Acaban de publicarnos en Engineering Structures, revista de ELSEVIER indexada en el primer cuartil del JCR, un artículo en el que hemos propuesto un novedoso método de optimización que acelera los cálculo al emplear Kriging como metamodelo en los cálculos intermedios de las iteraciones de un proceso de optimización heurística. Se ha aplicado en la optimización de la energía requerida para la construcción de un puente en cajón de hormigón pretensado, pero la metodología es aplicable al cálculo de cualquier estructura. Este artículo forma parte del proyecto de investigación DIMALIFE. Como se ha publicado en abierto, os puedo pasar el artículo completo, que os podéis descargar también en la propia revista.
ABSTRACT:
Structural optimization is normally carried out by means of conventional heuristic optimization due to the complexity of the structural problems. However, the conventional heuristic optimization still consumes a large amount of time. The use of metamodels helps to reduce the computational cost of the optimization and, along these lines, kriging-based heuristic optimization is presented as an alternative to carry out an accelerated optimization of complex problems. In this work, conventional heuristic optimization and kriging-based heuristic optimization will be applied to reach the optimal solution of a continuous box-girder pedestrian bridge of three spans with a low embodied energy. For this purpose, different penalizations and different initial sample sizes will be studied and compared. This work shows that kriging-based heuristic optimization provides results close to those of conventional heuristic optimization using less time. For the sample size of 50, the best solution differs about 2.54% compared to the conventional heuristic optimization, and reduces the computational cost by 99.06%. Therefore, the use of a kriging model in structural design problems offers a new means of solving certain structural problems that require a very high computational cost and reduces the difficulty of other problems.
En una entrada anterior repasábamos algunos instrumentos y directrices para el desarrollo sostenible en la construcción. Aquí voy a recoger dos artículos firmados por Alejandro López Vidal, que es el Director Técnico de ANDECE y Secretario Técnico del Subcomité AENOR AEN/CTN 198/sc1 Edificación Sostenible, donde se explica en detalle qué son y para qué sirven las declaraciones ambientales de los productos prefabricados de hormigón. Espero que os sean de interés.
En esta entrada vamos a repasar algunos de los instrumentos y directrices que, fundamentalmente desde la Unión Europea, se han establecido para favoreces el desarrollo sostenible dentro del sector de la construcción. En particular, vamos a repasar brevemente el Reglamento de Producto de la Construcción, el Etiquetado Ecológico, las Declaraciones Ambientales de Producto, las Reglas de Categoría de Producto, el Análisis de Ciclo de Vida, etc.
El Parlamento Europeo publicó, en marzo del 2011, el Reglamento de Producto de la Construcción (CPR) (205/2011). Este reglamento establece las condiciones armonizadas para toda la Unión Europea en lo relativo a la comercialización de productos de la construcción, derogando así a la Directiva 89/106/CEE. Entró en vigor el 1 de julio de 2013 y supuso una serie de cambios en los diferentes aspectos y tareas a realizar por los fabricantes, y en su caso los distribuidores o importadores, de productos de la construcción para la colocación del marcado CE en sus productos, en particular en la documentación a elaborar (Parlamento Europeo & Consejo de la Unión Europea, 2011).
El Etiquetado Ecológico, por su parte, trata de promover los productos o servicios que presenten un menor impacto ambiental que otros de su misma categoría cuando se considera durante todo su ciclo de vida. Las ecoetiquetas se normalizaron con la serie ISO 14020. De acuerdo a los estándares, las ecoetiquetas y las declaraciones se clasifican en tres tipos (Baldo et al., 2013):
Ecoetiquetas tipo I: Se trata de un sistema voluntario de calificación ambiental que identifica y certifica de manera oficial que ciertos productos o servicios tienen una afectación menor sobre el medio ambiente teniendo en cuenta todo su ciclo de vida y que cumplen estrictos criterios ambientales previamente establecidos. Este tipo de ecoetiquetas cumple con los requisitos de la norma ISO 14024 (AENOR, 2000).
Ecoetiquetas tipo II: Se trata de las autodeclaraciones ambientales de producto, avalada por el mismo fabricante, referida a una fase del ciclo de vida o a un aspecto concreto del producto. Cumple con los requisitos de la norma ISO 14021 (AENOR, 2016) y ofrece una orientación en términos de carácter ambiental.
Declaraciones ambientales tipo III (DAP): Constituyen un inventario de datos ambientales cuantificados de un producto con unas categorías prefijadas de parámetros, basados en la serie de normas ISO 14004, referentes al análisis del ciclo de vida. Se trata de información ambiental cuantitativa comprensible según diferentes estándares. La verificación la realiza una tercera parte independiente. Cumple con los requisitos de la norma ISO 14025 (AENOR, 2010). A diferencia de las ecoetiquetas tipo I no define unos criterios sobre la preferencia ambiental de los productos ni establece unos criterios mínimos por cumplir.
