En la clase de «Gestión de la innovación en el sector de la construcción«, del Máster Universitario en Gestión y Planificación en Ingeniería Civil, muchas veces se debate sobre los inventos. Si éstos se deben a mentes brillantes, a la casualidad o a un proceso planificado de innovación en las empresas. Incluso si los inventos o la innovación deben originarse en la investigación y el desarrollo tecnológico. Pero incluso en épocas anteriores al desarrollo del método científico, ya se inventaban cosas.
Os paso un documental donde se muestra cómo los grandes inventos a veces son muy antiguos: la pila eléctrica de Bagdad, las máquinas griegas para hacer cálculos astronómicos, la máquina de vapor de Herón de Alejandría, las técnicas de construcción de las pirámides de Gizeh y del Machu Picchu Inca, o los conocimientos de neurocirugía y de aviación de los indios Nazca, inventos todos ellos que permanecieron ocultos miles de años y que hubieran podido cambiar el destino de la humanidad.
Scamper es una técnica de creatividad o de desarrollo de ideas creativas elaborada por Bob Eberle a mediados del siglo XX, publicada en su libro con el mismo nombre. Básicamente es una lista de chequeo, donde se generan nuevas ideas al realizar acciones sobre una idea base.
En grupos de 3 personas se va a tratar de solucionar el problema del tráfico en la ciudad de México. Para ello primero tenéis que realizar las siguientes actividades:
a) Buscar en internet el problema que tiene México con su tráfico. Determinar las causas principales y las pérdidas económicas que ello supone.
Tengo el placer de compartir con todos vosotros, totalmente en abierto, un libro que he editado junto con Ignacio J. Navarro. La labor de editar libros científicos es una oportunidad de poder seleccionar aquellos autores y temas que destacan en un ámbito determinado. En este caso, sobre las tendencias en las infraestructuras y la construcción sostenible.
Además, resulta gratificante ver que el libro se encuentra editado en abierto, por lo que cualquiera de vosotros os lo podéis descargar sin ningún tipo de problema en esta entrada del blog. También os lo podéis descargar, o incluso pedirlo en papel, en la página web de la editorial MPDI: https://www.mdpi.com/books/pdfview/book/3854
Referencia:
YEPES, V.; NAVARRO, I.J. (Eds.) (2021). Trends in Sustainable Buildings and Infrastructure. MPDI, 272 pp., Basel, Switzerland. ISBN: 978-3-0365-0914-3
Preface to ”Trends in Sustainable Buildings and Infrastructure”
The Sustainable Development Goals agreed by the United Nations in 2015 advocate for a profound paradigm shift in the way that infrastructures are designed. Actual practices usually fall short in assessing issues beyond the economic ones. Aspects such as the environmental impacts resulting from the life cycle of our structures, as well as the positive and negative effects that their construction and maintenance can have on society, are new criteria that need to be effectively included in our designs by 2030. To face such a challenging task, actual practices need to be reinvented, approaching the design of infrastructures from a holistic perspective that simultaneously integrates each of the three dimensions of sustainability, namely economy, environment and society. This book comprises 11 chapters that explore the actual sustainability-related trends in the construction sector. The chapters collect the papers included in the Special Issue “Trends in Sustainable Buildings and Infrastructure” of the International Journal of Environmental Research and Public Health. We would like to thank both the MDPI publishing and editorial staff for their excellent work, as well as the authors who have collaborated in its preparation. The papers included in this book cover a broad range of topics directly related to the sustainable design of infrastructures, addressing maintenance design criteria towards sustainability, life-cycle-oriented building and infrastructure design, design optimization based on sustainable criteria, inclusion of the social dimension in the design of infrastructures and the application of decision-making processes that effectively integrate the three dimensions of sustainability, resilience and the use of sustainable materials.
About the Editors
Víctor Yepes is a full professor of Construction Engineering; he holds a Ph.D. in civil engineering. He serves at the Department of Construction Engineering, Universitat Politècnica de València, Valencia, Spain. He has been the Academic Director of the M.S. studies in concrete materials and structures since 2007 and a Member of the Concrete Science and Technology Institute (ICITECH). He is currently involved in several projects related to the optimization and life-cycle assessment of concrete structures, as well as optimization models for infrastructure asset management. He currently teaches courses in construction methods, innovation, and quality management. He has authored more than 250 journals and conference papers, including more than 100 published in journals quoted in JCR. He acted as an expert for project proposal evaluation for the Spanish Ministry of Technology and Science, and he is a main researcher in many projects. He currently serves as an Editor-in-Chief for the International Journal of Construction Engineering and Management and a member of the editorial board of 12 other international journals (Structure and Infrastructure Engineering, Structural Engineering and Mechanics, Mathematics, Sustainability, Revista de la Construcci´on, Advances in Civil Engineering, Advances in Concrete Construction, among others).
