¿Y tú qué opinas sobre el ODS-9 (infraestructuras sostenibles)?

Figura descriptiva del ODS-9 Industria, Innovación e Infraestructura

El 25 de septiembre de 2015, los líderes mundiales adoptaron un conjunto de objetivos globales para erradicar la pobreza, proteger el planeta y asegurar la prosperidad para todos como parte de una nueva agenda de desarrollo sostenible. Se trata de metas que deben alcanzarse con un horizonte puesto en el año 2030. Constituyen una iniciativa impulsada por Naciones Unidas para dar continuidad a la agenda de desarrollo tras los Objetivos de Desarrollo del Milenio (ODM). Son 17 objetivos y 169 metas propuestos como continuación de los ODM incluyendo nuevas esferas como el cambio climático, la desigualdad económica, la innovación, el consumo sostenible y la paz, y la justicia, entre otras prioridades.

Dentro de estos objetivos, el número 9 trata de “construir infraestructuras resilientes, promover la industrialización inclusiva y sostenible y fomentar la innovación” (os recomiendo la lectura de la publicación “Sostenibilidad y resiliencia de las infraestructuras” realizada por el Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de Madrid). Este objetivo, a su vez, cuenta con unas metas parciales, que son las siguientes:

9.1 INFRAESTRUCTURA SOSTENIBLE

Desarrollar infraestructuras fiables, sostenibles, resilientes y de calidad, incluidas infraestructuras regionales y transfronterizas, para apoyar el desarrollo económico y el bienestar humano, haciendo especial hincapié en el acceso asequible y equitativo para todos.

9.2 INDUSTRIAS INCLUSIVA Y SOSTENIBLE

Promover una industrialización inclusiva y sostenible y, de aquí a 2030, aumentar significativamente la contribución de la industria al empleo y al producto interno bruto, de acuerdo con las circunstancias nacionales, y duplicar esa contribución en los países menos adelantados.

9.3 ACCESO A PYMES A SERVICIOS FINANCIEROS Y CADENAS DE VALOR

Aumentar el acceso de las pequeñas industrias y otras empresas, particularmente en los países en desarrollo, a los servicios financieros, incluidos créditos asequibles, y su integración en las cadenas de valor y los mercados.

9.4 MODERNIZAR INFRAESTRUCTURA, TECNOLOGÍA LIMPIA

De aquí a 2030, modernizar la infraestructura y reconvertir las industrias para que sean sostenibles, utilizando los recursos con mayor eficacia y promoviendo la adopción de tecnologías y procesos industriales limpios y ambientalmente racionales, y logrando que todos los países tomen medidas de acuerdo con sus capacidades respectivas.

9.5 INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA, CAPACIDAD TECNOLÓGICA

Aumentar la investigación científica y mejorar la capacidad tecnológica de los sectores industriales de todos los países, en particular los países en desarrollo, entre otras cosas fomentando la innovación y aumentando considerablemente, de aquí a 2030, el número de personas que trabajan en investigación y desarrollo por millón de habitantes y los gastos de los sectores público y privado en investigación y desarrollo.

9.A APOYO A INFRAESTRUCTURAS SOSTENIBLES Y RESILIENTES

Facilitar el desarrollo de infraestructuras sostenibles y resilientes en los países en desarrollo mediante un mayor apoyo financiero, tecnológico y técnico a los países africanos, los países menos adelantados, los países en desarrollo sin litoral y los pequeños Estados insulares en desarrollo.

9.B TECNOLOGÍA, INVESTIGACIÓN E INNOVACIÓN

Apoyar el desarrollo de tecnologías, la investigación y la innovación nacionales en los países en desarrollo, incluso garantizando un entorno normativo propicio a la diversificación industrial y la adición de valor a los productos básicos, entre otras cosas.

9.C ACCESO A TIC E INTERNET

Aumentar significativamente el acceso a la tecnología de la información y las comunicaciones y esforzarse por proporcionar acceso universal y asequible a Internet en los países menos adelantados de aquí a 2020.

Pues bien, con motivo de estos objetivos, la periodista Agustina Barbaresi ha elaborado una serie de entrevistas a expertos en cada uno de estos temas y ha creado la serie “17 caras para los ODS”, que se publica en la sección byzness, en la sección de economía de El Periódico. En este caso, tuve la oportunidad de ser entrevistado en relación al ODS-9, en especial con lo relacionado con las infraestructuras. La entrevista completa la podéis ver en: https://byzness.elperiodico.com/es/entorno/20191031/entrevusta-ods-9-victor-yepes-upv-infraestructuras-sostenibles-7707560 pero os pongo aquí un extracto de la misma. Espero que os sea de interés.

  1. El sector de la construcción es uno de las que más recursos naturales consume y uno de las que más gases de efecto invernadero emite. ¿Qué pasos deben darse para ir hacia una industria más sostenible?

La construcción es una actividad humana que permite el desarrollo de infraestructuras de todo tipo cuyo objetivo último es garantizar la economía y el bienestar de la población. Dicha actividad, junto con la minería, conforma un sector que es uno de los que consume mayor cantidad de recursos naturales, tanto renovables como no renovables. Para hacerse una idea, agota 2/5 partes de los áridos y ¼ de la madera, consumiendo el 40% de la energía total y el 16% de agua al año. Además, la fabricación del cemento necesario para la producción de hormigón origina, aproximadamente, un 7% del total de CO2 emitido a la atmósfera. Si se quiere mantener tanto la actividad económica como el bienestar social, resulta evidente que hay que reorientar la industria de la construcción para reducir al máximo este tipo de impactos. La buena noticia es que se ha desarrollado tecnología suficiente para que ello sea posible. Se trata proyectar y construir de forma diferente, considerando el impacto originado por el ciclo de vida completo de las infraestructuras, que no solo deben ser seguras, económicas, funcionales y con alta durabilidad, sino que desde el proyecto se deben incorporar otros objetivos como son los ambientales y los sociales. En este sentido, la prefabricación, el desarrollo de nuevos materiales y productos, la incorporación de técnicas de trabajo colaborativo tipo BIM, la inteligencia artificial, la monitorización y el seguimiento en tiempo real de las infraestructuras, la robotización y la automatización de los procesos constructivos, las nuevas formas de gestión como Lean Construction, entre otras muchas, son técnicas que permiten una gestión inteligente no solo de la construcción, sino del mantenimiento y explotación de las infraestructuras incorporando objetivos adicionales que, y esto es lo más importante, deben valorarse y exigirse por parte de la sociedad, la administración y las empresas.

