Antecedentes y motivación del proyecto de investigación BRIDLIFE

BCH001La sostenibilidad constituye un enfoque que ha dado un giro radical a la forma de afrontar nuestra existencia. El calentamiento global debido a las emisiones de gases de efecto invernadero y las tensiones sociales derivadas de la presión demográfica y del reparto desequilibrado de la riqueza son, entre otros, los grandes retos que debe afrontar nuestra generación. La concentración de CO2, alcanzó un máximo sin precedentes en 2013, con el mayor incremento anual en 30 años (World Meteorological Organization, 2014), por lo que la economía baja en carbono se perfila como una línea estratégica de gran importancia. Las actividades humanas son las principales responsables de este problema, provocando un desarrollo alejado de satisfacer las necesidades de las generaciones presentes sin comprometer las necesidades de las generaciones futuras, que constituye el núcleo del paradigma de “desarrollo sostenible” (Brundtland, 1987).

La construcción juega un papel fundamental en el desarrollo de la sociedad. Influye fuertemente en la actividad económica, el crecimiento y en el empleo. Sin embargo, es una actividad que impacta significativamente en el medio ambiente (Marí, 2007), presenta efectos irreversibles y puede comprometer el presente y futuro de la sociedad. Este sector consume hasta un 60% de las materias primas extraídas (Vital Signs, 2005), generando su transformación sobre el 50% de todas las emisiones de CO2. En Europa, el 30% de los residuos proceden de la construcción y la demolición; consumiendo la industria y la construcción un 42% de la energía total de (Pacheco-Torgal y Jalali, 2011). Son datos que muestran la brecha de mejora posible en esta industria para acercarse a la sostenibilidad. No basta con construir de forma económica y eficiente, sino que debe ser socialmente aceptable, debe ahorrar recursos naturales no renovables y respetar el medio ambiente a largo plazo. Un paso en este sentido son herramientas como BREEAM, CASBEE, DGNB o LEED que certifican la sostenibilidad de las edificaciones usando parámetros objetivos.

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Otro aspecto con grandes repercusiones sociales es la profunda crisis financiera que afecta de una forma extrema la economía de nuestro país y que ha provocado el hundimiento de la actividad constructora. Las infraestructuras que se crearon con una financiación a largo plazo presentan actualmente déficits de conservación y es posible que las generaciones futuras tengan que pagar unas infraestructuras mermadas en sus requisitos de seguridad y funcionales asociados a la fase de servicio. En este sentido, Nishijima et al. (2012) plantean una metodología, limitada a aspectos económicos, que balancea los beneficios conseguidos y los costes asociados al diseño y construcción, costes de reposición, mantenimiento y fallos de un puente, teniendo en cuenta la tasa de equidad intergeneracional y la optimización de la estructura.

Por otra parte, no es difícil encontrar noticias causantes de alarma social en relación a la interrupción de grandes vías de comunicación debido al deterioro de los puentes, incluso algunos de muy reciente construcción. Un informe de la Asociación Española de Carreteras (2012), centrado en los firmes y la señalización, estima que el deterioro del patrimonio viario en los últimos 6 años crece a un ritmo del 5% anual, con un déficit acumulado de inversión de 5500 millones de euros. Sin embargo, este problema es común en otros países desarrollados. Uno de cada nueve puentes de Estados Unidos son estructuralmente deficientes, presentando una edad media de 42 años. Para resolver esta situación en el horizonte de 2028, deberían gastarse 20,5 mil millones de dólares anuales, aunque sólo se invierte el 62,4% de lo necesario (ASCE, 2013). El escenario dibuja una verdadera crisis en las infraestructuras. Cualquier actuación que se quiera realizar deberá contar con unos presupuestos muy restrictivos. El reto social será cómo aplicar dichos presupuestos de forma que se minimicen los impactos ambientales, los riesgos a las personas (Sydam et al., 2013) y la gestión sea socialmente sostenible, dentro de una política de conservación del patrimonio. Se trata de un problema de optimización muy complejo, con muchas restricciones y sometido a grandes incertidumbres, lo cual representa un reto científico.

Aspectos contradictorios entre los indicadores sociales y medioambientales a corto y largo plazo complican enormemente la toma de decisiones en el ámbito de la construcción, pues, lejos de ser un problema meramente técnico, debe contemplar aspectos difusos y cualitativos, con un enfoque holístico. Ello se complica cuando el deterioro inevitable de estructuras como los puentes dependen de multitud de parámetros difíciles de estimar que requieren herramientas de identificación estructural que complementen las inspecciones (Structural System Identification, SSI) (ASCE, 2011). La extracción del conocimiento derivado de la resolución científica de los problemas planteados en el ámbito de las decisiones públicas y privadas constituye uno de los aspectos de vanguardia en el ámbito científico (Moreno-Jiménez et al., 2012). De hecho, el concepto de infraestructura sostenible debería apoyarse en los pilares social, biofísico, económico y técnico. Los requerimientos de sostenibilidad deberían considerar aspectos globales y deberían definir los objetivos y las necesidades a satisfacer por las infraestructuras: diseño, ejecución, uso y reutilización. Ello requiere una visión amplia de la sostenibilidad a todos los niveles: ambientales, económicos, sociales, de seguridad, de prevención de riesgos, funcionales e incluso estéticos (San José y Garrucho, 2010). El pilar social se debería basar en la equidad y justicia social, entendida como la oportunidad de redistribución sobre toda la población. Existe una gran labor de investigación pendiente en el estudio de la sostenibilidad social de las infraestructuras, que debería mejorar la calidad de vida, proteger y promover la salud, buscar una distribución equitativa de los costes sociales de la construcción y buscar la equidad intergeneracional (Alarcón, 2005). Rackwitz et al. (2005) plantean, en este sentido, una optimización socio-económica de las infraestructuras como un punto de arranque a la solución de este problema complejo.

