra.

La norma también se aplica a proyectos de gran envergadura, como aeropuertos, plantas industriales y obras de infraestructura, donde las exigencias técnicas y organizativas son mayores. En estos casos, pueden ser necesarios procedimientos específicos adicionales para garantizar un control efectivo.

Términos clave y responsabilidades

La norma BS 5975:2019 define una serie de términos clave que estandarizan los roles y responsabilidades en la gestión de obras temporales. A continuación, se muestran los más relevantes:

  • Coordinador de obras temporales (TWC): es el responsable principal de supervisar y coordinar todas las actividades relacionadas con las obras temporales. Entre sus funciones se encuentran la revisión de diseños, la emisión de permisos para cargar estructuras y la verificación de que las instalaciones cumplen con los estándares de seguridad. En proyectos grandes o complejos, el TWC puede delegar ciertas tareas en supervisores específicos (TWS) para garantizar un control efectivo.
  • Supervisor de obras temporales (TWS): ayuda al TWC en tareas específicas, como la inspección diaria de las estructuras y la aplicación de las recomendaciones de diseño. Este rol es crucial para garantizar que las obras temporales se construyan y operen según las especificaciones aprobadas.
  • El delegado de la organización (DI): es un representante sénior dentro de la organización que tiene la responsabilidad de establecer y mantener los procedimientos internos para la gestión de obras temporales. Su función es garantizar que los sistemas y procesos de la empresa cumplan con el estándar y se implementen de manera adecuada.
  • Cliente y contratista principal (PC): es responsable de verificar que el contratista principal (PC) sea competente para gestionar el proyecto. Una vez designado, el PC asume la responsabilidad general de todas las actividades en el lugar de trabajo, incluidas las relacionadas con las obras temporales. El PC debe coordinar a los subcontratistas y asegurarse de que trabajen bajo un marco común.
  • Obras temporales: son estructuras diseñadas para soportar, proteger o estabilizar elementos durante la construcción. Esto incluye encofrados, cimbras, andamios, apuntalamientos, estructuras de retención y plataformas temporales.

Gestión de obras temporales

La gestión de obras temporales es uno de los aspectos centrales de la norma BS 5975:2019, ya que establece los procedimientos y las responsabilidades necesarios para garantizar la seguridad, estabilidad y funcionalidad de estas estructuras. Este enfoque abarca desde la planificación inicial hasta la evaluación posterior al desmontaje, garantizando que cada etapa del ciclo de vida de las obras temporales esté bajo control.

La gestión de obras temporales se basa en tres principios fundamentales, que aseguran que todas las partes implicadas trabajen bajo un marco común, que incluye procedimientos claros y una trazabilidad completa de las responsabilidades.:

  1. Control organizativo: cada organización involucrada debe gestionar sus actividades de manera que se minimicen errores y riesgos, y se maximice la seguridad.
  2. Responsabilidad del contratista principal (PC): el PC asume el control total del proyecto, incluida la gestión de las obras temporales.
  3. Nombramiento de un responsable centralizado: una persona, generalmente el coordinador de obras temporales, debe asumir la responsabilidad general de supervisar y coordinar las obras temporales en el lugar.

Cada organización debe establecer procedimientos específicos para gestionar obras temporales, adaptados a la naturaleza y la escala del proyecto. Estos procedimientos incluyen lo siguiente:

  • Planificación inicial: Desde la etapa de diseño, las organizaciones deben identificar las necesidades de obras temporales teniendo en cuenta factores como los requerimientos técnicos, que incluyen las cargas previstas, la estabilidad y los materiales necesarios; los requerimientos legales, que abarcan el cumplimiento de normativas locales y de la norma BS 5975:2019; y las condiciones de la obra, que comprenden factores geotécnicos, climáticos y de acceso al lugar de trabajo.
  • Asignación de roles y responsabilidades: Es esencial asignar roles específicos dentro de cada organización para gestionar las obras temporales. Estos roles incluyen al delegado (DI), responsable de supervisar la implementación de los procedimientos organizativos; al coordinador de obras temporales (TWC), encargado de supervisar y coordinar todas las actividades relacionadas con las obras temporales en el lugar de trabajo, y al supervisor de obras temporales (TWS), responsable de las tareas diarias de inspección y control, trabajando bajo la dirección del TWC.
  • Coordinación interorganizacional: En proyectos complejos con múltiples contratistas, la coordinación entre organizaciones es fundamental para evitar conflictos y garantizar que todas las actividades relacionadas con las obras temporales estén alineadas. Esto incluye el intercambio de información, es decir, compartir diseños, especificaciones y requisitos técnicos entre contratistas y subcontratistas, y la gestión de interfaces, que implica supervisar la interacción entre diferentes áreas de responsabilidad, especialmente en proyectos que involucren estructuras compartidas o adyacentes.

La gestión adecuada de obras temporales requiere un sistema riguroso de documentación y trazabilidad que permita supervisar todas las actividades relacionadas.