  1. ¿Pueden avances tecnológicos tales como la inteligencia artificial o el big data contribuir a construir estructuras de manera más sostenible?

Tal y como hemos comentado anteriormente, estos avances tecnológicos son factores susceptibles de mejorar la sostenibilidad de las infraestructuras, pero son claramente insuficientes. El manejo de ingentes cantidades de datos para su uso en la toma de decisiones ha superado ampliamente las expectativas que solo hace unos pocos años se tenían al respecto. Esta misma semana se ha presentado en la revista Nature la primera demostración empírica del concepto de supremacía cuántica. Así, con una noticia que ha destapado cierta controversia, Google afirma que ha realizado en 200 segundos una tarea que, según sus cálculos, hubiera costado 10.000 años al superordenador más potente del mundo. Las implicaciones de todo tipo de este avance causan vértigo.

En efecto, esto abre una puerta de una importancia insospechada, pues permitirá, en breve, modelizar todo tipo de infraestructuras, construyendo gemelos digitales “Digital Twins”, que interactuarán con sus correspondientes entes reales retroalimentando, mejorando el modelo y dando previsiones en tiempo real sobre el comportamiento presente y futuro de las infraestructuras. La ingeniería del futuro inmediato no proyectará simplemente, sino que construirá modelos digitales antes de la materialización de las obras, y que luego retroalimentará con datos actualizados para tomar decisiones en tiempo real durante toda su vida útil. Además, del aprendizaje automático de la retroalimentación, se obtendrá conocimiento aplicable a otros casos similares. Estos modelos híbridos entre el mundo real y el digital estarán conectados en red, con lo que la suma de conocimiento será exponencial. Evidentemente, entre los datos de los que se alimentará el modelo estarán los que influyen en los aspectos de sostenibilidad antes mencionados, pero seguro que en muchos otros que ahora, incluso, no somos capaces de adivinar y que incluirán el comportamiento de las infraestructuras ante hechos que se consideraban poco probables (catástrofes climáticas, geológicas, inestabilidad social, etc.).

Sin embargo, he comentado que no son condiciones suficientes para el cambio. Al final, será el factor humano el que tenga que decidir en base a las previsiones y modelos a su alcance. Se dispondrá de mayor información, pero la responsabilidad última debería ser humana.

  1. Cuando se habla de sostenibilidad, sobre todo en sectores como la construcción, se tiende a pensar que hablamos únicamente de impacto ambiental. ¿Qué otros factores se evalúan?

Se ha hablado mucho de sostenibilidad ambiental en estos últimos años, de igual forma que antes se orientaban las infraestructuras hacia la sostenibilidad económica. Ambos factores deben seguir siendo prioritarios cuando se planifican, construyen y gestionan las infraestructuras. Sin embargo, hoy día cobra mayor importancia la sostenibilidad social. Este es un aspecto más complejo de analizar y es objeto de estudio en los últimos trabajos publicados en el ámbito científico.

En efecto, ya se ha dicho que las infraestructuras de todo tipo (carreteras, puertos, presas, encauzamientos, túneles, telecomunicaciones, hospitales, depuradoras, vivienda, ferrocarriles, industrias, etc.), a las cuales habría que añadir otras como las playas, el paisaje, los bosques, los océanos, los ríos o los ecosistemas naturales, son fundamento de las actividades económicas y del bienestar social presente y futuro de todos. Al comportarse como sistemas, cualquier alteración en una parte afectará al resto de forma irremediable.

Así, la implantación de una infraestructura en un territorio tiene un efecto a corto plazo en aspectos sociales como el empleo y otros a largo plazo como el despegue de determinadas actividades económicas. Pero el efecto es diferente en función del territorio. No es lo mismo la implantación de un hospital en una población aislada, sin ninguna infraestructura de este tipo, que la misma infraestructura en una ciudad donde ya existen decenas de hospitales.

El impacto social, por tanto, tiene al tiempo como un factor clave. Pero es que son muchos los impactos a valorar. Se ha mencionado el empleo pero se puede seguir con la sanidad, la educación, la seguridad ciudadana, la equidad social, la esperanza de vida, y otros que derivan directamente de aspectos ambientales como el ruido, la contaminación del agua, del aire, etc. En definitiva se trata del bienestar social, habiendo gobiernos, como el neozelandés, que ya anunciado que su presupuestó no se basará en el PIB como indicador de prosperidad, sino en otro basado en el bienestar. Llevado al extremo se podría hablar del índice de felicidad nacional propuesto por Bután.

Pero el problema aún es más complejo. Gran parte de las infraestructuras de todo tipo de la que gozan muchas naciones se han financiado a largo plazo y no se han previsto presupuestos suficientes para su mantenimiento. Se trata de una verdadera “crisis de las infraestructuras” de la que muy pocos hablan. La profunda crisis financiera global del 2008 priorizó la reducción a toda costa del déficit público. Esta crisis puede provocar que las generaciones futuras tengan que pagar la deuda de unas infraestructuras que disfrutaron sus padres y que ellos, además, se vean obligados a reparar. Por tanto, la equidad intergeneracional cobra una especial importancia en el caso de la gestión de las infraestructuras.