Los puentes forman parte de las infraestructuras básicas en el desarrollo económico y en el equilibrio territorial, cuya construcción, diseño, conservación y desmantelamiento se ven afectados fuertemente cuando los presupuestos son restrictivos. El proyecto propuesto, BRIDLIFE, ha elegido esta infraestructura básica, en particular los puentes pretensados, para desarrollar una metodología que resuelva el reto social descrito. En efecto, ya se ha indicado que el deterioro de los puentes y su incidencia en la seguridad son objeto de gran alarma social. Además, un mantenimiento ineficiente provoca un mayor coste económico y social por las reparaciones severas que comportan. En este coste tiene una especial relevancia el mantenimiento y los costes derivados por los fallos. Desgraciadamente, los daños estructurales del puente dependen de una gran multitud de parámetros como su situación, los materiales o la historia de las acciones a las que ha estado sometida. Se hace necesario en estos casos un análisis de fiabilidad con modelos probabilísticos sobre las cargas y la capacidad portante de sus materiales (Wisniewski et al., 2006). Destacan en este sentido los trabajos de identificación estructural mediante técnicas de observabilidad (Lozano-Galant et al., 2013). Sin embargo, sería necesario un enfoque holístico que permitiera la toma de decisiones durante el ciclo de vida de una infraestructura considerando, entre otros, los riesgos en la planificación, adjudicación, gestión, procedimientos constructivos y negociación en la materialización de las infraestructuras. Un ejemplo actual es la ampliación del Canal de Panamá, caso estudiado por el profesor Molenaar, que forma parte de nuestro equipo de trabajo (Alarcón et al., 2011), o la especial relevancia es la influencia que tiene la contratación de los proyectos (Molenaar et al., 2010).

BBA041La toma de decisiones es una de las características esenciales del ser humano que da idea de su grado de autodesarrollo, conocimiento y libertad. En ella influye la experiencia o la intuición del individuo, su comportamiento racional o emocional. Pues bien, las técnicas de decisión multicriterio abordan la resolución de problemas complejos incorporando diferentes criterios y visiones de la realidad. Jato-Espino et al. (2014) ofrecen una revisión actualizada de estas técnicas aplicadas al sector de la construcción. El empleo de técnicas de análisis del valor y toma de decisiones ha supuesto un gran avance en la definición de un indicador de sostenibilidad. El trabajo de San José y Garrucho (2010) aplica un “Modelo integrado de valor para una evaluación sostenible (MIVES)” de forma determinista en el análisis ambiental de la construcción industrial. Esta metodología permite la formulación de objetivos multidimensionales, utiliza una estructura de requerimientos jerarquizada y es capaz de unificar indicadores cuantitativos y cualitativos para llegar a un índice de sostenibilidad ambiental. Sin embargo, la selección de los criterios es una labor compleja que influye mucho en el resultado final y los indicadores empleados distan de ser determinísticos, siendo conveniente aplicar técnicas de simulación Monte Carlo o aritmética difusa para mejorarlo. Una ventaja de MIVES es la asignación de una función de valor a cada indicador, cuantitativos o cualitativos. Sin embargo, esta labor es subjetiva y requiere de un gran conocimiento del problema. Ello, no obstante, permite el trabajo interdisciplinar de grupos de expertos para definir las funciones de valor de los indicadores. Sin embargo, MIVES presenta oportunidades de mejora, objeto de investigación científica.

El Anejo 13 de la norma EHE de hormigón estructural (Aguado et al., 2008; 2012; Gómez et al., 2012) define un “Índice de contribución de la estructura a la sostenibilidad”, utilizando el modelo MIVES. Existen trabajos (Pons y Aguado, 2013; Pons y de la Fuente, 2013) donde se aplica la metodología a piezas de hormigón estructural o edificios que no incluyen técnicas de optimización. Además, este enfoque queda limitado a aspectos ambientales que no consideran el ciclo completo de la vida de una estructura o el uso de hormigones de baja huella de carbono. Son técnicas jerárquicas que no contemplan las interacciones entre los distintos factores. La investigación propuesta trata de dar respuesta a los retos sociales planteados incorporando la toma de decisiones y la sostenibilidad social y aplicando las tecnologías de la información y comunicaciones, así como el uso de materiales avanzados, como tecnologías facilitadoras esenciales. El aspecto más relevante de BRIDLIFE consiste en incorporar un análisis del ciclo de vida definiendo un proceso de toma de decisiones que integre los aspectos sociales y medioambientales mediante técnicas analíticas de toma de decisiones multicriterio tanto de forma previa a los procesos de optimización multiobjetivo, como posteriormente en la priorización de las soluciones del frente de Pareto. Un análisis crítico de las tareas necesarias para conseguir este objetivo indica la necesidad de coordinar un grupo multidisciplinar amplio capaz de aglutinar no sólo distintas perspectivas técnicas, sino también distintos intereses, públicos y privados.