  • Registro de obras temporales: La norma exige mantener un registro detallado de todas las estructuras temporales utilizadas en el proyecto, que debe incluir información como la descripción de las estructuras, su ubicación, el estado actual (instalación, uso, desmontaje) y los permisos emitidos para su construcción y carga.
  • Certificación y revisión: Antes de utilizar una estructura temporal, debe emitirse un certificado que confirme que ha sido diseñada, construida y revisada de acuerdo con los estándares aplicables. Este proceso incluye la verificación del diseño, que consiste en una revisión técnica para asegurar que la estructura cumple con los requisitos de carga y estabilidad, y la revisión in situ, que implica una inspección física para confirmar que la estructura se ha construido según el diseño aprobado.
  • Permisos y autorizaciones: El uso de obras temporales requiere la emisión de permisos específicos en varias etapas, como el permiso de construcción, que se otorga antes de ensamblar la estructura, el permiso de carga, que se emite tras verificar que la estructura es segura para soportar las cargas previstas, y el permiso de desmontaje, que garantiza que este se realice de manera segura y ordenada.

La norma subraya la importancia de la supervisión activa durante todas las fases del proyecto para garantizar que las obras temporales se utilicen de manera segura y eficiente.

  • Inspecciones regulares: deben realizarse inspecciones periódicas para verificar que las estructuras se mantengan en condiciones óptimas durante su uso. Dichas inspecciones incluirán la revisión de materiales y componentes para detectar daños o desgaste, la evaluación de la estabilidad estructural en condiciones cambiantes, como cargas dinámicas o climáticas, y la verificación de que las operaciones en el lugar no afecten negativamente a la integridad de las obras temporales.
  • Mantenimiento preventivo: en proyectos de larga duración, es fundamental realizar un mantenimiento periódico de las estructuras temporales para prevenir fallos, lo que incluye el reemplazo de componentes dañados, el ajuste de elementos como puntales o sistemas de fijación y el refuerzo adicional en caso de condiciones imprevistas, como cargas mayores o cambios climáticos extremos.
  • Desmontaje seguro: el desmontaje de estructuras temporales debe planificarse cuidadosamente para minimizar riesgos, lo que incluye evaluar la secuencia de desmontaje para evitar inestabilidad estructural, proporcionar soporte adicional a elementos permanentes si es necesario y retirar componentes de manera ordenada para evitar dañar otros elementos del proyecto o el entorno.

La gestión efectiva de obras temporales requiere una comunicación clara y una formación adecuada para todos los involucrados.

  • Comunicación interna: La información sobre procedimientos, funciones y responsabilidades debe comunicarse claramente a todos los niveles de la organización, lo que incluye reuniones periódicas entre el TWC, el TWS y otros supervisores, así como documentación accesible que detalle los requisitos técnicos y operativos.
  • Formación del personal: El personal involucrado en la construcción, el uso y el desmontaje de obras temporales debe recibir una formación específica que incluya procedimientos de seguridad, uso correcto de materiales y equipos, e identificación y manejo de riesgos asociados con las estructuras temporales.

Diseño y control

El diseño y el control de las obras temporales son pilares fundamentales de la norma BS 5975:2019, ya que garantizan la seguridad, estabilidad y eficiencia en todas las fases de un proyecto de construcción. Este apartado proporciona directrices técnicas y organizativas detalladas para abordar las diversas cargas, materiales y procedimientos relacionados con el diseño de estas estructuras.

  • Consideraciones generales en el diseño: El diseño de obras temporales debe tener en cuenta el propósito específico de cada estructura para cumplir con los requisitos técnicos y operativos del proyecto. Esto implica analizar las cargas, las condiciones ambientales y las necesidades de uso, y garantizar la seguridad en todas las fases, desde la construcción hasta el desmantelamiento. Además, las estructuras temporales deben ser compatibles con las obras permanentes e integrarse sin interferir en su ejecución.
  • Tipos de cargas en el diseño:La norma establece que el diseño de obras temporales debe tener en cuenta varios tipos de cargas: estáticas, como el peso propio de la estructura y la carga muerta de elementos permanentes que se apoyan temporalmente en ella; dinámicas, como el movimiento de maquinaria y las vibraciones causadas por actividades cercanas; ambientales, como el viento, la lluvia y la nieve, que pueden afectar a la estabilidad según la norma Eurocódigo EN 1991-1-3; y accidentales, como impactos de vehículos o la caída de objetos. El diseño debe incorporar factores de seguridad para mitigar estos riesgos y garantizar la estabilidad estructural.
  • Selección de materiales y componentes:La elección de materiales adecuados es crucial para cumplir con los requisitos funcionales y de seguridad en obras temporales. El acero es el material más común por su alta resistencia y ductilidad, y es ideal para cimbras y andamios. La madera se utiliza en proyectos más pequeños o económicos, siempre que cumpla con estándares como el BS 5756:2007. Los componentes prefabricados, como vigas y paneles modulares, permiten una instalación rápida y garantizan una calidad uniforme. Los materiales deben ser inspeccionados y sometidos a pruebas de resistencia para garantizar su capacidad de carga y contar con certificaciones de calidad. Además, los componentes reutilizables, como los puntales y los andamios, requieren un mantenimiento preventivo regular.
  • Verificación del diseño: La BS 5975:2019 establece procedimientos estrictos para la verificación de los diseños de obras temporales. Esto incluye:
    • Niveles de verificación: El nivel de revisión requerido depende de la complejidad y el riesgo asociado al diseño:
      • Diseños simples: Revisión por un ingeniero calificado dentro del equipo del proyecto.
      • Diseños complejos: Revisión independiente por un ingeniero especializado, quien realiza cálculos detallados y simulaciones para verificar la estabilidad de la estructura.
    • Categorías de diseño: La norma clasifica los diseños de obras temporales en tres categorías principales, basándose en su nivel de riesgo:
      • Categoría 1: Diseños estándar con riesgos bajos y procedimientos bien establecidos.
      • Categoría 2: Diseños con ciertos riesgos o complejidad, que requieren una revisión detallada por parte de un ingeniero experimentado.
      • Categoría 3: Diseños de alta complejidad o riesgo, que exigen revisiones externas e independientes.
    • Documentación del diseño: Cada diseño debe estar respaldado por una documentación exhaustiva, que incluya:
      • Declaraciones de diseño que expliquen los cálculos y supuestos utilizados.
      • Certificados de conformidad con normativas aplicables.
      • Planos detallados que muestren la configuración de la estructura temporal.
  • Procedimientos de control en obra:El control de las obras temporales incluye la supervisión durante su construcción, uso y desmantelamiento. La norma exige inspecciones periódicas realizadas por personal cualificado, como el TWC o el TWS, para garantizar que las estructuras cumplen con los diseños aprobados. Antes de cargar o desmontar una estructura, deben obtenerse permisos que certifiquen su correcta construcción y revisión. En proyectos largos o con condiciones cambiantes, es necesaria una supervisión continua para detectar deformaciones o inestabilidad.