Ha sido la norma ISO 15804 (AENOR, 2014) la que ha permitido definir los alcances de las Reglas de Categoría de Producto (RCP) para los productos y servicios de la construcción. Ello ha facilitado a sectores como el cerámico, el del yeso y sus derivados y el metálico, que hayan realizado sus propias DAP certificadas por algún administrador europeo como EPD y EnvironDec o española como AENOR GlobalEPD y DAPc (Codificación OpenDAP, 2014). También las constructoras han desarrollado una DAP para procesos constructivos, como es el caso de Acciona (Acciona Infraestructuras, 2013). Otras RCPs de gran interés son las recientemente aprobadas del hormigón y elementos de hormigón, donde la Asociación Nacional de la Industria del Prefabricado de Hormigón (ANDECE) ha tenido un papel relevante (López-Vidal y Yepes, 2015; López-Vidal, 2016). Hace un año puso en marcha uno de los proyectos más ambiciosos realizados hasta la fecha: el desarrollo de 6 DAP sectoriales, cada una referida a algunas de las principales categorías de productos: estructuras, forjados, fachadas, canalizaciones, elementos ligeros huecos y pavimentos, cuyas ADAP resumidas se encuentran disponibles en su página web.
Las herramientas anteriores se han basado en el Análisis del Ciclo de vida (ACV). Sin embargo, también existen otras herramientas con alta capacidad de contribución a la sostenibilidad, no solo en el sector de la construcción (Eusko Jaurlaritza, 2009) :
Huella de carbono: Equivale a la totalidad de GEI emitidos por efecto directo o indirecto de un individuo, organización, evento o producto. Su impacto ambiental se mide en masa de CO2 equivalente y sigue normativas internacionales reconocidas como ISO 14046-1, PAS2050 o GHG Protocol.
Huella hídrica:Se define como el volumen total de agua dulce que se utiliza para producir bienes y servicios de un individuo, de una comunidad o de una empresa.
Huella social: Se entiende como la marca reconocible y medible que un individuo, comunidad o empresa deja en la sociedad por razón de sus operaciones.
Deberíamos recordar también otras herramientas como las certificaciones ambientales de edificios e infraestructuras, de aplicación voluntaria, pensadas para identificar su calidad ambiental a través de una etiqueta y acompañar su proceso de diseño. Algunas presentan una amplia expansión en el ámbito internacional como la certificación LEED, la inglesa BREEAM o GBTOOL, que surgieron en los años 90. Posteriormente han nacido otras certificaciones, como la italiana ITACA y la española VERDE.
Por último, remarcar uno de los campos de vital importancia en el sector de la construcción, y que también deja su huella en la sostenibilidad del sector, se trata del Building Information Modeling (BIM) que se trata de una metodología de trabajo colaborativa para la gestión de proyectos de edificación u obra civil a través de una maqueta digital (Olawumi et al., 2018). En la Figura que sigue se presentan las dimensiones BIM. La sexta dimensión presenta criterios de sostenibilidad ligados a las certificaciones ambientales, el análisis del ciclo de vida y las diferentes huellas ecológicas (Yung y Wang, 2014) y el control de costes, que es la 5 dimensión, tiene características parecidas a las contempladas en el coste del ciclo de vida. De acuerdo a (Comite Técnico Bim España, 2011) la implantación a nivel europeo y nacional, el BIM va a pasar a formar parte de manera obligatoria en la normativa de contratación y licitación pública, según lo propuesto a través de la Directiva 2014/24/UE, por lo que se puede considerar que será uno de los factores que favorecerá el desarrollo sostenible de la construcción gracias a esa sexta dimensión.
A continuación os dejo un vídeo de la empresa Autodesk (en inglés) denominado “Life Cycle Assessment as part of Strategic Sustainability for Product Design”. Espero que os sea útil.
Referencias:
AENOR (2000). ISO 14024:1999. Etiquetado ecológico Tipo I. Principios y procedimientos.
AENOR (2010). ISO 14025:2006. Declaraciones ambientales tipo III. Principios y procedimientos.
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AENOR (2016). ISO 14021:2016. Afirmaciones ambientales autodeclaradas (Etiquetado ambiental tipo II).
Baldo, G. L.; Cesarei, G.; Minestrini, S.; Sordi, L. (2013). The EU Ecolabel scheme and its application to construction and building materials. Eco-Efficient Construction and Building Materials: Life Cycle Assessment (LCA), Eco-Labelling and Case Studies. https://doi.org/10.1533/9780857097729.1.98
Codificación OpenDAP. (2014). OpenDAP. Retrieved from http://www.opendap.es/acvnormativa
Comite Técnico Bim España. (2011). Dimensiones Bim. Retrieved from www.esbim.es
Eusko Jaurlaritza, G. V. (2009). Análisis de ciclo de vida, huella de carbono, huella hídrica y huella social. Ihobe.
