Tesis doctoral: Life cycle assessment applied to the sustainable design of prestressed bridges in coastal environments

Hoy 22 de noviembre de 2019 ha tenido lugar la defensa de la tesis doctoral de D. Ignacio J. Navarro Martínez titulada “Life cycle assessment applied to the sustainable design of prestressed bridges in coastal environments“, dirigida por Víctor Yepes Piqueras y José V. Martí Albiñana. La tesis recibió la calificación de “Sobresaliente Cum Laude” por unanimidad. Presentamos a continuación un pequeño resumen de la misma.

Resumen:

La sostenibilidad ha ido adquiriendo una presencia relevante en nuestra sociedad desde su primera definición en 1987 por parte de la Comisión Brundtland. Desde entonces, la comunidad científica ha llevado a cabo importantes esfuerzos en el desarrollo de normativas, herramientas y criterios para lograr diseños en esa línea. A pesar de ello, estos esfuerzos no han sido suficientes para lograr trazar un futuro realmente sostenible a corto plazo. Como respuesta al estado actual e insuficiente de desarrollo, las Naciones Unidas han establecido recientemente los Objetivos de Desarrollo Sostenible, los cuales deben alcanzarse en 2030. En dichos Objetivos se atiende explícitamente al papel de las infraestructuras, que se revelan como elementos clave para asegurar la consecución de los mencionados Objetivos. Sin embargo, a pesar de las relevantes implicaciones del diseño de infraestructuras, y a pesar de que la mayoría de las infraestructuras están diseñadas para servir a un grupo significativo de personas durante un periodo intergeneracional de tiempo, el diseño sostenible y resiliente de infraestructuras todavía carece de una metodología estandarizada que considere sus ciclos de vida desde una perspectiva holística. En la actualidad, tanto las metodologías de evaluación del ciclo de vida ambiental como las económicas muestran un estado de desarrollo relativamente maduro. Sin embargo, la dimensión social todavía se considera en estado embrionario, comprometiendo por tanto el empleo de métodos de evaluación multidimensionales de la sostenibilidad.

Flamante doctor junto con el tribunal (Salvador Ivorra, Juan José del Coz y Julián Alcalá) y los directores de tesis (Víctor Yepes y José V. Martí)

La presente tesis propone una metodología extendida basada en la norma ISO 14040 de enfoque puramente medioambiental para evaluar la sostenibilidad del ciclo de vida de las infraestructuras mediante la consideración simultánea y coherente de las tres dimensiones de la misma, a saber, el medio ambiente, la economía y la sociedad. Se propone aquí una nueva metodología para evaluar las infraestructuras desde la dimensión social, integrando al mismo tiempo dichas evaluaciones en un marco basado en la norma ISO 14040. A continuación, se aplica una técnica de toma de decisión multicriterio para integrar las tres perspectivas. Con el fin de tener en cuenta las incertidumbres no probabilísticas implicadas en la asignación de pesos al emplear dichas técnicas, se propone aquí un nuevo enfoque neutrosófico para la determinación de los pesos resultantes de la aplicación de la técnica AHP con grupos de decisores. Se ha considerado como caso de estudio el diseño sostenible de un puente de hormigón pretensado en un entorno costero para construir la metodología propuesta. El enfoque holístico en la evaluación de la sostenibilidad de las infraestructuras se revela esencial frente a las habituales evaluaciones basadas únicamente en la consideración de la dimensión medioambiental. Se ha observado que el mantenimiento preventivo resulta más sostenible a lo largo del ciclo de vida en comparación con las estrategias de mantenimiento reactivo. Esta tesis proporciona una guía para el diseño sostenible de estructuras de hormigón, aunque la metodología sugerida puede aplicarse a cualquier tipo de infraestructura.

Referencias:

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NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2019). A review of multi-criteria assessment techniques applied to sustainable infrastructures design. Advances in Civil Engineering, 2019: 6134803. DOI:10.1155/2019/6134803

NAVARRO, I.J.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2019). Reliability-based maintenance optimization of corrosion preventive designs under a life cycle perspective. Environmental Impact Assessment Review, 74:23-34. DOI:1016/j.eiar.2018.10.001

NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2018). Life cycle impact assessment of corrosion preventive designs applied to prestressed concrete bridge decks. Journal of Cleaner Production, 196: 698-713. DOI:10.1016/j.jclepro.2018.06.110

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NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2018). Life cycle cost assessment of preventive strategies applied to prestressed concrete bridges exposed to chlorides. Sustainability, 10(3):845. DOI:3390/su10030845

Simulación de la construcción de la cimentación del viaducto del río Ulla

Viaducto del río Ulla. https://es.wikipedia.org

El viaducto del río Ulla, es una obra de celosía tipo mixta propiedad del Ministerio de Fomento (Dirección General de Ferrocarriles), proyectado por IDEAM, construido por la UTE Dragados-Tecsa. Se inauguró el 30 de marzo del 2015. Este puente se convirtió en el récord del mundo en la tipología de celosía mixta de alta velocidad con tres vanos de 225 + 240 + 225 m que superan al del puente de Nantenbach sobre el río Main, en Alemania, que ostentaba el récord desde su conclusión en 1993 con 208 m de luz.

A continuación os paso una simulación en 3D realizada por la empresa PROIN3D del proceso constructivo propuesto para la ejecución de las cimentaciones del viaducto de río Ulla (Eje Atlántico de Alta Velocidad). Espero que os guste. Dura menos de 5 minutos.

También os dejo el artículo que describe el proceso constructivo de este puente singular, firmado por Francisco Miilanes, Miguel Ortega y Rubén A. Estévez, y que se publicó en la revista Hormigón y Acero.