Capacitación y formación

La capacitación y formación son pilares esenciales en la gestión de obras temporales, según la norma BS 5975:2019. La seguridad, eficiencia y calidad de estas estructuras dependen directamente del nivel de conocimiento y habilidad del personal involucrado. Una formación adecuada no solo asegura la competencia técnica, sino que también promueve una cultura de prevención de riesgos y mejora continua en todos los niveles organizativos.

  • Importancia de la capacitación:La naturaleza de las obras temporales exige precisión en su diseño, construcción, uso y desmantelamiento, ya que errores en cualquiera de estas fases pueden causar colapsos estructurales, accidentes laborales, retrasos y sanciones legales. Por ello, es fundamental capacitarse para garantizar la seguridad laboral mediante la reducción de riesgos, el cumplimiento normativo siguiendo regulaciones como el CDM 2015 y el BS 5975:2019, la eficiencia operativa optimizando recursos y minimizando desperdicios y la resiliencia estructural, preparando al personal para afrontar imprevistos como cargas adicionales o condiciones climáticas adversas.
  • Áreas clave de formación: La formación debe abordar diversas áreas técnicas y organizativas para cubrir las necesidades de todos los roles involucrados.
    • Formación en roles específicos
      • Coordinador de obras temporales (TWC): desempeña un papel clave en la gestión de estas obras, por lo que su formación debe abarcar procedimientos de diseño, inspección y control, gestión de riesgos asociados a las estructuras temporales, coordinación y supervisión de subcontratistas y equipos en el lugar, comunicación efectiva con diseñadores, clientes y contratistas, así como el conocimiento de normativas aplicables, como el CDM 2015 y los Eurocódigos relacionados.
      • Supervisor de obras temporales (TWS): asiste al TWC en tareas específicas, por lo que su formación debe centrarse en la inspección y el mantenimiento de estructuras en uso, la identificación de problemas potenciales, como defectos en materiales o inestabilidad estructural, los procedimientos de permisos, incluidos el «permiso para cargar» y el «permiso para desmontar», así como la revisión de documentación técnica y planos de diseño.
      • Personal técnico y de obra: encargado de construir, mantener y desmontar las obras temporales debe estar capacitado para usar herramientas y equipos de manera segura, como puntales, andamios y encofrados, y debe conocer las técnicas de construcción para garantizar la estabilidad estructural, los procedimientos de emergencia ante fallos estructurales y la identificación y mitigación de riesgos en el lugar de trabajo.
    • Formación técnica especializada: para puestos avanzados o proyectos complejos debe incluir cálculos estructurales para diseñadores y revisores, que abarquen cargas dinámicas, estáticas y ambientales; selección de materiales, evaluando el acero, la madera y los componentes prefabricados según los estándares aplicables; uso de software especializado como herramientas de modelado 3D y simulación estructural (BIM); y gestión de interfaces, para asegurar la coordinación entre equipos multidisciplinares y subcontratistas y evitar conflictos.
  • Métodos de capacitación: La formación puede implementarse a través de una combinación de métodos para abordar diferentes niveles de experiencia y áreas de especialización:
    • Formación teórica: La formación teórica incluye cursos en aula o en línea que proporcionan conocimientos fundamentales sobre normativas aplicables, principios de diseño y control, y gestión de riesgos en obras temporales.
    • Entrenamiento práctico: El entrenamiento práctico es imprescindible para los roles operativos, ya que permite a los trabajadores aplicar lo aprendido en un entorno controlado. Algunos ejemplos de este enfoque son la construcción y desmontaje de estructuras simuladas, la inspección de materiales y componentes en escenarios reales y el uso de equipos especializados, como grúas y sistemas de soporte.
    • Evaluaciones y certificaciones: Se deben realizar pruebas para verificar la comprensión y habilidad de los participantes. Los programas deben incluir certificaciones reconocidas, que aseguren que el personal cumple con los estándares requeridos para sus roles específicos.
    • Aprendizaje continuo: La industria de la construcción evoluciona constantemente, con nuevas tecnologías y normativas que exigen una actualización continua, por lo que los programas de capacitación deben incluir formación continua, con actualizaciones periódicas sobre normativas y prácticas emergentes, así como capacitación avanzada dirigida a personal experimentado que busca asumir roles de mayor responsabilidad.
  • Beneficios de una formación adecuada: La inversión en formación y capacitación genera beneficios significativos para las organizaciones, los trabajadores y los proyectos, como la reducción de accidentes, ya que un personal bien capacitado es más consciente de los riesgos y sabe cómo evitarlos; una mayor eficiencia, al mejorar la productividad y reducir el tiempo necesario para completar tareas complejas; el cumplimiento normativo, ya que todos los procedimientos cumplen con las regulaciones locales e internacionales; y la retención de talento, ya que los empleados capacitados se sienten valorados y son más propensos a permanecer en la organización.
  • Programas específicos de formación recomendados por la BS 5975:2019: La norma sugiere que las organizaciones desarrollen programas de capacitación adaptados a la complejidad de sus proyectos para preparar adecuadamente al personal. Estos programas deben incluir una inducción inicial que explique el diseño del proyecto, los roles y responsabilidades, y los procedimientos básicos de seguridad y emergencia. Para proyectos complejos, se recomiendan talleres especializados sobre temas técnicos, como la estabilidad, la gestión de cargas y el diseño avanzado. Además, se deben realizar simulaciones prácticas que incluyan el montaje y desmontaje de estructuras, la resolución de problemas técnicos y la gestión de emergencias. Evaluaciones periódicas medirán la efectividad de la formación y ayudarán a identificar áreas de mejora.
  • Requisitos para formadores: Los formadores deben ser profesionales altamente cualificados, con experiencia práctica en la gestión y el diseño de obras temporales, y con conocimientos profundos del BS 5975:2019 y otras normativas relevantes. Además, deben tener experiencia en proyectos complejos que incluyan obras temporales y capacidad para comunicar conceptos técnicos a públicos con diferentes niveles de experiencia.