Existen dificultades al realizar un análisis de ciclo de vida de una infraestructura debido a las incertidumbres presentes en la definición de las entradas y salidas del sistema (Jato-Espino et al., 2014), que incluye la tecnología empleada en la elaboración de las materias primas, la procedencia de los materiales y su transporte, la definición de los procesos constructivos y de demolición y reutilización de los materiales (Knoeri et al., 2011). El reto implica un proceso de toma de decisiones que minimice los impactos sociales y medioambientales al coste más bajo posible. En este sentido, trabajos como los de Kim et al. (2013) proponen procesos de toma de decisión eco-amigables basados en AHP (Saaty, 1980) que aplican al caso de dos tipologías de puentes. Sin embargo, una de los inconvenientes más importantes que encuentran es la gran dependencia de los resultados en función de los pesos asignados a cada uno de los factores. Trabajos como los de Moreno-Jimenez et al. (2008), Lin et al. (2008) y Moreno-Jimenez et al. (2014) tratan de superar estas deficiencias.

La línea de investigación basada en la optimización multiobjetivo empleada por nuestro grupo constituye una técnica sin información a priori de las preferencias del decisor al analista que realiza la optimización y genera un conjunto de alternativas eficientes. El proyecto BRIDLIFE busca un salto cualitativo en nuestra línea de investigación en cuanto a que se pretenden técnicas de decisión con información a priori, donde el decisor proporciona al analista una estructura de preferencias y éste es quien construye el modelo incluyendo en él toda esta información. Sin embargo el conocimiento explícito de las preferencias del decisor no es sencillo (incorporación de criterios de sostenibilidad social y ambiental en la gestión del ciclo de vida del puente). Se necesita conocer la estructura de preferencias, no cometer errores en el proceso de extracción y, además, considerar que el decisor suele modificar sus preferencias a lo largo del proceso de resolución.

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El diseño de los puentes se realiza de forma secuencial. Tras un predimensionamiento se comprueban todos los estados límites, en un proceso iterativo cuyo resultado en términos de eficiencia económica dependen fuertemente de la experiencia del proyectista. Una alternativa es el diseño totalmente automático utilizando técnicas de optimización, capaces de incorporar múltiples funciones objetivo y cuyo resultado es la generación de un conjunto de soluciones eficientes (frontera de Pareto). La disponibilidad de ordenadores de elevada potencia de cálculo y bajo coste, junto con el desarrollo de técnicas de análisis inteligente y minería de datos, ha permitido que en las últimas décadas haya crecido de forma importante el diseño de estructuras óptimas. Sarma y Adeli (1998) aportan una extensa revisión de artículos sobre la optimización económica de estructuras de hormigón. Estos autores insistieron en la necesidad de optimizar estructuras reales de interés, tal y como ya apuntaron Cohn y Dinovitzer (1994), constatando la escasez en la aplicación de la optimización al hormigón estructural frente a las estructuras metálicas. Además de los métodos basados en la programación matemática (Hernández y Fontán, 2002), el problema de la optimización se puede abordar mediante técnicas metaheurísticas y bioinspiradas. La presencia de grupos de investigación europeos en optimización de estructuras de hormigón gravitan en la República Checa (Leps y Sejnoha), Grecia (Kousmousis y Arsenis), y Reino Unido (Topping, Leite, Rafiq, Southcomb, Ashad, Baines). En América destaca el grupo de Coello, en México, y en Estados Unidos los grupos de Camp, Adeli y Frangopol. En la India destacan Ramasamy, Ramanjaneyulu y Krishnamoorthy. También se conocen trabajos puntuales en los Emiratos Árabes (Altoubat) y en Irán (Kaveh y Sahab). Han existido contactos con estos grupos a través de congresos, revistas y dirección de ejercicios final de carrera (el caso del profesor Leps, con el programa ERASMUS). En otros ámbitos, cabe destacar la Red HEUR en Optimización Heurística (http://www.redheur.org), cuyo coordinador es R. Martí, de la U. de Valencia, y la Red Española de Minería de Datos y Aprendizaje (http://www.lsi.us.es/redmidas/). La optimización heurística del hormigón estructural presenta pocos grupos de investigación en España; destaca el dirigido por Hernández en A Coruña, y el de Martí y Tomás, en la U.P. de Cartagena, con estudios sobre la optimización de forma y armado de estructuras laminares. Habría que añadir los trabajos encabezados por F. Navarrina y M. Casteleiro, también en A Coruña, en relación a aspectos topológicos, los de la U.P. de Madrid de Utrilla y Samartín sobre optimización de puentes y estructuras bidimensionales y la del grupo de la UPC (Aparicio, Casas, Ramos) con software de diseño automático para mejorar la elección en proyectos estructurales. En relación con los indicadores de contribución de las estructuras a la sostenibilidad, destacan los grupos de la UPC (Aguado), los de A Coruña (del Caño) los grupos de la UPM (Rodríguez y Fernández) o del IECA (Burón). También hay que resaltar el trabajo realizado por los profesores Castillo, Turmo Nogal, Lozano-Galant y colaboradores respecto a la identificación estructural mediante técnicas de observabilidad.