López-Vidal, A. (2016). Economía circular en los prefabricados de hormigón: hacia el objetivo “cero residuos”. Cemento Hormigón, pp. 74–78.
Olawumi, T. O., Chan, D. W. M., Wong, J. K. . W., & Chan, A. P. C. (2018). Barriers to the Integration of BIM and Sustainability Practices in Construction Projects: A Delphi Survey of International Experts. Journal of Building Engineering, 20(January), 60–71. https://doi.org/doi.org/10.1016/j.jobe.2018.06.017
Parlamento Europeo, Consejo de la Unión Europea. (2011). Reglamento (UE) No 305/2011 del Parlamento Europeo y del Consejo por el que se establecen condiciones armonizadas para la comercialización de productos de construcción y se deroga la Directiva 89/106/CEE del Consejo. Doue (Vol. 4.4.2011).
Yung, P., & Wang, X. (2014). A 6D CAD model for the automatic assessment of building sustainability. International Journal of Advanced Robotic Systems, 11(1), 1–8. https://doi.org/10.5772/58446
This paper deals with the postgraduate course ‘Predictive and optimisation models for concrete structures’, offered at the Masters in Concrete Engineering of the Universitat Politècnica de València. Within this course, engineering students are introduced into different optimization algorithms, such as simulated annealing, neural networks, genetic algorithms, etc. of application in the automated design of concrete structures of any type. In recent times, such heuristic methods have turned out to be of great interest in the resolution of complex and actual engineering problems, such as the sustainable design and management of structures. This communication presents a case study where the ongoing research of the teaching body is applied so as to find the most sustainable management strategy for a particular bridge system consisting of 7 bridges whose lengths vary between 380 m and 1980 m. The optimization problem here aims to minimize both the economic and environmental life cycle impacts derived from the maintenance of the concrete decks of a bridge network by selecting the adequate maintenance intervals for every deck considering annual budgetary restrictions. A multi-objective simulated annealing algorithm is applied to find the set of Pareto optimal solutions for the presented engineering problem. The environmentally preferable maintenance strategy results in life cycle costs 4.9% greater than those related to the cost-optimal strategy, which in turn results in environmental impacts 5.6% greater than those from the environmentally optimized management option. Results are then compared to the optimal strategies considering a single bridge deck, showing that the optimality at the bridge level does not necessarily lead to a sustainable optimum at the network level. From this it follows that, when optimizing maintenance under budgetary restrictions, the network shall be analysed as a whole, and not as an aggregation of optimal strategies for each individual bridge. The case study presented here shows in a nutshell the close connection between the course curricula of the MSc course and the ongoing research of the teaching and research group.
NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2018). Heuristics in engineering education. A case study application to sustainable bridge management systems. Proceedings of ICERI2018,the 11th annual International Conference of Education, Research and Innovation, Seville (Spain), 12th-14th November 2018, pp. 9788-9797. ISBN: 978-84-09-05948-5
Hoy hace justo un año que realicé mi defensa pública de la plaza de Catedrático de Universidad en el Área de Ingeniería de la Construcción. Tuve en aquel momento la oportunidad de exponer como parte de la prueba un trabajo de investigación, basado fundamentalmente en los trabajos realizados por nuestro grupo. Se trataba del diseño eficiente de puentes de hormigón postesado de sección en cajón unicelular mediante una optimización multiobjetivo basada en criterios sostenibles. Las conclusiones que aquí se resumen son fruto de varios estudios previos para examinar el uso de cementos con adiciones, la importancia de la carbonatación en la captura de CO2 y en la durabilidad, la reutilización del hormigón, el uso del hormigón autocompactante, los diseños sostenibles de puentes artesa prefabricados de hormigón pretensado, la relación entre el coste y el CO2, así como la energía, los diseños sostenibles de pasarelas de hormigón postesado, los algoritmos heurísticos y las técnicas de toma de decisiones para analizar y reducir el conjunto óptimo de Pareto. Los resultados de estos estudios previos fueron la base del trabajo presentado. Se planteó una optimización multiobjetivo basada en criterios económicos, ambientales, de durabilidad y de seguridad. Además, se formuló una herramienta informática que permitió el uso de software comercial para realizar el análisis del puente con elementos finitos, en un proceso de diseño automático. Al final de la entrada os he dejado referencias directamente relacionadas con la investigación de nuestro grupo en optimización multiobjetivo y toma de decisión multicriterio de puentes a lo largo de su ciclo de vida.