Ignacio Navarro Martíınez holds a Ph.D. degree in civil engineering. He works at the Department of Construction Engineering, Universitat Politècnica de València, Valencia, Spain. He has published 11 articles and 9 conference papers in JCR journal. He combines his research activity with his professional career as a structural designer. During his professional experience, he has been dedicated to the calculation of steel and concrete structures related to renewable energies, especially in the field of wind energy, both onshore and offshore, as well as to the calculation of road and port structures. He has specialized in the numerical calculation of steel and concrete structures in onshore and offshore environments.
Acaban de publicarnos un artículo en la revista Resources, Conservation and Recycling, revista de alto impacto indexada en el JCR. En este caso se ha realizado un análisis del ciclo de vida de los aislamientos utilizados en edificación reciclados y no reciclados, atendiendo a las diferentes condiciones climáticas de España. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
El sector de la construcción representa más del 40% del consumo de energía en la Unión Europea, así como una de las causas significativas de impacto ambiental. Por ello, este sector necesita políticas que promuevan la eficiencia energética de los edificios. Uno de los componentes estructurales más importantes para alcanzar esta eficiencia energética son las fachadas. En este trabajo se elige la fachada ventilada por su mejor comportamiento de aislamiento térmico. El impacto ambiental de la fachada ventilada depende del material de aislamiento térmico. El objetivo de este trabajo es evaluar el impacto ambiental de diferentes fachadas ventiladas en función de su comportamiento de aislamiento térmico. Para ello, se aplica la evaluación del ciclo de vida en fachadas ventiladas con diferentes materiales en distintas ubicaciones. Los materiales estudiados son la lana de roca, el corcho natural y el corcho reciclado, y las ubicaciones consideradas son las diferentes zonas climáticas de España. Para llegar a una evaluación ambiental completa se considera todo el ciclo de vida de las fachadas ventiladas, desde la cuna hasta la tumba. Para ello se utiliza el software Open LCA con la base de datos Ecoinvent con el método ReCiPe. Los resultados muestran que el corcho reciclado es el aislamiento térmico con menor impacto ambiental, independientemente de la ubicación.
Abstract:
The construction sector represents more than 40% of energy consumption in the European Union, as well as one of the biggest causes of environmental impact. Therefore, this sector needs a great deal of intervention through policies that promote the energetic efficiency of the buildings. One of the most important structural components to reach this energetic efficiency is the facades. In this work, the facade ventilated is chosen due to its better thermal insulation behaviour. The environmental impact of the facade ventilated depends on the thermal insulation material. The goal of this paper is to evaluate the environmental impact of different ventilated facades according to their thermal insulation behavior. For this purpose, the life-cycle assessment is applied in ventilated facades with different materials in different locations. The materials studied are the rock wool, the natural cork and the recycled cork, and the locations considered are the different climatic areas of Spain. To reach a complete environmental assessment all the ventilated facades life-cycle is considered, from cradle to grave. To do this we use the Open LCA software with the Ecoinvent database with the ReCiPe method. The results show that the recycled cork is the thermal insulation with the lowest environmental impact regardless the location.
Keywords:
Life cycle assessment; ReCiPe; Facade ventilated; Thermal insulation; Sustainability
Tengo el placer de anunciar que la Asamblea General de Socios ha aprobado por unanimidad nombrarme como Colaborador de Honor de la Asociación Ibérica de Tecnología sin Zanja IbSTT. Es un honor colaborar por la difusión de las tecnologías sin zanja y apoyar desinteresadamente a esta asociación. Muchas gracias por el reconocimiento.
ICITECH (Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón). Universitat Politècnica de València
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. En anteriores proyectos (HORSOST, BRIDLIFE, DIMALIFE) afrontados por nuestro grupo se abordó tanto el diseño eficiente de estructuras con hormigones no convencionales basados en criterios sostenibles multiobjetivo mediante el empleo de técnicas de minería de datos, como la toma de decisiones en la gestión del ciclo de vida de puentes pretensados de alta eficiencia social y medioambiental bajo presupuestos restrictivos. También se emplearon metamodelos y el diseño óptimo robusto y basado en fiabilidad para obtener diseños automáticos de puentes e infraestructuras que consideraban hormigones con baja huella de carbono, donde se incluían los aspectos de durabilidad, de consumo energético y de emisiones de CO2, de seguridad, y otros que se estudiaban a lo largo del ciclo de vida de las estructuras, en especial en puentes de hormigón pretensado, tanto prefabricados, como construidos “in situ”. Además, se emplearon técnicas de decisión multicriterio para abordar, en primer lugar, la decisión de la mejor tipología constructiva de un puente, y posteriormente, para decidir la mejor de las opciones resultantes de la frontera de Pareto.