En relación con la optimización de puentes, la revisión mencionada de Cohn y Dinovitzer (1994) ya apuntaba la gran escasez de artículos publicados en esta materia. El diseño óptimo de vigas pre-tensadas, en especial la disposición de los tendones, es un problema clásico planteado desde hace años. Aparicio et al. (1996) presentaron un sistema de diseño asistido por ordenador de puentes de hormigón pretensado para carreteras, identificando cuáles eran las tipologías estructurales más eficaces. Hassanain y Loov (2003) presentan una revisión del estado de la cuestión de las técnicas de optimización de puentes de hormigón. Sin embargo, tal y como apuntan Hernández et al. (2010), existe cierto vacío en la investigación que se ocupe específica-mente de la optimización y el diseño completo de los puentes reales.

Con todo, la línea de investigación emprendida por nuestro grupo no puede quedarse en la mera optimización económica del hormigón estructural, que podría ser un objetivo a corto plazo de interés evidente para las empresas constructoras o de prefabricados. Además, tampoco es suficiente la optimización multiobjetivo considerando aspectos ambientales y económicos. Si bien en trabajos previos de nuestro grupo se han comprobado reducciones significativas, estimadas entre el 10 y 50% de las emisiones de CO2 y coste respecto a estructuras no optimizadas; también es cierto que son necesarios criterios sociales, la incorporación de las restricciones presupuestarias (pasa de ser función objetivo a restricción) y la evaluación completa del ciclo de vida. En este proyecto se consideran los puentes pretensados como objeto de estudio, aunque la metodología propuesta es aplicable a otras estructuras. Además, BRIDLIFE pretende profundizar en los puentes prefabricados, pues, tal y como indica Yee (2001), existen motivos adicionales basados en beneficios sociales y medioambientales que justifican la adopción del hormigón prefabricado. El ahorro en material y mano de obra, la calidad en el producto y el rápido montaje son razones que justifican, por sí solas, el uso de esta tecnología.

Nuestro equipo investigador ha llevado a cabo estudios de optimización heurística de estructuras de hormigón desde hace una década en una trayectoria de profundización de esta disciplina. Como resultado de lo anterior, los investigadores principales han dirigido 7 tesis doctorales, 15 tesinas de máster y se han publicado 28 artículos indexados JCR directamente relacionados con estos proyectos:

  • Proyecto 80016/A04: Optimización heurística económica de marcos de paso de carretera y ferrocarril. Este proyecto se centró en la optimización económica de estructuras empleadas en carreteras como marcos, bóvedas, pórticos y muros. Se aplicó a la optimización en fase de diseño. Se detectó la necesidad de incluir estados límite no habituales en el cálculo de estas estructuras (fatiga, deformación, vibraciones).
  • Proyecto BIA2006-01444: Diseño óptimo sostenible de tableros de puentes losa pretensados. En este proyecto se optimizó tanto la economía como las emisiones de CO2 y el consumo energético en la fase de diseño de puentes losa postesados. Se aplicaron técnicas estadísticas convencionales para extraer conclusiones de predimensionamiento.
  • Proyecto BIA2011-23602: Diseño eficiente de estructuras con hormigones no convencionales basados en criterios sostenibles multiobjetivo mediante el empleo de técnicas de minería de datos (HORSOST). Con este proyecto se aplicó la optimización multiobjetivo considerando aspectos económicos y ambientales en fase de proyecto y de construcción. Se estudió asimismo el uso de hormigones con fibras, de alta resistencia y autocompatables. Se aplicaron técnicas de minería de datos para extraer conclusiones no triviales en predimensionamiento.
  • En el ámbito autonómico el grupo ha desarrollado un proyecto de investigación financiados por la Generalitat Valenciana. GV/2010/086 Criterios económicos y medioambientales para el diseño óptimo de pasos superiores de hormigón “in situ” mediante técnicas de inteligencia artificial y minería de datos. También se desarrollaron dos proyectos financiados por la Universidad Politécnica de Valencia. Los trabajos se centraron en el diseño óptimo de puentes prefabricados pretensados y con fibras.