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El puente Sioux Narrows, un ejemplo de celosía Howe con madera

Figura 1. El puente Sioux Narrows, tras su remodelación. https://www.bydewey.com/kaasbio106.html

William Howe (1803-1852) patentó en 1840 la celosía Howe, similar a la Múltiple Kingspost pero sustituyendo los montantes traccionados de madera por tirantes de hierro forjado. En aquella época, el coste del hierro era comparativamente elevado y esto justificaba la disposición de los elementos más cortos (los montantes) en tracción. Esta disposición, al contrario que con la celosía Pratt, donde cuando está sometida a cargas equilibradas, las diagonales interiores están traccionadas y los elementos verticales están comprimidos.

Con esta tipología de viga en celosía se construyó en el año 1936 el puente Sioux Narrows, en Kenora (Ontario). Era un puente de vigas de madera de una longitud de 120 m, pero que con sus 64 m de luz fue durante años el puente de madera de un solo vano más largo de América del Norte. Se ubicó al otro lado de un estrecho en el Lago de los Bosques en la histórica comunidad de Sioux Narrows en el norte de Ontario y es propiedad de la Provincia de Ontario, Ministerio de Transporte. En vista de su antigüedad y singularidad, la Provincia de Ontario incluyó la estructura en su Lista de Puentes del Patrimonio.

 

Figura 2. Puente Sioux Narrows durante su construcción, en 1937.  https://en.wikipedia.org/wiki/File:Sioux_Narrows_UC.png

Hay muchos ejemplos de madera bien tratada que ha durado mucho tiempo a la intemperie. Éste ha sido el caso del puente Sioux Narrows. Después de unos 70 años de servicio ininterrumpido, este puente se demolió, no por falta de durabilidad, sino para dar cabida a un puente más ancho. Las celosías del puente se fabricaron con la madera del abeto Douglas, tratado con creosata impregnada a presión. La madera de este puente fueron tan duraderas que los largueros desechados se utilizaron recientemente para investigar en laboratorio la resistencia al corte de los largueros.

Figura 3. Puente Sioux Narrows. https://capitolsteel.ca/fr/projects/sioux-narrows-bridge/

 

En 1982, el puente se reconstruyó el puente pretensando las tablas de madera del tablero. En la década de 1990 y principios de la década de 2000, el deterioro de la calidad de la estructura requirió restricciones de carga y de carril en el puente, prohibiendo el paso de vehículos pesados de transporte forzados a desviarse por desvíos alternativos.

En 2002 se descubrió que el puente se encontraba en un estado de colapso progresivo y finalmente se tomó la decisión de reemplazarlo. Se construyó un puente temporal en 2003, y el puente de madera fue desmantelado. Desde el punto de vista de la planificación y la ingeniería, la designación del patrimonio requería que el equipo del proyecto considerara los aspectos patrimoniales y estéticos como un componente integral al examinar las alternativas para abordar las deficiencias estructurales. La solución final fue una en la que se preservaron las características patrimoniales originales del puente, a la vez que se proporcionó un puente nuevo, duradero y altamente funcional. Para preservar el carácter de este puente histórico y de atracción turística, se diseñó un nuevo puente con una celosía de acero ornamental que estaría revestida de madera. Todos los revestimientos de madera fueron precortados, pretaladrados y tratados.

En el siguiente enlace: https://www.georgearmstrong.ca/project-gallery/sioux-narrows-bridge/ podéis ver fotografías del proceso de construcción del puente actual.

Figura 4. Proceso de construcción del puente actual, 2005. https://www.georgearmstrong.ca/project-gallery/sioux-narrows-bridge/

 

 

Montaje de un puente de madera laminada

http://www.mediamadera.com/es/puentes-de-madera

La madera laminada se forma con piezas de madera unidas con adhesivo por sus extremos y caras, de forma que las fibras queden paralelas al eje del elementos. De esta forma, se pueden construir elementos que no se encuentran limitados en cuanto a su sección transversal, longitud o forma. A diferencia de la madera maciza, la madera laminada es un producto homogéneo, lo cual permite ajustar los cálculos de forma más precisa.

Si bien los antecedentes de la madera ensamblada, para dar acabados curvos, la empezó a utilizar el arquitecto francés Philibert Delorme en el Palacio de las Tullerías, en el siglo XVI. Tres siglos después, el coronel Emy, también en Francia, utilizó un sistema que consiste en vigas laminadas unidas con pernos y correas metálicas. Pero fue a principios del siglo XX cuando el suizo Karl Friedrich Otto Hetzer patentó la “madera laminada encolada para uso estructural”.

La construcción actual de puentes de madera es modular, transportándose las piezas a obra para posteriormente instalar la estructura en su ubicación definitiva. Las nuevas tecnologías en el uso de la madera laminada y la aplicación de protectores dan una mayor durabilidad. Es fácil llegar a construir puentes de madera laminada de luces que llegan a 50 m. A continuación os paso un par de vídeos sobre el montaje de puentes de madera. Espero que os gusten.

Colocación del nuevo puente de madera sobre el rio Mandeo – Betanzos (04/11/11)

Montaje de puente de madera en el río Mero, A Coruña. Este modelo de puente corresponde a una tipología de arcos portantes de madera laminada y tablero peatonal suspendido de tirantes metálicos.

Os dejo también un reportaje sobre este material que amplía la información que os he dado anteriormente de forma muy breve.