  1. ¿Cómo podemos saber si una infraestructura es o no sostenible? ¿Hay criterios unificados, ya sea técnicos o de otro tipo?

Desde mi punto de vista, el análisis del ciclo de vida constituye un proceso objetivo que permite evaluar las cargas ambientales y sociales asociadas a un producto, proceso o actividad, y por tanto, también a las infraestructuras. Se trata de una metodología que realiza un análisis de la cuna a la tumba, es decir, se trata de una herramienta de diseño que investiga y evalúa todos los impactos que incluye desde la extracción de las materias primas, la producción, distribución, uso y final de la vida útil, con su posible reutilización, reciclaje, valorización o eliminación de los residuos o desechos. Las normas internacionales ISO 140040 (principios y marco de referencia del análisis del ciclo de vida) e ISO 140044 (requisitos y directrices) son los documentos marco para dicho análisis. Aquí, lo más importante, es la coherencia y las hipótesis realizadas en las valoraciones. Por tanto, la existencia de amplias bases de datos actualizadas y consensuadas supone una necesidad para este tipo de evaluaciones. Además, estas evaluaciones deben ser transparentes y susceptibles de ser analizadas y criticadas por terceros a la hora de comparar distintos productos, procesos o servicios. También en el ámbito del sector de la construcción. La exigencia por parte de las administraciones públicas de la inclusión de análisis detallados de ciclo de vida en los proyectos de infraestructuras debería ser ya una obligación ineludible.

  1. ¿En qué consiste el método de redes bayesianas? ¿Existen otras metodologías que se puedan aplicar a la toma de decisiones relacionadas con la sostenibilidad social de los proyectos?

En preguntas anteriores hemos insistido en la importancia del factor humano en la toma de decisiones. Sin embargo, los datos de partida, las hipótesis o los criterios tomados pueden verse afectados por imprecisiones, cambios en los escenarios previstos o por cierta variabilidad que puede influir en el resultado de la decisión. Para evitar este tipo de problemas asociados con la incertidumbre, la investigación científica en este campo incluye análisis de sensibilidad en sus estudios para comprobar si las decisiones tomadas son robustas frente a cierta variación en las hipótesis o datos considerados. Las redes bayesianas, la lógica difusa, la teoría neutrosófica, la teoría de juegos, entre otros, son herramientas que sirven a este efecto.

Como se puede comprobar, las herramientas necesarias para afrontar este tipo de problemas de decisión tan complejos están a disposición de la comunidad científica. Ahora falta transferir de forma efectiva estos conocimientos al tejido empresarial y a las administraciones públicas para garantizar al máximo la toma de decisiones en aspectos tan relevantes como son las infraestructuras.

  1. ¿Cómo se educa a un ingeniero en sostenibilidad?

Existen al menos dos aproximaciones respecto a esta cuestión. La primera es la introducción paulatina de conceptos de sostenibilidad en las asignaturas que conforman el currículo del ingeniero. Incluso con asignaturas específicas donde se trate este tema. Se trata de un enfoque reactivo, una respuesta lenta y desfasada en el tiempo respecto a las necesidades. No obstante, este enfoque ya se está aplicando en gran parte de nuestras universidades.

Pero no es suficiente. No hay que olvidar que las escuelas técnicas deberían formar ingenieros para enfrentarse a una profesión que será totalmente diferente a la actual. Dicho de otra forma, la segunda aproximación sería la formación del ingeniero para la profesión que ejercerá dentro, digamos, de 20 años. Este segundo enfoque, sin duda, sería el adecuado y el más efectivo. Sin embargo, aunque se vislumbra lo que puede ser el futuro, sin duda, éste es incierto, y ello no deja de ser un obstáculo más a vencer.

Por tanto, habría que tomar una posición pragmática respecto a la educación. Debe existir una interacción constante entre la oferta y la demanda de cualificaciones en el mercado de trabajo. Por una parte, es imprescindible una adaptación constante de los planes de estudio a las nuevas realidades, venciendo muchas inercias internas. Por otro lado, la universidad debería incorporar lo antes posible al proceso de aprendizaje de los estudiantes las últimas novedades técnicas y científicas. Pero, además, esta transferencia debería también ser efectiva en las empresas y en las administraciones públicas. Las inercias en la licitación, adjudicación, construcción, gestión y mantenimiento de las infraestructuras dificultan enormemente el rápido cambio que demanda la sociedad.

  1. ¿Hay inquietud por la innovación en sostenibilidad en el ámbito universitario? ¿Existen ejemplos de proyectos de investigación académicos de universidades españolas relacionados con infraestructuras sostenibles?

La respuesta es afirmativa. Los proyectos de investigación acometidos por las universidades se financian por administraciones públicas, por empresas u otro tipo de entidades que orientan claramente sus objetivos hacia aspectos relacionados con la sostenibilidad. Dicho de otro modo, resulta difícil encontrar un proyecto de investigación actual que no se relacione, en mayor o menor medida, con alguno de los objetivos de sostenibilidad, ya sea ambiental o social. Por otra parte, el desarrollo tecnológico y la innovación basada en aspectos relacionados con la sostenibilidad constituyen, probablemente, el aspecto más trabajado en el ámbito empresarial. Ejemplos como la compra pública innovadora, la industrialización de viviendas sostenibles, la normalización y la prefabricación, ciudades inteligentes, economía circular, nuevos materiales, carreteras sostenibles, puentes inteligentes, optimización energética en viviendas, infraestructuras resilientes, son entre otros muchos más ejemplos, casos reales de I+D+I en el ámbito de las infraestructuras sostenibles. En el caso de nuestro grupo de investigación, en la Universidad Politécnica de Valencia, el último proyecto en el que estamos inmersos se denomina DIMALIFE: “Diseño y mantenimiento óptimo robusto y basado en fiabilidad de puentes e infraestructuras viarias de alta eficiencia social y medioambiental bajo presupuestos restrictivos”. Como se puede comprobar, esta línea de investigación es muy actual y productiva en resultados científicos.