Los trabajos desarrollados hasta el momento por nuestro grupo de investigación ha permitido avances importantes en el diseño automatizado y óptimo de las estructuras de hormigón con múltiples criterios, sin embargo existen una serie de limitaciones que este proyecto tiene intención de superar:

  • La optimización no incluye funciones objetivo de difícil cuantificación como la sostenibilidad social, con aspectos tales como la estética o la equidad social intergeneracional. Se debe incluir además la seguridad de las personas (Fortunato III et al., 2012), o la influencia de la forma de contratación de los proyectos y las obras (Molenaar et al., 2010).
  • Los costes económicos se han considerado hasta ahora como una función objetivo en la optimización. Sin embargo, la crisis actual obliga a replantear la disposición anual de presupuestos, todos ellos muy restrictivos. Por tanto el presupuesto pasa de ser objetivo a ser una restricción en el problema de optimización.
  • Debe analizarse la sensibilidad que existe en las políticas presupuestarias poco sensibles a la realidad del sector en la gestión de las estructuras. Ello supone modelar distintos escenarios económicos y analizar las soluciones eficientes derivadas.
  • Elegida la tipología estructural, la optimización multiobjetivo permite la obtención de un conjunto de soluciones eficientes (frontera de Pareto). Sin embargo, la decisión previa debe ser priorizada en base a un proceso de toma de decisión multicriterio. Tras la obtención de la frontera de Pareto, deberá elegirse la mejor opción en base a una nueva toma de decisiones. Aquí, la determinación de los factores determinantes constituye un proceso altamente complejo que requiere de la participación de expertos multidisciplinares y un control sobre el sesgo y rigor académico del juicio de dichos expertos (Hallowell y Gambatase, 2010).
  • Los proyectos previos no han incluido la gestión de activos. La determinación de cómo y cuándo deber realizarse la conservación de forma que se mantengan las prestaciones constituye un problema de optimización multiobjetivo. Deben incluirse los costes de mantenimiento y los esperados en caso de fallo de la estructura. Además, las incertidumbres asociadas con el deterioro de las estructuras requieren el uso de métodos probabilísticos para evaluar el comportamiento a lo largo de su vida útil (Yang et al., 2006; Osaka y Frangopol, 2009; Orcesi y Frangopol, 2011).
  • La inclusión de la demolición y reutilización de los materiales de la estructura constituye un aspecto básico a incorporar en el análisis del ciclo de vida. Una variable de diseño debe ser la durabilidad y la incorporación de la recarbonatación del hormigón (García-Segura et al., 2014).
  • Es necesario incorporar los avances realizados con hormigones de baja huella ecológica (Mellado et al., 2014) para comprobar su eficacia en los procesos de toma de decisión y optimización multiobjetivo. Asimismo, se requiere la comparación con estructuras mixtas hormigón-acero.

Lo indicado hasta ahora, que resume los antecedentes y las realizaciones del grupo, se podría resumir en los siguientes aspectos:

  1. La temática a investigar se ha ido profundizado en cada uno de los proyectos realizados, acorde a los objetivos previstos.
  2. Todos los estudios realizados hasta ahora estaban basados en la optimización multiobjetivo en fase de diseño y construcción. El objetivo de esta propuesta de investigación es dar un salto científico al incorporar la visión social y el análisis completo del ciclo de vida en la toma de decisiones. Se eligen los puentes pretensados como elemento de estudio para determinar el alcance del proyecto.

El motivo de este planteamiento no solo es un desafío científico, sino también una necesidad social. En efecto, las incertidumbres relacionadas con la toma de decisiones en el diseño de nuevas infraestructuras que contemplen aspectos de sostenibilidad social y ambiental en situaciones extremas de restricciones presupuestarias, así como la decisión en las políticas de mantenimiento y gestión de activos, demolición y reutilización de las infraestructuras es un problema altamente complejo que afecta directamente a las estructuras de hormigón. Se hace necesario profundizar en la incorporación de la durabilidad y el uso de hormigones no convencionales con baja huella de carbono en la toma de decisiones. Asimismo, sería de gran interés completar y mejorar algunos criterios tomados en la norma EHE relacionados con el cálculo del índice de sostenibilidad, de forma que incorpore el análisis completo del ciclo de vida de las estructuras, incluyendo aspectos como el mantenimiento, la demolición y reutilización de las estructuras. Además, se considera necesario incorporar un índice de sostenibilidad social en la normativa actual. A continuación se relacionan los artículos científicos indexados en JCR relacionados con el proyecto. Se hace notar la productividad científica alcanzada por el Proyecto BIA2011-23602 (HORSOST) vigente de 2012 a 2014.

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A first approach: Towards a sustainable civil engineering works with precast concrete solutions

I section beam. One of the most common profiles to design and build the deck bridge
I section beam. One of the most common profiles to design and build the deck bridge

LÓPEZ-VIDAL, A.; YEPES, V. (2016). A first approach: Towards a sustainable civil engineering works with precast concrete solutions. II International Conference on Concrete Sustainability, ICCS16, 13-15 June 2016, Madrid (Spain), pp. 1134-1143. ISBN: 978-84-945077-7-9

Abstract. Most of the advances carried out to set standardized methodologies to quantify the contribution to “sustainabilize” the construction are linked to buildings rather than infrastructures, and much more in particular to housing [1]. Global impact on housing are the widest and highest one, gathering the three sustainable axis: environmental (greenhouse gas emissions derived from heating or cooling to reach indoor comfort conditions), social (home is a basic need for families) and economic (it usually represents the main expense over the life of people). Meanwhile civil engineering work has not evolved as long on this topic. Although we generally refer to greater constructions, sustainable impacts are more diffused and don´t have such a direct repercussion into the citizens and daily life. For this reasons, there is no as many literature and investigation as in housing. It may implies a technical and promotional handicap to promote a higher use of precast concrete elements in a field governed by engineers that appreciate better their performance advantages. This paper is intended to describe the strengths (and weaknesses) that precast concrete construction will have into the upcoming standards for civil engineering, in order to enhance their possibilities to reach a greater market share. Sustainable indicators on current draft standards will be assessed.