Conclusión

Para garantizar que los proyectos de construcción se ejecuten de manera segura, eficiente y sostenible, es fundamental implementar correctamente la norma BS 5975:2019 en la gestión de obras temporales. Al seguir esta norma, las empresas de construcción pueden no solo cumplir con las normativas, sino también mejorar su productividad, reducir riesgos, optimizar el uso de recursos y fomentar una cultura organizativa basada en la mejora continua y la excelencia.

La capacitación continua y la formación específica para cada rol son esenciales para garantizar que el personal esté siempre preparado para enfrentar los desafíos que surjan durante el ciclo de vida del proyecto. Además, la colaboración efectiva entre todos los participantes del proyecto y la integración de tecnologías innovadoras permitirán a las empresas construir obras más resilientes, seguras y respetuosas con el medio ambiente. La implementación de estos principios no solo beneficiará a la empresa en términos de competitividad y rentabilidad, sino que también contribuirá al progreso hacia una industria de la construcción más segura y responsable.

Cursos:

Curso de estructuras auxiliares en la construcción: andamios, apeos, entibaciones, encofrados y cimbras.

Curso de fabricación y puesta en obra del hormigón.

Optimización de programas de mantenimiento vial: eficiencia y estrategias a largo plazo con algoritmos heurísticos.

Optimal pavement maintenance programs based on a hybrid Greedy Randomized Adaptive Search Procedure Algorithm

El artículo, titulado «Optimal pavement maintenance programs based on a hybrid Greedy Randomized Adaptive Search Procedure Algorithm», escrito por Víctor Yepes, Cristina Torres-Machí, Alondra Chamorro y Eugenio Pellicer, y publicado en el Journal of Civil Engineering and Management, presenta una innovadora herramienta para la gestión eficiente del mantenimiento vial. Este trabajo aborda cómo diseñar programas que maximicen la efectividad a largo plazo (Long-Term Effectiveness, LTE) en redes viales, superando las limitaciones presupuestarias y el desgaste progresivo de las infraestructuras. Para ello, se desarrolla un enfoque híbrido que combina los algoritmos Greedy Randomized Adaptive Search Procedure (GRASP) y Threshold Accepting (TA), lo que permite optimizar la asignación de recursos y cumplir con restricciones técnicas y económicas. Entre los resultados más destacados, se encuentra una mejora del 40 % en la LTE en comparación con estrategias reactivas, que también subraya la importancia de priorizar inversiones tempranas y de implementar tratamientos preventivos como la opción más eficiente a largo plazo.

Introducción

La infraestructura vial es uno de los activos más valiosos de cualquier nación, ya que tiene un impacto directo en el desarrollo económico y social al facilitar el transporte de bienes y personas, por lo que es necesario realizar un mantenimiento adecuado para evitar el deterioro y el incremento de los costes futuros de rehabilitación. Sin embargo, los presupuestos de las agencias públicas son limitados y no alcanzan a cubrir las necesidades de conservación, lo que genera una brecha cada vez mayor entre el estado actual de las infraestructuras y los niveles de inversión requeridos. En Estados Unidos, un tercio de las carreteras están en condiciones mediocres o deficientes, y uno de cada nueve puentes presenta deficiencias estructurales. En España, las necesidades de mantenimiento vial superan los 5500 millones de euros, pero los presupuestos se redujeron un 20 % en 2012, lo que agravó aún más la situación. Este mantenimiento tardío no solo incrementa los riesgos estructurales, sino que también triplica los costes de rehabilitación y los gastos operativos de los vehículos, lo que plantea un problema central: decidir cómo asignar los fondos disponibles de forma óptima para maximizar el rendimiento a largo plazo de las infraestructuras, respetando restricciones técnicas y económicas, y considerando los beneficios acumulados para los usuarios.