Pero no todo son buenas noticias. Según el último informe COTEC 2019 sobre la innovación en España, los presupuestos de la Administración General del Estado y los de las Comunidades Autónomas redujeron las partidas destinadas a I+D+I, con unas bajas tasas de ejecución. En el año 2017 la inversión en I+D llegó al 1,20% del PIB, lejos del 2% que se fijó para el 2020. Estas cifras no son mucho mejores en el ámbito de la construcción. Por tanto existe un claro déficit presupuestario en los sectores públicos y privados que apoyen de forma más decidida la innovación, especialmente en el ámbito de la construcción.

  1. ¿Qué países del mundo muestran un mayor poderío en infraestructura sostenible? ¿Qué podemos aprender de ellos?

Es difícil establecer un ranking de países que lideren la construcción sostenible. Existen ejemplos como Noruega, donde la construcción de la Ópera de Oslo supuso un punto de inflexión en cuanto a la arquitectura sostenible. También existen ejemplos en países como Irlanda, Canadá o Australia. Otros países son contradictorios. Así, el Hotel Aliah, construido con motivo del Campeonato Mundial de Fútbol de 2014 es un ejemplo de los proyectos más ecológicos de Brasil, lo cual no significa que este país sea, en todos los ámbitos, líder en esta lista de construcción sostenible.

El problema, desde mi punto de vista, debería ser la lista de los países que están consumiendo de forma masiva recursos en la construcción, por estar en procesos de rápido crecimiento económico, o bien los países más contaminantes del mundo, entre los que estarían China, Estados Unidos, la India o Rusia.

  1. ¿Quién está innovando hoy más en el sector de las infraestructuras en España?

La capacidad tecnológica e innovadora de las empresas constructoras y consultoras españolas es de primer nivel en el ámbito internacional. Baste recordar que son estas empresas las que están abordando el diseño, la construcción y la gestión de grandes y complejos proyectos de infraestructuras. Pero esto no es fruto de la casualidad. La crisis económica en España trajo consigo una fuerte internacionalización de las empresas del sector de la construcción y de la gestión de infraestructuras que lideran las listas de las empresas mayores del mundo por ingresos internacionales.

Por tanto, la innovación en el ámbito de las infraestructuras no ha sido gratuita, sino que deriva de la experiencia adquirida en grandes obras realizadas en nuestro país (carreteras, obras hidráulicas, puertos, ferrocarriles, etc.) y de la sólida formación técnica recibida por nuestros ingenieros.

No obstante, la gestión de las grandes obras de infraestructuras, del transporte, del territorio, etc., alcanza no solo al ámbito del proyecto y la construcción, sino también al de la gestión. Es por ello que las administraciones y empresas públicas han incorporado gran parte de las innovaciones que en el ámbito de las estructuras se han desarrollado en los últimos años.

Con todo, no hay que olvidar el fuerte esfuerzo realizado en el ámbito de la investigación y el desarrollo tecnológico por parte de las universidades, institutos de investigación y empresas. No solo ha sido investigación básica, sino también investigación aplicada que ha sido transferida, en numerosas ocasiones, al tejido empresarial.

  1. ¿Qué opinas de los Objetivos de Desarrollo Sostenible enunciados por la ONU? ¿Se cumplirá la Agenda 2030?

La buena noticia es que existen dichos objetivos y se están difundiendo y trabajando en ellos de forma global. Sin duda, ha sido un gran acierto plasmar en un documento los grandes objetivos que tenemos por delante si, como especie, queremos sobrevivir. Es seguro que se lograrán avances en muchos de los aspectos planteados. Sin embargo, en mi opinión, existe cierto desfase entre la necesidad de cumplir con los objetivos y la emergencia que existe por conseguirlos. Desgraciadamente no todos los países, especialmente algunos de los más influyentes, están totalmente alineados con la consecución de estos objetivos por múltiples motivos. No obstante, creo que los avances tecnológicos, especialmente en el ámbito de la inteligencia artificial y las nuevas capacidades de los ordenadores cuánticos, pueden suponer un punto de inflexión. Lo que no tengo claro es si llegaremos a tiempo. Tampoco si nuestros déficits en cuanto a ética y valores seguirán aumentando a la misma velocidad que nuestros avances tecnológicos. Espero que el sentido común sea uno de los efectos positivos de la globalización, pues se trata de una de las armas más potentes, junto con la voluntad de acción, de las que disponemos para afrontar el futuro.

 

Os dejo unos vídeos sobre el ODS-9. Son de carácter divulgativo, pero pueden ser de interés.

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Computación cuántica y gemelos híbridos digitales en ingeniería civil y edificación

La ciudad Estado de Singapur desarrolla una copia virtual de sí misma, un proyecto basado en big data, IoT, computación en la nube y realidad virtual. https://www.esmartcity.es/2019/03/22/singapur-gemelo-digital-posibilidades-ofrece-ciudad-inteligente-tener-copia-virtual-exacta

En menos de una década, gran parte de los ingenieros dejarán de hacer proyectos, tal y como lo conocemos ahora, y pasarán a ser gestores de gemelos híbridos digitales de infraestructuras.