La producción científica de estos proyectos fue significativa. Se ha abordado la optimización multiobjetivo (coste, CO2 y energía) de puentes con vigas artesa (Martí et al., 2015; Martí et al., 2016; Yepes et al., 2015;2017), de puentes cajón (García-Segura et al., 2016;2017a;b). Se ha abordado la optimización del mantenimiento de puentes en ambiente marino (Navarro et al., 2017;2018), del mantenimiento de redes de pavimento (Yepes et al., 2016; Torres-Machí, 2017). Se ha analizado la sostenibilidad social de las infraestructuras (Sierra et al., 2017a;b). Se han utilizado metodologías emergentes en la toma de decisiones, como la lógica neutrosófica (Navarro et al., 2020) o las redes bayesianas (Sierra et al., 2018). Se han utilizado en la optimización metamodelos de redes neuronales (García-Segura et al., 2017b), modelos kriging (Penadés-Plà et al., 2019), el análisis de fiabilidad (García-Segura et al., 2017a). Se han propuesto sistemas de indicadores de sostenibilidad social y medioambiental (Milani et al., 2020; Sánchez-Garrido y Yepes, 2020). Se ha aplicado el diseño robusto a los puentes (Penadés-Plà et al., 2020). Se ha analizado la resiliencia de las infraestructuras (Salas et al., 2020). Se han realizado análisis del ciclo de vida de estructuras e infraestructuras óptimas (Penadés-Plà et al. 2017; Zastrow et al., 2017; Pons et al., 2018;2020; Navarro et al. 2018; Zhou et al., 2020). También se encuentra en fase de evaluación la patente “Viga en cajón mixta acero-hormigón, P202030530” (Alcalá y Navarro, 2020), autor que forma parte del equipo de investigación.
Sin embargo, para dar un paso adelante, es necesario abordar las limitaciones y el alcance de estos proyectos previos. El proyecto HYDELIFE busca un salto cualitativo en nuestra línea de investigación que pretende superar algunas limitaciones en cuanto al alcance planteado hasta ahora. En primer lugar, no se puede perder la oportunidad de incorporar las técnicas emergentes del DL en la hibridación de las metaheurísticas, pues sería renunciar a la potencia predictiva de la inteligencia artificial y a la eficiencia de esta nueva generación de algoritmos. En segundo lugar, debe abordarse la construcción industrializada modular tanto en edificación como en obra civil, estudiando en detalle y confrontando los puentes mixtos y las estructuras híbridas con las soluciones de hormigón, en un análisis completo del ciclo de vida que incluya la sostenibilidad social y medioambiental. Para ello se pretende profundizar en las técnicas de decisión multicriterio emergentes como la lógica neutrosófica y otras como las redes bayesianas. En este contexto, a pesar de que se ha avanzado en la optimización multiobjetivo de las estructuras, en el mundo real existen incertidumbres, imperfecciones o desviaciones respecto a los parámetros utilizados en los códigos (propiedades del material, geometría, cargas, etc.). Una estructura óptima se encuentra cercana a la región de infactibilidad, por lo que es necesario incorporar incertidumbres para proporcionar diseños más robustos y fiables (Martínez-Frutos et al., 2014), tanto desde el diseño basado en la fiabilidad como desde el diseño óptimo robusto.
El gran problema de la optimización multiobjetivo de estructuras, al incorporar incertidumbres, es su coste computacional muy elevado. Tal y como hemos visto en algunos de nuestros trabajos, este problema lo hemos abordado mediante metamodelos que proporcionan una relación funcional aproximada entre las variables de diseño y sus respuestas, con un número moderado de análisis completos. Sin embargo, las metaheurísticas híbridas basadas en DL emergen como técnicas capaces de mejorar dichos planteamientos previos.
Los trabajos desarrollados hasta el momento por nuestro grupo de investigación han permitido avances importantes en el diseño automatizado y óptimo de las estructuras de hormigón con múltiples criterios a lo largo del ciclo de vida, sin embargo, existe una serie de limitaciones que este HYDELIFE tiene intención de superar:
Ampliación del análisis del ciclo de vida no solo a los puentes de hormigón, sino también a otras tipologías, como puentes mixtos y estructuras híbridas, así como a estructuras industrializadas modulares.
Utilizar metaheurísticas híbridas basadas en la inteligencia artificial con un doble objetivo: mejorar la calidad de las soluciones al incorporar el aprendizaje profundo en la base de datos generada en la búsqueda de los algoritmos y reducir los tiempos de cálculo.
Explorar el efecto de la aleatoriedad de los parámetros mediante la incorporación del diseño óptimo robusto y del diseño óptimo basado en la fiabilidad, para evitar que los proyectos optimizados reales sean infactibles ante pequeños cambios.
Profundización en las funciones de distribución de los impactos sociales y ambientales en las construcciones modulares y mixtas.
Profundización en la investigación dirigida a la fase de mantenimiento, centrada más en el problema social que plantean las estructuras modulares y mixtas en servicio.
Analizar la sensibilidad de 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, especialmente en épocas de crisis.
Profundización en la determinación de los factores que inciden en la toma de decisiones multicriterio.
Profundización en los costes de mantenimiento y en los esperados en caso de fallo. Además, las incertidumbres asociadas al deterioro requieren métodos probabilísticos.