Key words: precast concrete, industrialization, sustainability, civil engineering works

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El profesor Dan M. Frangopol de estancia con nosotros en la Universitat Politècnica de València

Tenemos la gran suerte de contar con el profesor Dan M. Frangopol como profesor visitante en la Universitat Politècnica de València. Se trata de una estancia que solicitó nuestro grupo de investigación dentro del proyecto de investigación BRIDLIFE y que también ha sido apoyada por nuestra universidad. Es una magnífica oportunidad de poder colaborar en líneas de investigación que confluyen en la optimización multiobjetivo de estructuras a lo largo de su ciclo de vida. Ya estuvo nuestra investigadora Tatiana García Segura cuatro meses de estancia en la Universidad de Lehigh.

El curriculum y la trayectoria académica del profesor Frangopol es impresionante. Es el primer titular de la Cátedra Fazlur R. Khan de Ingeniería Estructural y Arquitectura de la Universidad de Lehigh, en Bethlehem, Pensilvania. Antes de incorporarse a esta universidad, fue profesor de ingeniería civil en la Universidad de Colorado en Boulder, donde ahora es profesor emérito. Sus líneas de investigación se centran en la aplicación de los conceptos probabilísticos y métodos de la ingeniería civil tales como la fiabilidad estructural, el diseño basado en la probabilidad y la optimización de edificios, puentes y barcos navales, vigilancia de la salud estructural, mantenimiento y gestión a lo largo de su ciclo de vida, gestión de infraestructuras en condiciones de incertidumbre, evaluación basada en el riesgo, sostenibilidad y resistencia a los desastres.

De acuerdo con el ASCE (Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles) “Dan M. Frangopol is a preeminent authority in bridge safety and maintenance management, structural system reliability, and life-cycle civil engineering. His contributions have defined much of the practice around design specifications, management methods, and optimization approaches. From the maintenance of deteriorated structures and the development of system redundancy factors to assessing the performance of long-span structures, Dr. Frangopol’s research has not only saved time and money, but very likely also saved lives… Dr. Frangopol is a renowned teacher and mentor to future engineers.”

A parte de cuatro doctorados honoris causa, el profesor Frangopol presenta un índice h de 54 y más de 11900 citas (Google Scholar, 2015). Ha dirigido más de 40 tesis doctorales y ha sido profesor visitante en numerosas universidades de todo el mundo. Lo mejor es que veáis su currículum entero en su página web: http://www.lehigh.edu/~dmf206/

Os dejo a continuación los seminarios y conferencias que impartirá este mes en la Universitat Politècnica de València. Si tenéis alguna duda, me podéis enviar un correo electrónico. La entrada es libre. Os iré contando en sucesivos posts más sobre nuestra actividad este mes con el profesor Frangopol.

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¿Qué es la metodología de la superficie de respuesta?

La Metodología de la Superficie de Respuesta (RSM) es un conjunto de técnicas matemáticas y estadísticas utilizadas para modelar y analizar problemas en los que una variable de interés es influenciada por otras.  El propósito inicial de estas técnicas es diseñar un experimento que proporcione valores razonables de la variable respuesta y, a continuación, determinar el modelo matemático que mejor se ajusta a los datos obtenidos. El objetivo final es establecer los valores de los factores que optimizan el valor de la variable respuesta. Esto se logra al determinar las condiciones óptimas de operación del sistema.

La diferencia entre (RSM) y un diseño experimental corriente estriba en que un diseño experimental por si solo tiene como objetivo localizar el tratamiento «ganador» entre todos aquellos que se han probado. En cambio, RSM pretende localizar las condiciones óptimas de operación del proceso. Ello supone un reto para el investigador, requiere una estrategia más completa e incluye la posibilidad de efectuar varios experimentos secuenciales y el uso de técnicas matemáticas más avanzadas.

Os dejo a continuación un vídeo explicativo que espero os aclare la metodología.

Otro vídeo complementario al anterior es el siguiente:

Referencias:

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  • Cornell, John A. (1984), How to apply Response Surface Methodology, American Society for Quality Control, Milwaukee, WI.
  • Kuehl, Robert O. (2001) Diseño de Experimentos, 2a. Edición, Thomson Learning.
  • Melvin T. A. Response Surface Optimization using JMP Software, < http://www2.sas.com/proceedings/sugi22/STATS/PAPER265.PDF>
  • Montgomery, D. C. (2002), Diseño y Análisis de Experimentos, Editorial Limusa, Segunda Edición.
  • http://www.cicalidad.com/articulos/RSM.pdf
  • http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lii/peregrina_p_pm/capitulo2.pdf

La innovación en las empresas y el filo de un hacha

BBA027Un buen número de pequeñas y medianas empresas piensan que la investigación y la innovación son actividades propias de los centros de investigación, las universidades o las grandes empresas. Suficientes problemas existen todos los días como para perder el tiempo en actividades extrañas que intenten cambiar la forma de hacer las cosas. Los inventos son para mentes brillantes o felices ideas. ¡Que inventen ellos!