Este podría ser un buen titular periodístico que, incluso podría parecer ciencia ficción, pero que tiene todos los visos de convertirse en realidad en menos tiempo del previsto. Se podría pensar que las tecnologías BIM o los modelos digitales actuales ya son una realidad, es decir, se trata de dar un nuevo nombre a lo que ya conocemos y está en desarrollo, pero de lo que estamos hablando es de un nuevo paradigma que va a revolver los cimientos de la tecnología actual en el ámbito de la ingeniería. Voy a desgranar esta conclusión explicando cada uno de los avances y los conceptos que subyacen al respecto.

La semana pasada tuve la ocasión de escuchar la conferencia magistral, en el Congreso CMMoST, de Francisco Chinesta, catedrático en la ENSAM ParisTech e ingeniero industrial egresado por la Universitat Politècnica de València. Trataba de un nuevo paradigma en la ingeniería basada en datos y no era otra que la de los gemelos híbridos digitales, un paso más allá de la modelización numérica y de la minería de datos. Este hecho coincidió con el anuncio en prensa de que Google había publicado en la prestigiosa revista Nature un artículo demostrando la supremacía cuántica, un artículo no exento de polémica, pues parece ser que se diseñó un algoritmo que tiene como objetivo generar números aleatorios mediante un procedimiento matemático muy complejo y que obligaría al superordenador Summit, que es actualmente el más potente del mundo gracias a sus 200 petaflops, a invertir 10.000 años en resolver el problema, que que el procesador cuántico Sycamore de 54 qubits de Google habría resuelto en tres minutos y 20 segundos.

Si nos centramos en la supuesta supremacía cuántica de Google, se debería matizar la noticia al respecto. En efecto, IBM ya se ha defendido diciendo que su ordenador Summit no se encuentra tan alejado, pues se ha resuelto un problema muy específico relacionado con generar números aleatorios y que parece que Sycamore sabe resolver muy bien. De hecho, IBM afirma que ha reajustado su superordenador y que ahora es capaz de resolver ese mismo problema en 2,5 días con un margen de error mucho menor que el ordenador cuántico. Aquí lo importante es saber si esta computación cuántica estará, sin trabas o límites, accesible a cualquier centro de investigación o empresa para resolver problemas de altísima complejidad computacional (problemas NP-hard como pueden ser los de optimización combinatoria). Tal vez los superordenadores convencionales servirán para resolver unos problemas específicos en tareas convencionales, y los cuánticos, imparables en resolver otro tipo de problemas. Todo se andará, pero parece que esto es imparable.

Por tanto, parece que el hardware necesario para la una computación ultrarrápida está o estará a nuestro alcance en un futuro no muy lejano. Ahora se trata de ver cómo ha cambiado el paradigma de la modelización matemática. Para ello podríamos empezar definiendo al “gemelo digital”, o digital twin. Se trata de un modelo virtual de un proceso, producto o servicio que sirve de enlace entre un ente en el mundo real y su representación digital que está utilizando continuamente datos de los sensores. A diferencia del modelado BIM, el gemelo digital no representa exclusivamente objetos espaciales, sino que también podría representar procesos, u otro tipo de entes sin soporte físico. Se trata de una tecnología que, según todos los expertos, marcarán tendencia en los próximos años y que, según el informe “Beyond the hype“, de KPMG, será la base de la cuarta Revolución Industrial.

https://www.geofumadas.com/por-que-usar-gemelos-digitales-en-la-construccion/

Sin embargo, el gemelo digital no es una idea nueva, pues a principios de este siglo ya la introdujo Michael Grieves, en colaboración con John Vickers, director de tecnología de la NASA. Esta tecnología se aplica al Internet de las Cosas, que se refiere a la interconexión digital de objetos cotidianos con internet. Además, se encuentra muy relacionada con la inteligencia artificial y con la minería de datosdata-mining“. Empresas como Siemens ya están preparando convertir sus plantas industriales en fábricas de datos con su gemelo digital, o General Electric, que cuenta ya con 800.000 gemelos digitales para monitorizar virtualmente la cadena de suministro.

Con todo, tal y como explicó el profesor Chinesta (Chinesta et al., 2018), existe actualmente un cambio de paradigma hacia los gemelos digitales híbridos que, extrapolando su uso, va a significar la gran revolución en la forma de proyectar y gestionar las infraestructuras, tal y como avancé al principio del artículo.

En efecto, los modelos utilizados en ciencia y en ingeniería son muy complejos. La simulación numérica, la modelización y la experimentación han sido los tres pilares sobre los que se ha desarrollado la ingeniería en el siglo XX. La modelización numérica, que sería el nombre tradicional que se ha dado al “gemelo digital” presenta problemas prácticos por ser modelos estáticos, pues no se retroalimentan de forma continua de datos procedentes del mundo real a través de la monitorización continua. Estos modelos numéricos (usualmente elementos finitos, diferencias finitas, volumen finito, etc.) son suficientemente precisos si se calibran bien los parámetros que lo definen. La alternativa a estos modelos numéricos son el uso de modelos predictivos basados en datos masivos big-data, constituyendo “cajas negras” con alta capacidad de predicción debido a su aprendizaje automáticomachine-learning“, pero que esconden el fundamento físico que sustentan los datos (por ejemplo, redes neuronales). Sin embargo, la experimentación es extraordinariamente cara y lenta para alimentar estos modelos basados en datos masivos.