Profundizar en el análisis de ciclo de vida, la inclusión de la demolición y reutilización de los materiales de las infraestructuras, siendo una de las variables de diseño la durabilidad.
Lo indicado hasta ahora, que resume los antecedentes y las realizaciones del grupo, se podría sintetizar en los siguientes aspectos:
La temática a investigar se ha ido profundizando en cada uno de los proyectos realizados, acorde a los objetivos previstos.
Los estudios realizados se basaban en la optimización multiobjetivo, la toma de decisiones a lo largo del ciclo de vida y el diseño robusto y basado en la fiabilidad de puentes pretensados. El objetivo es dar un salto al incorporar el aprendizaje profundo en las metaheurísticas y ampliar el alcance a otro tipo de construcciones industrializadas modulares y a puentes mixtos e híbridos.
Referencias
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Proyecto de Investigación:
Optimización híbrida del ciclo de vida de puentes y estructuras mixtas y modulares de alta eficiencia social y medioambiental bajo presupuestos restrictivos. (HYDELIFE). [Hybrid life cycle optimization of bridges and mixed and modular structures with high social and environmental efficiency under restrictive budgets]. PID2020-117056RB-I00. Financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación con fondos FEDER. Investigador Principal: Víctor Yepes.
Es para mí un placer comunicar en mi blog que la Comisión de Premios del XXV Congreso Internacional de Dirección e Ingeniería de Proyectos ha tenido a bien otorgar el Premio Jaume Blasco a la Innovación 2021 a la comunicación «Consideración de la incerteza de multi-disciplinas en la determinación de criterios sostenibles de caminos rurales usando la lógica neutrosófica«, cuyos autores han sido Leonardo Sierra, Felipe Araya y Víctor Yepes. Agradezco enormemente este tipo de reconocimientos que premia la labor realizada en los últimos años por nuestro grupo de investigación en la Universitat Politècnica de València.
Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH). http://congress.cimne.com/SAHC2020/frontal/JoseM.Adam.asp
En varios artículos anteriores detallamos los antecedentes, la motivación y la trascendencia del proyecto de investigación HYDELIFE. Ahora vamos a explicar las hipótesis de partida sobre las que se basa este proyecto.
La hipótesis principal de partida es que las metaheurísticas híbridas emergentes son capaces de extraer información no trivial de las inmensas bases de datos procedentes de la optimización y mejorar la calidad y el tiempo de cálculo tanto en el diseño como en el mantenimiento óptimo de puentes y estructuras. Con esta propuesta metodológica se pretende abordar las incertidumbres del mundo real, planteando el diseño y el mantenimiento óptimos basados en la fiabilidad y en diseños robustos. Esta hipótesis debe extenderse a los procesos de toma de decisiones multicriterio que atiendan a la sostenibilidad social y ambiental del ciclo de vida completo que contemplen las fluctuaciones tanto de los parámetros como de los escenarios posibles, especialmente en el caso de fuertes restricciones presupuestarias. Esta metodología presenta, no obstante, serias dificultades, por lo que conviene explorar metamodelos y DL capaces de acelerar los procesos de cálculo complejos.
Para la consecución de los objetivos del proyecto, es necesario alcanzar una serie de objetivos específicos que, a su vez, se basan en unas determinadas hipótesis:
Hipótesis 1: Las metaheurísticas mejoran la calidad y reducen el tiempo de cálculo al hibridarse con el aprendizaje profundo (DL).
Hipótesis 2: El análisis del ciclo de vida de la construcción industrializada modular presenta mejores indicadores medioambientales y sociales que la construcción tradicional.
Hipótesis 3: La optimización multiobjetivo de los puentes mixtos de hormigón y acero y de las estructuras híbridas de acero reduce los impactos sociales y ambientales a lo largo del ciclo de vida.
Hipótesis 4: La optimización multiobjetivo puede dar como resultado soluciones que, con pequeñas variaciones en los parámetros o en las restricciones, resultan infactibles.
Hipótesis 5: Tanto el diseño óptimo basado en la fiabilidad como el diseño óptimo robusto conducen a soluciones menos sensibles a la variabilidad y a los cambios en los escenarios (especialmente presupuestarios), pero se basan en funciones de probabilidad poco realistas debido a la falta de datos.
Hipótesis 7: Las soluciones de mantenimiento óptimas de puentes mixtos y de estructuras modulares difieren si el análisis del ciclo de vida se incluye o no en la fase de proyecto.
Hipótesis 8: Incluso considerando la variabilidad innata del mundo real, es posible integrar múltiples actores, escenarios y criterios (tangibles e intangibles) en técnicas analíticas que asistan en la toma de decisiones complejas que incluyan aspectos de sostenibilidad social y ambiental mediante herramientas colaborativas.
Hipótesis 9: Las decisiones públicas (instituciones) y privadas (empresas) adecuadas pueden mejorar la sostenibilidad, las prestaciones a largo plazo y la durabilidad de las estructuras, incluso en escenarios presupuestarios muy restrictivos.