De este paradigma no escapan las empresas constructoras. Muchas veces usamos el término «contratista», lo cual es toda una declaración de intenciones: el contratista se ocupa del contrato, la construcción va en segundo lugar. Sin embargo, una empresa es una organización que debería ocuparse de su supervivencia a largo plazo, es decir, de su competitividad en un mercado cada vez más complicado. Es como si un leñador estuviese todos los días talando árboles y no tuviese tiempo de afilar su hacha.

Afortunadamente la innovación es un proceso, y como tal, se puede gestionar. La norma UNE 166002 es un ejemplo de cómo se puede organizar la gestión de la innovación en una organización. En el caso particular de las empresas constructoras, muchas innovaciones provienen de mejoras en los procedimientos constructivos o en las demandas de los clientes. Sin embargo, para que la innovación se incorpore en la gestión cotidiana es necesario un cambio cultural propiciado por la alta dirección de estas organizaciones.

A continuación os dejo un vídeo sobre este tema. Se trata de un reportaje de la Universitat Politècnica de València donde se informa de un proyecto de investigación realizado por nuestro grupo. El enlace a la noticia: http://www.upv.es/noticias-upv/noticia-8017-id-en-construc-es.html# Espero que os sea de interés.

Referencias:

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PELLICER, E.; YEPES, V.; CORREA, C.L.; ALARCÓN, L.F. (2014). Model for Systematic Innovation in Construction Companies. Journal of Construction Engineering and Management ASCE, 140(4):B4014001. DOI: 10.1061/(ASCE)CO.1943-7862.0000468. ISNN: 0733-9364. (link) (descargar versión autor)

PELLICER, E.; CORREA, C.L.; YEPES, V.; ALARCÓN, L.F. (2012). Organizacional improvement through standardization of the innovation process in construction firms. EMJ-Engineering Management Journal, 24(2): 40-53.

PELLICER, E., YEPES, V.; ROJAS, R.J. (2010). Innovation and Competitiveness in Construction Companies. A Case Study. Journal of Management Research, 10(2): 103-115. Print ISSN: 0972-5814. (link)

PELLICER E., YEPES V., CORREA C.L.; MARTÍNEZ, G. (2008). Enhancing R&D&i through standardization and certification: the case of the Spanish construction industry, Revista Ingeniería de Construcción, 23(2): 112-121. (link)

CORREA, C.L.; YEPES, V.; PELLICER, E. (2007). Factores determinantes y propuestas para la gestión de la I+D+i en las empresas constructoras. Revista Ingeniería de Construcción, 22(1): 5-14. Pontificia Universidad Católica de Chile.  ISSN: 0716-2952. (link)

El dilema de la innovación en la empresa constructora: Una década de lecciones aprendidas

1625153La innovación puede definirse como la incorporación de ideas no triviales capaces de generar cambios positivos que incrementan la competitividad de una empresa. En el caso de las empresas constructoras, innovar no es una tarea fácil, dado que su producción está basada en proyectos únicos que se ejecutan en ubicaciones diferentes. En el presente artículo se sintetiza la investigación exploratoria realizada por los autores a lo largo de los últimos diez años, centrada en la implantación, el desarrollo y el seguimiento de un sistema normalizado de gestión de la innovación en una empresa constructora española de tamaño medio. Las evidencias acumuladas, contrastadas también con otras empresas y con la evolución del sector, proporcionan lecciones aprendidas, no solo para la empresa analizada, sino también para las empresas constructoras en general. La innovación en este tipo de empresas puede dejar de ser un acto espontáneo que aparece en la resolución de un problema concreto, para pasar a ser un proceso de gestión que puede ser sistematizado y homogeneizado. Esto permite acelerar la identificación de las tareas involucradas en la creación de nuevos procesos, productos y servicios en las empresas del sector y, por ende, mejorar su competitividad en los mercados.

Referencia:

PELLICER, E.; YEPES, V.; CORREA, L.C.; ALARCÓN, L.F. (2015). The dilemma of innovation in the construction company: a decade of lessons learned. 19th International Congress on Project Management and Engineering, 15-17 July, Granada (Spain).

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La tecnología SIN zanja. Un ejemplo de innovación en ingeniería.

Pipe Bursting

La tecnología sin zanja, o trenchless en inglés, constituye una nueva forma de construir que utiliza de forma masiva las nuevas técnicas disponibles para instalar o reparar conducciones sin necesidad de abrir las molestas y, en muchas ocasiones, inseguras zanjas. Todos sufrimos las obras en nuestras ciudades, y la mayoría de ellas están provocadas por ampliaciones, mantenimiento o cambios en las conducciones que llevan las instalaciones básicas de la ciudad: fibra óptica, gas, agua, teléfono, etc.

En muchos artículos anteriores he ido desgranando algunas de las técnicas más importantes en este campo. En la Escuela de Ingenieros de Caminos de Valencia, desde el último cambio en los programas de estudio que llevaron a los nuevos grados de ingeniería civil, se ha incorporado al temario de las asignaturas de Procedimientos de Construcción estas nuevas técnicas trenchless.