El cambio de paradigma, por tanto, se basa en el uso de datos inteligentes “smart-data paradimg“. Este cambio se debe basar, no en la reducción de la complejidad de los modelos, sino en la reducción dimensional de los problemas, de la retroalimentación continua de datos del modelo numérico respecto a la realidad monitorizada y el uso de potentes herramientas de cálculo que permitan la interacción en tiempo real, obteniendo respuestas a cambios paramétricos en el problema. Dicho de otra forma, deberíamos poder interactuar a tiempo real con el gemelo virtual. Por tanto, estamos ante otra realidad, que es el gemelo virtual híbrido.

Por tanto, estamos ahora en disposición de centrarnos en la afirmación que hice al principio. La nueva tecnología en gemelos digitales híbridos, junto con la nueva capacidad de cálculo numérico en ciernes, va a transformar definitivamente la forma de entender, proyectar y gestionar las infraestructuras. Ya no se trata de proyectar, por ejemplo, un puente. Ni tampoco estamos hablando de diseñar un prototipo en 3D del mismo puente, ni siquiera de modelar en BIM dicha estructura. Estamos hablando de crear un gemelo digital que se retroalimentará continuamente del puente real, que estará monitorizado. Se reajustarán los parámetros de cálculo del puente con los resultados obtenidos de la prueba de carga, se podrán predecir las labores de mantenimiento, se podrá conocer con antelación el comportamiento ante un fenómeno extraordinario como una explosión o un terremoto. Por tanto, una nueva profesión, que será la del ingeniero de gemelos virtuales híbridos de infraestructuras será una de las nuevas profesiones que reemplazarán a otras que quedarán obsoletas.

Se tratará de gestionar el gemelo durante el proyecto, la construcción, la explotación e incluso el desmantelamiento de la infraestructura. Se podrán analizar cambios de usos previstos, la utilización óptima de recursos, monitorizar la seguridad, y lo más importante, incorporar nuevas funciones objetivo como son la sostenibilidad económica, medioambiental y social a lo largo del ciclo de vida completo. Este tipo de enfoque es el que nuestro grupo de investigación tiene en el proyecto DIMILIFE. Proyectos como puentes, presas, aeropuertos, redes de carreteras, redes de ferrocarriles, centrales nucleares, etc. tendrán su gemelo digital. Para que sea efectivo, se deberá prever, desde el principio, la monitorización de la infraestructura para ayudar a la toma de decisiones. Además, servirá para avanzar en la aproximación cognitiva en la toma de decisiones (Yepes et al., 2015).

Os paso a continuación un vídeo sobre el uso de los gemelos digitales en la ciudad de Singapur.

A continuación os pongo un vídeo sacado de la página de Elías Cueto, de la Universidad de Zaragoza, en la que vemos cómo se interactúa con un gemelo virtual de un conejo.

 

En este otro vídeo, el profesor Chinesta explica el cambio de paradigma del que hemos hablado anteriormente en el artículo.

¿Qué es la computación cuántica? Aquí tenemos un vídeo de Eduardo Sáenz de Cabezón:

Referencias:

Chinesta, F.; Cueto, E.; Abisset-Chavanne, E.; Duval, J.L. (2018). Virtual, Digital and Hybrid Twins: A New Paradigm in Data-Based Engineering and Engineered Data. Archives of Computational Methods in Engineering, DOI: 10.1007/s11831-018-9301-4

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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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).

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Comunicaciones presentadas al CMMoST 2019. 5th International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering

Durante los días 23 a 25 de octubre de 2019 se celebra en la Universidad de Alicante el congreso internacional CMMoST 2019 (5th International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering). En la sesión de mañana, a las 12:00 horas, nuestro grupo de investigación presenta en la Sala de Grados, bajo la presidencia de Salvador Ivorra, cuatro comunicaciones.

El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación DIMALIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. Os dejo aquí las referencias y los resúmenes por si os resulta de interés.

MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2019). Diseño de experimentos factorial completo aplicado al proyecto de muros de contención. 5th International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering, CMMoST 2019, 23-25 oct 2019, Alicante, Spain.

ABSTRACT: This paper applies a complete factorial design to a five-meter wall to evaluate which variables most influence the response. This method is used for two target functions, CO2 emissions and the cost of the structure. To do this, 32 evaluations of the structure are performed using a computer program and a statistical analysis is carried out. The results of this analysis show that the most statistically representative factor is the thickness of the wall and the length of the toe is of little importance for both target functions. The result of the models considering only the variables without the interaction results in an R2 greater than 95%, so the interaction between variables, although it is proven to exist, is not relevant to the case study. This methodology allows to reduce the complexity of structural problems, reducing the number of variables.

PENADÉS-PLÀ, V.; YEPES, V.; GARCÍA-SEGURA, T. (2019). Metodología para valorar la sostenibilidad con baja influencia de los decisores. 5th International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering, CMMoST 2019, 23-25 oct 2019, Alicante, Spain.

ABSTRACT: The goal of achieving sustainable structures involves a set of criteria that are usually opposed. This leads to the need to create a decision-making process. In every decision-making process there are subjective assessments that depend on the decision-maker. This is why decision-makers become an important part of the process because of their subjective assessment. This paper proposes a methodology in which the subjective assessment of the decision-maker in the assessment of sustainability in structures is reduced. Different processes are applied to reduce uncertainty in decision-making processes. In the first place the analysis of main components is applied, in the second place the optimization based on kriging, and finally the AHP method. All this is applied to a continuous concrete deck of beams for pedestrian walkways to achieve sustainable designs, reducing the complexity in making decisions on the most sustainable solution.

YEPES, V.; PENADÉS-PLÀ, V.; GARCÍA-SEGURA, T. (2019). Aplicación de optimización Kriging para la búsqueda de estructuras óptimas robustas. 5th International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering, CMMoST 2019, 23-25 oct 2019, Alicante, Spain.