Metodología

Formulación del problema de optimización

El problema se define como la maximización de la LTE, un indicador que mide los beneficios acumulados derivados de una infraestructura bien mantenida durante su ciclo de vida.

  1. Función objetivo:
    • Maximizar el área bajo la curva de rendimiento de las infraestructuras (Area Bounded by the Performance Curve, ABPC). Este área refleja la calidad y el nivel de servicio de la infraestructura a lo largo del tiempo.
  2. Restricciones:
    • Presupuestaria: Garantizar que los costos anuales de mantenimiento no excedan el presupuesto disponible en cada año del periodo de planificación.
    • Técnica: Mantener las secciones de la red en una condición mínima aceptable. Esto se evalúa mediante indicadores como el Urban Pavement Condition Index (UPCI, Índice de Condición del Pavimento Urbano), que clasifica la calidad del pavimento en una escala del 1 (peor) al 10 (mejor).
  3. Variables de diseño:
    • Determinar qué secciones de la red deben tratarse, qué tratamiento aplicar y en qué momento realizarlo durante el horizonte de planificación.
  4. Parámetros:
    • Inventario: Datos sobre el tipo de pavimento, su longitud y ancho, condiciones climáticas y características del tráfico.
    • Técnicos: Condición inicial del pavimento, modelos de deterioro a lo largo del tiempo y el conjunto de tratamientos disponibles.
    • Económicos: Costos unitarios de mantenimiento para cada tratamiento.
    • Estratégicos: Periodo de planificación, tasa de descuento y estándares mínimos requeridos.
Las actividades de mantenimiento conllevan un aumento de la vida útil del firme (ΔSL) y, por tanto, una mejora inmediata de su estado (ΔUPCI) en el momento de su aplicación

Algoritmo GRASP-TA

El enfoque híbrido combina dos estrategias complementarias:

  1. GRASP (Procedimiento de Búsqueda Aleatoria Codiciosa Adaptativa):
    • Genera una población inicial de soluciones viables considerando una relajación controlada de las restricciones presupuestarias.
    • Utiliza funciones de priorización para evaluar el impacto de cada posible tratamiento en la LTE y seleccionar las mejores alternativas mediante un proceso probabilístico.
  2. TA (Aceptación de Umbral):
    • Realiza una optimización local a las soluciones generadas por GRASP.
    • Permite aceptar soluciones ligeramente peores en las primeras iteraciones para evitar quedarse atrapado en óptimos locales.
    • Ajusta iterativamente las restricciones presupuestarias relajadas en GRASP para cumplir con las condiciones originales.
Efecto del tratamiento sn para construir la solución en el año t con el algoritmo GRASP

Caso de estudio: red urbana en Santiago, Chile

La red analizada se encuentra en Santiago de Chile. Está compuesta por 20 secciones con pavimentos flexibles (asfálticos) y rígidos (hormigón). El clima de la región es mediterráneo, lo que influye en los patrones de deterioro del pavimento. La condición inicial media de la red es 6,8, según el Índice de Condición del Pavimento Urbano (UPCI), lo que indica una calidad intermedia.

Para los pavimentos asfálticos, los tratamientos evaluados incluyeron opciones de preservación, mantenimiento y rehabilitación. En preservación, el sellado de fisuras aumenta la vida útil en 2 años y tiene un coste de 0,99 USD/m². En el mantenimiento, el fresado y la repavimentación funcional ofrecen 10 años de vida útil por 23,24 USD/m². En rehabilitación, la rehabilitación en frío alcanza los 13 años con un coste de 36,50 USD/m².

Para los pavimentos de hormigón, los tratamientos incluyeron preservación y rehabilitación. El pulido con diamante aumenta la vida útil en 10 años y tiene un coste de 15,39 USD/m². La reconstrucción completa proporciona 25 años de servicio por un coste de 134,60 USD/m². Estos tratamientos representan opciones para diferentes niveles de deterioro y requisitos estructurales.

El programa optimizado mostró un impacto significativo en la efectividad a largo plazo (LTE). Se logró una mejora del 40 % en la LTE en comparación con las estrategias reactivas. Los tratamientos preventivos dominaron las decisiones, seleccionándose en el 80 % de los casos, lo que evidencia su mayor efectividad frente a opciones correctivas o de rehabilitación.

En términos de coste-eficacia, no se seleccionaron los tratamientos reciclados. Aunque ofrecen beneficios similares en términos de vida útil, su alto coste los hace menos competitivos frente a alternativas más económicas, lo que destaca la importancia de equilibrar costes y beneficios en el diseño de programas de mantenimiento.

Análisis de escenarios

1. Escenarios de inventario:

Se analizaron redes con diferentes proporciones de pavimentos asfálticos y de hormigón, con configuraciones del 25 %, 50 % y 75 % para cada tipo. También se estudiaron tres condiciones iniciales de las redes: buenas, intermedias y deficientes. Este análisis permitió evaluar la influencia de las características estructurales y del estado inicial en la optimización de los programas de mantenimiento.

En todos los casos, los resultados mostraron que la optimización mediante el algoritmo GRASP-TA era superior a las estrategias reactivas tradicionales. Esto demostró que el método es altamente adaptable a diversas configuraciones de red y capaz de ofrecer soluciones efectivas en términos de LTE, independientemente de las características de la red o de su estado inicial.

2. Escenarios presupuestarios:

El análisis incluyó variaciones en el presupuesto total, con incrementos y reducciones de hasta el 20 %, así como cambios en la distribución de los fondos a lo largo del tiempo. Se evaluaron dos configuraciones principales para entender su impacto en el rendimiento a largo plazo.