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DIMALIFE: Diseño y mantenimiento óptimo robusto y basado en fiabilidad de puentes de alta eficiencia social y medioambiental bajo presupuestos restrictivos

 

 

DIMALIFE: Diseño y mantenimiento óptimo robusto y basado en fiabilidad de puentes de alta eficiencia social y medioambiental bajo presupuestos restrictivos

Reliability-based robust optimum design and maintenance of high social and environmental efficiency of bridges under restrictive budgets

 

Víctor Yepes*, a, Eugenio Pellicer b, José V. Martí c, Moacir Kripka d

a Dr. Ingeniero de Caminos. Catedrático de Universidad. ICITECH, Universitat Politècnica de València.

b Dr. Ingeniero de Caminos. Catedrático de Universidad. Universitat Politècnica de València.

c Dr. Ingeniero de Caminos. Profesor Titular de Universidad. ICITECH, Universitat Politècnica de València.

d Dr. Ingeniero Civil. Catedrático de Universidad. Universidade de Passo Fundo, Brasil.

* Persona de contacto / Corresponding author

RESUMEN

El artículo expone los resultados alcanzados dentro del proyecto de investigación DIMALIFE. Se desarrolla una metodología que incorpora la variabilidad en los procesos de toma de decisiones en el ciclo completo de vida de puentes e infraestructuras viarias, de forma que se contemplen las necesidades e intereses sociales y ambientales con presupuestos restrictivos. La variabilidad inherente a los parámetros, variables y restricciones del problema resulta crítica si se dan por buenas soluciones optimizadas, que pueden encontrarse al borde de la infactibilidad. Se precisa introducir en el análisis la optimización multiobjetivo basada en fiabilidad y conseguir diseños óptimos robustos.

ABSTRACT

The article presents the results achieved within the DIMALIFE research project. It develops a methodology that incorporates variability in decision-making processes during the whole life cycle of bridges and highway infrastructures, so that social and environmental needs and interests are taken into account with restrictive budgets. The variability inherent in the parameters, variables and constraints of the problem is critical if they are given by good optimized solutions, which can be on the verge of infactibility. Multi-objective optimisation based on reliability needs to be introduced into the analysis and robust optimal designs achieved.

PALABRAS CLAVE: puentes, sostenibilidad, ciclo de vida, optimización multiobjetivo, fiabilidad.

KEYWORDS: bridges, sustainability, life cycle, multi-objective optimisation, reliability

 

INTRODUCCIÓN

Las vías de comunicación terrestre, y en especial los puentes, son infraestructuras básicas en el desarrollo económico, en el equilibrio territorial y en el bienestar social, cuya construcción, diseño, conservación y desmantelamiento se ven afectados significativamente cuando los presupuestos son restrictivos. Su deterioro y su incidencia en la seguridad son objeto de gran alarma social. Si además el mantenimiento es ineficiente, la reparación conlleva costes mayores. El objetivo principal del proyecto DIMALIFE consiste en desarrollar una metodología que permita incorporar la variabilidad en los procesos analíticos en la toma de decisiones en el ciclo completo de vida de puentes e infraestructuras viarias, incluyendo la licitación de proyectos de obra nueva y de mantenimiento de activos existentes, de forma que se contemplen las necesidades e intereses sociales y ambientales.

Una alternativa al proyecto secuencial de infraestructuras y del mantenimiento de las existentes 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. No obstante, esta metodología presenta limitaciones que el proyecto DIMALIFE pretende superar.

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. Este enfoque se amplió en anteriores proyectos de investigación al considerar el ciclo completo de la vida de una estructura o el uso de hormigones de baja huella de carbono, incluyendo, asimismo en el proceso 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 eficientes. Sin embargo, en el mundo real, las infraestructuras presentan una variabilidad inherente a los parámetros, variables y restricciones del problema. Este aspecto resulta crítico si se dan por buenas soluciones optimizadas, que pueden encontrarse al borde de la infactibilidad en cuanto se altera mínimamente alguno de los valores que definen el problema. Se precisa, por ello, introducir en el análisis la optimización multiobjetivo basada en fiabilidad y conseguir diseños óptimos robustos, tanto de infraestructuras nuevas como del mantenimiento de las existentes, considerando el ciclo de vida hasta su desmantelamiento. Para que este procedimiento sea abordable en tiempos de cálculo razonable se precisa el uso de metamodelos (redes neuronales, modelos Kriging, superficie de respuesta, etc.) dentro de las técnicas de optimización.

Por otra parte, la fuerte limitación presupuestaria presente en momentos de crisis compromete seriamente las políticas de creación y conservación de las infraestructuras. Los resultados esperados, tras un análisis de sensibilidad de distintas políticas presupuestarias asociadas a un horizonte temporal, pretenden detallar qué tipologías, actuaciones concretas de conservación y alternativas de demolición y reutilización son adecuadas para minimizar los impactos ambientales y sociales considerando la variabilidad. En este sentido, un aspecto importante consiste en determinar los criterios e indicadores clave para garantizar una efectiva integración de la sostenibilidad en la licitación de proyectos de obra y de mantenimiento de infraestructuras viarias.

ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO

La sostenibilidad económica y social depende directamente del comportamiento fiable y duradero de sus infraestructuras [1]. La construcción y mantenimiento de las infraestructuras viarias y puentes afectan fuertemente en la actividad económica, el crecimiento y el empleo. Sin embargo, estas actividades impactan en el medio ambiente, presentan efectos irreversibles y pueden comprometer el presente y el futuro de la sociedad. El gran reto, por tanto, será disponer de infraestructuras que maximicen su beneficio social sin comprometer su sostenibilidad [2].

Por otra parte, el envejecimiento de las infraestructuras, la mayor demanda en su desempeño (aumento de tráfico, por ejemplo) o los riesgos naturales extremos afectan a su al rendimiento [3]. Si a ello añadimos la crisis financiera que ha afectado la economía de nuestro país, el panorama se complica. 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 hacer un esfuerzo adicional para actualizar los requisitos de seguridad y funcionalidad a su nivel de servicio previsto [4].