ABSTRACT: All the structural problems have an associated variability or uncertainty. In the design of structures there are parameters such as the dimensions of the structure, the mechanical characteristics of the materials or the loads that can have variations with respect to the design value. The goal of the robust design optimization is to obtain the design that is optimum and is less sensitive to variations of these uncertain initial parameters. The main limitation of the robust design optimization is the high computational cost required due to the high number of optimizations that must be made to assess the sensitivity of the objective response of the problem. For this reason, kriging model is applied to carry out the optimization process more efficiently. In this work, it is going to apply the robust design optimization on a continuous pedestrian bridge of prestressed concrete and box section.

YEPES, V.; MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; MARTÍ, J.V. (2019). Optimización de muros de hormigón mediante la metodología de la superficie de respuesta. 5th International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering, CMMoST 2019, 23-25 oct 2019, Alicante, Spain.

ABSTRACT: This study presents an application of the response surface methodology to optimize a 5 m high concrete wall. The objective of this research work is to obtain a design solution of a concrete wall, using the CO2 emissions as an objective function to reduce its impact. To reach this objective, a factorial experimental design has been carried out to reduce the number of variables. After this, a steepest descent method has been used to look for the optimum neighborhood. Once the region around the optimum has been found, a second order response surface has been adjusted to reach the minimum. The objective function has been modified to allow a penalty for solutions that do not meet the Ultimate Limit States or stability restrictions. With this methodology, a good solution has been obtained, while also allowing the identification of the geometric design variables that mainly affect CO2 emissions.

 

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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Joaquín Pons, becado por la Caixa

Joaquín Pons, junto con el Director de la ETSICCP de Valencia, Eugenio Pellicer

A veces ser profesor tiene compensaciones que van más allá de tus tareas habituales. Es el caso de Joaquín Pons, que fue becario de investigación en mi grupo durante el curso 2018-2019. He tenido el privilegio de dirigir a Joaquín, junto con el profesor Ricardo Insa, durante estos últimos años tanto en su Trabajo Fin de Grado (que por cierto, obtuvo la máxima calificación posible) como sus estudios de investigación cuando apenas había acabado el segundo curso de Ingeniería Civil.

Su TFG tenía el título siguiente: “Estudio de soluciones para la construcción y mantenimiento de superestructuras ferroviarias mediante criterios de sostenibilidad y análisis del ciclo de vida. Aplicación a la línea de Alta Velocidad Madrid-Norte de España“. Ya tendré ocasión de hablar de este trabajo, absolutamente brillante. Ha sido la primera vez que un TFG ha incluido en su resolución, los objetivos de desarrollo sostenible 2030 (contemplando la sostenibilidad social y ambiental en un proyecto).

Tanto es así, que publicamos un artículo científico de muy alto impacto (en el primer decil del JCR) cuando apenas estaba cursando el tercer curso de su grado. Ya hemos enviado un segundo artículo y, estamos preparando un tercero. Se trata, de un alumno muy brillante, como veis. Cómo no, obtuvo el mejor expediente académico de su promoción en este curso que terminó.

Pues bien, tengo la satisfacción de dar la noticia de que Joaquín ha conseguido una de las 10 becas de La Caixa para estudios de posgrado en universidades europeas, en el ámbito de las ingenierías y las tecnologías. La entidad financiera La Caixa convoca cada año su programa de becas para cursar estudios de posgrado en cualquier universidad o centro de enseñanza superior de cualquier país del Espacio Europeo de Educación Superior.

861 estudiantes con altas calificaciones de toda España optaron a las becas (de todos los ámbitos y estudios universitarios). Finalmente se han concedido 75 y de ellas solo 10 al ámbito de las ingeniería y tecnologías. Una de estas 10 becas es la que ha recibido Joaquín.  La cuantía de la beca “cubre la matrícula del programa de estudios, una dotación mensual y otras dotaciones para gastos relacionados con los estudios”.

Según nos explica el propio Joaquín: “voy a estudiar el MSc Transport and Business Management, ofrecido conjuntamente por el Imperial College London y UCL, durante el próximo año. Son 90 ECTS, de octubre a octubre, sin vacaciones en verano”.

Para la Escuela de Caminos de la UPV, pero sobre todo para mí como director en su trayectoria, es un orgullo formar a estudiantes capaces de conseguir estas becas competitivas, ¡Enhorabuena, Joaquín!

Referencias:

PONS, J.J.; PENADÉS-PLÀ, V.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2018). Life cycle assessment of earth-retaining walls: An environmental comparison. Journal of Cleaner Production, 192:411-420. DOI:1016/j.jclepro.2018.04.268

Special Issue “Sustainable Construction II”

High visibility: indexed by the Science Citation Index Expanded, the Social Sciences Citation Index (Web of Science) and other databases. Impact Factor: 2.801 (2018)

Special Issue “Sustainable Construction II”

A special issue of Sustainability (ISSN 2071-1050). This special issue belongs to the section “Sustainable Engineering and Science“.

Deadline for manuscript submissions: 30 June 2020.