El escenario con mayor inversión en los primeros años mostró un aumento significativo de la LTE. Esto puso de manifiesto que la asignación temprana de fondos mejora sustancialmente los resultados del mantenimiento. Por el contrario, los aumentos progresivos anuales redujeron la LTE en un 15 % respecto al caso base, lo que indica que posponer la inversión perjudica el rendimiento de la red.

Conclusiones

Asignar más recursos durante los primeros años de un programa de mantenimiento es fundamental para optimizar el rendimiento a largo plazo de las infraestructuras. Este análisis pone de manifiesto la importancia de una planificación presupuestaria estratégica, ya que señala que el momento en que se invierten los recursos tiene un impacto considerable en los beneficios acumulados de la red.

  1. Eficiencia del método GRASP-TA: Diseña programas que maximizan la LTE bajo restricciones técnicas y económicas reales.
  2. Importancia de la prevención: Las actividades preventivas son significativamente más rentables a largo plazo.
  3. Estrategias presupuestarias: Es esencial priorizar mayores inversiones en los primeros años del programa para maximizar su impacto.
  4. Limitaciones de los tratamientos reciclados: Aunque presentan beneficios ambientales, su alto costo relativo limita su inclusión en las soluciones optimizadas cuando solo se consideran aspectos técnicos y económicos.

Como recomendaciones futuras habría que integrar criterios de sostenibilidad, como impactos ambientales y sociales, y extender el análisis a redes más grandes y diversas.

Referencia:

YEPES, V.; TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; PELLICER, E. (2016). Optimal pavement maintenance programs based on a hybrid greedy randomized adaptive search procedure algorithm. Journal of Civil Engineering and Management, 22(4):540-550. DOI:10.3846/13923730.2015.1120770

Aquí os dejo el artículo por si os resulta de interés.

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Tesis doctoral: Optimización social y ambiental de estructuras prefabricadas de hormigón armado bajo presupuestos restrictivos

De izquierda a derecha: Julián Alcalá, Tatiana García, Andrés Ruiz, Salvador Ivorra, Antonio Tomás y Víctor Yepes

Ayer, 4 de diciembre de 2024, tuvo lugar la defensa de la tesis doctoral de D. Andrés Ruiz Vélez, titulada “Optimal design of socially and environmentally efficient reinforced concrete precast modular road frames under constrained budgets”, dirigida por los profesores Víctor Yepes Piqueras y Julián Alcalá González. La tesis recibió la calificación de sobresaliente «cum laude». A continuación, presentamos un pequeño resumen de la misma.

Resumen:

La infraestructura de transporte es esencial para el desarrollo humano, ya que impulsa el crecimiento industrial y promueve la evolución social al mejorar la interacción y la conectividad. Su construcción actúa como un catalizador de transformaciones socioeconómicas, puesto que fomenta las economías locales y facilita el flujo de recursos y de la fuerza laboral. Sin embargo, la creciente concienciación sobre los impactos negativos de las prácticas insostenibles en la ingeniería de la construcción exige una transición hacia métodos más responsables. Históricamente, la viabilidad económica ha sido el enfoque principal en ingeniería estructural. No obstante, en la actualidad se otorga mayor relevancia a la evaluación de los impactos a lo largo del ciclo de vida de los proyectos. Aunque este enfoque supone un avance en la integración del diseño estructural con los objetivos de desarrollo sostenible, todavía no abarca plenamente la complejidad y diversidad que implica la sostenibilidad a lo largo de todo el ciclo de vida de las infraestructuras.

Esta tesis doctoral desarrolla de manera sistemática un marco de diseño que integra la sostenibilidad en la construcción de infraestructuras de transporte. Se propone un enfoque modular y prefabricado para proyectos de estructuras viales, que se posiciona como una alternativa más eficiente y atractiva frente a los métodos tradicionales de hormigonado in situ. El diseño estructural, junto con los procesos ambientales y sociales asociados al ciclo de vida de la estructura, se modela mediante un enfoque matemático avanzado. Este modelo permite aplicar técnicas de optimización monoobjetivo y multiobjetivo, combinadas con algoritmos multicriterio de toma de decisiones. Dada la complejidad y la diversidad de variables involucradas, el uso de métodos exactos de optimización no es viable. Por ello, la investigación adopta metaheurísticas híbridas y basadas en entornos para minimizar el coste final de la estructura desde una perspectiva monoobjetivo. Entre las técnicas evaluadas, las metaheurísticas de recocido simulado y aceptación por umbrales, calibradas con cadenas de mayor longitud, ofrecen resultados de alta calidad, aunque con un considerable esfuerzo computacional. En contraste, una versión híbrida del recocido simulado enriquecida con un operador de mutación común en algoritmos basados en poblaciones alcanza soluciones de calidad comparable con un menor esfuerzo computacional. La hibridación de metaheurísticas se presenta como una estrategia eficaz para ampliar las capacidades exploratorias de estos algoritmos, optimizando el equilibrio entre la calidad de los resultados y la eficiencia computacional.

El análisis del ciclo de vida de diferentes configuraciones de marcos con un coste óptimo revela claras ventajas ambientales del enfoque modular prefabricado en comparación con la construcción convencional in situ. Sin embargo, las implicaciones sociales son más complejas y destacan la relevancia de incorporar los impactos del ciclo de vida como funciones objetivo en el proceso de optimización. Este hallazgo subraya la necesidad de emplear técnicas multicriterio para evaluar y clasificar eficazmente las alternativas. De este modo, se garantiza un equilibrio adecuado entre los impactos ambientales y sociales, y se asegura una toma de decisiones más integral y sostenible dentro del marco del diseño y la planificación.