En primer lugar, se estudió el diseño óptimo de puentes de carreteras de hormigón postesado de sección en cajón considerando los costes, las emisiones de CO2 y el coeficiente de seguridad global. Para aplicar la metodología propuesta, se realizó un estudio de caso de un puente continuo de tres vanos situado en una zona costera. Los resultados mostraron que tanto el coste económico como la reducción de las emisiones de CO2 conducen a una reducción en el consumo de material y por lo tanto, son objetivos alineados. Ello indica que la optimización de costes es un buen enfoque para lograr un diseño respetuoso con el medio ambiente. El análisis de la frontera de Pareto indicó las variables más eficientes para mejorar la seguridad con el coste mínimo y las emisiones de CO2. Dado que el coste y las emisiones estaban estrechamente relacionados, el desafío se tradujo en la conversión de las limitaciones estructurales de seguridad y durabilidad en funciones objetivo. Este enfoque permitió encontrar múltiples soluciones alternativas que, con un incremento muy pequeño en el coste, consiguen mayor seguridad y durabilidad. Además, se destacó la eficiencia del aumento de la resistencia y del recubrimiento del hormigón para prolongar la vida útil. La frontera de Pareto se utilizó posteriormente para seleccionar planes de mantenimiento del puente óptimos, basados en su nivel inicial de seguridad y durabilidad. Este planteamiento es consistente con el argumento de que el proceso de deterioro puede causar una reducción en la seguridad estructural. Este estudio permitió analizar las ventajas que presenta un diseño optimizado para prolongar la vida útil de la estructura y mejorar su seguridad. Se llevó a cabo una optimización de la vida útil sostenible a través de un enfoque probabilístico. El plan de mantenimiento óptimo tiene como objetivo minimizar los impactos económicos, ambientales y sociales mientras se satisface el objetivo de fiabilidad durante una vida útil. Finalmente, se compararon los costes del ciclo de vida y las emisiones entre las distintas alternativas.
En paralelo, se desarrolló un metamodelo basado en redes neuronales, para reducir el tiempo de cálculo. Las ANNs se entrenaron para predecir la respuesta estructural en términos de los estados límite en función de las variables de diseño, sin necesidad de un análisis completo del puente. Se propuso una metaheurística mejorada basada en la búsqueda de la armonía multiobjetivo. Se mejoró la diversificación y la intensificación en la búsqueda de soluciones para mejorar la convergencia. Finalmente, se propuso una técnica de toma de decisiones llamada AHP-VIKOR bajo incertidumbre para reducir la frontera de Pareto a un conjunto de soluciones preferidas. Este método permite al decisor introducir fácilmente las preferencias en un criterio específico sujeto a incertidumbre.
Las conclusiones generales de este trabajo de investigación fueron las siguientes:
La minimización de costes y emisiones de CO2 conduce a un diseño de puente que favorece la eficiencia estructural minimizando la cantidad de materiales. La inclusión del objetivo de seguridad destaca las mejores variables para mejorar la seguridad y por lo tanto, la robustez de cada variable para el diseño eficiente. El objetivo de durabilidad, evaluado como el inicio de la corrosión, estableció la mejor combinación de resistencia y recubrimiento del hormigón para alcanzar un objetivo de vida de servicio.
El canto, el espesor de la losa inferior, las armaduras activas y la armadura pasiva longitudinal son las variables principales que proporcionan la resistencia a flexión. Sin embargo, no se recomienda un incremento de espesor de la losa superior y del ala para mejorar la seguridad estructural, pues conduce a pesos propios adicionales. Para mejorar el comportamiento a flexión transversal, se incrementa el espesor del arranque del ala y se disminuye la longitud del ala. La inclinación del alma puede ser constante, pues tanto la profundidad como la anchura de inclinación del alma aumentan en paralelo para mejorar la seguridad. El espesor del alma no es la variable más económica para aumentar la resistencia a esfuerzo cortante; por el contrario, se incrementa la armadura de refuerzo.
El uso de hormigón de alta resistencia puede reducir el canto o la cantidad de armadura. Sin embargo, las restricciones relativas a los estados límite de servicio y las cuantías mínimas de armadura condicionan estas variables. Por lo tanto, el hormigón de alta resistencia no es la mejor solución para mejorar la seguridad. Sin embargo, este resultado cambia cuando se tiene en cuenta el ciclo de vida. Un incremento en la resistencia del hormigón alarga la vida útil de servicio, pues se retrasa el inicio de la corrosión. Por otro lado, el incremento en la resistencia del hormigón presenta mejores resultados a lo largo del ciclo de vida para diseños con inicios de corrosión similares, en comparación con el incremento del recubrimiento de hormigón.
Un diseño inicial que incorpore la durabilidad como objetivo y no como restricción resulta especialmente beneficioso si se quiere alargar el ciclo de vida de la estructura. Diseños que retrasen el inicio de la corrosión implican un menor coste del ciclo de vida, incluso con costes iniciales más altos. Sin embargo, un nivel de seguridad inicial más alto no siempre ofrece como resultado un mejor rendimiento del ciclo de vida.