Pues bien, recientemente he sido invitado como profesor al Curso de Posgrado: Especialista en tecnologías sin zanja organizado por la Asociación Ibérica de Tecnología SIN Zanja, la Fundación Gómez Pardo, la Universidad Politécnica de Madrid y la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas y Energía. Se trata de un curso que puede seguirse de forma presencial y en línea, y que ofrece numerosas becas a estudiantes y recién graduados. Cuenta con la participación de especialistas en la materia y empresas dedicadas a esta técnica, así como seminarios y demostraciones prácticas. Os dejo a continuación más información por si os interesa. Empezamos el 14 de octubre de 2015.

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Innovaciones en materia de tecnología de puentes, por Javier Manterola

Os paso a continuación una conferencia impartida por el profesor D. Javier Manterola Armisén sobre las innovaciones en materia de tecnología de puentes. Javier Manterola es doctor ingeniero de caminos, catedrático de puentes y Académico de número de la Real Academia de Bellas Artes de San Fernando, Madrid. Espero que os guste tanto como a mí.

 

El impacto de las edificaciones en el medio ambiente

Edificios modernos de Lima. Autor: Luis Perales. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Edificios_de_Lima_Peru.jpg

La presión demográfica mundial hace imperiosa la búsqueda de alternativas sostenibles en la construcción de edificios. Efectivamente, para el año 2050 se espera que la población mundial alcance los 8900 millones de personas [1], aunque otros estudios indican que en el año 2030 esta cifra será de 9000 millones [2]. El impacto que esta fuerte demanda de viviendas tiene en el cambio climático es de magnitud sin precedentes. Según datos de la UNEP (Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente) y de la OCDE (Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos), el entorno edificado, representa un consumo de energía del 25 al 40%, una carga de residuos sólidos del 30 al 40% y una carga de emisiones de gases de efecto invernadero del 30 al 40% [3]. En 2007, el entorno edificado consumió cerca del 47% de la energía total en China [4]. En el año 2004, los edificios agotaron, por sí solos, casi el 37% de toda la energía mundial y se espera que esta cifra alcance el 42% en el año 2030 [5]. En la India, el 24% de la energía primaria y el 30% de la energía eléctrica se consumen en los edificios [6]. Casi el 10-20 % de la energía total se consume durante la construcción de los edificios, en función de las cantidades y tipos de materiales empleados, la tipología de los edificios , los requisitos funcionales, la demanda de energía eléctrica y la vida útil considerada [6,7]. Algunos estudios indican que un edificio con una vida útil de 40 a 50 años gasta entre el 52% y el 82% de toda la energía consumida a lo largo de su ciclo de vida. A todo ello hay que añadir que una parte muy importante de los productos que se incorporan en un edificio no se fabrican «in situ», lo que representa el 75% de la energía necesaria para la construcción, pues se trata de materiales con una alta demanda de energía en su fabricación [8,9].

La industria de la construcción, junto con sus industrias auxiliares, es uno de los mayores consumidores de recursos naturales, tanto renovables como no renovables, lo que afecta negativamente al medio ambiente. Agota 2/5 partes de los áridos y 1/4 de la madera y consume el 40 % de la energía total y el 16 % del agua al año [10,11]. El uso de materiales crece constantemente, con más de 23 mil millones de toneladas de hormigón producidas cada año [12,13]. En 2010, de acuerdo con la International Cement Review [14], la producción mundial de cemento se elevó a alrededor de 3,3 millones de toneladas/año , lo que representa un aumento de más del 100% en casi 10 años. La producción mundial de cemento llegó a 1,6 mil millones de toneladas/año en 2001 , lo que corresponde a aproximadamente el 7 % de la cantidad mundial de dióxido de carbono liberado a la atmósfera [15,16]. Otros estudios indican que la contribución de la industria cementera a las emisiones de gases de efecto invernadero supera el 5% del total [17]. En Australia, para mantener la demanda en la construcción, se necesitan cada año aproximadamente 30 millones de toneladas de productos, más del 56 % de esta cantidad es hormigón, y el 6%, acero [18].

¿Qué podemos hacer ante este panorama? Evidentemente, es preciso un cambio de actitud a nivel mundial. La construcción y el uso de los edificios crecerán, como acabamos de ver. Por tanto, se hace necesaria la optimización de los recursos para que los impactos sean lo menores posible. A modo de ejemplo, Struble y Godfrey [19] compararon el impacto ambiental de una viga de hormigón y otra de acero. Las de hormigón consumen menos energía y contaminan menos los recursos hídricos, sin embargo, presentan un 10% más de emisiones de CO2, aunque requieren un 60% menos de extracción de minerales [20]. Otras posibilidades pasan por optimizar el diseño de los edificios [21-27]. Nuestro grupo de investigación ha trabajado durante estos últimos años en esta línea [28-35]. Otras líneas de trabajo se relacionan con la certificación energética de los edificios [36]. En este sentido, la Comisión Europea, con el fin de racionalizar el uso de la energía en los edificios y aumentar su eficiencia energética, propuso la Directiva 2002/91/CE, que fue refundida en la Directiva 2010/31/UE del Parlamento Europeo y del Consejo.

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