Esta investigación desarrolla operadores de cruce, mutación y reparación diseñados para discretizar eficazmente el problema de optimización, dotando así a los algoritmos genéticos y evolutivos de la capacidad necesaria para abordar la complejidad del proceso de optimización multiobjetivo. En particular, el operador de reparación estadístico muestra un buen rendimiento cuando se combina con los algoritmos genéticos NSGA-II y NSGA-III, así como con el algoritmo evolutivo RVEA. Aunque existen diferencias metodológicas entre estas técnicas, la herramienta de toma de decisiones FUCA produce clasificaciones equivalentes a las obtenidas mediante el método de ponderación aditiva simple. Esta coherencia también se observa con técnicas como TOPSIS, PROMETHEE y VIKOR. Para garantizar la imparcialidad en la ponderación de criterios, se aplica un proceso de cálculo basado en la teoría de la entropía, lo que proporciona un enfoque metódico a las técnicas de decisión multicriterio. La integración de algoritmos de optimización multiobjetivo con herramientas de decisión multicriterio en un marco de diseño fundamentado en modelos matemáticos permite identificar y clasificar diseños óptimos no dominados. Estos diseños logran un equilibrio integral entre las dimensiones económica, ambiental y social, y promueven la sostenibilidad del ciclo de vida de la estructura.

Referencias:

RUIZ-VÉLEZ, A.; GARCÍA, J.; PARTSKHALADZE, G.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2024). Enhanced Structural Design of Prestressed Arched Trusses through Multi-Objective Optimization and MCDM. Mathematics, 12(16), 2567. DOI:10.3390/math12162567

RUIZ-VÉLEZ, A.; GARCÍA, J.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2024). Enhancing Robustness in Precast Modular Frame Optimization: Integrating NSGA-II, NSGA-III, and RVEA for Sustainable Infrastructure. Mathematics, 12(10):1478. DOI:10.3390/math12101478

RUIZ-VÉLEZ, A.; GARCÍA, J.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2024). Sustainable Road Infrastructure Decision-Making: Custom NSGA-II with Repair Operators for Multi-objective Optimization. Mathematics, 12(5):730. DOI:10.3390/math12050730

RUIZ-VÉLEZ, A.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2023). A parametric study of optimum road modular hinged frames by hybrid metaheuristics. Materials, 16(3):931. DOI:10.3390/ma16030931

RUIZ-VÉLEZ, A.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2023). Optimal design of sustainable reinforced concrete precast hinged frames. Materials, 16(1):204. DOI:10.3390/ma16010204

RUIZ-VÉLEZ, A.; ALCALÁ, J.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2023). Perspectiva social de un marco modular óptimo: Análisis integral del ciclo de vida. Revista CIATEC-UPF, 15(1):1-19. DOI:10.5335/ciatec.v15i1.14974

RUIZ-VÉLEZ, A.; ALCALÁ, J.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2022). Optimización de marcos articulados prefabricados de hormigón armado mediante recocido simulado. Revista CIATEC-UPF, 14(3):41-55. DOI:10.5335/ciatec.v14i3.14079

 

Construcción en América Latina y el Caribe: digitalización e innovación como claves para la sostenibilidad

El sector de la construcción en América Latina y el Caribe (ALC) es uno de los pilares fundamentales de la economía regional, pero también se enfrenta a desafíos significativos en términos de sostenibilidad, productividad y digitalización.

A continuación nos hacemos eco de un informe donde se detallan las claves para transformar el sector basándose en datos, análisis de tendencias y recomendaciones prácticas. El informe lo tenéis al final de este resumen.

 

1. Introducción: importancia del sector y sus retos

El sector de la construcción genera aproximadamente 300 000 millones de dólares en América Latina y el Caribe, lo que representa el 6 % del producto interior bruto (PIB) regional y más de 20 millones de empleos directos. A nivel mundial, contribuye al 13 % del PIB y da empleo a 250 millones de personas. Sin embargo, su productividad ha crecido solo un 1 % anual en las últimas dos décadas, lo que la sitúa muy por debajo de sectores como la manufactura (3,6 %) y la agricultura (2,8 %).

El sector de la construcción es uno de los mayores consumidores de recursos naturales y contribuye significativamente al cambio climático. Según el World Green Building Council (2023):

  • Representa el 50 % del consumo global de recursos extraídos.
  • Utiliza el 15 % del agua potable mundial.
  • Es responsable del 37 % de las emisiones globales de CO₂ relacionadas con la energía.
  • Genera el 35 % de los residuos sólidos producidos anualmente en el planeta.

Además, las proyecciones indican que el sector crecerá considerablemente en los próximos años. Se estima que para 2050 aún no se ha construido el 60 % de los edificios necesarios y que el 20 % de las estructuras existentes requieren renovaciones para cumplir los objetivos de sostenibilidad y cero emisiones netas.

2. Soluciones habilitantes para la construcción sostenible

El documento identifica seis categorías fundamentales de soluciones que pueden transformar el sector hacia la sostenibilidad. Estas soluciones integran tecnologías digitales, diseño innovador, materiales sostenibles y enfoques de gestión eficientes.