A partir de los estudios, se extrajeron estas conclusiones específicas:
El empleo de cementos con adiciones conlleva una reducción en la captura de carbono y en la vida útil debido a la carbonatación. A pesar de esto, los cementos con adiciones disminuyen las emisiones anuales. El hormigón autocompactante no es aconsejable desde el punto de vista medioambiental. En términos de coste, se obtienen pocas diferencias entre el hormigón vibrado convencional y el hormigón autocompactante.
Es fundamental reutilizar el hormigón como gravas en material de relleno para lograr una completa carbonatación y reducir las emisiones de CO2.
En el puente postesado estudiado, la reducción del coste en 1 euro disminuye las emisiones de CO2 en 2,34 kg. En cuanto al coeficiente de seguridad global, se obtienen tres relaciones lineales entre el coste y este objetivo. Para aumentar el coeficiente de seguridad global de 1,0 a 1,4, los costes aumentan en 12,5%. Después de este punto, los resultados de mejora de la seguridad son más caros. Con respecto al inicio de la corrosión, con pequeños incrementos de coste se consiguen retrasos significativos.
El estado límite de descompresión es restrictivo y condiciona variables como el canto y el número de torones de pretensado. Dado que estas variables también influyen en la flexión, este estado límite no es restrictivo hasta que el coeficiente de seguridad global alcanza 1,4.
La relación entre el coste y el CO2 se mantiene para todos los niveles de seguridad y por lo tanto, la optimización de costes es un buen enfoque para minimizar las emisiones independientemente del nivel de seguridad.
En estructuras con un espacio de soluciones factibles pequeños, el coste y la emisión se encuentran muy relacionados. Sin embargo, las estructuras de hormigón armado, que presentan espacios factibles mayores, conducen a diseños medioambientales con mayores secciones, mayor cantidad de hormigón, menor acero y horigones con la menor resistencia característica.
El plan de mantenimiento óptimo es aquel que presenta menos operaciones que reparen simultáneamente todas las superficies deterioradas. A pesar de que existe un deterioro diferente para cada una de las caras de la sección expuesta, los resultados recomiendan reparar todas las superficies conjuntamente. Las operaciones de mantenimiento deben programarse al mismo tiempo para reducir el impacto de las interrupciones del tráfico.
Por lo general, la optimización del coste de mantenimiento también conduce a la minimización de las emisiones de CO2. Esto se atribuye al hecho de que tanto las emisiones como los costes pretenden reducir el número total de operaciones de mantenimiento. Sin embargo, la optimización de costes intenta retrasar la fecha de la primera reparación. Por lo tanto, la determinación del número de operaciones y el retraso de la primera fecha de mantenimiento, reduce también el coste al mínimo.
Las redes neuronales constituyen una buena herramienta para predecir la respuesta de la estructura, proporcionar una buena dirección de búsqueda y reducir el coste computacional. Sin embargo, al final del proceso de búsqueda, se necesitan modelos de análisis completo para converger más cerca de la frontera de Pareto real.
La transición de la diversificación a la intensificación, que elimina progresivamente la combinación de soluciones y la selección aleatoria, mejora el rendimiento del algoritmo.
El método AHP-VIKOR bajo incertidumbre redujo el conjunto de Pareto a pocas soluciones preferidas. Para este estudio de caso, se prefieren las soluciones con el mayor tiempo de inicio de la corrosión, pues la mejora de la durabilidad no implica grandes diferencias de costes.
Referencias:
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Es un honor haber dirigido la tesis doctoral de Tatiana García Segura “Efficient design of post-tensioned concrete box-girder road bridges based on sustainable multi-objective criteria”. Esta joven doctora ingeniera de caminos acaba de recibir el Premio Internacional al mejor investigador joven del mundo en el ámbito del análisis de estructuras e infraestructuras a lo largo de su ciclo de vida. Se trata del Junior Award IALCCE 2018, que premia al mejor investigador, con una edad menor a 42 años. Es la primera vez que un español gana este galardón, lo cual es un hito para la Escuela de Ingenieros de Caminos de Valencia y para la Universitat Politècnica de València.
Tatiana, que fue becaria FPI del proyecto de investigación HORSOST e investigadora del ICITECH, ya ganó el primer premio Cemex en sostenibilidad por su trabajo fin de máster “Métricas para el diseño eficiente de estructuras con hormigones no convencionales basados en criterios sostenibles multiobjetivo”Máster Universitario en Ingeniería del Hormigón, desarrollado dentro del . En este momento, es profesora ayudante doctor en el Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Civil, e investigadora en los proyectos BRIDLIFE y DIMALIFE. Un futuro muy brillante para esta joven investigadora y profesora.
En la fotografía, de izquierda a derecha, Tatiana García Segura, Dan M. Frangopol y Víctor Yepes
A continuación os dejo un listado de los artículos científicos indexados en revistas de fuerte impacto del JCR donde ha participado Tatiana hasta este momento.