Hipótesis 10: Dado un horizonte temporal para una estructura, es posible encontrar un diseño y una gestión posteriores de dicho activo que mejoren otras alternativas, incluso con presupuestos restrictivos.
Hipótesis 11: Las medidas estratégicas, de proyecto y preventivas derivadas de un sistema de apoyo a la toma de decisiones multicriterio son preferibles a la reparación severa de los puentes y estructuras modulares por su menor coste social y ambiental.
Hipótesis 12: Es posible encontrar buenas prácticas en el diseño, conservación, mantenimiento y desmantelamiento de los puentes y estructuras modulares que sean robustas a cambios en los escenarios presupuestarios.
Proyecto de Investigación:
Optimización híbrida del ciclo de vida de puentes y estructuras mixtas y modulares de alta eficiencia social y medioambiental bajo presupuestos restrictivos. (HYDELIFE). [Hybrid life cycle optimization of bridges and mixed and modular structures with high social and environmental efficiency under restrictive budgets]. PID2020-117056RB-I00. Financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación con fondos FEDER. Investigador Principal: Víctor Yepes.
Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH)
En un artículo anterior detallamos los antecedentes y la motivación del proyecto de investigación HYDELIFE. Ahora vamos a explicar la relevancia de la propuesta, que se centra tanto en la utilización de una metodología emergente y novedosa en el ámbito de las estructuras, como es la hibridación de las metaheurísticas con la inteligencia artificial, en especial con el aprendizaje profundo (Deep Learning, DL), como en el objeto de estudio, que es la construcción industrializada modular, tanto en edificación, como en puentes mixtos de hormigón y acero y en estructuras híbridas de acero. A continuación, justificamos la importancia de esta propuesta.
La Inteligencia Artificial (IA) se ha usado en estas últimas décadas de forma intensiva en las investigaciones relacionadas con la ingeniería civil, especialmente en el ámbito de las estructuras y las infraestructuras (Taffese et al., 2017). Sin embargo, los métodos más recientes, como el reconocimiento de patrones (Pattern Recognition, PR), el aprendizaje automático (Machine Learning, ML) y el aprendizaje profundo (Deep Learning, DL), son métodos emergentes en este ámbito de la ingeniería (Salehi et al., 2018). Estas técnicas emergentes tienen la capacidad de aprender interrelaciones complejas entre parámetros y variables, y así permiten resolver una diversidad de problemas que son difíciles o imposibles de resolver con los métodos tradicionales. Son capaces de descubrir información oculta, no trivial, sobre el rendimiento de una estructura al aprender la influencia de diversos mecanismos de daño o degradación, así como a partir de los datos recogidos por los sensores. Además, ML y DL tienen una elevada potencialidad en el dominio de la mecánica computacional, como, por ejemplo, para optimizar los procesos en el método de elementos finitos para mejorar la eficiencia de los cálculos.
La optimización de las estructuras constituye un campo científico en el que se ha trabajado intensamente en las últimas décadas (Afzal et al., 2020). Debido a que los problemas reales requieren un número elevado de variables, la resolución exacta del problema de optimización asociado resulta inabordable. Se trata de problemas NP-hard, de complejidad computacional elevada, que requieren metaheurísticas para alcanzar soluciones satisfactorias en tiempos de cálculo razonables. La idea es aprovechar la inmensa cantidad de datos generados por el elevado número de iteraciones que requiere la optimización estructural mediante metaheurísticas. Es el campo ideal para la inteligencia artificial, pues permite extraer información para acelerar y afinar la búsqueda de la solución óptima. Un ejemplo de este tipo es nuestro trabajo (García-Segura et al., 2017a) de optimización multiobjetivo de puentes cajón, donde una red neuronal aprendía de los datos intermedios de la búsqueda y luego predecía con una extraordinaria exactitud el cálculo del puente, sin necesidad de calcularlo. Ello permitía reducir considerablemente el tiempo de computación final. Sin embargo, este tipo de aplicación es muy sencilla, pues solo ha reducido el tiempo de cálculo (cada comprobación completa de un puente mediante el método de los elementos finitos es mucho más lenta que una predicción con una red neuronal). HYDELIFE trata de dar un paso más allá. Se pretende que la metaheurística sea capaz de aprender de los datos recogidos utilizando la inteligencia artificial para ser mucho más efectiva, y no solo más rápida.
En concreto, la propuesta se centra en el aprendizaje profundo (DL), que, dentro del ML, utiliza algoritmos más sofisticados, basados en el principio de las redes neuronales. El foco metodológico del proyecto es la exploración de la integración específica del DL en las metaheurísticas, con el objeto de mejorar la calidad de las soluciones o los tiempos de convergencia al optimizar estructuras. Nuestro grupo ha tenido la oportunidad de comprobar la eficacia de este hibridaje en estructuras sencillas, como los muros de contrafuertes (García et al., 2020a, 2020b; Yepes et al., 2020). Además, hemos lanzado al respecto un número especial en la revista Mathematics (indexada en el primer decil del JCR) titulado “Deep learning and hybrid-metaheuristics: novel engineering applications” (https://www.mdpi.com/journal/mathematics/special_issues/Deep_Learning_Hybrid-Metaheuristics_Novel_Engineering_Applications).