  • Tecnologías digitales avanzadas: Las tecnologías digitales son esenciales para mejorar la eficiencia, la transparencia y la sostenibilidad en todas las etapas del ciclo de vida de los proyectos de construcción.
    1. Building Information Modeling (BIM): permite el diseño colaborativo de infraestructuras en un entorno digital. Sus beneficios incluyen:
      • Incremento de la productividad en un 13%.
      • Reducción de costos en un 4% y de los plazos en un 6%.
      • Automatización de procesos como la simulación de consumo energético y la evaluación de impactos climáticos.
      • Caso de éxito: en Uruguay, el uso de BIM y LEAN Construction en el proyecto CAIF Aeroparque resultó en un ahorro del 50% en tiempos de respuesta y un 63% menos en sobrecostos durante la pandemia​.
    2. Inteligencia artificial (IA): mejora la planificación, el diseño y la operación de los activos construidos. Ejemplos:
      • Simulaciones para evaluar el rendimiento energético y el comportamiento estructural ante desastres.
      • Optimización de rutas de transporte y logística en obra, reduciendo costos y emisiones.
    3. Internet de las cosas (IoT):
      • Sensores inteligentes monitorean el uso de energía, agua y recursos en tiempo real, ajustando automáticamente los sistemas para maximizar la eficiencia.
      • Aplicaciones como Building Resilience ayudan a evaluar riesgos climáticos y seleccionar ubicaciones óptimas para proyectos.
    4. Impresión 3D:
      • Permite fabricar componentes en obra o en fábricas cercanas, reduciendo los residuos y las emisiones de transporte.
      • Facilita el uso de materiales reciclados, disminuyendo la dependencia de recursos vírgenes.
    5. Blockchain:
      • Asegura la trazabilidad de materiales, verifica certificaciones ambientales y gestiona residuos con mayor transparencia.
    6. Gestión en la nube:
      • Reduce el empleo de papel, mejora la colaboración en tiempo real y almacena datos clave para optimizar la sostenibilidad.

  • Diseño sostenible: El diseño sostenible aborda el impacto ambiental desde la concepción del proyecto, empleando enfoques como el diseño bioclimático, que optimiza la orientación solar, el aislamiento térmico y la ventilación pasiva para reducir la demanda energética. Un ejemplo de ello son los edificios pasivos, que minimizan el uso de climatización activa; la eficiencia energética y la generación de energía renovable mediante paneles solares, sistemas LED y edificaciones de carbono neutro o positivas que producen más energía de la que consumen; y la flexibilidad en el diseño, con espacios modulares que se adaptan a diferentes usos y disminuyen la necesidad de futuras demoliciones.
  • Materiales sostenibles: El uso de materiales con bajas emisiones de carbono es fundamental para reducir el impacto ambiental. Entre estos materiales destacan la madera certificada, que tiene una huella de carbono negativa, es renovable, reciclable y eficiente energéticamente, y constituye una alternativa clave al hormigón en Chile, que representa el 54 % de las emisiones de carbono de un edificio; el bambú, un material resistente y de rápido crecimiento utilizado en zonas tropicales; y los materiales reciclados, que disminuyen la extracción de recursos naturales y los residuos de construcción.
  • Sistemas de construcción industrializada: La prefabricación, la construcción modular y la impresión 3D contribuyen a reducir los residuos en obra y el tiempo de construcción, y permiten finalizar las obras hasta un 50 % más rápido que con los métodos tradicionales.
  • Medición y verificación del impacto ambiental: Certificaciones como LEED, EDGE y BREEAM permiten evaluar y validar la sostenibilidad de los proyectos.
  • Enfoques de gestión eficientes: Metodologías como LEAN Construction y Advanced Work Packaging optimizan los procesos y reducen retrasos.

3. Experiencias, retos y oportunidades en Latinoamérica y el Caribe

El análisis en Brasil, Chile, Costa Rica y Uruguay revela 44 iniciativas identificadas desde 2015, la mayoría lideradas por el sector público. Entre los retos a los que se enfrentan destacan la falta de integración entre soluciones digitales y sostenibles, la baja percepción del valor económico de la sostenibilidad y los altos niveles de informalidad en el sector. Entre las buenas prácticas destacan el uso de estrategias internacionales de benchmarking, la capacitación técnica en metodologías digitales y la compra pública innovadora y ecológica para estimular la demanda de tecnologías sostenibles.

4. Claves para el futuro

Para transformar el sector, se recomiendan políticas de liderazgo público que promuevan la digitalización y la sostenibilidad, así como incentivos financieros y no financieros, como subsidios, créditos y regulaciones, para fomentar la adopción de prácticas sostenibles. También se recomienda fomentar la colaboración multisectorial mediante alianzas entre los sectores público, privado y académico para compartir conocimientos y recursos, y ofrecer programas de capacitación y educación en habilidades digitales para los trabajadores del sector.

5. Conclusión

La adopción masiva de tecnologías digitales, materiales sostenibles y enfoques innovadores puede situar a Latinoamérica y el Caribe a la vanguardia de la construcción sostenible a escala mundial. Para transformar el sector de la construcción, es necesario adoptar un enfoque holístico que combine innovación tecnológica, gestión eficiente y políticas públicas. La adopción generalizada de soluciones digitales y sostenibles no solo mejorará la productividad, sino que también reducirá el impacto ambiental, lo que hará que el sector sea más resiliente y competitivo en el contexto global.

Os dejo el siguiente documento, donde tenéis toda la información. Espero que os sea de interés.

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