Referencias:
GARCÍA-SEGURA, T.; PENADÉS-PLÀ, V.; YEPES, V. (2018). Sustainable bridge design by metamodel-assisted multi-objective optimization and decision-making under uncertainty. Journal of Cleaner Production, 202:904-915. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.08.177
PENADÉS-PLÀ, V.; GARCÍA-SEGURA, T.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2018). An optimization-LCA of a prestressed concrete precast bridge.Sustainability, 10(3):685. doi:10.3390/su10030685 (link)
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PENADÉS-PLÀ, V.; MARTÍ, J.V.; GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V. (2017). Life-cycle assessment: A comparison between two optimal post-tensioned concrete box-girder road bridges.Sustainability, 9(10):1864. Doi:10.3390/su9101864 (link)
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MOLINA-MORENO, F.; GARCÍA-SEGURA; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2017). Optimization of Buttressed Earth-Retaining Walls using Hybrid Harmony Search Algorithms.Engineering Structures, 134:205-216. DOI: 10.1016/j.engstruct.2016.12.042
ZASTROW, P.; MOLINA-MORENO, F.; GARCÍA-SEGURA, T.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2017). Life cycle assessment of cost-optimized buttress earth-retaining walls: a parametric study.Journal of Cleaner Production, 140:1037-1048. DOI: 10.1016/j.jclepro.2016.10.085
PENADÉS-PLÀ, V.; GARCÍA-SEGURA, T.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2016). A review of multi-criteria decision making methods applied to the sustainable bridge design.Sustainability, 8(12):1295. DOI:10.3390/su8121295
GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V. (2016). Multiobjective optimization of post-tensioned concrete box-girder road bridges considering cost, CO2 emissions, and safety.Engineering Structures, 125:325-336. DOI: 10.1016/j.engstruct.2016.07.012.
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GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; ALCALÁ, J.; PÉREZ-LÓPEZ, E. (2015). Hybrid harmony search for sustainable design of post-tensioned concrete box-girder pedestrian bridges.Engineering Structures, 92:112-122. DOI: 10.1016/j.engstruct.2015.03.015 (link)
YEPES, V.; GARCÍA-SEGURA, T.; MORENO-JIMÉNEZ, J.M. (2015). A cognitive approach for the multi-objective optimization of RC structural problems.Archives of Civil and Mechanical Engineering, 15(4):1024-1036. doi:10.1016/j.acme.2015.05.001
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La evaluación del comportamiento social de los edificios no es una tarea sencilla, sobre todo cuando se trata de comparar objetivamente edificios distintos o bien cuando se trata de determinar el grado en el que el edificio alcanza o supera los requisitos mínimos. Esta evaluación debe aplicar medidas relacionadas con los aspectos y los impactos sociales durante el ciclo de vida del edificio. Pues bien, la norma europea EN-15643-3 establece el marco para la evaluación del comportamiento social de un edificio, como parte de la evaluación de su sostenibilidad. Esta norma forma parte de una serie elaborada por el Comité Técnico CEN/TC 350.
La norma citada ha establecido una serie de categorías para describir los aspectos e impactos vinculados con el comportamiento social de los edificios. A continuación se da un repaso a dichas categorías.
Accesibilidad
Es la capacidad de un espacio que permite entrar con facilidad. Puede incluir los siguientes aspectos:
accesibilidad de personas con necesidades específicas
accesibilidad a los servicios del edificio
Adaptabilidad
Es la capacidad del objeto de la evaluación, o parte del mismo, para ser cambiado o modificado de forma que sea adecuado para un uso específico. Puede incluir los siguientes aspectos:
capacidad de acomodarse a los requisitos del usuario individual
capacidad de acomodarse al cambio en los requisitos del usuario
capacidad de acomodarse a los cambios técnicos
capacidad de acomodarse a los cambios de uso
Salud y confort
Incluye los siguientes aspectos:
características acústicas
características de la calidad del aire interior
características de confort visual
características de calidad del agua
características electromagnéticas
características espaciales
características térmicas
Cargas al vecindario
Debe incluir:
ruido
emisiones al aire exterior, liberación al suelo y al agua
deslumbramiento y sobresombreamiento
golpes y vibraciones
efectos del viento localizados
Mantenimiento
Debe incluir las operaciones de mantenimiento (incluyendo los aspectos de salud y confort para el usuario del edificio y las cargas al vecindario).
Seguridad
La evaluación de la seguridad de las personas y bienes debe incluir:
resistencia al cambio climático (resistencia a la lluvia, al viento, a la nieve, a las inundaciones, radiación solar, a la temperatura)
resistencia a acciones accidentales (terremotos, explosiones, fuego, impactos de tráfico)
seguridad de las personas y los bienes frente a intrusos y vandalismo
seguridad de los bienes frente interrupciones de suministros
Implicación de las partes interesadas
Debe incluir la oportunidad de las partes interesadas de participar en el proceso de toma de decisiones para la realización de un edificio.