Modern methods of construction. https://www.lancashirebusinessview.co.uk/latest-news-and-features/let-s-talk-modern-methods-of-construction
En cuanto al objeto del proyecto, la construcción industrializada modular, tanto en edificación como en puentes mixtos de hormigón y acero y en estructuras híbridas de acero, su justificación deriva de su importancia creciente y los huecos en la investigación encontrados. En efecto, la construcción modular y la prefabricación son técnicas ya veteranas desde que en 1936 Eugène Freyssinet construyó el primer puente de hormigón pretensado del mundo, en el que las vigas y los tableros eran prefabricados. Sin embargo, la auténtica revolución que supone la IA, las tecnologías BIM y los retos de la sostenibilidad está cambiando radicalmente este concepto y lo está llevando a una nueva dimensión. La reciente norma UNE 127050:2020 trata de los sistemas constructivos industrializados para edificios construidos con elementos prefabricados de hormigón, así como de los requisitos de comportamiento, fabricación, instalación y verificación. Los métodos modernos de construcción (Modern Methods of Construction, MMC), o como algunos la llaman “construcción inteligente”, constituyen alternativas a la construcción tradicional. Es un término que abarca una amplia gama de tecnologías basadas en la fabricación modular, ya sea “in situ” o “off-site”, que están revolucionando la forma de construir de manera más rápida, rentable y eficiente. Un ejemplo no muy lejano ha sido la construcción de dos hospitales de campaña en Wuhan (China) en tan solo 12 días, debido a la crisis sanitaria. Países como Suecia y Japón lideran la construcción MMC. En Suecia, casi la mitad de las viviendas de nueva construcción utilizan este método, hasta el 80% en el caso de las viviendas unifamiliares. Japón es el país donde se construyen el mayor número de viviendas nuevas con este método, aunque no alcanzan el 20% del total. La construcción MMC permite un ahorro de tiempo de hasta el 50%, permite el uso de materiales sostenibles, reduciéndose el desperdicio. La construcción en fábrica permite tolerancias estrictas, la reducción de los errores, promueve la seguridad, no estando los materiales a la intemperie durante la construcción. Además, permite el uso de materiales durables, que mejoran el aislamiento acústico, la protección contra incendios y la eficiencia energética. Sin embargo, en algunos países, el uso de las MMC implica costes más elevados que la construcción tradicional. Otras barreras son la falta de mano de obra especializada, la escasez de suministros y la regulación vigente (Rahman, 2014). Con todo, la actual crisis del Covid-19 puede acelerar los cambios necesarios. De todos modos, los métodos MMC constituyen un producto distinto del de la construcción tradicional. La construcción modular, al tratarse de un producto alternativo, en lugar de competir, complementará el mercado tradicional. El objetivo es aumentar la productividad de los recursos disponibles mejorando la calidad, la eficiencia empresarial, la satisfacción del cliente, el rendimiento ambiental, el índice de sostenibilidad y el control de los plazos de entrega. Nuestro grupo de investigación (Sánchez-Garrido y Yepes, 2020) ha empezado a aplicar técnicas analíticas de toma de decisiones multicriterio (MCDM) y de análisis del ciclo de vida, comparando la construcción tradicional de una vivienda unifamiliar con dos alternativas basadas en el MMC. Propusimos un índice de sostenibilidad, que incluye atributos tangibles e intangibles, así como factores de incertidumbre y riesgos, que permite a los promotores priorizar soluciones que aseguren la sostenibilidad económica, social y medioambiental. HYDELIFE pretende profundizar en esta vía mediante la optimización híbrida multiobjetivo de este tipo de construcción modular.
Constructalia – ArcelorMittal. Puente mixto Wirkowice: El primer puente de carretera en Europa con vigas de acero autopatinable Arcorox® 460 – Constructalia
Otro de los huecos detectados por nuestro grupo en este ámbito son los puentes mixtos (Martínez-Muñoz et al., 2020). El análisis del estado del arte indica que la investigación se ha centrado en el diseño preliminar de puentes con un enfoque principalmente económico (Yepes et al., 2019) sin abordar la optimización multiobjetivo social y ambiental de su ciclo de vida completo que permita aplicar técnicas de decisión desde el diseño. Mientras que a nivel mundial la preocupación se centra en la búsqueda de soluciones sostenibles. También se ha detectado un vacío en los puentes ejecutados con vigas armadas híbridas. En este tipo de estructuras se utilizan diferentes límites elásticos de acero en las chapas de alas y de alma para disminuir el espesor de las chapas de mayor límite elástico, lo que supone una reducción de peso por unidad de longitud de la sección transversal (Chacón, 2014). Sin embargo, la reducción del espesor puede acarrear la disminución de la capacidad de la sección ante otros fenómenos, como es el caso de la inestabilidad. Se debe garantizar un buen comportamiento de las vigas a cortante, estudiando su inestabilidad ante cargas concentradas y pandeo lateral. Por tanto, nos encontramos ante un caso de optimización de gran interés en el que, además, no se ha abordado hasta ahora su optimización integral a lo largo de su ciclo de vida. Asimismo, en nuestro equipo de investigación se ha desarrollado una patente sobre vigas en cajón mixtas (Alcalá y Navarro, 2020) que permiten resolver el problema de las vigas descolgadas en forjados de elementos prefabricados y que consiste en un cajón metálico que formará parte de un sistema de forjados slim-floor. HYDELIFE aplicará la metodología híbrida antes descrita para cubrir este vacío en el ámbito de la investigación de las estructuras.