Existen dificultades cuando se emprende un análisis de ciclo de vida de una infraestructura debido a las incertidumbres presentes en la definición de las entradas y salidas del sistema. El reto implica un proceso de toma de decisiones que minimice los impactos sociales y medioambientales al coste más bajo posible [5]. Varios trabajos han tratado de cuantificar la sostenibilidad en los proyectos de puentes [6-8].

Con todo, la línea de investigación 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. El proyecto DIMALIFE pretende superar algunas limitaciones en cuanto al alcance planteado hasta ahora. En primer lugar, los proyectos anteriores se centraban en la fase de diseño [9-12]. Sin embargo, este es un aspecto muy específico, siendo necesario abordar en mayor profundidad el análisis dual sobre la necesidad de nuevas infraestructuras o la mejora de las existentes para el mejor aprovechamiento del parque actual. En efecto, todo parece indicar que en una situación de restricción presupuestaria como la actual va a ser difícil que el grueso del presupuesto se dedique a nueva construcción, siendo razonable su empleo en el mantenimiento y rehabilitación [13]. En segundo lugar, las infraestructuras viarias incluyen no solo puentes: el abanico estructural contiene incluso el mantenimiento del pavimento; en este sentido, algunos trabajos afrontados recientemente por el grupo han abordado este aspecto con restricciones presupuestarias [14,15]. En tercer lugar, y aunque se han utilizado técnicas de decisión multicriterio para tratar aspectos complejos de sostenibilidad social y medioambiental [5,8] en el ámbito de las infraestructuras, existen limitaciones que se deben superar. Éstas tienen que ver con la sensibilidad que presentan las soluciones óptimas respecto a la variabilidad intrínseca de las variables y parámetros de los problemas estructurales, así como la influencia que presenta esta variabilidad en los resultados de los procesos de toma de decisiones. Por último, la toma de decisiones y la optimización multiobjetivo de los problemas reales conlleva un trabajo muy laborioso de programación de software propio que, en ocasiones, presenta tiempos de cálculo elevados que obliga a replantear las metodologías empleadas hasta el momento, a pesar de que las capacidades de cálculo de los ordenadores son cada vez mayores. Es el campo propicio para integrar metamodelos en los procesos de optimización, tal y como se ha empezado a realizar en algunos trabajos muy recientes del grupo en el caso de las redes neuronales [11].

En efecto, a pesar de que se ha avanzado fuertemente en la optimización multiobjetivo de las estructuras, en el mundo real existen incertidumbres, imperfecciones o desviaciones respecto a los valores de los parámetros utilizados en los códigos (propiedades del material, geometría, cargas, etc.). De hecho, los códigos estructurales consideran las incertidumbres de forma simplificada definiendo los valores característicos para las variables aleatorias como percentiles de sus distribuciones y especifican unos coeficientes parciales de seguridad. Una estructura óptima se encuentra cercana a la región de infactibilidad, por lo que cualquier pequeña variación puede hacer que la estructura no cumpla con algunos de los estados límites previstos. La necesidad de incorporar las incertidumbres ha estimulado el interés por procedimientos capaces de proporcionar diseños más robustos y fiables [16]. De todas formas, se diferencian dos enfoques que consideran la respuesta probabilista en el proceso de diseño óptimo: el diseño basado en fiabilidad y el diseño óptimo robusto. En el primero se incluyen los efectos de la incertidumbre por medio de probabilidades de fallo y de valores esperados [17], mientras que el segundo trata de determinar un diseño menos sensible a las incertidumbres de las variables y de los parámetros que intervienen en la respuesta estructural [18,19].

Uno de los grandes problemas de la optimización multiobjetivo al incorporar las incertidumbres es su elevado coste computacional. Este inconveniente ya se detectó en el caso de la optimización multiobjetivo basada en fiabilidad del mantenimiento de puentes [20] donde se tuvieron que emplear redes neuronales como metamodelos [11]. Los metamodelos, también llamados modelos subrogados, proporcionan una relación aproximada de las variables de diseño respecto a sus respuestas con un número moderado de análisis completos. Estas aproximaciones se utilizan para reemplazar los análisis informáticos costosos facilitando la optimización multiobjetivo. Entre otros, podemos distinguir el diseño de experimentos, la metodología de la superficie de respuesta, los métodos Taguchi, las redes neuronales, las funciones de base radial o los modelos Kriging [21,22].

Por último, un aspecto no tratado que se incorpora al proyecto es aprovechar las conclusiones de los análisis de optimización para incluir criterios y recomendaciones que mejoren la contratación pública sostenible de las infraestructuras, dado que se considera que este aspecto posee el potencial de influir fuertemente en las políticas futuras [23]. Es por ello que DIMALIFE pretende determinar, dentro de sus objetivos, criterios e indicadores clave que garanticen una integración efectiva de la sostenibilidad en la licitación de proyectos. Dichos desarrollos pretenden ser la base para la definición de una guía que facilite a las Administraciones incorporar la sostenibilidad en los procedimientos de licitación de una manera efectiva; de modo que se influya sobre las tres etapas clave del procedimiento de licitación: definición de criterios de selección, definición de criterios de adjudicación y definición de especificaciones técnicas y cláusulas de desempeño.