Referencia:
AENOR (2012). UNE-EN 15643-3. Sostenibilidad en la construcción. Evaluación de la sostenibilidad de los edificios. Parte 3: Marco para la evaluación del comportamiento social.
No resulta sencillo seleccionar qué indicadores son los más adecuados para evaluar el comportamiento ambiental de un edificio. Estos indicadores deberían cuantificar los impactos y los aspectos ambientales del edificio durante su ciclo de vida completo, debiendo ser relativamente sencillos en su utilización y comprensión. Recordemos que un aspecto ambiental es el elemento de las actividades, productos o servicios de una organización que puede interactuar con el medio ambiente, mientras que el impacto ambiental es cualquier cambio en el medio ambiente, ya sea adverso o beneficioso, como resultado total o parcial de los aspectos ambientales de una organización.
Para que la cuantificación anterior sea efectiva, deberíamos ponernos de acuerdo en aquellos indicadores para los que existen métodos de cálculo aceptados en el contexto del análisis de ciclo de vida (ACV). Así, por ejemplo, indicadores de interés como la toxicidad humana, la eco-toxicidad, la biodiversidad o el uso del suelo son relevantes, pero no existe un consenso en el método de cálculo que permita comparaciones objetivas.
Los indicadores deben ayudar a la toma de decisiones, para lo cual se deben analizar los cambios la variación de los cambios en el tiempo y el desarrollo de cambios con respecto a los objetivos preestablecidos. Para ello, se les debe exigir que sean objetivos y que sus resultados se puedan reproducir.
La Norma europea EN 15978 “Sustainability of construction works. Assessment of environmental performance of buildings. Calculation method” proporciona unas tablas con aquellos indicadores de los que existen métodos de cálculo aceptados. Estos indicadores describen impactos ambientales, uso de recursos e información ambiental adicional.
Indicadores que describen impactos ambientales:
Potencial de calentamiento global, GWP (Global warming potential)
Potencial de agotamiento de la capa de ozono estratosférica, ODP (Depletion potential of the stratospheric ozone layer)
Potencial de acidificación de tierra y agua, AP (Acidification potential of land and water)
Potencial de eutrofización, EP (Eutrophication potential)
Potencial de formación de oxidantes fotoquímicos del ozono troposférico, POCP (Formation potential of tropospheric ozone photochemical oxidants)
Potencial de agotamiento de recursos abióticos para elementos, ADP_elementos (Abiotic Resource Depletion Potential for elements)
Potencial de agotamiento de recursos abióticos para combustibles fósiles, ADP_combustibles fósiles (Abiotic Resource Depletion Potential of fossil fuels)
Indicadores que describen uso de recursos:
Uso de energía primaria no renovable excluyendo los recursos de energía utilizados como materia prima
Uso de recursos energía primaria renovable utilizados como materia prima
Uso de energía primaria no renovable excluyendo los recursos de energía utilizados como materia prima
Uso de recursos energía primaria no renovable utilizados como materia prima
Uso de materiales secundarios
Uso de combustibles secundarios renovables
Potencial de agotamiento de recursos abióticos para elementos, ADP_elementos (Abiotic Resource Depletion Potential for elements)
Potencial de agotamiento de recursos abióticos para combustibles fósiles, ADP_combustibles fósiles (Abiotic Resource Depletion Potential of fossil fuels)
Indicadores que describen la información ambiental adicional:
Indicadores que describen categorías de residuos
Residuos peligrosos vertidos
Residuos no peligrosos vertidos
Residuos radioactivos vertidos
Indicadores que describen los flujos de salida que abandonan el sistema
Componentes para reutilización
Materiales para el reciclaje
Materiales para valorización energética (que no sean residuos para incineración)
Energía exportada
Referencia:
AENOR (2012). UNE-EN 15978. Sostenibilidad en la construcción. Evaluación de la sostenibilidad de los edificios. Métodos de cálculo.
Figura 1. Maison solaire écoologique, île Sainte-Hélène. By Benoit Rochon [CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)], from Wikimedia Commons
El Comité Técnico CEN/TC 350 “Sostenibilidad en la construcción” ha estado desarrollando normativa para materializar el concepto de sostenibilidad en el sector de la edificación. No solo se trata de normalizar la variable medioambiental, sino que se trata de integrar también los factores económicos y sociales para obtener una visión de conjunto. El referente normativo era necesario debido a la amplia proliferación de métodos de evaluación en los últimos años, desde la aparición del sistema BREEAM (BRE Environmental Assessment Method), en 1992, que ofreció el primer método de etiquetado de edificios. La gran proliferación de métodos, instrumentos y herramientas de evaluación presentan, en general, como desventaja más destacable, el que no proporcionan información sobre los efectos y, en no pocas ocasiones, no permiten un análisis comparativo con el objetivo de plantear acciones de mejora. Todo ello motivó la propuesta de un marco genérico de evaluación de la sostenibilidad (establecido a nivel internacional en la ISO 21929-1:2011 y en el ámbito europeo por la EN 15643-1:2010). En este sentido, se trataba de establecer una valoración de la sostenibilidad con indicadores cualitativos que se midan sin entrar en juicios de valor, capaces de cuantificar los impactos y los aspectos del comportamiento ambiental, social y económico de los edificios.