Proyecto de Investigación:
Optimización híbrida del ciclo de vida de puentes y estructuras mixtas y modulares de alta eficiencia social y medioambiental bajo presupuestos restrictivos. (HYDELIFE). [Hybrid life cycle optimization of bridges and mixed and modular structures with high social and environmental efficiency under restrictive budgets]. PID2020-117056RB-I00. Financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación con fondos FEDER. Investigador Principal: Víctor Yepes.
Referencias:
AFZAL, M.; LIU, Y.H.; CHENG, J.C.P.; GAN, V.J.L. (2020). Reinforced concrete structural design optimization: A critical review. J. Clean. Prod., 260:120623.
ALCALÁ, J.; NAVARRO, F. (2020). Viga en cajón mixta acero-hormigón. Patente P202030530, 4 junio 2020.
CHACÓN, R. (2014). Vigas armadas híbridas de acero. Estado del conocimiento. Revista Ciencia e Ingeniería, 35(2):95-102.
GARCÍA, J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2020a). A hybrid k-means cuckoo search algorithm applied to the counterfort retaining walls problem. Mathematics, 8(4), 555.
GARCÍA, J.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2020b). The buttressed walls problem: An application of a hybrid clustering particle swarm optimization algorithm. Mathematics, 8(6), 862.
MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2020). Steel-concrete composite bridges: design, life cycle assessment, maintenance and decision making. Adv. Civ. Eng., 2020, 8823370.
RAHMAN, M.M. (2014). Barriers of implementing modern methods of construction. J. Manage. Eng., 30(1):69-77.
SALEHI, H.; BURGUEÑO, R. (2018). Emerging artificial intelligence methods in structural engineering. Eng. Struct., 171:170-189.
SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; YEPES, V. (2020). Multi-criteria assessment of alternative sustainable structures for a self-promoted, single-family home. J. Clean. Prod., 258: 120556.
TAFFESE, W.Z.; SISTONEN, E. (2017). Machine learning for durability and service-life assessment of reinforced concrete structures: Recent advances and future directions. Autom. Constr., 77:1-14.
YEPES, V.; DASÍ-GIL, M.; MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; LÓPEZ-DESFILÍS, V.J.; MARTÍ, J.V. (2019). Heuristic techniques for the design of steel-concrete composite pedestrian bridges. App. Sci., 9(16), 3253.
YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GARCÍA, J. (2020). Black hole algorithm for sustainable design of counterfort retaining walls. Sustainability, 12(7), 2767.
Laboratorio de materiales del Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH)
El proyecto HYDELIFE aborda directamente el reto de la sostenibilidad social y medioambiental de las estructuras a lo largo de su ciclo de vida, desde el inicio del proyecto hasta su demolición. Para ello, se propone una metodología híbrida emergente que integra el aprendizaje profundo (Deep Learning, DL) procedente de la inteligencia artificial (IA), metamodelos y metaheurísticas de optimización multiobjetivo, y técnicas de toma de decisiones multicriterio. El foco del proyecto se centra en el diseño robusto y resiliente aplicado a la construcción industrializada modular, tanto en edificación, como en puentes mixtos de hormigón y acero y en estructuras híbridas de acero. El proyecto se apoya en los avances realizados en proyectos de investigación anteriores (HORSOST, BRIDLIFE y DIMALIFE), donde se desarrollaron metodologías aplicadas a puentes e infraestructuras viarias, pero con una propuesta metodológica y un foco de atención innovador respecto a los anteriores.El proyecto se orienta al objetivo 9 de los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS): construir infraestructuras resilientes, promover la industrialización sostenible y fomentar la innovación. También se alinea con la Estrategia Nacional de Inteligencia Artificial (ENIA) del Gobierno de España (2020). A continuación, se justifica la propuesta en función de los antecedentes y el estado actual.