OBJETIVOS GENERALES DEL PROYECTO

La metodología habitual, tanto en el diseño como en el mantenimiento óptimo de puentes e infraestructuras viarias, puede conducir a soluciones cercanas a la infactibilidad. Por tanto, las incertidumbres deben considerarse en el diseño y el mantenimiento óptimo de infraestructuras basándose en la fiabilidad y en diseños robustos. Esta hipótesis debe extenderse a los procesos de toma de decisión multicriterio que atienda a la sostenibilidad social y ambiental del ciclo de vida, contemplando las fluctuaciones tanto de los parámetros como de los escenarios, especialmente en el caso de restricciones presupuestarias. Esta metodología presenta, no obstante, serias dificultades, por lo que se deben explorar metamodelos capaces de acelerar los complejos procesos de cálculo. Además, se contempla la hipótesis adicional que establece que la contratación pública de las infraestructuras públicas debe incluir criterios de sostenibilidad por su fuerte influencia potencial en los mercados.

El objetivo general perseguido en este proyecto se basa en afrontar el reto social que supone la creación y la conservación de las infraestructuras viarias en escenarios de fuertes restricciones presupuestarias, mediante la resolución de los problemas complejos planteados en el ámbito de las decisiones públicas y privadas (puentes de hormigón pretensado prefabricados o “in situ”, puentes mixtos, puentes de acero, tipologías de muros, bóvedas y marcos de paso inferior). Para ello se precisa un salto científico que integre a los distintos actores y grupos de expertos en la toma de decisiones considerando criterios de sostenibilidad social y ambiental a lo largo de todo el ciclo de vida de las infraestructuras considerando la variabilidad inherente al mundo real. Para integrar las incertidumbres que afectan al sistema, se propone aplicar técnicas de optimización multiobjetivo basadas en fiabilidad, junto el empleo de metamodelos, aplicadas no solo al proyecto de nuevas infraestructuras, sino al mantenimiento de las actuales. Un estudio de sensibilidad de los escenarios presupuestarios y de las hipótesis tomadas en los inventarios del análisis del ciclo de vida proporciona conocimiento no trivial sobre las mejores prácticas. Esta metodología se aplica también a otro tipo de infraestructuras del transporte.

Los objetivos generales se desarrollan mediante los siguientes objetivos específicos:

  • Análisis de funciones de distribución para el diseño óptimo basado en fiabilidad que integre aspectos ambientales, sociales y económicos que sirva para la toma de decisión multicriterio
  • Determinación de los criterios e indicadores clave para garantizar una efectiva integración de la sostenibilidad en la licitación de proyectos de obra y de mantenimiento de infraestructuras viarias
  • Identificación de estrategias de mantenimiento robusto óptimo de puentes e infraestructuras viarias ya construidos
  • Formulación y resolución del problema de optimización multiobjetivo que contemple el ciclo completo de los puentes e infraestructuras viarias mediante metamodelos
  • Comparación del diseño robusto óptimo respecto a la optimización heurística considerando incertidumbres en los escenarios presupuestarios y en las hipótesis del análisis del ciclo de vida

Para alcanzar estos objetivos, se ha colaborado con los grupos de investigación de los profesores Frangopol y Moleenar (EE.UU.), del profesor Haukaas (Canadá), del profesor Kripka (Brasil), del profesor Partskhaladze (Georgia) y del profesor Sierra (Chile).

METODOLOGÍA

La investigación combina técnicas y disciplinas diversas tales como el análisis estructural, la toma de decisiones multicriterio, la optimización heurística multiobjetivo, el análisis del ciclo de vida, el análisis basado en fiabilidad, el diseño óptimo robusto, los metamodelos y las técnicas de minería de datos. Por tanto, se trata de una combinación integrada cuyo objetivo es la priorización del tipo de diseño, o bien de su mantenimiento, basándose en criterios de sostenibilidad social y ambiental bajo presupuestos restrictivos, considerando la variabilidad inherente a los problemas reales. Los trabajos desarrollados en proyectos anteriores se centraron en la optimización con múltiples objetivos, empleando técnicas sin información a priori del decisor. En este caso, la optimización proporciona alternativas eficientes al decisor. También ha utilizado técnicas con información a priori, donde el decisor informa sobre las preferencias al analista, que optimiza su modelo. En la metodología propuesta (Figura 1) se utiliza un enfoque mixto e interactivo, donde el decisor proporciona información sobre las preferencias al analista que, tras una optimización multiobjetivo basada en fiabilidad y metamodelos, aporta un conjunto de soluciones eficientes que el decisor debe evaluar antes de tomar su decisión. Por tanto, la novedad de la propuesta metodológica trifase se basa en la integración de técnicas de información a priori, donde el decisor (grupos de interés) informa de las preferencias al analista (en cuanto a tipologías, métodos constructivos, conservación, etc.), produciéndose con esta información una optimización multiobjetivo capaz de generar alternativas eficientes utilizando la variabilidad en los parámetros, variables y restricciones. La última fase pasa por un proceso de información a posteriori para que el decisor contemple aspectos no considerados en la optimización para dar la solución final completa.

Figura 1. Esquema metodológico diseñado para la realización del proyecto DIMALIFE

 

RESULTADOS

Aunque el proyecto de investigación empezó en el año 2018 y termina a finales del 2020, las aportaciones realizadas hasta el momento son significativas. La principal contribución es la incorporación de la variabilidad de los parámetros y restricciones del problema de optimización multiobjetivo basado en criterios de sostenibilidad social y medioambiental. Los resultados obtenidos se pueden clasificar en:

  1.  Formulación de una metodología de participación social que definan un proceso de decisión multicriterio, que integre aspectos objetivos y subjetivos, así como la aplicación de técnicas analíticas sistémicas (ANP) y análisis de valor, con inclusión expresa de la incertidumbre (técnicas fuzzy, modelos bayesianos, teoría neutrosófica) [24-37].
  2.  Propuesta de nuevas técnicas de optimización multiobjetivo basada en fiabilidad que integran metamodelos para acelerar la convergencia de cálculo considerando el ciclo de vida [38-50].
  3. Definición del tipo de política presupuestaria que perjudica en mayor medida la sostenibilidad social y ambiental a lo largo del ciclo de vida de puentes e infraestructuras viarias [51-53].
  4. Desarrollo de criterios para la Administración que potencie la incorporación de criterios sostenibles en los procedimientos de licitación de manera efectiva [54,55].