Special Issue Editors

Guest Editor

Prof. Dr. Víctor Yepes
Concrete Science and Technology Institute (ICITECH), Department of Construction Engineering and Civil Engineering Projects, Universitat Politècnica de València Valencia, Spain
Interests: multi-objective optimization; life-cycle assessment; decision-making; sustainability; concrete structures; CO2 emissions; construction management

Guest Editor

Prof. Dr. José V. Martí
Concrete Science and Technology Institute (ICITECH), Department of Construction Engineering and Civil Engineering Projects, Universitat Politècnica de València Valencia, Spain
Interests: multiobjective optimization; structures optimization; lifecycle assessment; social sustainability of infrastructures; construction engineering

Special Issue Information

Dear Colleagues,

This “Sustainable Construction” Special Issue comprises selected papers for Sustainability. Construction is one of the main sectors generating greenhouse gases. This industry consumes large amounts of raw materials, such as stone, timber, water, etc. Additionally, infrastructure should provide service over many years without safety problems. Therefore, their correct design, construction, maintenance and dismantling are essential to reduce economic, environmental and societal consequences. That is why promoting sustainable construction is becoming extremely important nowadays. This Special Issue is seeking papers that explore new ways of reducing the environmental impacts caused by the construction sector, as well promoting social progress and economic growth. These objectives include, but are not limited to:

  • The use of sustainable materials in construction
  • The development of technologies and processes intended to improve sustainability in construction
  • The optimization of designs based on sustainable indicators
  • The reduction of the economic, environmental and social impact caused by production processes
  • The promotion of durable materials that reduce the future maintenance
  • The life-cycle assessment
  • Decision-making processes that integrate economic, social, and environmental aspects

Papers selected for this Special Issue are subject to a rigorous peer-review procedure with the aim of rapid and wide dissemination of research results, developments and applications.

Submission

Manuscripts should be submitted online at www.mdpi.com by registering and logging in to this website. Once you are registered, click here to go to the submission form. Manuscripts can be submitted until the deadline. All papers will be peer-reviewed. Accepted papers will be published continuously in the journal (as soon as accepted) and will be listed together on the special issue website. Research articles, review articles as well as short communications are invited. For planned papers, a title and short abstract (about 100 words) can be sent to the Editorial Office for announcement on this website.

Submitted manuscripts should not have been published previously, nor be under consideration for publication elsewhere (except conference proceedings papers). All manuscripts are thoroughly refereed through a single-blind peer-review process. A guide for authors and other relevant information for submission of manuscripts is available on the Instructions for Authors page. Sustainability is an international peer-reviewed open access semimonthly journal published by MDPI.

Keywords

  • sustainable materials
  • life-cycle assessment
  • sustainable and efficient technologies and processes
  • design optimization
  • durable materials
  • maintenance minimization
  • decision-making

Técnicas heurísticas para el diseño de pasarelas mixtas

Acaban de publicarnos un artículo en la revista científica Applied Sciences (indexada en el JCR, Q2) un artículo que trata sobre el uso de distintas técnicas heurísticas para optimizar una pasarela de sección mixta hormigón-acero. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación DIMALIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

El objetivo de este trabajo ha sido aplicar técnicas de optimización heurística a un puente peatonal compuesto de hormigón y acero, modelado como una viga biapoyada. Se ha desarrollado un programa específico en Fortran, capaz de generar puentes peatonales, comprobar todos sus estados límite y evaluar su coste. Se han utilizado en este trabajo los siguientes algoritmos: búsqueda local de descenso (DLS), un recocido simulado híbrido con un operador de mutación (SAMO2) y una optimización de enjambres de luciérnagas (GSO) en dos variantes. Los resultados se compararon según el coste más bajo. Los algoritmos GSO y DLS combinados obtuvieron los mejores resultados en términos de coste. Además, se ha estudiado la comparación entre las emisiones de CO2 asociadas a la cantidad de materiales obtenidos por cada técnica heurística y la solución de diseño original. Finalmente, se realizó un estudio paramétrico en función de la longitud de vano del puente peatonal.

El artículo se ha publicado en abierto, y se puede descargar en el siguiente enlace: https://www.mdpi.com/2076-3417/9/16/3253

ABSTRACT:

The objective of this work was to apply heuristic optimization techniques to a steel-concrete composite pedestrian bridge, modeled like a beam on two supports. A program has been developed in Fortran programming language, capable of generating pedestrian bridges, checking them, and evaluating their cost. The following algorithms were implemented: descent local search (DLS), a hybrid simulated annealing with a mutation operator (SAMO2), and a glow-worms swarm optimization (GSO) in two variants. The first one only considers the GSO and the second combines GSO and DLS, applying the DSL heuristic to the best solutions obtained by the GSO. The results were compared according to the lowest cost. The GSO and DLS algorithms combined obtained the best results in terms of cost. Furthermore, a comparison between the CO2 emissions associated with the amount of materials obtained by every heuristic technique and the original design solution were studied. Finally, a parametric study was carried out according to the span length of the pedestrian bridge.

Keywords: pedestrian bridgecomposite structuresoptimizationmetaheuristicsstructural design

REFERENCIA:

Yepes, V.; Dasí-Gil, M.; Martínez-Muñoz, D.; López-Desfilis, V.J.; Martí, J.V. Heuristic Techniques for the Design of Steel-Concrete Composite Pedestrian Bridges. Appl. Sci. 20199, 3253.

Descargar (PDF, 3.69MB)

 

 

Reciclado de firmes in situ con cemento

Tren de reciclado. http://pa-12.blogspot.com.es/2009/03/tren-de-reciclado.html

El reciclado de firmes in situ con cemento constituye una técnica de rehabilitación que consiste en transformar el firme deteriorado tomando como fuente de suministro de áridos la propia carretera. Es una técnica sostenible puesto que podría evitar, según el IECA, la extracción de unas 800.000 t de áridos. El procedimiento constructivo consiste en disgregar el firme existente en la profundidad requerida, mezclar el material resultante con cemento y agua y compactar la mezcla a la densidad adecuada. Con ello se consigue un firme en conjunto mucho más duradero, con menor susceptibilidad al agua y mayor resistencia a la fatiga. Aquí os dejo un enlace para descargaros la Guía Técnica de IECA sobre reciclado de firmes in situ.

¿Cómo se hace? pues aquí tienes un didáctico vídeo sobre estabilización de suelos con cemento, procedente de la sección de vídeos de IECA. Espero que os guste.