Se trata, por tanto, de establecer un estándar para comparar objetivamente los resultados de la evaluación de un edificio o una parte del mismo. Para ello se utilizan distintos tipos de información para establecer valores para los diferentes tipos de indicadores e información sobre los escenarios y las etapas del ciclo de vida incluidas en la evaluación. En la Figura 2 se muestra cómo la evaluación supone que el modelo descriptivo, con sus especificaciones técnicas y funcionales básicas, se ha definido por la reglamentación o en el pliego de condiciones del cliente.
Figura 2. Concepto de evaluación de la sostenibilidad de edificios. Fuente: UNE-EN 15643-1
La Norma que proporciona el marco metodológico con los principios, requisitos y directrices para la evaluación de la sostenibilidad de los edificios es la EN 15643-1. Dicha Norma establece que los objetivos de la evaluación son, en primer lugar, determinar los impactos y aspectos del edificio y de su parcela y, en segundo lugar, permitir al cliente, al usuario y al arquitecto tomar decisiones y seleccionar alternativas que ayuden a considerar la necesario sostenibilidad de los edificios.
Por otra parte, la satisfacción de los requisitos técnicos y funcionales establecidos en el pliego de condiciones del cliente o bien en las especificaciones del proyecto, generan impactos y aspectos ambientales, sociales y económicos, que pueden ser positivos o negativos, y que pueden persistir durante el ciclo de vida completo del edificio, incluso pudiendo continuar después del desmantelamiento y la demolición.
Otro de los conceptos a tener en cuenta es el denominado “equivalente funcional“. Se trata de una referencia para poder comparar los resultados de las evaluaciones del comportamiento ambiental, social y económico del edificio. Se utiliza, por tanto, el mismo equivalente funcional en la evaluación de cada una de las dimensiones individuales de la sostenibilidad. Este equivalente funcional debe incluir información, al menos, de los siguiente: (a) tipología del edificio (fábrica, oficina, etc.); (b) perfil de uso (residencia, hospital, etc.); (c) requisitos técnicos y funcionales pertinentes; y (d) vida útil requerida.
Referencias:
AENOR (2012). UNE-EN 15643-1. Sostenibilidad en la construcción. Evaluación de la sostenibilidad de los edificios. Parte 1: Margo general.
OWENSBY-CONTE, D.; YEPES, V. (2012). Green Buildings: Analysis of State of Knowledge.International Journal of Construction Engineering and Management, 1(3):27-32. doi: 10.5923/j.ijcem.20120103.03.
Nos acaban de publicar en la revista de Elsevier del primer cuartil, Environmental Impact Assessment Review, un artículo donde se optimiza el mantenimiento de un puente considerando el ciclo de vida. Este artículo forma parte de nuestra línea de investigación DIMALIFE en la que se pretenden optimizar estructuras atendiendo no sólo a su coste, sino al impacto ambiental y social que generan a lo largo de su ciclo de vida.
El artículo lo podéis descargar GRATUITAMENTE hasta el 28 de noviembre de 2018 en el siguiente enlace:
Sustainability is of paramount importance when facing the design of long lasting, maintenance demanding structures. In particular, a sustainable life cycle design for concrete structure exposed to aggressive environments may lead to significant economic savings, and to reduced environmental consequences. The present study evaluates 18 different design alternatives for an existing concrete bridge deck exposed to chlorides, analyzing the economic and environmental impacts associated with each design as a function of the maintenance interval chosen. Results are illustrated in the context of a reliability-based maintenance optimization on both life cycle costs and life cycle environmental impacts. Maintenance optimization results in significant reductions of life cycle impacts if compared to the damage resulting from performing the maintenance actions when the end of the service life of the structure is reached. The use of concrete with 10% silica fume has been shown to be the most effective prevention strategy against corrosion of reinforcement steel in economic terms, reducing the life cycle costs of the original deck design by 76%. From an environmental perspective, maintenance based on the hydrophobic treatment of the concrete deck surface results in the best performance, allowing for a reduction of the impacts associated with the original design by 82.8%.
Keywords:
Life cycle assessment; Life cycle cost analysis; Chloride corrosion; Sustainable design; Maintenance optimization; Reliability
Reference:
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. https://doi.org/10.1016/j.eiar.2018.10.001