Como resultado del proyecto, también se menciona la culminación de cinco tesis doctorales [56-60], estando en marcha tres más.

CONCLUSIONES

El proyecto de investigación DIMALIFE ha profundizado en la optimización multiobjetivo en fase de diseño y construcción que incorporaban la visión social y el análisis completo del ciclo de vida. El objetivo ha sido incorporar a distintos actores y grupos de expertos en la toma de decisiones la variabilidad inherente al mundo real. Para integrar las incertidumbres que afectan al sistema, se han aplicado técnicas de optimización multiobjetivo basadas en fiabilidad, junto el empleo de metamodelos, al proyecto y mantenimiento de puentes e infraestructuras viarias.

El motivo de este planteamiento también constituye una necesidad social. En efecto, las incertidumbres relacionadas con la toma de decisiones, no solo en el diseño de nuevas infraestructuras, sino especialmente en el mantenimiento, que contemplen aspectos de sostenibilidad social y ambiental en situaciones extremas de restricciones presupuestarias, es un problema que afecta directamente a las infraestructuras viarias. El problema es altamente complejo cuando se realizan análisis basados en la fiabilidad. Se ha profundizado en el diseño robusto y el uso de metamodelos para asegurar que las soluciones optimizadas sean poco sensibles ante la variabilidad intrínseca de los parámetros. Se ha agregado la contratación pública sostenible, tanto de nuevas infraestructuras como de su mantenimiento, debido a su elevada influencia en el sector, con el fin de proponer políticas de actuación: las exigencias de las administraciones públicas serán de gran importancia futura para el diseño, construcción y mantenimiento de las infraestructuras, teniendo en cuenta las restricciones presupuestarias existentes.

Sin haber terminado el proyecto, de los resultados obtenidos y publicados hasta el momento, se puede concluir que la línea de investigación ofrece una amplia posibilidad de ramificaciones. Ello obliga a profundizar en aspectos complejos que, probablemente requieran de acuerdos de colaboración con otros grupos de investigación para conseguir resultados de mayor alcance.

AGRADECIMIENTOS

Este estudio ha sido financiado por el Ministerio de Economía, Industria y Competitividad, así como por fondos FEDER (BIA2017-85098-R).

REFERENCIAS

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[44]      G. Partskhaladze, I. Mshvenieradze, E. Medzmariashvili, G. Chavleshvili, V. Yepes, J. Alcalá, Buckling Analysis and Stability of Compressed Low Carbon Steel Rods in Elasto-Plastic Region of Material, Advances in Civil Engineering. (2019) 7601260.

[45]      V. Penadés-Plà, T. García-Segura, J.V. Martí, V. Yepes, An optimization-LCA of a prestressed concrete precast bridge, Sustainability. 10(3) (2018) 685.

[46]      V. Penadés-Plà, T. García-Segura, V. Yepes, Accelerated optimization method for low-embodied energy concrete box-girder bridge design, Engineering Structures. 179 (2019) 556–565.

[47]      V. Penadés-Plà, V. Yepes, M. Kripka, Optimización de puentes pretensados mediante la metodología de la superficie de respuesta, Revista CIATEC-UPF. 11(2) (2019) 22–35.

[48]      V. Yepes, E. Pérez-López, J. Alcalá, T. García-Segura, Parametric study of concrete box-girder footbridges, Journal of Construction Engineering, Management & Innovation. 1(2) (2018) 67–74.

[49]      V. Yepes, M. Dasí-Gil, D. Martínez-Muñoz, V.J. López-Desfilís, J.V. Martí, Heuristic techniques for the design of steel-concrete composite pedestrian bridges, Applied Sciences. 9 (2019) 3253.

[50]      V. Yepes, E. Pérez-López, T. García-Segura, J. Alcalá, Optimization of high-performance concrete post-tensioned box-girder pedestrian bridges, International Journal of Computational Methods and Experimental Measurements. 7(2) (2019) 118–129.

[51]      I.J. Navarro, V. Yepes, J.V. Martí, Life cycle cost assessment of preventive strategies applied to prestressed concrete bridges exposed to chlorides, Sustainability. 10(3) (2018) 845.

[52]      I.J. Navarro, V. Yepes, J.V. Martí, Life cycle impact assessment of corrosion preventive designs applied to prestressed concrete bridge decks, Journal of Cleaner Production. 196 (2018) 698–713.

[53]      I.J. Navarro, J.V. Martí, V. Yepes, Reliability-based maintenance optimization of corrosion preventive designs under a life cycle perspective, Environmental Impact Assessment Review. 74 (2019) 23–34.

[54]      L. Montalbán-Domingo, T. García-Segura, M.A. Sanz, E. Pellicer, Social sustainability criteria in public-work procurement: an international perspective, Journal of Cleaner Production. 198 (2018) 1355–1371.

[55]      L. Montalbán-Domingo, T. García-Segura, M.A. Sanz, E. Pellicer, Social sustainability in delivery and procurement of public construction contracts, Journal of Management in Engineering. 35(2) (2018) 04018065.

[56]      L.A. Sierra, Evaluación multicriterio de la sostenibilidad social para el desarrollo de infraestructuras, Tesis Doctoral, Universitat Politècnica de València, 2017.

[57]      J. Salas, Vulnerabilidad urbana. Nueva caracterización y metodología para el diseño de escenarios óptimos, Tesis Doctoral, Universitat Politècnica de València, 2019.