La sostenibilidad económica y el desarrollo social de la mayoría de los países dependen, entre otros factores, del comportamiento fiable y duradero de sus infraestructuras (Frangopol, 2011). La construcción y el mantenimiento de infraestructuras influyen en la actividad económica, el crecimiento y el empleo. Sin embargo, estas actividades impactan significativamente en el medio ambiente, producen efectos irreversibles y pueden comprometer el futuro de la sociedad. El gran reto, por tanto, será disponer de infraestructuras capaces de maximizar su beneficio social sin comprometer su sostenibilidad (Aguado et al., 2012).
Por otra parte, el envejecimiento de las infraestructuras, la mayor demanda en su desempeño (por ejemplo, el aumento del tráfico) o los riesgos naturales extremos, como los terremotos, huracanes o inundaciones, afectan al rendimiento previsto de estas infraestructuras (Biondini y Frangopol, 2016). Esto constituye una auténtica bomba de relojería (Thurlby, 2013) que, junto al reto de la reducción de los impactos ambientales, es razón más que suficiente para mejorar el mantenimiento de nuestros puentes. Hoy día los gestores de las infraestructuras tienen ante sí un reto importante consistente en mantenerlas en un estado aceptable con presupuestos muy limitados. Si a ello añadimos la profunda crisis financiera y sanitaria que ha afectado la economía de nuestro país y ha provocado el declive de la actividad constructora, el panorama se complica. Las infraestructuras creadas con una financiación a largo plazo presentan actualmente déficits de conservación, y es posible que las generaciones futuras tengan que hacer un esfuerzo adicional para actualizar los requisitos de seguridad y funcionalidad a su nivel de servicio previsto. Esta situación puede provocar una alarma social puntual, sobre todo con la interrupción de grandes vías de comunicación debida a un deterioro excesivo. Un estudio sobre “Necesidades de Inversión en Conservación 2019-2020” de la Asociación Española de Carreteras, centrado en los firmes y la señalización, estima que el deterioro del patrimonio viario genera un déficit acumulado de 7.500 millones de euros. Sin embargo, este problema es común en otros países desarrollados. En el año 2019, 47000 puentes del total de los puentes en Estados Unidos (más del 20% del total) presentaban deficiencias estructurales (American Road & Transportation Builders Association, 2019); en el Reino Unido, más de 3000 puentes estaban por debajo de los estándares y requerían reparación (RAC Foundation, 2019). Además, el problema se vuelve grave cuando una parte significativa del parque de infraestructuras está próxima al final de su vida útil. Y lo que aún es peor, cuando existen riesgos de alto impacto y de baja probabilidad que pueden afectar gravemente a las infraestructuras. Estos son buenos argumentos para prolongar la vida útil de los puentes. Se trata de una verdadera crisis de infraestructura. El reto social consistirá en aplicar unos presupuestos muy restrictivos que minimicen los impactos ambientales y los riesgos para las personas, y que la gestión sea socialmente sostenible dentro de una política de conservación del patrimonio, incluyendo la dimensión de género. Por lo tanto, nos encontramos ante un problema de optimización muy complejo, con muchas restricciones y bajo grandes incertidumbres, lo cual representa un reto científico importante, pues no se presta fácilmente a la exploración con los instrumentos analíticos y de previsión tradicionales.
Proyecto de Investigación:
Optimización híbrida del ciclo de vida de puentes y estructuras mixtas y modulares de alta eficiencia social y medioambiental bajo presupuestos restrictivos. (HYDELIFE). [Hybrid life cycle optimization of bridges and mixed and modular structures with high social and environmental efficiency under restrictive budgets]. PID2020-117056RB-I00. Financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación con fondos FEDER. Investigador Principal: Víctor Yepes.
Referencias:
AGUADO, A. et al. (2012). Sustainability Assessment of Concrete Structures within the Spanish Structural Concrete Code. J Constr Eng Manage ASCE, 138(2):268-276.
AMERICAN ROAD & TRANSPORTATION BUILDERS ASSOCIATION (2019). 2019 Bridge Report. https://artbabridgereport.org/
BIONDINI, F., FRANGOPOL, D. M. (2016). Life-Cycle of Deteriorating Structural Systems under Uncertainty: Review. J Struct Eng ASCE, 142(9), F4016001.
FRANGOPOL, D. M. (2011). Life-cycle performance, management, and optimisation of structural systems under uncertainty: accomplishments and challenges. Struct Infrast Eng, 7(6), 389-413.
GOBIERNO DE ESPAÑA (2020). Estrategia Nacional de Inteligencia Artificial. https://www.lamoncloa.gob.es/presidente/actividades/Documents/2020/021220-ENIA.pdf
En la clase de «Gestión de la innovación en el sector de la construcción«, del Máster Universitario en Gestión y Planificación en Ingeniería Civil, muchas veces se debate sobre los inventos. Si éstos se deben a mentes brillantes, a la casualidad o a un proceso planificado de innovación en las empresas. Incluso si los inventos o la innovación deben originarse en la investigación y el desarrollo tecnológico. Pero incluso en épocas anteriores al desarrollo del método científico, ya se inventaban cosas.