[58]      L. Montalbán-Domingo, Social sustainability in public-work procurement, Tesis Doctoral, Universitat Politècnica de València, 2019.

[59]      I.J. Navarro, Life cycle assessment applied to the sustainable design of prestressed bridges in coastal environment, Tesis Doctoral, Universitat Politècnica de València, 2019.

[60]      V. Penadés-Plà, Toma de decisiones en la gestión del ciclo de vida de puentes pretensados de alta eficiencia social y medioambiental bajo presupuestos restrictivos, Tesis Doctoral, Universitat Politècnica de València, 2020.

 

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Construcción del puente del Estrecho de Mackinac

Puente sobre el estrecho de Mackinac. Wikipedia.

El puente del Estrecho de Mackinac, también es conocido como puente de Mackinac o Big Mac, es un puente colgante de los Estados Unidos que atraviesa el estrecho de Mackinac, uniendo los lagos Hurón y Míchigan.

El primer diseño fue obra de Leon S. Moisseiff, pero la construcción no se llevó a cabo a causa de la Segunda Guerra Mundial. Después se prescindió de este diseño tras la desgracia del hundimiento del puente de Tacoma Narrows.

Steinmann, junto al puente del Estrecho de Mackinac. Wikipedia.

El puente actual fue obra de David B. Steinman, quien dispuso un canto desmesurado al tablero para asegurar el diseño (esbeltez de 1/100, mucho menor que los puentes colgantes americanos de la época). Este nuevo puente es un 50% más pesado que su predecesor, manteniendo las pilas originales. Esta estructura tiene una luz 1.158 m y dos compensaciones de 549 m, siendo el segundo de mayor luz tras el Golden Gate y el más largo entre anclajes, 2.256 m. Los trabajos de construcción comenzaron el 7 de mayo de 1954 por la ribera de St. Ignace y al día siguiente en la ciudad de Mackinac, siendo la empresa encargada de la construcción la American Bridge Company. El costo ascendió a la suma de 99 millones de dólares de la época y fue abierto a la circulación el 1 de noviembre de 1957. Unos lo llaman el Puente “Big Mac” o “Mighty Mac”. Las torres tienen una altura de 168 m, mientras que las dimensiones del tablero son de 21 m de ancho por 11,60 m de espesor.

A continuación os dejo varios vídeos de la época donde se explica su construcción.

Lógica neutrosófica aplicada al análisis de la sostenibilidad de puentes en ambientes marinos

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Structure and Infrastructure Engineering (revista indexada en el JCR) sobre la aplicación de la lógica neutrosófica (una generalización de la lógica difusa y la lógica intuicionista) al diseño y mantenimiento de puentes en ambiente marino. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación DIMALIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

La metodología propuesta utiliza la lógica neutrosófica para obtener los pesos en un Proceso Analítico Jerárquico (AHP) que considerar la subjetividad de los expertos en el proceso de toma de decisión. Se ha aplicado al diseño sostenible de puentes y su mantenimiento considerando simultáneamente las tres dimensiones de la sostenibilidad.

El artículo se puede descargar gratuitamente en el siguiente enlace:

https://www.tandfonline.com/eprint/2KZDAHNK4BPJKPSY4XSF/full?target=10.1080/15732479.2019.1676791

ABSTRACT:

Essential infrastructures such as bridges are designed to provide a long-lasting and intergenerational functionality. In those cases, sustainability becomes of paramount importance when the infrastructure is exposed to aggressive environments, which can jeopardise their durability and lead to significant maintenance demands. The assessment of sustainability is however often complex and uncertain. The present study assesses the sustainability performance of 16 alternative designs of a concrete bridge deck in a coastal environment on the basis of a neutrosophic group analytic hierarchy process (AHP). The use of neutrosophic logic in the field of multi-criteria decision-making, as a generalisation of the widely used fuzzy logic, allows for a proper capture of the vagueness and uncertainties of the judgements emitted by the decision-makers. TOPSIS technique is then used to aggregate the different sustainability criteria. From the results, it is derived that only the simultaneous consideration of the economic, environmental and social life cycle impacts of a design shall lead to adequate sustainable designs. Choices made based on the optimality of a design in only some of the sustainability pillars will lead to erroneous conclusions. The use of concrete with silica fume has resulted in a sustainability performance of 46.3% better than conventional concrete designs.

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REFERENCIA:
NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2019). Sustainability assessment of concrete bridge deck designs in coastal environments using neutrosophic criteria weights. Structure and Infrastructure Engineering, DOI: 10.1080/15732479.2019.1676791

Últimas investigaciones sobre mantenimiento de puentes en ambiente marino

https://es.wikipedia.org/wiki/Costas_bonaerenses

Dentro de nuestro grupo de investigación, y dentro del proyecto DIMALIFE, se está ultimando la tesis doctoral de Ignacio J. Navarro sobre la evaluación del ciclo de vida aplicada al diseño sostenible de puentes pretensados en ambiente marino. Esta tesis, cuya lectura está programada para este mes de noviembre, la he codirigido con el profesor José V. Martí.

Por su interés, voy a sintetizar de forma muy breve las principales contribuciones de la tesis y las principales referencias de los artículos científicos publicados al respecto, por si os resultan útiles.

  • En el artículo [1] se realizó un análisis de los costes del ciclo de vida asociados a distintos diseños para tableros de puente en ambiente marino. Los impactos de la fase de mantenimiento en este tipo de ambientes pueden suponer más del 50% de los costes totales del ciclo de vida. Los diseños basados en tratamientos superficiales hidrófugos, adición de humo de sílice, o reducciones significativas de la relación agua/cemento proporcionan reducciones de los costes del ciclo de vida superiores al 45% respecto al diseño real tomado como referencia en el trabajo.
  • En el artículo [2] se proponen indicadores sociales aplicados a puentes, y se propone una metodología adaptada a las normas ISO ambientales para evaluar el impacto social a lo largo del ciclo de vida de una infraestructura. Se analizan los impactos sociales a lo largo del ciclo de vida de un puente en ambiente marino, derivados de su construcción y su mantenimiento. Además, en el artículo se optimiza el mantenimiento para maximizar el beneficio social.
  • En el artículo [3] se analizan 15 diseños alternativos de un tablero de puente en ambiente marino, y de sus impactos ambientales a lo largo de su ciclo de vida. Los impactos ambientales se evalúan atendiendo a la metodología Ecoindicador 99. En el trabajo se comprueba que los impactos ambientales durante la fase de mantenimiento son muy significativos. Además, la optimización del mantenimiento se revela fundamental para reducir impactos a lo largo del ciclo de vida.
  • En el artículo [4] se ha llevado a cabo la optimización del mantenimiento para distintos diseños alternativos en puentes en ambientes marinos considerando criterios ambientales y económicos. La optimización se ha llevado a cabo considerando criterios de fiabilidad estructural. Los diseños con hormigones con humo de sílice han resultado en el mejor comportamiento en términos económicos, con una reducción de costes de ciclo de vida del 76% respecto a un diseño con hormigón convencional. En lo ambiental, el uso de tratamientos superficiales hidrófugos ha dado lugar a una reducción de los impactos del ciclo de vida del puente de referencia del 82,8%.
  • En el artículo [5] se ha revisado cómo se evalúa la sostenibilidad en las infraestructuras, a la vista de la formulación de los Objetivos de Desarrollo Sostenible establecidos para 2030. Se ha detectado un importante déficit metodológico en la evaluación de la sostenibilidad de las infraestructuras.
  • Por último, en el artículo [6] se ha aplicado la lógica neutrosófica (una generalización de la lógica difusa y la lógica intuicionista) para obtener los pesos mediante la metodología AHP para considerar la subjetividad de los expertos en el proceso de toma de decisión. Se ha aplicado al diseño sostenible de puentes y su mantenimiento. Se comprueba que el diseño sostenible requiere la consideración simultánea de las tres dimensiones de la sostenibilidad.

Con todo, aún se encuentran en fase de redacción y envío un par de artículos científicos que complementan la tesis. En cuanto tengamos más noticias, os avisaré de lo que vamos haciendo. Os dejo, de momento, las referencias que he utilizado.

Referencias:

  1. NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2018). Life cycle cost assessment of preventive strategies applied to prestressed concrete bridges exposed to chlorides. Sustainability, 10(3):845. DOI:3390/su10030845
  2. NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2018). Social life cycle assessment of concrete bridge decks exposed to aggressive environments. Environmental Impact Assessment Review, 72:50-63. DOI:1016/j.eiar.2018.05.003
  3. NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2018). Life cycle impact assessment of corrosion preventive designs applied to prestressed concrete bridge decks. Journal of Cleaner Production, 196: 698-713. DOI:10.1016/j.jclepro.2018.06.110
  4. NAVARRO, I.J.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2019). Reliability-based maintenance optimization of corrosion preventive designs under a life cycle perspective. Environmental Impact Assessment Review, 74:23-34. DOI:1016/j.eiar.2018.10.001
  5. NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2019). A review of multi-criteria assessment techniques applied to sustainable infrastructures design. Advances in Civil Engineering, 2019: 6134803. DOI:10.1155/2019/6134803
  6. NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2019). Sustainability assessment of concrete bridge deck designs in coastal environments using neutrosophic criteria weights. Structure and Infrastructure Engineering, DOI: 10.1080/15732479.2019.1676791

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Izado defectuoso de pasarela metálica

Las operaciones de izado de grandes cargas son, en ocasiones, los procedimientos más complicados en determinadas construcciones. En el vídeo que os paso a continuación podemos ver cómo una pasarela metálica de 40 toneladas, valorada en más de un millón de euros, se ha deformado por haber cambiado el sistema de izado previsto en proyecto. En efecto, la estructura se iba a levantar con una única grúa de 500 toneladas, pero en el último momento, se cambió el procedimiento de izado a dos grúas más pequeñas, una de 350 toneladas y otra telescópica. Lo que ocurrió es que la estructura levantada en tándem introdujo esfuerzos no previstos en el proyecto y provocó la deformación del puente. Por cierto, el vídeo se grabó el 21 de febrero de 2013 en Omagh, Irlanda del Norte. Espero que os guste. Agradezco a Enrique Montalar el enlace.

La calidad visual a través del color

Os paso a continuación el último artículo publicado en el número 11 de la revista Cuadernos de Diseño en la Obra Pública. Se trata de una reflexión sobre el diseño, el color y la obra pública. Es, sin duda, un tema complejo, sujeto a amplio debate, con fuertes implicaciones que inciden, incluso, en el derecho que tienen los autores sobre su obra, especialmente cuando se habla de obras públicas. Dejo el artículo completo para vuestra descarga.

De nuevo, agradezco a Modesto Battle la sugerencia de escribir el artículo. Además, en la Red Universitaria Iberoamericana de Territorio y Movilidad Ruitem (www.ruitem.org) podréis descargar todos los números publicados de la revista. En este número 11, también participan Manel Reventós, Florentino Regalado y Ángel Aparicio Mourelo.

 

Referencia:

YEPES, V. (2019). La calidad visual a través del color. Cuadernos de Diseño en la Obra Pública, 11:4-10. ISSN: 2013-2603.

 

 

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